太阳自动跟踪系统剖析

绪论
21世纪是太阳能时代。

在未来的40年中，人类可以实现100%的可再生能源供电。

不再需要中东的石油、西伯利亚的天然气以及澳大利亚的铀。

实际上，目前在我们家门口就已经获得了未来能源的载体:太阳、风力、水力、地热能，以及来自农田和林地的生物能。

根据欧盟报告，2050年全球能源供给分配应当为:40%太阳能，30%生物能，巧%风能，10%水能，5%原油。

报告论述了如何达到这种经济、环保、和平并且可持续的能源供给状态。

跨国石油公司，比如壳牌、惠普等，已经在向着这种能源供给状态发展。

地球上的万物生长都依赖于太阳的存在，太阳给我们提供了巨大的能量源，地球上大部分的能源归根结蒂也来自于太阳。

比如石油、煤炭等化石能源都是过去的动植物通过吸收太阳能不断的生长，后来这些动植物被掩埋在土壤下形成的能源，这其实是太阳能一种形式的转换，并被存储了下来，直到今天被人类开采使用。

太阳能开发利用的潜力是相当巨大，据统计，全世界人们一年所使用的能量总和仅仅相当于太阳辐射到地球能量的数万分之一。

在化石能源即将枯竭的未来，在未来能源方面，太阳能给人类带来新的生机。

太阳在一天中不断改变位置，这造成太阳能存在着密度低、间歇性的特点，且光照方向和度随时间不断变化。

传统太阳能电池板固定在一个角度，不能时刻工作在最大效率处，而采用双轴太阳能跟踪系统的太阳能电池板在功率保持一定的情况下可以提升36% 的发电量，提高太阳能的利用率。

第一章跟踪系统的控制方案
目前光跟踪技术主要是两种方法:1.视日运行轨道跟踪方法。

2.光电自动跟
踪方法。

1.1视日运行轨道跟踪
视日运行轨道跟踪技术是一种根据理论计算的太阳运行的轨迹而采取的一
种跟踪技术，根据跟踪的方位它主要分为两种:单轴跟踪和双轴跟踪。

1.1.1单轴跟踪
单轴跟踪分为三种方式:1.倾斜布置东西追踪;2.焦线南北水平布置，东西跟踪;3.焦线东西水平布置，南北跟踪。

它们跟踪原理是相同，即电池阵列绕单一轴转动，其转动方向为自东向西或者南北方向，自东向西单轴跟踪方式是跟踪太阳方位角变化，驱动电池阵列转动，使电池阵列方位角与太阳方位角相同。

这类跟踪方式结构简单，控制容易，在光照强度大和光照相当稳定的地方实施这类跟踪方式比较适宜。

但这类跟踪方式存在一个最大缺点是除了正午这个时刻外在其他时侯不能保持电池阵列接收光辐射面与太阳光线垂直，这样大大降低了光的吸收效率，造成了能量的流失大，影响了整个光伏发电的效率。

1.1.2双轴跟踪
双轴跟踪是一种全方位的跟踪技术，它弥补了单轴跟踪的不足之处，目前视日运动轨迹的双轴跟踪主要分为两种方式:极轴跟踪方式，高度一方位角太阳轨迹跟踪方式。

极轴跟踪方式:是聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴;另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。

工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。

这种追踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。

高度一方位角太阳轨迹跟踪是一种地平坐标系统跟踪方式，它是当今比较先进的一种跟踪方式，跟踪精度较高。

高度一方位角跟踪方式通过计算具体地点和具体时刻的太阳运动轨迹(高度角和方位角表示运行轨迹)，根据光伏电池阵列的具体位置，先沿着垂直轴转动弥补方位角偏差，然后沿水平轴转动弥补高度角偏差，以保证电池阵列与太阳运行轨迹一致。

这种方式受天气季节性影响较小属于一种理论计算轨迹程序控制跟踪方式。

由于理论计算轨迹与实际运行轨道误差小，因此该跟踪方式跟踪精度较高，这种方式缺点是受跟踪系统机械影响比较大，在系统长期运行或者外力影响造成机械误差后，会造成跟踪偏差变大，影响了跟踪精度。

1.2光电自动跟踪
光电跟踪技术是利用光信号强度的变化转化成电信号大小的变化，这种变化差异作为一种感知输入来控制跟踪装置跟踪太阳的一种技术。

目前，光电自动跟踪装置根据传动方式分类有:重力式跟踪装置、电磁式跟踪装置、电动式跟踪装置、压差式跟踪装置和控放式跟踪装置等。

光电跟踪是通过光传感元件如光敏电阻、硅光电管等接受太阳光，由于太阳运动，造成太阳光入射角度的变化，这样通过多个相同类型的光传感器敷设到不同方位，使得传感器之间产生偏差信号值，此信号经过放大后，输入到控制系统单元，控制单元计算位置偏差值，然后控制跟踪系统驱动装置调整电池阵列位置保持它与太阳光垂直。

这种方式的优点是跟踪精度高，实时跟踪性能好，它反映了实际跟踪情况，受机械偏差影响小。

缺点是受天气季节气候影响大，天阴的情况下，光传感元件效果差，极容易产生误差，严重的情况下，会造成驱动装置误动作。

第二章跟踪控制系统设计
在太阳光的采集过程中，为了能够最大效率地采集太阳光，要求太阳能板始终与太阳保持一个最佳角度，因此必须跟踪太阳。

常见的跟踪控制系统，按照被控制量对控制量是否存在着反馈可分为闭环、开环和混合控制方式。

闭环控制能够通过反馈来消除误差，但感光元件在稍长时间段内接收不到太阳光会导致跟踪系统的失效，甚至会引起执行机构的误动作;开环跟踪虽然在任何天气下都可以正常工作，但是在跟踪过程中产生的累积误差自身并不能消除;混合控制方式结合了两者的优点并克服了两者的缺点，能够得到最佳的控制效果。

第三章跟踪控制系统硬件电路
3.1控制电路
本文以AT89C52为主控制器，实现了一种混合控制，系统示意图如图1所示。

主要电路份为三部分:单片机、键盘显示接日芯片和日历时钟芯片之间的通信电路;以光敏电阻为感光元件的反馈电路;单片机控制步进电机的驱动电路。

3.1.1控制单元AT89C52
控制部件选择ATMEL公司生产的AT89C52型单片机。

AT89C52是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有4KB的flash可编程可擦除只读存储器，它采用CMOS 工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。

AT89C52是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。

3.1.2日历时钟芯片DS1302
DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302，它具有实时时钟和31字节的静态RAM，采用串行通信，可方便地与单片机接口。

DS1302可提供秒、分、时、日、星期、月和年，并带闰年补偿，可采用12h或24h方式计时，采用双电源：主电源和备用电源供电。

3.2传感器
使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电动机的正反转。

由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。

这里介绍的是将 4 个完全相同的光敏电阻分别置于太阳光接收器的东西南北方向，负责检测这四个方向的光源强度。

如果太阳光垂直照射在太阳能电池板板上，东西( 南北) 两个光敏电阻所接收到的太阳强度相同，其阻值完全相同，此时电动机不转动。

当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，再经过运算放大电路和信号调整芯片输出电压，从而驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。

其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。

光电模块检测的俯视图，其由 5 只光敏电阻组成。

正中央一只，旁边四只围成一圈。

第四章跟踪系统机械部分
太阳跟踪装置的载体是太阳能电池板，电池板面积比较大，带动它所需力量较大，考虑到跟踪平台在输入功率较小的情况下带动较大的电池板工作，机械结构又对会聚光线的强度存在影响等因素，跟踪平台机械部件设计一般应满足一下要求：
(1)光伏发电太阳跟踪装置的机械执行机构能够进行大范围的跟踪，其跟踪范围要求大于或等于太阳的运动范围，并要避免极限位置锁死；当跟踪平台在运动载体上运行时，载体的运动不确定，可能朝各个方向行驶，相对于跟踪平台来说，太阳的运动变得更加复杂。

所以跟踪平台两个方向的跟踪范围应该设置的较大，以应对可能出现的情况。

(2)光伏发电太阳跟踪装置的机械执行机构还要有较好的防风性。

跟踪平台一般用于固定安装的场合，或者安装在中低速运送的载体上（太阳能车、船），实现对太阳能双维大范围自动跟踪。

在高速运动的载体上工作，如果遇到很大的逆向风，采用防风性能一般的平台，极有可能导致平台被吹动或者吹翻，无法进行正常运转工作；采用能够自锁的机构，如锅轮传动或者螺旋传动机构，遇到逆风情况，跟踪平台不会被风吹动或者吹翻，保持正常运转。

(3)较大的输出功率，工作能耗小于给定值；综合各种传动结构，齿轮传动具有传动比准确、传递扭矩大的优点；以上两种传动比都较大，能在使用功率较小的普通电机的同时传递足够大的动力，比较适合在中低速运动载体上运行的需求；但这两种结构在传动时存在间隙，没有谐波传动跟踪精度高。

(4)结构紧凑，可靠性高；如果系统的结构比较松散，长期逆风工作变形会较大，刚性降低，提高刚性需要加固结构或者使用刚性好的材料，这些都会使成本增加，而且传动部件的性能易受到影响，跟踪装置的寿命及可靠性降低。

此外，应尽量简化加工工艺，进一步提高跟踪装置性价比。

4.1机械结构简图
步进电机、轴承和箱体等未画出
4.2机构受力
太阳能电池板面积为100mm ⨯80mm ，面积较小，所以忽略风力影响，则整个机构受外力为太阳能电池板自身重量10kg ，竖直向下。

太阳能电池板重力产生的转矩
)2/(cos b a mg T +⨯⨯=θ
θ为太阳能电池板与竖直方向夹角
a 为齿轮4到太阳能电池板距离
b 为太阳能电池板宽度
则最大转矩为
=⨯⨯⨯=⨯+⨯=--22max 10558.91010)2/3040(mg T 5.39M N ⋅
第五章驱动单元设计
5.1步进电机
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。

永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。

用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。

一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。

此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

（1）步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

（2）静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

（3）电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。

5.2步进电机选择
5.2.1步进电机1选择
太阳能电池板重力产生的最大转矩
=⨯⨯⨯=⨯+⨯=--22max 10558.91010)2/3040(mg T 5.39M N ⋅
所以步进电机1最小转矩为5.39M N ⋅，考虑到其他因素步进电机1静力矩略大于太阳能电池板重力产生的最大转矩。

步进电机选用性能较好86BYG 系列永磁两相混合式步进电机，选用森创公司 85BYG250C-SAFRBC-0302两相4线制步进电机，该电机采用整步驱动方式，脉冲移动角度整步方式的1.8度。

整步驱动方式在任一时刻只有一相通电，驱动方式的驱动相
序:B B AA BB A A ''''→→→
85BYG250C-SAFRBC-0302结构
5.2.2步进电机2选择
水平方向不受力，对转矩要求较小。

所以选择：型号: 46BYG001
相数: 2
电压/V: 12
相电流/A: 0.09
步距角(°): 1.8
步进角误差(%): ±3
每转步数: 200
静态转矩/(N·m): 2×10^(-2)
定位转矩/(N·m): 3.4×10^(-3)
5.3步进电机驱动
5.3.1驱动器驱动
步进电机有专用的驱动器，如SH-20809N,SH-20803N,SH-20504,SH-21006等。

85BYG250C-SAFRBC-0302选择使用SH-21006C驱动器驱动。

5.3.2驱动芯片驱动
SGS公司的L297单片步进电机控制集成电路适用于双极性两相步进电机或四相单极性步进电机的控制，与两片H桥式驱动芯片L298组合，组成完整的步进电机固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动器。

L297产生四相驱动信号，用以控制双极性两相步进电机或四相单极性步进电机，可以采用半步、两相励磁、单相励磁三种工作方式控制步进电机，并且控制电机的片内PWM斩波电路允许三种工作方式的切换。

使用L297突出的特点是外部只需时钟、方向和工作方式三个输入信号，同时L297自动产生电机励磁相序减轻了微处理器控制及编程的负担。

L297具有DIP20和SO20两种封装形式，可用于控制集成桥式驱动电路或分立元件组成的驱动电路。

L297主要由译码器、两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出逻辑控制组成，其内部结构图如图所示。

L297另一重要组成是PWM斩波器控制相绕组电流，实现恒流斩波控制，以获得良好的转矩-频率特性。

每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器以及外接采样电阻组成(见图2)内部设有一公共振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号，脉冲频率是由外接的RC网络决定，当时振荡器脉冲使触发器置“1”，电机绕组相电流上升，采样电阻RS的电压上升到基准电压Vref时，比较器翻转，使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡器脉冲的到来。

这样，触发器输出是恒频的PWM信号，调制L297的输出信号，绕组相电流峰值由Vref决定。

CONTROL信号用以选择斩波信号控制。

当它为低电平时，斩波信号作用于两个禁止信号，高电平时，斩波信号作用于A、B、C、D信号。

前者适用于单极性工作方式，而对于双极性工作方式的电机，这两种控制方式都可以采用。

利用L297的SYNC
引脚可实现多个L297同步工作，其连接方式如图3所示，只将RC网络接于一芯片上，而其余芯片的OSC引脚均接地，这样可避免接地杂波的引入问题。

SGS公司的L298芯片是一种高电压、大电流双H桥功率集成电路，可用来驱动继电器、线圈、直流电机和步进电机等感性负载。

它具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。

每桥的三极管的射级是连接在一起的，相应的外接线端可用来连接外设传感电阻。

可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。

采用L297和L298实现的步进电机驱动电路见图4，该电路为固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动方式，适用两相双极性步进电机，最高电压46V，每相电流可达2A。

用两片L298和一片297配合使用，可驱动更大功率的两相步进电机。

L297和L298的步进电机驱动电路图
软件设计当程序进入到非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强迫程序回到初始状态。

如对CPU的RST指令对应的字节码为0FFH，如果不用的程序存储区预先写入0FFH，则当程序因干扰而“飞”到该区域执行代码时，就相当于执行1条RST指令，从而达到系统复位的目的。

第六章总结
本文在参考前人工作成果的基础上，提出了一种对太阳能进行自动记忆跟踪控制的方法。

本系统是以AT89C52单片机为控制核心的自动控制系统，利用光电跟踪和记忆跟踪相结合的方法跟踪太阳光，使得太阳能电池板的发电效率得以较大提高。

本人主要作了以下的研究工作：
(1)详细研究和比较了目前国内外常用的几种太阳能跟踪控制方法的优缺点，选择了以宏晶单片机为控制系统的核心。

分析了光电跟踪、程控跟踪等跟踪的优缺点。

经过对比分析研究，最终采用了光电跟踪与记忆跟踪模式相结合的方法，使得系统的跟踪更加完善。

在光线较好时，采用光电跟踪模式；当光线被云彩遮挡或阴雨天时，采用记忆跟踪模式；两种模式可以自动切换以保证跟踪的精度。

(2)在比较各种型号的单片机及本系统的具体要求，本着节约成本的原则，最终选择了ATMEL公司的AT89C52单片机作为控制核心。

选用5个光敏电阻作为光电检测装置，放置于东、南、西、北四个方向和中间上，分别用于检测各个方向的光线强度。

五个光敏电阻处于一个屏蔽管里且相互隔离，以实现对太阳位置的精确判定。

(3)本系统在工作过程中不需要经纬度信息支持，只需要在安装伊始校正跟踪装置即可。

当然系统的工作需要高精度的时钟信号，本文采用了DS1302高精度时钟芯片，若时钟有了偏差，可通过按键手动调整即可。

(4)选用了两个细分驱动器来分别控制两个方位的步进电机，细分驱动器既可以使得步距角更小亦可使得步进电机获得合适的驱动能力。

从而使CPU的控制更加容易实现，电路更加简单。

(5)低压检测处理，可以保证系统在电压过低或断电一段时间后，电源又恢复正常供电状态时，系统可以进行快速调整，以保证供电恢复时跟踪系统可以在很短的时间对准太阳光线。