基于PSoC的太陽自動(dòng)跟蹤器，可應(yīng)用在太陽能灶及熱水器上

太陽能系統(tǒng)效率的高低在很大程度上取決于裝置與太陽照射光線的對準(zhǔn)程度。而太陽自動(dòng)跟蹤裝置可有效提高太陽能系統(tǒng)的效率，從而降低光伏系統(tǒng)的成本。本文基于此原理，利用PSoC芯片設(shè)計(jì)了一款太陽自動(dòng)跟蹤與控制系統(tǒng)，通過PSoC對步進(jìn)電機(jī)的精確控制，可使光伏系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤太陽。本轉(zhuǎn)置采用雙軸結(jié)構(gòu)，可在水平和豎直方向上自動(dòng)跟蹤太陽。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、跟蹤誤差小、成本低廉，可廣泛應(yīng)用于太陽能電池板、太陽能熱水器等太陽能設(shè)備上。

1 引言

太陽能作為一種清潔無污染的可再生能源，越來越廣泛的應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ钪?。近年來如何提高太陽能系統(tǒng)的利用效率正受到越來越多的關(guān)注。而太陽能系統(tǒng)效率的高低在很大程度上取決于裝置與太陽照射光線的對準(zhǔn)程度。太陽能自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)置控制光伏系統(tǒng)以自動(dòng)對準(zhǔn)太陽，可有效提高太陽能系統(tǒng)的效率，從而降低光伏系統(tǒng)的成本。

本文設(shè)計(jì)了一種基于PSoC芯片的太陽自動(dòng)跟蹤與控制系統(tǒng)，通過PSoC對電機(jī)的精確控制，可使光伏系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤太陽。本轉(zhuǎn)置將采用雙軸結(jié)構(gòu)，可自動(dòng)檢測太陽的高度角和方位角，并控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)光伏系統(tǒng)跟蹤太陽。

2 控制基本原理

目前較流行的太陽能跟蹤器主要有時(shí)鐘式和比較控制式兩類[1-3]，時(shí)鐘控制式其控制方法是定時(shí)法：根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)變東。該方法雖然電路簡單，但由于時(shí)鐘累計(jì)誤差不斷增多，系統(tǒng)的跟蹤精度很低。

本方案我們采用比較控制的方法來控制光伏陣列跟蹤太陽。利用光敏電阻在光照時(shí)阻值的變化制作成可以檢測太陽位置的傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將五只光敏電阻呈十字形排列。R固定在聚光板的指日棒上，RV1、RV2、RH1、RH2對稱分布在指日棒兩側(cè)。RV1、RV2探測太陽高度角的變化，RH1、RH2探測太陽方位角的變化，太陽光線與太陽能集能器的平面法線不平行時(shí)，傳感器就能檢測出偏差信號。R探測太陽輻照度的變化，當(dāng)太陽的輻照度低于或高于工作照度時(shí)就輸出啟動(dòng)或復(fù)位信號。

系統(tǒng)控制陣列隨光轉(zhuǎn)動(dòng)原理框圖如圖2所示，當(dāng)太陽光線發(fā)生傾斜時(shí)，兩對光敏電阻檢測到陽光的傾斜信號，該信號經(jīng)放大濾波后由控制單元開始計(jì)算并確定整個(gè)裝置需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向及大小，發(fā)出調(diào)整信號進(jìn)而控制并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整光伏陣列直到光伏陣列對準(zhǔn)太陽。

3整體設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由光照度傳感器以及故障檢測傳感器部分(傳感器單元)、控制單元、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。系統(tǒng)完整框圖如圖3所示，傳感器單元主要由光敏電阻及用于故障檢測的風(fēng)大、雨水、振動(dòng)等傳感器及其外圍電路組成，主要實(shí)現(xiàn)將光照度、風(fēng)力變換以雨水檢測等信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號供PSoC芯片進(jìn)行處理;PSoC芯片作為控制核心主要實(shí)現(xiàn)對傳感器部分中光敏電阻傳送過來的信號進(jìn)行分析處理、進(jìn)而控制整個(gè)設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)、以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)三大功能，同時(shí)，該控制核心還將傳感器單元傳送的故障檢測信號進(jìn)行分析并啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)程序以保護(hù)整個(gè)設(shè)備的安全;驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元由步進(jìn)電機(jī)和簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，并通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光伏電池陣列轉(zhuǎn)動(dòng)。

傳感器檢測天亮和天黑、以及是否有云等信息，控制部分決定是否產(chǎn)生開關(guān)信號以啟動(dòng)系統(tǒng)跟蹤檢測功能，在整個(gè)設(shè)備啟動(dòng)后，控制部分經(jīng)過計(jì)算確定整個(gè)設(shè)備應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和大小，進(jìn)而發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光伏陣列轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，在設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定的位置后，控制部分還將檢測此刻光伏陣列是否垂直于太陽光的照射，以確定光伏陣列是否跟蹤上太陽的位置。而保護(hù)信號是保證系統(tǒng)在外界以及其他非人為因素情況下所執(zhí)行的一種操作指令，以確保系統(tǒng)不受損壞，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

3.2 硬件部分實(shí)現(xiàn)

控制部分選用Cypress公司生產(chǎn)的PSoC芯片，PSoC可配置片上系統(tǒng)是該公司在2001年底推出的具有全新理念的可編程微控制器。與傳統(tǒng)的微控制器不同，PSoC 因可動(dòng)態(tài)編程配置而具備傳統(tǒng)微控制器所欠缺的高度靈活性和應(yīng)用廣泛性。因此，PSoC能夠適應(yīng)非常復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制需求，使用它進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率，降低系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和費(fèi)用，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，它適用于各種控制和自動(dòng)化領(lǐng)域

3.2.1 信號處理部分：

該部分主要用于處理由外部的傳感器包括光敏電阻、風(fēng)大傳感器、雨水傳感器以及掉電傳感器等傳過來的信號用以后級的程序判定。各個(gè)傳感器傳過來的信號處理如下圖所示：

(1)光敏電阻信號部分：

經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號用于后級計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)方向及角度，并作為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)大小及方向的基準(zhǔn)。

(2)風(fēng)大傳感器，雨水傳感器等產(chǎn)生的信號經(jīng)由繼電器后連接到PSoC芯片的管腳，當(dāng)相應(yīng)管腳檢測到高電平時(shí)，則啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)程序，將設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的安全位置。

(3)掉電保護(hù)，原理同(2)，不同的是當(dāng)相應(yīng)管腳檢測到高電平時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號。

控制部分：

控制部分主要包括可視化界面以及電機(jī)在收到命令之后如何轉(zhuǎn)動(dòng)的程序部分。

(1)可視化界面部分：

該部分主要由Visual C++實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)長期監(jiān)控整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)是否正常，PC是否接收到了PSoC芯片傳輸過來的故障信號，并進(jìn)行分析是哪種故障，以可視化的形式供給用戶進(jìn)行分析。

(2)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分以及故障信號檢測部分：

該部分主要由前級的光敏電阻信號觸發(fā)，在收到觸發(fā)信號之后，PSoC芯片將啟用儲存在其內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)程序進(jìn)行分析，從而轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的位置。同時(shí)，PSoC芯片還將不停的檢測故障信號，在收到故障信號之后執(zhí)行相應(yīng)的命令。

該部分功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)。流程圖如圖5所示。

3.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分：

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)控制太陽能器件轉(zhuǎn)動(dòng)以朝向太陽，具有控制簡單、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)利用PSoC輸出，其硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

本步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采取的是以PSoC為核心處理器的斬波恒流模式，斬波恒流驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是目前步進(jìn)電機(jī)控制的主流技術(shù)之一，斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補(bǔ)高低壓驅(qū)動(dòng)電路波形呈凹形的缺陷，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定。同時(shí)電機(jī)的高頻響應(yīng)得以提高，共振現(xiàn)象減弱。斬波驅(qū)動(dòng)中，雖然電路較復(fù)雜，但是由于驅(qū)動(dòng)電壓較高，電機(jī)繞組回路又沒有串入電阻，整個(gè)系統(tǒng)功耗下降很多，所以電流上升快。當(dāng)達(dá)到所需要的電流時(shí)，由于取樣電阻的反饋?zhàn)饔?，使繞組電流基本恒定，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩基本恒定。而輸出轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，當(dāng)我們使電機(jī)的繞組電流恒定在一個(gè)較高的數(shù)值時(shí)，就可提升電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

4 機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分

綜合考慮成本，控制精度及制造難易程度，跟蹤器設(shè)計(jì)成立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式。其結(jié)構(gòu)如圖7所示，大齒輪連接于主軸，轉(zhuǎn)動(dòng)架及支架安裝在主軸上，主軸相對于支撐架可以轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接在馬達(dá)的輸出軸上，馬達(dá)1固定在底座上。利用小齒輪副動(dòng)，帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對太陽方位角的跟蹤。支架安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)架，馬達(dá)2安裝在支架上，馬達(dá)2的輸出軸連接在接收器上，控制接收器跟蹤太陽的高度角。

5 總結(jié)

本文基于PSoC為控制核心，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)跟蹤太陽高度角與方位角轉(zhuǎn)動(dòng)的自動(dòng)太陽跟蹤系統(tǒng)，通過PSoC對步進(jìn)電機(jī)的精確控制，可使光伏系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤太陽。該系統(tǒng)跟蹤準(zhǔn)確、成本低、可靠性高、系統(tǒng)性能穩(wěn)定，且具有多重保護(hù)功能，可廣泛應(yīng)用于太陽能灶、太陽能熱水器，太陽能光伏陣列等各種太陽能集能裝置上，對于大型的光伏發(fā)電系統(tǒng)也具有一定的指導(dǎo)意義。