太陽追蹤系統(tǒng)控制器的設計與應用
余濤，馬立新， 陳國平，劉和勇
（上海理工大學電氣工程系，上海200093）
摘要：為提高太陽能板接收能量的效率，設計了一種日光垂直追蹤系統(tǒng)的電機控制方法。該方法與傳統(tǒng)的使用單片機控制的步進電機控制系統(tǒng)不同，其利用fpca實現(xiàn)對步進電機的控制。根據(jù)步進電機的運轉特點，設計了步進電機控制算法，運用直接數(shù)字式頻率合成器( dds)技術，實現(xiàn)了對步進電機在各種運行模式下加減速、正反轉及精確定位的控制仿真，其性能穩(wěn)定可靠。同時，利用fpca提供的可配置資源，在應用中，可以用同一塊fpca芯片對多臺電機進行控制，從而大幅度降低光伏發(fā)電的成本。采用fpca來實現(xiàn)的太陽追蹤系統(tǒng)能有效提高太陽板的光電轉化效率，并具有較廣泛的應用前景。
關鍵詞：太陽追蹤系統(tǒng)；步進電機；多電機控制
中圖分類號：tm383.6文獻標識碼：a文章編號：1673-6540(2010)03-0022-04
0 引 言
太陽追蹤系統(tǒng)是通過兩組光電傳感器（東西、南北各一組）傳回的電壓差信號經過微處理器的分析和計算，再利用微處理器輸出的信號來對電機進行控制，從而使電機作相應調整，使太陽能電池板能夠做接近于半球面的旋轉來對太陽進行追蹤，使太陽能電池板能夠更多地接收太陽光輻射，實現(xiàn)對太陽能更加充分地吸收利用。
當太陽垂直射到太陽能電池板上時，電池板吸收的光照疆度****。但是，傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電裝置是將太陽能電池板固定在預先制作好的支架上，太陽能電池板只能面向一個方向，使太陽能的利用率大大降低。有鑒于此，研究設計了追日性能良好的太陽追蹤發(fā)電系統(tǒng)，所設計出的裝置，除了必須能承載太陽電池面板，也要能讓面板在空間中做接近半球面的立體轉動，如此才能完全追蹤白天太陽在天空中的位置，從而可以使總體發(fā)電量得到提高。此系統(tǒng)可以提高照射能量密度，取得光照的****量，以及在相同的發(fā)電量下使用較少的太陽電池以降低發(fā)電成本，因此****研究發(fā)展前景。
1 追蹤系統(tǒng)的框架及步進電機的控制原理
該系統(tǒng)所設計出的系統(tǒng)架構，使用兩臺步進電機作為驅動源來設計出追日性能良好的太陽追蹤裝置，此機構為能做接近半球面立體轉動的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)中，欲實現(xiàn)大陽能****效率的利用，關鍵是對步進電機的精確控制，從而達到對太陽的準確追蹤。由于太陽能追蹤系統(tǒng)要作接近半球的立體轉動，因此步進電機在不同的時候需要作正轉或反轉運動；另外由于很難做到對太陽的實時追蹤，這里采用的是間歇式追蹤，當光電傳感器傳回的電壓差值達到一定值時電機才進行姿態(tài)調整，使電機作定位運行。因此，作為太陽能追蹤系統(tǒng)的重要組成部分，本文主要分析三相步進電機的控制系統(tǒng)。
在目前的應用中，步進電機的控制和驅動大多采用單片機加上1塊驅動芯片來實現(xiàn)。但是由于單片機本身資源的限制，一片單片機能夠控制的電機數(shù)目有限，另外考慮到未來太陽能發(fā)電場的規(guī)模，為了盡可能地降低發(fā)電成本，有必要用一塊芯片同時對多臺電機進行控制，因此選用fpca來實現(xiàn)對電機的控制。
系統(tǒng)中，涉及到兩臺步進電機，考慮到兩臺電機的控制機理是相同的，先設計一臺電機的控制系統(tǒng)，另一臺電機的控制系統(tǒng)可以直接在fpga中映射實現(xiàn).
2步進電機控制系統(tǒng)設計與仿真分析
系統(tǒng)設計中，在fpca中使用vhdl[6]語言編程實現(xiàn)步進電機的加減速、保持控制、正反轉控制，以及對步進電機的精確定位，來實現(xiàn)系統(tǒng)對太陽的準確追蹤。電機控制系統(tǒng)的頂層電路見圖2。
圖2中，clk為時鐘信號，此信號由fpga內部時鐘信號分頻獲得；datain為頻率控制字，改變datain的大小能夠改變步進電機的速率；dir為步進電機轉向控制信號；mode為步進電機運行模式選擇信號，這里步進電機可作三相單三拍、三相雙三拍、三相六拍轉動；dw為定位起動信號；d為定位的步數(shù)；outputabe為三相波形輸出。
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