（机械设计及理论专业论文）基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究.pdf

河北工业大学硕上学位论文 基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究 摘要 科学家们公认，太阳能是未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代能源。目 前太阳能利用转化率约为1 0 2 0 。理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收 率相差3 7 ，7 。研究开发太阳能双轴跟踪装置，可以提高太阳能的接收效率，拓宽太阳能的 利用领域。 本文研究的内容是基于球面机构的太阳跟踪装置的控制系统。该跟踪机构采用三自由 度并联球面机构，实现了对太阳高度角和方位角的实时跟踪，冗余自由度增加了系统的刚 度。导出了球面机构的位姿反解，得出机构的输入角，并针对太阳跟踪装置的工作要求， 提出了利用单片机实现实时跟踪的控制方案。系统采用主动式跟踪，即预先计算好对应于 某时刻太阳位置的跟踪机构的输入角度，通过跟踪器上平台不同位置上摆放的光电传感器 感受该太阳位置的光照，反馈回电信号，单片机根据该信号调用子程序发出脉冲对步进电 动机的转动角度和方向进行控制，实现了机构对太阳的自动跟踪，使跟踪装置的上平台始 终处于垂直于光照方向，达到了能量最大限度的接收。控制系统硬件选用a t m e l 公司的 a t 8 9 c 5 1 ( 与i n t e l 公司m c s - - 5 1 系列兼容) 作为控制核心来控制机构的执行部件一一步进电 动机。完成了单片机外围硬件电路的设计和相应的软件的设计。系统驱动器采用了与步进 电机配套的专用集成模块，具有强抗干扰性、高频性能好、结构简单、运行平稳等特点。 关键词：步进电动机，驱动器，8 9 c 5 l 单片机，光电传感器 基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究 s t u d yo nc o n t r o ls y s t e mo fs o l a rt r a c k e rb a s e d o ns p h e r i c a lm e c h a n i s m a b s t r a c t s c i e n t i s t sg e n e r a l l ya c c e p tt h a tf o rm a n k i n dt h es o l a re n e r g yi st h ef i t t e s t ，t h em o s ts a f e ，t h e m o s tg r e e na n dt h em o s ti d e a lr e p l a c e a b l ee n e r g yi nf u t u r e t h ec u r r e n ts o l a re n e r g yc o n v e r t i n g r a t er o u g h l yi s10 4 。2 0 a n a l y s i si n d i c a t e dt h a ta d o p t i n gt h es o l a rt r a c k e rc a ni n c r e a s e3 7 t h er a t eo fr e c e i v i n ge n e r g y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et w oa x e ss o l a rt r a c k e rc a n i n c r e a s et h er e c e p t i o ne f f i c i e n c ya n do p e nw i d e l yt h ee x p l o i t a t i o nr e a l mo ft h es o l a re n e r g y t h es t u d y i n gc o n t e n ti n t h i sp a p e ri sc o n t r o ls y s t e mo fs o l a rt r a c k e rb a s e do ns p h e r i c a l m e c h a n i s m t h ed e v i c ea d o p t sp a r a l l e l3 - d o fs p h e r i c a lm e c h a n i s m ，r e a l i z e dt r a c k i n gt ot h es o l a r a z i m u t ha n da l t i t u d ea n g l ei nr e a lt i m e ，t h er e d u n d a n td e g r e eo ff r e e d o mh a si n c r e a s e ds y s t e m i c r i g i d i t y d e d u c e dt h ep o s i t i o na n dp o s t u r ei n v e r s es o l u t i o no ft h es p h e r i c a lm e c h a n i s m ，g i v e nt h e d e v i c e si n p u ta n g l e a n dt ot h ej o br e q u i r e m e n t sf o rt h es o l a rt r a c k e r , h a v ep u tf o r w a r dt h e c o n t r o ls c h e m eo fm a k i n gu s eo fs i n g l e c h i pc o m p u t e rt or e a l i z et r a c k i n gi nr e a lt i m e t h es y s t e m a d o p t e da c t i v et r a c k i n g ，n a m e l yc a l c u l a t et h ei n p u ta n g l eo ft h et r a c k i n gd e v i c ei na d v a n c e ，t h e a n g l ei sc o r r e s p o n d e n tt ot h es u np o s i t i o ns o m em o m e n t p h o t o e l e c t r i cs e n s o r sr e a c tt h es t m l i g h t t h a tp u t t i n go nd i f f e r e n tp o s i t i o no ft h ep l a t f o r m ，f e e d b a c ke l e c t r i c a ls i g n a l t h e ns i n g l e c h i p a p p l y st h es u b p r o g r a ma n ds e n d so u tp u l s et os t e pm o t o r sa c c o r d i n gt ot h es i g n a l s ，c a nc o n t r o l t h er o t a t ea n g l ea n dd i r e c t i o no ft h es t e pm o t o r t h em e c h a n i s mh a sr e a l i z e dt h ea u t o m a t i ct r a c k t ot h es u n s o 廿1 a tt h et r a c k e r st o pf l a tb o a r dc a nb ea l w a y sv e r t i c a lt ot h es u n l i g h ta n da r r i v et h e f u r t h e s tr e c e i v i n ge n e r g y s y s t e m i ch a r d w a r es e l e c ta t 8 9 c 5i ( c o m p a t i b l ew i t hi n t e lc o m p a n y m c s ，51s e r i e s ) ，i ti su s e da sc o n t r o lc o r et oc o n t r o lt h ee x e c u t i v ep a r t - - s t e pm o t o r h a v e f i n i s h e dt h e d e s i g no ft h ep e r i p h e r a l h a r d w a r ec i r c u i to fs i n g l e c h i pa n dd e s i g no ft h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e t h i sd r i v e ra d o p t e dt h es p e c i a lc o m p o s i t i v em o d u l er e l a t e dt ot h es t e p m o t o r i th a st h ec h a r a c t e ro fs t r o n ga n t i - j a m m i n g ，g o o dp e r f o r m a n c eo fh i g hf r e q u e n c y ，s i m p l e c o n s t r u c t i o na n dr u n n i n gs t e a d i l ye t c k e y w o r d s ：s t e pm o t o r , d r i v e r , 8 9 c 5 1 s i n g l ec h i p ，p h o t o e l e c t r i cs e n s o r 河北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 利用太阳能的意义 长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部 能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3 4 万倍，可谓取之不尽，用之不竭。 其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来 比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和 石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。目前人 类所消耗的能源的70 来自煤、石油、天然气等化石燃料，科学家们公认，太阳能是未来人类最合适、 最安全、最绿色、最理想的替代能源。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相 开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近1 0 多年来，在石油 可开采量日趋见底和生态环境臼益恶化这两大危机的夹击下，人类越来越企盼着“太阳能时代”的到来。 从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用己开 始进入实用阶段。资料显示：太阳每分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量。目前太阳能利 用转化率约为1 0 1 2 。据此推算，到2 0 2 0 年全世界能源消费总量大约需要2 5 万亿立升原油，如 果用太阳能替代，只需要约9 7 万公里的一块吸太阳能的“光板”就可实现。“宇宙发电计划”在理论上 是完全可行的。科学家预言：未来大规模的太阳能开发利用，有可能开辟新能源领域，从而将人类带出 传统的燃火时代”“。 太阳能相对于日益枯竭的化石能源来说，是未来社会的希望所在。它的特点可概括为： ( 1 ) 储量的“无限性” 太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3 7 5 1 0 ”w ，是 极其巨大的。其中到达地球的能量高达i 7 3 1 0 “k w ，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8 1 i 0 ”k w 。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为i 7 3 x1 0 1 x w ，相当于 目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有4 0 亿年，相 对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。相对于常规能源的有限性， 太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能 源匮乏、桔竭的最有效途径。 ( 2 ) 存在的普遍性 虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳 能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能 源问题提供了美好前景。 ( 3 ) 利用的清洁性 l 基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究 太阳能像风能、潮汐能等清洁能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性， 是人类理想的替代能源。 ( 4 ) 利用的经济性 可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不 征收任何“税”，可以随地取用：二是在目前的技术发展水平下，有些太阳利用已具经济性。随着科技 的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。 太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，于常规能源有本质上的区别”1 。人类利 用太阳能，主要在于解决：( 1 ) 时刻跟踪太阳的跟踪装置；( 2 ) 使太阳光聚焦。从而获得高温的集热装 置：( 3 ) 传热、蓄热或能量转换装置。本跟踪装置的研究旨在解决第一个问题，以提高太阳能的接受效 率。理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差3 7 7 。精确地跟踪太阳可使接收器的 热接收率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。 1 - 2 太阳跟踪方式的发展概况 目前太阳f i n n 用最普遍的形式是通过集热器将太阳能转换为热能，为了收集到尽可能多的太阳能， 最好采取跟踪方式，使太阳光收集器的采光面始终对准太阳。跟踪太阳的方法有很多，但不外乎采用这两 种方式：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1 。 】光电跟踪 目前，国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光 电管。在这些装置中。光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴 影区：当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放 大电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便 但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管 上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作。 2 视日运动轨迹跟踪 根据跟踪系统的轴数，视日运动轨迹系统可分为单轴和双轴两种。 ( 1 ) 单轴跟踪 单轴跟踪一般采用：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置。东西跟踪：焦线东西水平布置， 南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理基本相似。图1 1 是第3 种跟踪 方式的原理，跟踪系统的转轴( 或焦线) 东西向布置，根据事先计算的太阳赤纬角的变化，柱形抛物面反射 镜绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线 相垂直，此时热流最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射 光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想“”。 ( 2 ) 双轴跟踪 2 河北工业大学硕士学位论文 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟踪即双轴就 是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度角一方位角式全跟踪。 赤道 图1 1 单轴焦线东西水平布置( 南北跟踪) f i g 1 1u n i a x i a la n d t r a n s m e r i d i o n a lh o r i z o n t a ld i s p o s a l ( s o u t h n o t ht r a c k ) 极轴式全跟踪 极轴式全跟踪原理如图1 2 所示：聚光镜的一轴指向天球北极，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 相同方向相反用以跟踪太阳的视臼运动；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。这种跟踪方式并不复杂，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。 赤纬轴 图1 2 极轴式跟踪 f i g 1 2 a x i a lt y p et r a c k 高度角一方位角式太阳跟踪 高度角一方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪，其原理如图1 3 所示。集热器的方位 轴垂直于地平面另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视目运动绕方位轴转动 改变方位角绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。 这种跟踪系统的特点是跟踪精度离，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设 计比较容易。集热器采光面上直接目射入射角0 由太阳赤纬角6 、太阳时角u 、集热器倾角b 、集热器 方位角y 和试验地的纬度由计算，计算公式如下： c o so = ( s i n6s i n 由c o sb ) - ( s i n8c o s 由s i nbc o sy ) + ( c o s6c o s 由c o sbc o s ) + ( c o s8s i n 由s i n 且c o syc o s 基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究 u ) + ( c o s8s i n0s i nys i n ) 式( 1 ) 中一年内第n 天的太阳赤纬角计算为 6 ：2 3 4 5 s i n 3 6 0 ( 2 8 4 + n ) 、 3 6 5 太 ( 2 ) 图1 3 高度角一方位角式全跟踪 f i g 1 3c o m p l e t e t r a c k o f a l t i t u d e a z i m u t h a n g l e 从式( 1 ) 、式( 2 ) 可以看出。当6 、u 、中确定以后，集热器倾角b 和方位角y 的值决定了直接日射入 射角0 ，因此只要控制集热器的角度使其具有合适的倾角和方位角，就可以保证太阳光线入射角0 为0 ， 从而最大限度地收集太阳光能。 ( 3 ) 地平坐标系跟踪方法的应用 国家太阳能检测中心最近开发了一套太阳集热器性能测试系统，其中就包括了太阳跟踪器。该中心 在集热器性能测试试验中，要求集热器采光面始终垂直太阳光线，入射角偏差不超过5 。，因此需要对太 阳进行实时跟踪。该跟踪器采用地平坐标系跟踪方式，主要由水平回转转台、垂直回转转台、两台步进 电机以及集热器台架组成。集热器固定在台架平面上；水平转台相当于集热器的方位轴，由一台步进电 机驱动，绕垂直于当地水平面的轴旋转，用以跟踪太阳的方位角，其控制流程为：步进电机一谐波减速器 ( 降速增矩、角度细分) 一水平回转转台。减速器的传动比为l ：1 2 0 ，电机转动i 2 0 。时水平转台相应转 动1 。，以步进电机0 3 6 。的步距角计算，当水平转台转动i 。时，步进电机发出1 2 0c i 0 3 6 个脉冲，由 此可以计算集热器方位角为a 时步进电机发出的脉冲数为1 2 0u 0 3 6 个；另一台步进电机驱动同步带 轮带动丝杠螺母旋转，使丝杠进行直线运动，相当于改变俯仰轴转角用以改变集热器的倾斜度，从而跟踪 太阳的高度角，其控制流程为：步进电机一同步带轮( 传递动力) 一丝杠螺母( 旋转运动) 一丝杠( 直线运 动) 。同步带轮与丝杠的传动比为2 ：l ，当步进电机转动i 圈即3 6 0 。时丝杠螺母转动半圈，丝杠相应走 过3 r a m ，由此通过集热器台架的倾角变化计算出丝杠直线运动的距离，再经过传动比换算出步进电机 应转动的角度，根据0 3 6 。的步距角就可以算出相应的脉冲数。跟踪器的结构示意见图1 4 。 该装置是检测中心作试验用的试验主程序流程如图1 5 所示。每当试验时，跟踪器在跟踪太阳前先 得让方位轴和俯仰轴自动回零；然后根据太阳当前位置从零点处自动快速指向太阳：接着每间隔一定时 间，自动调整一次集热器的位置，使其采光面垂直于太阳光线，实现实时太阳跟踪。自动跟踪子程序流程 见图1 6 。其中，z 轴为俯仰轴，x 轴为方位轴。 由于影响跟踪精度的因素很多，不仅跟当地纬度、太阳赤纬角、太阳时角的取值有关，还跟步进电机 4 河北工业大学硕士学位论文 嚣台架 图1 4 太阳集热器跟踪台架 f i g 1 4 t r a c ks h e l f o f c o l l e c td e v i c ef o rs o l a rh o t 的精度以及跟踪转台的机械结构有关，因而需要对跟踪轨迹的程序进行校正。校正采用手动操作，使跟踪 台的两个轴带动集热器转动，同时不断观察日晷的影子，当影子刚好聚为一点时为最佳，记录下从原点到 该点两轴的步进电机各自走过的实际脉冲数，然后依据算法计算两轴的步进电机从原点到该点的理论脉 冲数，根据实际脉冲数与理论脉冲数之差，可算得到角度之差，就是高度角和方位角的修正值。 主程序开始 跟踪台自动回零 实验初始参数设置 k 每多 晤甄表赫 陬蓓秉辱丽 j 流量控制千程序 坐 温度控制千程序 二二 二二二 数据处理平程序 计算太阳当前位置l 垂篆毫江 、焉要之三多 氦蘧指向太阳l q 7 自动调整跟踪对准太阳l | 虬 图1 6 自动跟踪子程序 f i g 1 6s u b p r o g r a mo fa u t o t r a c k 图1 5 试验主流程图 f i g 1 5 m a j o r f l o wc h a r t o f t e s t 校正可以选择任一天中的几个不同时刻进行，得到一组高度角和方位角的校正系数，取其平均值。用 校正系数校正理论值存入控制程序，可以提高跟踪精度。 5 基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究 目前，该太阳跟踪器已投入使用，运行状况良好，跟踪误差不大于2 。 太阳跟踪方法很多，需要根据实际情况来选择跟踪方式。如果跟踪精度要求不高，可以采用单轴跟踪 方式。晴天多光强的地区可以选择光电跟踪方式。对于跟踪精度要求很高，天气情况不是太好的区域， 最好选择双轴跟踪方法。由于国内太阳能开发利用的水平还不是很高，国产太阳跟踪器的精度有待于进 一步的提高。 卜3 一种全自动太阳跟踪器简介 目前，日本、法国、瑞士等许多国家在太阳辐射的业务观测中，都已使用全自动太阳跟踪装置。我国 长期以来一直使用单轴太阳跟踪装置，该仪器存在着跟踪精度不高、误差累积，绕线等一些问题。针对这 种状况，开发了一种智能型全自动太阳跟踪装置。它采用传感器和太阳运行轨迹时间函数相结合的定位 方式，具有全自动，全天候、跟踪精度高、无累积误差、不绕线的优点，填补了国内在该领域的空白，可 以满足太阳辐射观测的需要，大大减轻观测人员的劳动强度。“。 全自动太阳跟踪装置( 见图1 7 ) 具有两个相互垂直的轴，即时角轴和赤纬轴。准直筒与赤纬轴垂直 安装，光电传感器安装在准直筒的底部，用于在光线良好时对太阳进行跟踪，当太阳辐射较弱时，则根据 时间函数对太阳进行跟踪。跟踪时。时角轴带动准直筒实现方位角的改变，赤纬轴带动准直筒实现仰角的 改变。时角轴和赤纬轴的正交运动形成了太阳的跟踪轨迹。因此，全自动太阳跟踪装置实现了自动调节， 以满足全自动太阳跟踪的需要。 执行机构完成赤纬轴和时角轴的转动，是太阳跟踪过程的最终执行单元。由驱动电机和减速机构组 成。减速机构采用了具有世界先进水平的谐波减速结构。谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传 递运动和动力的。它具有传动比大、精度高、空回小、效率高、体积小、传动平稳等优点。 蠹翡糕 6 图1 7 全自动太阳跟踪装置外形图 f i g 1 7o u t l o o k o f i n t e l l i g e n ta u t o m a t i cs o l a r t r a c k i n g d e v i c e 摹于球面机构的太陌裸凉装置控制系统的研究 目前，该太阳跟踪器己投入使用，运行状况良好，跟踪误差不大于2 。 太阳跟踪方法很多，需要根据实际情况米选择跟踪方式。如果跟踪精度要求不高，可以采用单轴跟踪 方式。晴天多光强的地区可以选择光电跟踪方式。对于跟踪精度要求很高，天气情况不是太好的区域。 最好选择双轴跟踪方法。由于国内太阳能开发利用的水平还不是很高，国产太阳跟踪器的精度有待于进 一步的提高“1 。”1 。 卜3 一种全自动太阳跟踪器简介 目前，日本、法罾、瑞士等许多国家在太阳辐射的业务观测中都已使用全自动太阳跟踪装置。我国 长期以来一直使用单轴太阳跟踪装置，该仪器存在着跟踪精度不高、谡差累积，绕线等一些问题。针对这 种状况，开发了一种智能型全自动太阳跟踪装置。它采用传感器和太阳运行轨迹时间函数相结合的定位 方式，具有全自动、全天候、跟踪精度高、无累积误差、不绕线的优点，填补了国内在该领域的空白。可 以满足太阳辐射观测的需要大大减轻观襁i a 员的劳动强度”。”。 全自动太阳跟踪装置( 见图1 7 ) 具有两个相互垂直的轴，即时角轴和赤纬轴。准直筒与赤纬轴垂直 安装，光电传感器安装在准直简的底部，用于在光线良好时对太阳进行跟踪，当太阳辐射较弱时则根据 时间函数对太阳进行跟踪。跟踪时，时角轴带动准直筒实现方位角的改变，赤纬轴带动准直筒实现仰角的 改变。时角轴和赤纬轴的正交运动形成了太阳的跟踪轨迹。园此，全自动太阳跟踪装置实现了自动调节， 以满足全自动太阳跟踪的需要。 执行机构完成赤纬轴和时角轴的转动，是太阳跟踪过程的最终执行单元。由驱动电机和减速机构组 成。减速机构采用了具有世界先进水平的谐波减速结构。；皆波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传 递运动和动力的。它具有传动比大、精度高、空回小、效率高、体积小、传动平稳等优点。 递运动和动力的。它具有传动比大、精度高、宅回小、效率高、体积小、传动平稳等优点。 淼瓣辕 6 图1 7 空白动太阳跟踪装置外形图 f i g 1 7 0 u t l o o k o f i n t e l l i g e n ta u t o m a t i cs o l a r t r a c k i n g d e v i c e 河北工业大学硕士学位论文 太阳轨迹的跟踪是由控制机构控制电机的转动来实现的。对太阳位置的跟踪，决定了电机的转动角 度是一个些具有马氏性的过程，即电机的转动角度与且只与上时刻的位置呈时间函数关系。并且由于 l 要求跟踪精度优于0 2 。，所以对于电机的转动必须予以精确的控制，这样就决定了选用步进电机是一 个较佳的方案。选用步进电机时，必须根据实现跟踪所需要的扭距来计算电机功率。首先计算末端传动 轴所受的实际扭矩，再根据减速倍数和传动效率估算出所需电机的扭矩。步进电机的步矩角在太阳跟踪 中是一个关键参数，步矩角与减速倍数的比值决定了理论上的最高控制精度。在设计过程中考虑了电机 与减速器的体积、综合成本等因素。 程序在控制机械机构的同时，确定机械机构的基准位置是十分必要的。在系绕运行过程中，偶尔掉电 是可能的，导致系统在加电时无法确定当前的机械位置，会产生严重的错误；另外，日落后系统也需按原 路线返回到基准位置，以避免电缆的缠绕和减少机械加工精度而产生的累积误差，所以系统本身要求有 一个确定的基准位置。同时，为了避免故障状态造成仪器的连续圆周运动而损坏仪器，设计了极限位置限 制装置。整个定位系统由定位盘、限位开关、光电开关组成。在全自动太阳跟踪装置上安装遮光装置的 目的是为了测量太阳的散射辐射，它是借助于该遮光装置把太阳直接辐射从传感器上遮去。 1 - 4 本课题主要研究的内容及意义 太阳跟踪装置的研究是提高太阳能利用率的一种重要途径。研究精确的太阳跟踪装置，可使接收器 的热接受率大大提高，进而提高太阳能装置的利用率，拓宽太阳能的利用领域。本文所介绍的控制系统 采用a t 8 9 c 5 1 单片机作为控制芯片十分适用于太阳跟踪装置，表现在：主要控制参数通过设置寄存器 变量来实现，修改方便 成本低廉，性能与相对简单的太阳跟踪系统匹配：数字化的控制系统，可以达 到较高的精度，并有可能通过串行通信实现远程监控和模块化处理：可处理多个中断，系统运行后可能 出现以前没有考虑到的特殊情况，相应的扩充对策十分简单。 本课题的主要研究内容： 1 分析太阳跟踪装置的结构特点和运动分析及可能的工作状态，提出合理的控制策略。 2 根据所需完成的任务选取控制芯片，并分析系统的软硬件需求。 3 根据所提出的控制策略设计控制系统，选择合适的控制执行部件即步进电机。 4 根据软硬件需求和芯片资源进行软硬件设计，选取恰当的传感器，编制控制程序，实现精确跟踪。 7 基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究 第二章太阳跟踪装置的机构的设计及运动分析 2 - 1 新型太阳跟踪装置 本文提出的新型跟踪装置基于球面机构。球面机构是各转动轴线相交于一点的空间机构，由于其具 有结构紧凑，灵活可靠等诸多优点，因而在工业中得到广泛的应用。新型跟踪装置采用的是球面3 自由 度并联球面机构( 3 一褂汛球面机构) 。 图2 1 典型球面机构 f i g 2 1 t h et y p i c a ls p h e r i c a l3 - d o fp a r a l l e lm e c h a n i s m 图2 1 所示为典型球面机构“，上下角台由3 个转动副运动链相联，所有转动副轴线皆汇交于一点， 这一点就是球面机构的转动中心，转动的上角锥绕转动中心相对固定的下角锥转动，上下角台的两个底 面为等边三角形，各角锥3 个侧面夹角分别相等。典型球面机构下角台的三个支链间隔均为1 2 0 0 ，并 且每个支链的结构参数完全相同，具有较好的对称性，并且刚度较高。因此新型太阳跟踪装置采用典型 球面机构。 三自由度并联球面机构的9 个转动副轴线相交于一点o ，该点称为该并联机构的转动中心，因此该 机构任何杆件上任点都通过该点与转动中心之间联线而被约束，而且杆件间的相对运动是以通过该机 构中心的轴线为转轴的转动运动，运动的上棱锥台通过三个分支与固定的下棱锥台相联接，上棱锥台相 对下棱锥台具有三个转动自由度。该机构是一种并联结构，可以用作机器人的腰、腕、肩、髋等关节“， 可用于机床加工( 如工件的定位等) 、卫星天线的空间方位跟踪系统等等 2 - 2 三自由度并联球面机构的参数及特点 2 - 2 1 并联机构参数的选取 根据并联机构结构的对称性原则，该机构的机构参数为四个角度参数口l ，口2 ，i ，厦。如图2 2 所示： 河北工业大学硕士学位论文 图2 2三自由度并联球面机构的结构参数 f i g 2 2 t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f t h es p h e r i c a l3 - d o fp a r a l l e lm e c h a n i s m f o a 届 口】 口2 + 2u 口1 一( 口2 + 岛) 口1 + 岛u 口2 一( 口l + 岛) 1 8 0 。一届 根据前期对该球面机构的性能进行研究，利用保角变换理论将球面机构工作空间“”在平面中表示。 工作空间是机构末端执行器上的参考点所能到达的工作区域范围，工作空间可分为几种：全工作空间、 可达工作空间、灵活工作空间和次工作空间等等。全工作空间是指参考点在所有姿态下所能到达点的集 合，它往往被表达为一个体积；可达工作空间或称为最大工作空间是指在参考点至少在一个姿态下所能 到达的点的集合；灵活工作空间是指参考点以任意姿态都能达到的点的集合；次工作空间是指参考点在 可达工作空间内其姿态受限制的点的集合。在分析串联球面机构可达工作空间”“的基础上，得出给 定机构参数的并联球面机构的可达工作空间和可达工作空间面积性能图谱，得出对应于不同灵活度s 的 灵巧工作空间和灵巧工作空间面积性能图谱“”“，结论表明，在给定机构参数屈，2 的情况下，口l ， 口，越是靠近9 0 0 ，其可达工作空间和灵巧工作空间面积越大；利用雅可比矩阵对机构进行奇异位形分 析，得出几种特定机构参数的奇异位形。最后，选择机构参数为口，= 9 0 。，口2 = 9 0 。，屈= 6 0 。， ，= 6 0 。的球面机构。 2 - 2 2 并联球面机构的结构特点 本实用新型机构提出目的在于克服现有技术中的不足之处，而设计出一种跟踪范围大，刚度高的双 轴太阳跟踪装置。太阳能利用设备普遍存在着接受效率不高的问题，理论研究表明，采用跟踪集热装置 始终与太阳光垂直，比不采用跟踪能量的接受率提高3 7 7 。该新型机构与现有技术相比具有如下的优 点： 1 装置具有较高的刚度。由于太阳跟踪装置可能会在野外恶劣的自然条件下工作，并且考虑到增 咛 基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究 大太阳能接受器的受热面积从而导致太阳能接受器的重量增加，因此该装置应具有较高的刚度。机构采 用三自由度球面机构，结构紧凑，三条运动支链协调控制跟踪装置的上平台运动，并且冗余的自由度可 以提高机构的刚度。 太阳能双轴跟踪装置是对时轴和季轴的跟踪”“，即对太阳每天自东向西运动和每年往返于南北回归 线的运动的跟踪，机构只须两个自由度就能完成所需的动作。球面并联机构有3 个自由度，冗余的自由 度可咀增加系统的刚度，这对增大太阳能接受板的面积和在恶劣的野外环境下作业是很有意义的 2 具有较大的跟踪范围。由于太阳在夏季每天从日出到日落超过1 2 小时，因此对太阳每天自东向 西运动的跟踪应该超过1 8 0 。，该装置在运转时，其上平台的运动是围绕着球面机构的球心作球面运动， 在考虑到电机固定处对整个装置运转的干涉的前提下，仍能满足跟踪范围要求，并且能够实现对太阳赤 经运动和赤纬运动这两种运动的跟踪。 3 该装置可以分别采用被动式跟踪和主动式跟踪两种控制方式，完成对太阳运动的跟踪。 2 - 3 三自由度并联球面机构的结构设计 2 - 3 1 机构的结构设计 新型太阳跟踪装置采用三自由度并联球面机构，球面机构的下平台与机架固定，上平台固定太阳能 接受装置，整个机构由3 个步进电机驱动，通过对3 个步进电机的协调控制，可以实现对太阳方位角和 高度角两个方向的实时跟踪。太阳跟踪装置球面机构的结构示意图如图2 3 所示 图2 3 三自由度并联球面机构结构示意图 1 下角台2 电机13 连杆14 连杆45 上角台6 连杆5 7 连杆68 连杆29 连杆31 0 电机31 1 电机2 f i g 2 3t h em e c h a n i c a lm o d e lo fs p h e r i c a l3 - d o f p a r a l l e lm e c h a n i s m 1 b o t t o mc a p es e t2 m o t o l13 l i n k e r14 l i n k e r4 5 t o pc a p es e t 6 l i n k e r5 7 l i n k e r 68 l i n k e r 29 l i n k e r 31 0 m o t o r31 1 m o t o r 2 实际使用时，在三个步进电机和各连杆相连接的地方均需另加减速器装置，否则步进电机所要驱动 的载荷过大，那么所选取电机的结构尺寸过大增加了整个机构的尺寸，势必成本过高。采取有效的跟踪 1 0 河北工业大学硕士学位论文 方式即可实现对太阳的实时跟踪。对太阳的被动式跟踪和主动式跟踪均适用本新型机构，考虑到三自由 度并联球面机构的反解较机构的正解容易，因此对于本机构更适用于主动式跟踪。在太阳能接收器的平 板上各不同位置安装光敏传感器，当太阳相对接受器运动，使光敏传感器的接受光强变化，控制器接受 到信号后控制步进电机运动，使得太阳能接受器重新对准太阳，实现对太阳的双轴跟踪。 2 - 3 2 机构结构参数 对于图2 , 3 所示的模型，其各部分参数如下表所示。这些参数的得来是通过在s o l i d w o r k s 里建模 并装配，然后以+ t m t t x t 文件格式导入a d a m s 进行仿真和分析的。在a d m a s 中选择材料，a d m s 会自动生成各部件的结构参数，如下表所示 表2 1球面机构各部件的结构参数 t a b l e 2 1s t r u c t u r a lp a r a m e t e ro fs p h e r i c a l3 - d o fp a r a l l e lm e c h a n i s m 质量 半径 构件对质心轴的转动惯量( k g 聊m 2 ) 名称 ( k g ) ( m ， ) i 。 i 口 ，抬 连杆1 0 2 9 51 6 07 8 0 3 57 6 80 63 】6 0 连杆2 0 2 9 51 6 03 1 6 07 8 0 3 57 6 8 0 6 连杆3 0 2 9 51 6 03 1 6 07 6 8 0 67 8 0 3 5 连杆4 0 2 8 71 6 89 5 0 0 99 3 5 2 4 3 8 3 0 连杆5 0 2 8 71 6 83 8 3 09 5 0 0 99 3 5 2 4 连杆6 0 2 8 71 6 83 8 3 09 5 0 0 99 3 5 2 4 上角台4 3 9 0 1 7 6 7 0 0 1 7 7 01 3 8 7 i 9 49 3 52 4 另外再拟定上角台上的负载即接收器部分质量为5 k g 。 2 4 三自由度并联球面机构的位姿反解 2 4 一l 几何关系的推导 如图2 , 4 所示，此机构由3 条3 r 运动链相接，所有运动链轴线皆汇交于中心0 点，分别与动静平 台的三个铰点构成上下两对顶角锥，两角锥的底面三角形a l a 2 a 3 和e 岛马都是等边三角彤，下上角 锥相邻两棱边夹角分别为n 和儿。这里固定坐标系为0 一x o y o z o ，z o 轴为过中心0 点的垂直轴，它通 过下角锥底面三角形的中心h 点，x o 轴与下角锥边o b 及z o 决定的平面相垂直，圪月口在z o o b t 平面 内。棱边0 马与z 。轴的夹角届为 s i n 最：2 _ l s i n 且( 2 1 ) 基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究 y w ( a ) 图2 4 三自由度并联球面机构分析 ( a ) 机构简图 ( b ) 角锥分析 ( b ) f i g 2 4 m e c h a n i s ma n a l y s i so f t h es p h e r i c a l3 一d o fp a r a l l e lm e c h a n i s m ( a ) t h es i m p l ef i g u r eo f m e c h a n i s m( b ) c a p ep e d e s t a la n a l y s i s 当已知运动角锥d k 巧的侧面角，由球面解析理论公式中的正弦一余弦公式。3 1 可得 的相邻侧面之间的夹角占 一( j rc r + c rs r 勺) = s r ( 2 2 ) 式中，s ，= s i n7 ，0 = c o s ? 勺= c o s o ( 2 - 3 ) 2 - 4 2 矢量磁、的方向余弦 如图2 5 所示，上下角锥经由3 个3 r 运动链相连，运动链的中间轴形是求解关键，为此将有关的 矢量方向表示为单位球面上的多边形，图中的弧线均为大圆弧，弧上示出的数字为所对中心角角度，图 中标明两个分支的彤及，求彬及对坐标系o - x o v o z o 的方向余弦。“。应用球面解析方法，标 出序号1 ，2 。3 ，4 和4 。 1 联的方向余弦： 在四边形4 3 2 1 上暇对甄的投影分量为墨，则 t = 玛= s e t 屯 ( 2 4 ) 召表示相对于一写方向，则聋1 与一r o 的夹角为衫2 - , a l ，对k 的投影分量为召，则 彬y = 一( z ；) = 一( c 州2 一且c 。，一占州2 一反j q c 马) 彬r = c x ；, s 口。一。 ( 2 5 ) 1 2 l 一一 勺 河北工业大学硕士学位论文 图2 5 球面多边形 f i g 2 5s p h e f i c a ip o l y g o n 哥与z o 的夹角为7 z 一p l ，啊在z o 上的投影为z 3 ， 则 彬z = z 3 = c # - b ) c 幽一s # - 6 i 占嘶c o , 啊z = 一c 岛c 明一s 且j c 黾，( 2 - - 6 ) 2 暖的方向余弦 这里第二分支所在平面磊鸲- 与z o o b , 的夹角占= 1 2 0 。由球面四边形4 32 1 ，得磁在凰轴的投影 砚= z 3 2 = $ 2 1 ( 墨j 2 + 巧c 2 ) 十c 2 1 2 3 ( 2 - 7 ) 式中s 2 。，c 2 1 分别为第一和第二轴之问夹角的余弦和正弦，5 2 ，c 2 分别为关于第二轴转角0 2 的正弦和 余弦。石，写，写和z 3 2 为球面解析第推法的符号。同时，对应四边形4 3 2 1 中的外角绣为一碰”。 石= s 4 2 矗= 一j ， 巧= 一( s 3 2 c 4 3 + c 3 2 s 4 3 c 3 ) = 一( s f 一届c 固+ c f 一 s 唧c b 2 ) = 一s 岛c + c 岛5 q c o , 1 石= 一嘞岛= c ，- , a i c 一s - 口1 5 c b l = 一c a c + s a l