光伏发电智能追日系统的设计（含全套CAD图纸） .pdf

光伏发电智能追日系统的设计i摘 要人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁， 太阳能作为一种新型能源具有储量无限，普遍存在，利用清洁，使用经济等优点。但是太阳能又存在着低密度， 间歇性，空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一些列太阳能设备对太阳能的利用率不高。光伏发电智能追日系统解决了太阳能利用率不高的问题。本文对追日系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分的设计。第一，机械部分设计：机械结构主要包括底座，主轴，齿轮等，当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 通过减速器带动 z 向主轴转动，实现水平方向跟踪，同时控制信号驱动步进电机 2 带动齿轮 1，齿轮 1 带动齿轮 2 和 y 向主轴转动，从而使太阳能电池板实现垂直方向转动，通过步进电机 1，步进电机 2 的共同工作实现对太阳的跟踪。第二，控制部分设计：主要包括信号转换电路，单片机系统和电机驱动电路等。系统采用电压检测模式实现对太阳的跟踪。将太阳能电池板用两块遮光板隔开，当太阳能电池板接受的光强度不同时，输出电压不同，通过比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。关键词:太阳能,跟踪,单片机,步进电机光伏发电智能追日系统的设计iiabstractthe humanity is facing fossil fuel depletion and so on petroleum and coal threatenseriouslies, the solar energy takes one kind of new energy to have the reserves infinite, theuniversal existence, the use is clean, merits and so on use economy, but the solar energy hasthe low density, the intermittence, the spatial distribution changes unceasingly theshortcoming, this causes the present some row solar energy equipment not to be high to thesolar energy use factor. the light bent down the electricity generation intelligence to pursuethe date system to solve the solar energy use factor not high problem. this article to pursuedthe date system to carry on the machine design and the automatic tracking loop control sectiondesign.first, the mechanical part of the design :mechanical structure including a base , spindle, gear , etc., when the suns rays to deviatefrom the control part to issue control signals to drive stepper motor driven by reducer z tospindle rotation, the horizontal direction tracking , while controlling the signal to drivestepper motor a driven gear , the gear a drive gear 2 and y rotation to the spindle , so that thesolar panels perpendicular to the direction of rotation by a stepper motor , stepper motor worktogether to achieve the tracking of the sun .second , the control part of the design :including the signal conversion circuit , microcontroller and motor driver circuit . thesystem uses a voltage detection mode to achieve the tracking of the sun . solar panels will beseparated by a two shade when the light intensity is not accepted by the solar panels at thesame time , the output voltage signal is sent to the microcontroller through the comparisoncircuit drive a stepper motor , solar panels to the sun tracking.keywords:solar energy, tracking , microcontroller, stepper motor光伏发电智能追日系统的设计iii目录1.绪论. 11.1 课题来源.11.2 课题目的.11.3 课题意义.11.4 国内外研究现状与发展趋势.31.5 研究内容.41.6 研究方案.52.系统机械部分设计. 62.1 机械部分工作原理.62.2 转矩计算.62.3 电机选型.72.4 减速器设计.122.5 轴的结构设计.172.6 齿轮设计.183.机械零件的校核及选用.263.1 联轴器的选用.263.2 轴承的分类及选用.263.3 键的分类及选用.274.系统控制部分设计. 294.1 单片机的选型.294.2 单片机外部接线设计.304.3 单片机控制方案.315.结论.345.1 结论.345.2 展望.34光伏发电智能追日系统的设计iv参考文献.35致谢. 35光伏发电智能追日系统的设计11. 绪论1.1课题来源本课题来自科研课题和社会需要， 是设计一种自动调节太阳能电池板角度以加强对光能的利用率的系统，基于单片机控制，实现太阳角的测量、步进电机的驱动，可实现自动控制，精确定位等功能，显著提高太阳能光伏组件的发电效率。1.2课题目的太阳能是资源丰富、无污染的能源替代品，如何提高对太阳能的利用率逐渐成为了各国关注和研究的焦点。太阳能的利用主要存在以下问题：首先，太阳能虽然资源非常丰富，但能量比较分散，集中在某点的能量较少，并且太阳光照的方向决定了较长时间内不可能在固定方向一直获取较大的能量；第二，太阳能受环境条件的制约，只有在白天太阳光线较好的情况下，才能获得稳定的太阳能；第三，太阳能电池板的转换效率不高， 目前世界上太阳能电池板的转换效率最高也只有 30， 而国内使用的转换效率大都在 20左右1。追日跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳， 使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，与固定式相比，追日跟踪系统将增加大于 35%的太阳辐射接收量，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率2。1.3课题意义随着人类发展的速度加快，社会现代化、能源化的进步，世界各国各地对能源的消耗量和需求量越来越大，对能源的开采也越来越凶猛，已经达到了肆无忌惮，完全不顾虑可再生和环境问题了，造成了世界范围内的能源危机，而能源危机直接影响到了人类的发展延续，如果在地球上所有储备的化石能源(石油、煤炭等)消耗完之前找到可以替代的大规模绿色安全能源，不要说人类文明的停滞，出现战争也是不可避免的。因此，能源危机现在不仅仅是当今世界关注的热点问题， 还已经成为了各国发展的焦点问题了3。按照可持续发展的目标模式， 我们不能单靠消耗矿物原料来维持口益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力十对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独光伏发电智能追日系统的设计2特优势的太阳能具有能源巨大， 接收面广， 供应几乎无时间限制， 具有广阔的开发前景，在人类能源科学尚未出现突破性进展的前提下，这几乎就是最绿色有效的能源了4。太阳能有以下几点好处:（1） 普遍性太阳光照射的面积散布地球大部分角落，除了南北极外几乎不会有死角，而在平均太阳照射最强烈的赤道上，又大多数地带是海洋，属于世界上可以共同开发的地区， 不会出现什么技术垄断，地域端争端的问题5。（2） 永久性太阳的寿命安全期就有 50 亿年，因此几乎不用考虑其寿命，即可以视太阳能为永久能源。（3） 无污染性现今使用最多的矿物能源(石油、 煤炭、 木材等)， 滋生的问题几乎都是废物的处理，所谓物质不灭，能源消耗越多，产生污染也急剧增加，太阳能则无危险及污染，在人与自然和平共处的原则下，使用太阳能最和谐6。煤炭、石油等矿物燃料产生大量有害气体和废渣，而使用太阳能则不会带来污染，不会排放出任何对环境不良影响的物质， 是一种清洁的能源。 不过， 大量的使用太阳能，由于太阳能的充分利用，结果会使环境的温度稍微升高，但是放射到地球的太阳能总量是一定的， 人类保留太阳热量达不到温室气体的效果， 所以不致对环境造成不良影响7。（4） 太阳能安全可靠性核能发电会有核泄漏的危险，一旦核泄漏了便会造成极大的生态危机，而太阳能绝没有这种情况，是十分可靠的。（5） 节省运输费用太阳能发电如果能普及，那么除了极少的地区，大部分城市和农村都可以有自己的太阳能发电基地，节约了大量的管道线路架设、维护、防盗费用，就算主要传输线路被切断，或者交通、通讯被切断，只要太阳还能照射到这里，那么生产生活就可以继续维持，也是人类文明安全系数提高的表现8。太阳能是“取之不尽，用之不竭”的，无污染的可再生能源。在人类出现之前到现在这很长一段时间内，太阳能大部分从我们身边溜走，只有及少的转化为化学能保留了下来，但人类就依靠这亿万年以来残留的极少部分能源发展到了现在。随着科学技术的飞速发展，太阳能逐渐被开发利用，并已成为最有发展前景的环保光伏发电智能追日系统的设计3能源之一。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，该系统的目的是为了更充分的利用太阳能，提高太阳能的利用率而进行的智能追日系统的研究与发展，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时，太阳能又是一种无污染的清洁能源，大力发展太阳能，对节约能源，保护环境也具有重大的意义9。太阳能是一种低密度，间歇性，空间分布不断变化的能源10，这样的特点对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。 尽管各国相继研发出一系列的太阳能装置如太阳能热水器，太阳能干燥器，太阳能电池等等，但是太阳能的利用还远远不够，究其原因， 主要是对太阳能的利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高对太阳能的利用率，仍为国内学者研究的热点问题，解决这一问题可以从以下两个方面着手11，一是提高太阳能装置对太阳能量的转换率，二是提高对太阳能的接受效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者则可以利用现有的技术来解决。光伏发电智能追日系统为解决这一问题提供了可能。1.4国内外研究现状与发展趋势虽然我国有着十分丰富的太阳能资源，尤其是西部地区由于地理位置较好，太阳辐射总量很大，但是我国的太阳能事业还处于起步阶段，现在也只是开发了一些小型的太阳能设备。比如：太阳能热水器，太阳灶，太阳能热发电系统和小型太阳能光伏发电系统，这些太阳能设备只能满足一小部分人的需要12。在太阳能跟踪方面，我国在 1997 年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接受效率提高了。19998 年美国加州成功的研究了 atm 两轴跟踪器13，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量， 使效率进一步提高。 2002 年 2 月美国亚利桑那大学退出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大扩宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994 年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器完成了单向跟踪。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是可以概括为以下两种：一种是光端追从方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开光伏发电智能追日系统的设计4环的程控系统14。1.5研究内容（1） 课题预计达到的目标通过对市面上一经出现的相关同类产品以及国内外的各种专利进行研究与分析， 从使用的实用性，可行性，简易性出发，以减少制造成本，增加可利用性，满足后续设计研发和创新的目的，设计一个基于单片机控制的光伏发电追日系统，能够通过电机的驱动、各部分传动机构的传输以及单片机技术的控制，实现由单片机控制的太阳能电池板自动旋转与俯仰，以达到提高光能利用率的功能。与此同时，通过本次设计对自动追日系统有一定的了解，清晰了自动追日系统结构设计全过程及工作特点，运用所学知识解决设计中问题，达到综合训练的目的，提高独立工作能力，巩固所学知识，并有所进步，增强机械创新设计的能力。跟踪器实现自动跟踪的原理如图 1-1 所示，当太阳光线发生偏移的时候，太阳能电池板产生电压，经过 a/d 转换，将信号传递给单片机，单片机通过计算输出控制信号驱动步进电机 1 带动轴 1 运动，并通过齿轮传递给轴 2 使得转动架与太阳能电池板转动，同时控制信号驱动步进电机 2 带动轴 3 使得电池板做俯仰运动， 从而实现太阳能电池板角度的自动控制。图图 1-11-1 智能追日系统控制结构框图智能追日系统控制结构框图（2） 电机类型电动机按用途可划分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机可划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。光伏发电智能追日系统的设计5控制用电动机可划分为步进电动机和伺服电动机。（3） 传动机构机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有目的地加以利用。我们主要用的传动机构有齿轮传动、带传动、链传动以及滚珠丝杠副传动等。（4） 控制系统电气控制方面主要分为 plc 控制和单片机控制。plc 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。单片机是一种集成电路芯片， 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 cpu 随机存储器 ram、只读存储器 rom、多种 i/o 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。1.6研究方案（1） 通过资料查阅与分析， 了解技术的国内外现状和发展趋势 （对国内外技术及现有产品进行对比分析）；（2） 分析设计要求，比较几种可行的传动方案性能；（3） 按所需要求， 对智能追日系统进行整体规划 （包括智能追日系统的传动方式、模块化设计等）；（4） 确定各个机构的类型并进行具体设计（包括零件尺寸设计、零件材料选择）；（5） 制定机械结构的加工工艺路线；（6） 完成电气控制部分设计 （包括供电方式、 控制顺序、 单片机程序及接线图 ） ；（7） 绘制图纸；（8） 完成设计说明书。光伏发电智能追日系统的设计62. 系统机械部分设计2.1机械部分工作原理图图 2-12-1 工作原理图工作原理图机械部分工作原理：工作时，步进电机 1 通过减速器带动 z 向主轴旋转实现太阳能电池板的水平旋转，步进电机 2 通过齿轮传动带动 y 向主轴旋转实现太阳能电池板的俯仰。2.2转矩计算由 ug 软件测得，支架的体积为 2749253.629867941 mm3，又 45 号钢密度为7.85g/cm，则质量为 21.528415444 kg，太阳能电池板的质量为 20kg。当太阳刚升起或落下是太阳能电池板处于最低处，力矩最大，受力图如图所示： 将太阳能电池板简化成一质点，则电池板与支架的重力ng420。光伏发电智能追日系统的设计7图图 2-22-2 受力分析图受力分析图由图 2-2 受力分析图可得方程：187cosfrlmg（2-1）可求得 f=138.4n。将力矩转换到电机轴上mnfrt43. 721（2-2）转动惯量6 . 31021223gldwj（2-3）2.3电机选型电动机的类型根据动力源和工作要求选用步进电机。步进电机作为执行元件， 是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用16。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角） 。光伏发电智能追日系统的设计8可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机按照工作原理可分为反应式（磁阻式） 、永磁式和混合式（永磁感应式）步进电动机。利弊权衡，从体积、价格以及总的传动比等考虑，电机 1 决定采用110rb121-604 型号的系列二四相混合式步进电机，因为反应式（磁阻式）步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁且动态性能较差，电动机升温较高。而永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，虽然动态性能好，断电是有自锁能力，但制作成本较高。其转子又受磁钢加工的限制，因而步矩角较大，要求与之配套的驱动电源有细分功能。之所以选择 110rb121-604 型电机是因为该电机性能良好，可以满足要求。并且混合式（永磁感应式）步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，定子和转子的导磁又与反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式。该类型电动机的特点是输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低。具有较高的性能/价格比，在现代工业生产中有广泛的应用。110rb121-604 型电动机的主要性能参数如表 2-1 所示表表 2-12-1 110rb121-604110rb121-604 电动机主要性能参数电动机主要性能参数技术参数型号步距角机身长额定电流相电阻相电感保持转矩转动惯量重量110rb121-6041.81216.00.6810850004.5110rb175-6041.81756.00.721312.584009.5110rb220-6041.82206.00.812181260012110rb250-6041.82506.00.920221680013.5光伏发电智能追日系统的设计9110rb121-604 型电动机的外形尺寸如图 2-3 所示图图 2-32-3 110rb121-604110rb121-604 型电动机外形尺寸型电动机外形尺寸步进电机 2 选择 130bygh3170-6003a 型，负载转矩为 0.0425，其主要性能参数如表 2-2 所示表表 2-22-2 130bygh3170-6003a130bygh3170-6003a 电动机主要性能参数电动机主要性能参数130bygh3170-6003a 型步进电机机械尺寸如图 2-4 所示型号电压电流电阻电感保持转矩定位转矩引线转子转动惯量重量机身长vamhn.mn.mg-2cmkgmm130bygh3170-603a8035061.7514.6230.632500013.5170130bygh3199-603a8035062.018250.833000016.5199130bygh3226-603a8035062.3022351.033500017.5226130bygh3280-603a8035063.029451.234550022280光伏发电智能追日系统的设计10图图 2-42-4 130bygh3170-6003a130bygh3170-6003a 型步进电机机械尺寸型步进电机机械尺寸频距特性：图图 2-52-5 130bygh3170-6003a130bygh3170-6003a 型步进电机频距特性型步进电机频距特性光伏发电智能追日系统的设计11图图 2-62-6 130bygh3199-6003a130bygh3199-6003a 型步进电机频距特性型步进电机频距特性图图 2-72-7 130bygh3226-6003a130bygh3226-6003a 型步进电机频距特性型步进电机频距特性图图 2-82-8 130bygh3280-6003a130bygh3280-6003a 型步进电机频距特性型步进电机频距特性光伏发电智能追日系统的设计122.4减速器设计2.4.1确定减速器总传动比及其分配：减速器总传动比选择20/工作机电机nni（2-4）式中i传动装置总传动比电机n步进电机转速，单位 r/min工作机n工作机的转速，单位 r/min2.4.2计算传动装置的运动和动力参数：（1） 各轴的输入功率：电机轴kwnmp5109 . 860/0425. 002. 0260/21（2-5）轴 1kwpp5410723. 899. 099. 0109 . 81轴联（2-6）轴 2kwpp54121084. 68 . 099. 099. 010723. 8联轴蜗（2） 各轴的转速：电动机min/02. 0rnm轴 1min/02. 01rnnm轴 2min/101/312rinn（3） 各轴的输入转矩：电动机轴光伏发电智能追日系统的设计13mnnptddd4975.4202. 0/109 . 89550/95505（2-7）轴 1mnnpt652.4102. 0/10723. 89550/95505111轴 2mnnpt22.653101/1084. 69550/9550352222.4.3蜗轮蜗杆的设计计算：（1） 选择蜗轮蜗杆类型，材料，精度：根据 gb/t10085-1988 的推荐， 采用渐开线蜗杆(zi)蜗杆材料选用 45 钢， 整体调质，表面淬火，齿面硬度 4550hrc，8 级精度，标准保证侧隙 c。（2） 计算步骤：1）按接触疲劳强度设计：设计公式 mmzzktdmhe2221225. 3（2-8）1选1z,2z:取21z。40101/02. 02/32112nnzz（2-9）2z在 3064 之间，故合乎要求。初估82. 0。2涡轮转矩2t：mmnitt68309802. 0/82. 02010723. 81055. 95612（2-10）3载荷系数 k:因载荷平稳，查表取 k=1.1。4材料系数ez：查表aempz1565许用接触应力h：查表取h=220mpa光伏发电智能追日系统的设计14720120001101606032hljnn（2-11）3 . 372010108787nzn（2-12） mpazhnn7262203 . 3（2-13）612dm： mmzzktdmhe17.24944022015625. 36830981 . 125. 3222212（2-14）7初选2m，1d的值：查表取 m=6.3，1d=63。17.249447.250012dm8导程角：3 .112 . 0arctan2 . 06323 . 6tan11dmz（2-15）9滑动速度sv：smndvs/107 . 63 .11cos10006002. 063cos100060511（2-16）10啮合效率由smvs/107 . 65查表的161v896. 0236. 0/2 . 0)8 . 13 .11tan(3 .11tantantan1v（2-17）11传动效率：取轴承效率99. 02，搅油效率98. 0382. 098. 099. 0845. 0321mmnitt3 .68467002. 0/82. 02010723. 81055. 9561212检验12dm的值： 47.25003 .24984022015625. 33 .6846701 . 125. 3222212zzktdmhe光伏发电智能追日系统的设计15原选参数满足齿面接触疲劳强度要求。2）确定传动的主要尺寸：mmm3 . 6，mmd631，21z，392z1中心距mmmzd35.1542)393 . 663(2)(21（2-18）2蜗杆尺寸：分度圆直径1dmmd631齿顶圆直径1admmhddaa6 .75)3 . 6263(2111齿根圆直径1fdmmhddff88.47)2 . 01 (3 . 6263211导程角30993247.11tan右旋轴向齿距mmmpx78.193 . 614. 31齿轮部分长度1bmmzmb04.84)3906. 011(3 . 6)06. 011(21取mmb9013涡轮尺寸：分度圆直径2dmmmzd7 .245393 . 622齿顶高mmmhhaa3 . 613 . 62齿根高mmmchhaf56. 73 . 6)2 . 01 ()(2齿顶圆直径2admmhddaa58.2302 . 13 . 627 .2452222齿根圆直径2fdmmchmddaf8 .3642 .19384)(222导程角30993247.11tan右旋轴向齿距mmmppxx78.193 . 614. 312涡轮齿宽2bmmdba7 .566 .7575. 075. 012齿宽角9 . 063/7 .56/)2/sin(12db3）热平衡计算：估算散热面积 a光伏发电智能追日系统的设计16275. 175. 17053. 010035.15433. 010033. 0maa（2-19）验算油的工作温度it室温0t：通常取20。散热系数sk：cmwks2/20。cctakptsi8045.73207053. 0208 . 5)87. 01 (1000)1 (100001（2-20）油温未超过限度。4）润滑方式：根据smvs/84. 4，查表采用浸油润滑，油的运动粘度smcv/1035040262.4.4蜗轮蜗轮轴的结构设计：1）蜗轮轴的设计：1选择轴的材料：选取 45 钢，调质，硬度 hbs=230，强度极限mpab600，由表查的其许用弯曲应力mpab5512最小直径估算：npcd3min（2-21）c 查机械设计手册得60c471011084. 636035mind根据机械设计选48mind3确定轴各段直径和长度：蜗轮轴最下端与轴承配合701d2d与蜗轮配合，取772d3d为轴肩，用于定位齿轮，取873d4d与轴承配合，取704d光伏发电智能追日系统的设计175d与联轴器配合，取505d2）蜗杆轴的设计：1选择轴的材料选取 45 钢， 调质处理， 硬度 hbs=230， 强度极限mpab650， 屈服极限mpas360，弯曲疲劳极限mpa3001，剪切疲劳极限mpa1551，对称循环变应力是的许用应力mpab601。2最小直径估算：1202. 010723. 836035minnpcd取30mind蜗杆和轴做成一体，即蜗杆轴。2.5轴的结构设计z 向主轴主要起支撑与传递旋转运动的作用，最下端与联轴器相连，上端通过焊接与支撑板相连。轴的各段直径与长度如图 2-9 所示图图 2-92-9 z z 向轴各段直径与长度向轴各段直径与长度y 向主轴主要起传递俯仰运动的作用，两端通过键连接与太阳能支撑架相连。轴的各段直径与长度如图 2-10 所示光伏发电智能追日系统的设计18图图 2-102-10 y y 向轴各段直径与长度向轴各段直径与长度2.6齿轮设计2.6.1齿轮材料选择：选用直齿圆柱齿轮传动，由于速度不高，故选用 8 级精度（gb 10095-88） 。选择小齿轮材料为 45 钢（调质后表面淬火） ，硬度为 45hrc，选择大齿轮材料为 45 钢（调质后表面淬火） ，硬度为 45hrc。根据齿面硬度值，对工业齿轮，通常按 mq 级质量要求，查机械设计手册得小齿轮11120hlimmpa，1360flimmpa大齿轮21120hlimmpa，2360flimmpa2.6.2计算步骤：（1） 按齿根弯曲强度计算齿轮模数（单位 mm）m：1321fsnmmdfpktymc az（2-22）式中ma弯曲强度螺旋角系数mc配对材料系数k载荷系数，常用值1.2 2k fsy复合齿形系数光伏发电智能追日系统的设计191z小齿轮齿数d齿宽系数1t小齿轮转矩（n m）fp许用弯曲应力（mpa）确定公式内的各计算数值：工件转速较低，要求有一个较大的转速比，小齿轮齿数尽量取小。所以初定小齿轮齿数201z。根据步进电机的选型，转速等要求，初选齿数比25. 1i。小齿轮传递的转矩即步进电机输出的转矩mnt43. 7。齿宽系数在20.2 0.61adbau范围内取值，初定5 . 0a螺旋角系数12.6ma （螺旋角0 ）配对材料系数1mc （钢对钢）复合齿形系数4.3fsy许用弯曲应力11360fpflimmpa；22360fpflimmpa模数4 . 03602013 . 443. 72 . 16 .125 . 032nm故取模数为 4。又201z，25. 1i，所以252025. 112ziz，取252z中心距90422520221mzza（2） 主要尺寸与参数：小齿轮分度圆直径：mmmzd8020411大齿轮分度圆直径：mmmzd10025422光伏发电智能追日系统的设计20小齿轮齿顶高：mmhhma4411小齿轮齿根高：mmmhf8 . 442 . 12 . 11齿轮全齿高：mmhhhfa8 . 88 . 44111小齿轮齿顶圆直径：mmhddaa8842802111小齿轮齿根圆直径：mmhddff4 .708 . 42802111大齿轮齿顶高：mmhhma4412大齿轮齿根高：mmmhf8 . 442 . 12 . 12齿轮全齿高：mmhhhfa8 . 88 . 44222大齿轮齿顶圆直径：mmhddaa108421002222大齿轮齿根圆直径：mmhddff4 .908 . 421002222齿轮宽度：10.5 8040dbdmm取240bmm，150bmm（3） 按接触强度验算传递功率能力：hpapk p（2-23）式中：hpp许用传递功率ak使用系数p传递的功率由于工作特性均匀平稳，所以取使用系数1ak 齿轮的传递功率5109 . 81p光伏发电智能追日系统的设计21所以，齿轮的传递功率551 8.9 108.9 10ak pw 。（4） 许用传递功率：2222123422hhhhhlimwxnthpvehlimc cccz z zpk z s（2-24）系数1hc，是考虑小齿轮转速和齿数比对齿面接触强度的影响。其值由下式计算31152.4 101hucnu1.108系数2hc， 是考虑节点区域、 重合度和螺旋角对齿面接触强度的影响。 当20n时，查机械设计手册得20.21hc。系数3hc，是考虑齿宽、小轮分度圆直径，以及齿向载荷分布和齿间载荷分配情况对接触疲劳强度的影响。其值由下式计算261310hhhbdckk（2-25）式中：hk齿向载荷分布系数hk齿间载荷分配系数查机械设计手册得1.36hk，1.2hk所以，263110 105100.7431.36 1.2hc系数4hc，是考虑齿面间的润滑状况（润滑油粘度、节点线速度和齿面粗糙度）对齿面承载能力的影响。选用润滑油粘度250100/vmms，查机械设计手册得，40.79hc取接触疲劳强度1120hlimmpa光伏发电智能追日系统的设计22齿面工作硬化系数wz，是考虑经光整加工的硬齿面小齿轮，在运转过程中对调制钢大齿轮齿面产生冷作硬化，从而使大齿轮的许用接触应力得到提高。查机械设计手册得，1wz。尺寸系数xz，是考虑齿轮的尺寸大小等因素对齿面接触强度的影响。查机械设计手册得，1xz。接触强度寿命系数ntz，是考虑齿轮工作寿命长短对许用接触应力的影响。其值查取机械设计手册，由应力循环次数ln查得。计算应力循环次数60lnnat式中：n齿轮转速a齿轮每转一周同侧齿面的接触次数t齿轮工作时数8160 24.448 1 (24 300 10)1.056 10n 8721.056 101.65 106.4n取接触疲劳寿命系数10.98ntz，21.11ntz使用系数vk，是考虑大、小齿轮啮合振动产生的内部附加动载荷的影响。其值按下式计算2112211001atvk fbkz vukku（2-26）式中，常数139.07k ，20.0193k 圆周力112000 7.432000185.7580ttfnd光伏发电智能追日系统的设计23圆周速度51 13.14 80 0.028.37 10/60 100060 1000d nvm s将齿宽150bmm，使用系数1ak ，小齿轮数121z ，齿数比6.4u 等值代入上式，得1.11vk 。弹性系数ez，是考虑材料弹性模量 e 和泊松比 v 对齿面应力的影响。查机械设计手册得，12189.8ezmpa。接触疲劳强度的最小安全系数hmins。在一般工作条件及失效概率为 1%的情况，最小安全系数1hmins。将上述各值代入hpp计算式，得2222221.108 0.21 0.743 0.79 1120110.981.11 189.815.21hppkwhpapk p，验算结果安全。（5） 按抗弯强度验算传递功率的能力：fpapk p（2-27）许用传递功率12342ffffflimntfpvfsflimc c c cypk y s（2-28）系数1fc，是考虑小齿轮齿数和转速、法向模数对齿根抗弯强度的影响。其值按下式计算421110.524 10fncz m n（2-29）0.673系数2fc，是考虑重合度和螺旋角对齿根抗弯强度的影响。当20n时，查机械设计手册得21.4fc光伏发电智能追日系统的设计24系数3fc，是考虑齿向载荷分布和齿间载荷分配情况对齿根抗弯强度的影响。其值按下式计算3332110hfccd（2-30）所以，3320.743100.067105fc系数4fc，是考虑齿根圆角、齿根表面状况和尺寸对齿根弯曲强度的影响。其值按下式计算4freltrrelxcyyy（2-31）式中：relty相对齿根圆角敏感系数rrely相对齿根表面状况系数xy尺寸系数查机械设计手册得，41 1 11fc 取弯曲疲劳极限360flimmpa抗弯强度的寿命系数nty，是考虑齿轮工作寿命长短对许用弯曲应力的影响。查机械设计手册得，10.91nty，20.97nty。复合齿形系数fsy，是考虑齿形、齿根圆角引起的应力集中，以及齿根处的压应力、切应力等对齿根应力的影响。查机械设计手册得，11.56fsy，21.75fsy。安全系数1.4flims将上述各值代入fpp计算式，得光伏发电智能追日系统的设计2512 0.673 1.4 0.067 1 360 0.9115.781.2 1.56 1.4fppkw 12 0.673 1.4 0.067 1 360 0.9715.001.2 1.75 1.4fppkw 1fpp、2fpp均大于ak p，验算结果安全。光伏发电智能追日系统的设计263. 机械零件的选用3.1联轴器的分类及选用联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。 挠性联轴器又可按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。（1）刚性联轴器这类联轴器有套筒式、夹壳式和凸缘式等。凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器联成一体，以传递运动和转矩。凸缘联轴器的材料可用灰铸铁或碳钢，重载时或圆周速度大于 30m/s 时应用铸钢或碳钢。由于凸缘联轴器属于刚性联轴器，对所联两轴的相对位移缺乏补偿能力，故对两轴对中性的要求很高。当两轴有相对位移存在时，就会在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化，这是它的主要缺点。但由于构造简单、成本低、可传递较大转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时亦常采用。（2）挠性联轴器这类联轴器因具有挠性，故可补偿两轴的相对位移。但因无弹性元件，故不能缓冲减振。在本系统中采用凸缘式联轴器， 它具有结构简单， 成本低， 可传递较大转矩的特点。3.2轴承的分类及选用3.2.1轴承的主要分类及用途（1） 深沟球轴承最具代表性的滚动轴承，用途广泛，可承受径向负荷与双向轴向负荷，适用于高速旋转及要求低噪声、低振动的场合。主要用途：汽车：后轮、变速器、电气装置部件，仪表、内燃机、建筑机械、铁路车辆、装卸搬运机械、农业机械、各种产业机械。（2） 角接触球轴承套圈与球之间有接触角，标准的接触角为 15、30和 40，接触角越大轴向负荷能力也越大， 接触角越小则越有利于高速旋转， 单列轴承可承受径向负荷与单向轴向负荷。主要用途：单列：机床主轴、高频马达、燃汽轮机、离心分离机、小型汽车前轮、差速器小齿轮轴。光伏发电智能追日系统的设计27双列：油泵、罗茨鼓风机、空气压缩机、各类变速器、燃料喷射泵、印刷机械。（3） 圆锥滚子轴承该类轴承装有圆台形滚子，滚子由内圈大挡边引导，设计上使得内圈滚道面、外圈滚道面以及滚子滚动面的各圆锥面的顶点相交于轴承中心线上的一点， 单列轴承可承受径向负荷与单向轴向负荷，双列轴承可承受径向负荷与双向轴向负荷，适用于承受重负荷与冲击负荷，按接触胸（）的不同，分为小锥角、中锥角和大锥角三种型式，接触角越大轴向负荷能力也越大。主要用途：汽车：前轮、后轮、变速器、差速器小齿轮轴。机床主轴、建筑机械、大型农业机械、铁路车辆齿轮减速装置、轧钢机辊颈及减速装置。（4） 推力球轴承由带滚道的垫圈形滚道圈与球和保持架组件构成，与轴配合的滚道圈称做轴圈， 与外壳配合的滚道圈称做座圈。双向轴承则将中圈秘轴配合，单向轴承可承受单向轴向负荷，双向轴承可承受双向轴向负荷（二者均不能承受径向负荷） 。主要用途：汽车转向销、机床主轴。3.2.2轴承选型系统决定采用深沟球轴承，深沟球轴承的内外圈滚道都呈圆弧状深沟，沟道半径略大于球半径。主要用于承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷。当轴承的径 向游隙加大时，具有角接触球轴承的功能，可承受较大的轴向载荷，而且适用于高速旋转。 轴承在外壳孔和轴相对倾斜 816时，仍可正常工作。3.3键的分类及选用3.3.1键的分类（1） 平键联接。它具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，因而得到广泛应用。键的两侧面是工作面，它来传递扭矩，但不能承受轴向力，不能对轴上的零件起到轴向固定的作用。按键构造分，有圆头（a 型 0、方头（b 型）及单圆头（c 型）三种，常用的材料为 45 号钢。（2） 半圆键。键在槽中能绕其几何中心摆动以适应轮毂中键槽的斜度，工作时，其侧面来传递扭矩。特点是：工艺性较好，装配方便、尤其适用于锥形轴与轮毂的联接。缺点是键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载联接中。光伏发电智能追日系统的设计28（3） 楔键联接。工作时，靠键的楔紧作用来传递扭矩，同时还可承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向的轴向定位作用。它分为普通楔键及钩头楔键两种。常用于一些低速、轻载和对传动精度要求不高的联接中。（4） 切向键。工作时，靠工作面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力来传递扭矩。用一个切向键时，只能单间传动；有反转要求时，必须用两个切向键，常用于重型机械、直径较粗的轴等场合。3.3.2键的选用考虑到本系统受力不大，没有轴向受力，主要是传递转矩，不需要用键轴向固定，故决定采用平键连接。光伏发电智能追日系统的设计294. 系统控制部分设计4.1单片机的选型在综合考虑系统所需控制对象后，决定采用at89c51单片机实现控制。at89c51完全兼容mcs-51系列单片机的所有功能， 并且本身带有2k的内存储器18，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031cpu外加eprom为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点，具体如下：a.at89c51单片机是最早期也最典型的产品，低功耗、高性能、采用chmos工艺的8位单片机。b. 它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与intel 80c3x单片机完全相同。在应用中可直接替换。c.在at89c51内部有flash程序存储器，既可用常规的编程器编程，也可用在线使之处于编程状态对其编程。编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便。d. at89c5x系列可认为是intel 80c3x的内核与atmel flash技术的结合体。它为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本的解决方案。光伏发电智能追日系统的设计30图图 4-14-1 at89c51at89c51 单片机外形图单片机外形图4.2单片机外部接线设计本系统包括步进电机，89c51 系列单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板有两个自由度。控制结构将分别对水平方向与竖直方向进行调整。单片机及其外围电路如图 4-2 所示：光伏发电智能追日系统的设计31图图 4-24-2 单片机外部接线单片机外部接线外部设备通过接线端子与印制电路板相连，每个端口对应相对的单片机端口，但是考虑如果直接用外部设备的开合对单片机供电，容易造成干扰，从而造成单片机的控制失准，所以在设计过程中放入光耦，这部分电路主要制作在印制电路板上，通过光耦将电信号转换成光信号在通过 3 级管的关断导通，来控制单片机引脚的得电失电，从而到达隔离输入与输出的目的.4.3单片机控制方案控制对象控制对象为步进电机，主要控制电机的正反转，以及电机转速的快慢。光伏发电智能追日系统的设计32图图 4-34-3 系统流程