太阳能发电控制系统设计

1、 南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： XX 指导 教师： 尉乔南 完成日期 2012 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 太阳能发电控制系统设计Design of Solar Power Generation Control System总 计： 24页表 格： 3个插 图： 22幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）太阳能发电控制系统设计Design of Solar Power Generation Control System学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气

2、工程及其自动化 学 生 姓 名： X X 学 号： 1040911200XX 指 导 教 师（职称）：尉乔南 （讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology太阳能发电控制系统设计电气工程及其自动化 X X摘 要为了提高太阳能的利用率，本文研究了一种新型的基于DSP的高精度太阳能跟踪控制器。该控制器采用软件粗控制和传感器精确控制相结合的方式来实现。该跟踪控制器以DSP作为控制芯片，根据天体运行规律，实时计算出太阳的位置，使跟踪器定位到一定的范围；同时通过四象限光电池传感器接收来自不同角度的太阳光，将光能转换成电能，根据D

3、SP计算的控制信号，由步进电机作为执行机构控制太阳能板对太阳位置的跟踪，使太阳能跟踪装置始终正对着太阳的位置，从而可以达到充分利用太阳能的目的。关键词 DSP ；四象限光电池传感器；步进电机；跟踪Design of Solar Power Generation Control SystemElectrical Engineering and Automation Specialty Zhang XxxxAbstract: In order to improve the utilization rate of solar energy, this paper studies a new kind

4、 of high accuracy of the solar energy tracking based on DSP controller. The controller software adopted software coarse control and sensor precisely control the combination to implement.The tracking controller is used as the control chip by DSP, according to the laws of celestial bodies, in real tim

5、e to calculate the position of the sun, positioning tracker to a certain range. At the same time through four quadrant from different Angle sensor test receiving the light of the sun, and the light into electrical energy conversion. According to the calculation of DSP control signals, by the stepper

6、 motor controls the executing agency as solar panels to track the location of the sun, the solar tracking device is always opposite the position of the sun. In order to realize the DSP chip of whole system control ,meanwhile, need to design the algorithm of the software system, mainly include solar

7、tracking controller of the equations of motion realization based on DSP. Thus can achieve the purpose of full use of solar energy. Key words: DSP；Four-quadrant sensor test ；Stepping motor；Tracking目 录1 引言11.1选题的背景11.2国内外太阳能发展的现状11.3研究的目的和意义22 总体设计方案23 硬件设计43.1概述43.2太阳能跟踪控制器机械结构43.3检测系统电路设计4四象限传感器4检测电

8、路53.4控制系统电路设计73.4.1 DSP芯片的特点7电源电路8时钟电路8片外存储器RAM9逆变电路103.4.6 JTAG接口电路11复位电路123.5步进电机控制电路设计12步进电机12步进电机驱动器124软件设计134.1概述134.2 CCS3.3的软件开发流程图134.3太阳能跟踪控制器算法设计144.4太阳能发电的软件设计17主程序流程图17中断服务流程图174.5时钟芯片ISL1208软件设计19时钟芯片20时钟芯片实现的I2C协议20结束语22参考文献23致谢241 引言1.1 选题的背景能源是人类生存发展必须具有的基本资源。从古至今人类获得能源的途径，可分为地上能源、地下

9、能源与天上能源等三个阶段。地上能源主要是植物能源，水能、风能等，在人类农业经济社会阶段主要是植物能源，到了现代工业经济社会阶段，主要是煤石能源。随着世界经济的发展，进入21世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增，能源短缺已成为人类社会面临的一个重大挑战，面对石油这些不可再生的资源，必须在其耗尽之前寻找到替代能源，否则未来世界将会因此不断爆发能源危机。太阳能作为新能源与可再生能源的重要组成部分，有着煤炭、石油、天然气等化石能源无法比拟的优点： (1)储量丰富：太阳能是取之不尽、用之不竭的。 (2)应用广泛：太阳能不存在分布的偏集性，只要有阳光的地方就可以就地利用，有利于解决偏远乡村、海岛等地区的能源

10、供应问题。 (3)绿色环保：太阳能利用过程中，不需要燃料、不产生噪声，没有废气、废水、废渣等的排放。 (4)经济性：虽然目前太阳能发电的成本仍为常规发电的几倍，但随着太阳能利用技术的发展，其利用成本已大大下降。一般来说，太阳能利用的初期投入成本比较高，但由于太阳能无污染、无噪声、取之不尽、分布广泛的特点，从长期来看，其使用成本要小的多。 鉴于以上优点，太阳能的开发利用具有巨大的市场前景，不仅能带来很好的社会和环境效益，还具有明显的经济效益1-3。1.2 国内外太阳能发展的现状从国际上看，世界各国从能源供应安全和清洁利用的角度出发，把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。自20世纪80年代

11、以来，光伏产业可以说是世界上增长最快的高新技术产业之一。我国在太阳能光伏发电的研究方面起步较晚，但拥有丰富的太阳能资源和巨大的市场需求。经过二十几年的艰苦努力，已经为太阳能光伏发电的发展和大规模应用奠定了良好的基础。特别是随着西部大开发政策的推行，国家加大对光伏产业的投入，使得我国太阳能发电行业快速发展。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。1.3 研究的目的和意义太阳能作为一种新型的绿色能源，有着广泛的发展前景，太阳能发电已成为未来全球解决能源危机的最具独特优势的重要途径。但是由于太阳能本身的缺点，现在对太阳能的利用率

12、普遍较低，并且现有跟踪控制器也有着各种缺点。在各种类型的跟踪器中，纯机械式的跟踪效率低，额外提高了成本，在设备中添加跟踪器就失去了原来的意义。要进一步提高太阳能的利用率，需要更深一步的研究和探讨，以开发出真正廉价、实用的自动跟踪器。2 总体设计方案目前，各种类型的太阳能跟踪器装置，从简单到复杂，主要分为两大类，即机械系统和电控系统。机械系统一般又可分为压差式和控放式；而电控系统一般可分为光电式和视日运动轨迹式，视日运动轨迹式跟踪又分为单轴跟踪方式、极轴式全跟踪方式和高度角-方位角式全跟踪方式。本文主要是对高度角-方位角式全跟踪方式的太阳能发电控制系统的研究，研究的主要工作如下：（1）设计太阳能

13、跟踪控制器机械结构，该结构具有两个自由度，即水平方向转动自由度和竖直方向转动自由度。该机械结构的运动由两个步进电机来驱动，完成对太阳高度角和方向角的跟踪。（2）设计太阳能跟踪控制系统硬件系统。硬件系统主要包括两个方面：检测电路系统，控制电路系统。检测电路系统主要完成四象限光电池传感器信号的滤波、放大、比较等，把采集的太阳能信号传递给控制电路。控制电路是完成整个系统的控制部分，其根据DSP计算的控制信号，控制步进电机实现对太阳高度角和方位角的控制。（3）设计系统软件的算法。系统主要的算法主要是太阳能跟踪控制器运动控制方程的实现。太阳能跟踪控制器运动控制方程依照太阳的运行规律来计算太阳的运行轨迹，

14、即太阳视日运动轨迹。（4）完成太阳能跟踪控制系统的软件设计。以CCS3.3为设计平台，根据各软件功能模块来设计相应的软件。主要的功能模块为：主程序模块，太阳跟踪角度计算模块，信号采集模块，步进电机控制模块以及其它相关的功能模块的设计4-5。总体结构图和跟踪结构框图如图1所示：图1(a) 太阳能发电控制系统总体结构图1(b) 跟踪控制框图3 硬件设计3.1 概述太阳能跟踪控制器的机械结构设计为两个自由度，即一个水平方向转动自由度和一个竖直方向转动自由度，由两个步进电机来分别驱动。太阳能跟踪器的硬件系统包括三大部分：检测系统电路、控制系统电路和电机系统。检测系统电路是整个控制系统的重要部分，其主要

15、由传感器检测电路和信号处理电路组成。传感器检测电路主要是通过四象限光电池采集板，由光电池传感器检测周围光信号，把相应的光信号转变成电压信号。控制系统主要由DSP主控、时钟电路、电源电路、信号采样等部分组成，完成整个电路的控制和驱动。电机系统主要由步进电机和步进电机驱动器组成。3.2 太阳能跟踪控制器机械结构太阳能跟踪控制器的机械结构主要由底座支架、水平旋转自由度方向机构、竖直旋转自由度方向机构、电池板支撑机构、传感器装置等几部分构成。其工作原理如下：太阳能跟踪控制器机械结构有两个自由度，即一个水平方向转动自由度和一个竖直方向转动自由度，均由步进电机驱动。由控制系统软件计算太阳的位置，将其转化为

16、相应的步进电机驱动信号，使太阳能接收板转到该位置。然后根据传感器装置采集到的信号，进一步由步进电机对太阳能接收板进行微调。以实现调整太阳能电池板的姿态使其板面接近于与太阳光线垂直的方向，达到最大限度接收太阳能量的目的。3.3 检测系统电路设计利用四象限传感器接收来自不同角度的入射太阳光，然后通过光强检测电路将太阳光线的辐射强度信息转化为电压信号的形式输出。3.3.1 四象限传感器（1）光电池传感器的选型光电池元件利用光生伏特效应的原理把光能转换成电能。光电池是一种有源器件,根据光电池的特点和工作需要程度，在这里选用4片sps0606硅光电池传感器6。该传感器的主要参数如表1所示。（2）四象限传

17、感器的布局四个光电池传感器分别放置在太阳能采集板的上下左右四个不同位置，接收来自不同角度的入射太阳光。其布局如图2所示：当上下两个光电池传感器接受到的光强度差值小于某个极小量时，控制器不发出让电机动作的命令：当两个信号强度超过一定的范围时，可以控制电机转动，电机的转动速度也可由光强的差值大小来确定，从而使采光面板在竖直方向上正对着太阳光。左右两个光电池传感器用来控制另一个电机，使太阳能采光板在水平方向上正对着太阳光。从而实现了由太阳光控制电机的目的。通过两个电机的控制，可以让采光面板始终正对着太阳，实现最大化利用光能。图2 四象限传感器布局表1 sps0606硅光电池传感器参数封装黑色陶瓷封装

18、窗口材料滤光平板玻璃典型暗电流（nA）0.01开路电压（100Lx）(mV)300短路电流（100Lx）（A）>5感光范围（nm）3001000峰值波长（nm）7003.3.2 检测电路（1）太阳光强检测电路信号放大电路如图3所示：由于光电池传感器出来的信号比较小，放大电路采用差动放大，其双端输入-单端输出，具有共模抑制比高的特点。前级采用同向放大器，可以获得很高的输入阻抗，后级采用差动放大器可以获得较高的共模抑制比，增强电路的抗干扰能力。其中R1=R3，R4=R5，R6=R7；可计算出放大的倍数如公式1所示 ：Avd=R7R5(1+2R1R3)(V2-V1) （1）（2）绝对值电路精密

19、有源绝对值电路，如图4所示：这是一种经过改进的绝对值电路，失真比较低，适合小信号处理。其工作原理是：输入V3>0时，运放U358/1-1A的输入小于0，U358/1-1B的输出大于0，二极管D2导通，D1两端加上了方向电压而被强制关段，U358/1-1B即是电压跟随器，则V4=V3。当V3<0时，U35/1-1A的输出大于0，U358/1-1B的输出小于0，二极管D1导通，D2两端加上了反向电压而被关断，U358/1-1A作为反向电路，使得V4=-V3，所以V4=|V3|。图3 太阳光强检测电路图图4 精密有源绝对值电路原理图（3）比较电路经过差动放大电路的传感器信号输入比较器的3

20、脚，若输入信号大于0，则输出为高电平（+3.3V），若输入信号小于0，则输出为低电平（0V）。根据输出电压的高低，可以判断出差动放大电路那个输入信号更大，进而可以判断出光电池传感器那边的接收信号更强，如图5所示。（4）有源滤波电路由于光电池传感器采集的信号是电压信号，需要滤除纹波。本滤波电路为电压控制电压源（VCVS）电路，如图6所示：其运放为同向输入，输入阻抗高，输出阻抗低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，增益容易调节。由于DSP芯片内部有A/D转换功能，故滤波后的电压经过采样后即可送入DSP芯片。图5 比较电路原理图图6 有源滤波电路原理图3.4 控制系统电路设计控制电路采用

21、数字信号处理器型号为LF2407A的DSP芯片和电压调节芯片处理各种信号，对电信号进行处理并通过各种算法实现控制PWM波输出，再通过驱动电路实现主电路的控制脉冲的输出，同时控制步进电机动作。 DSP芯片的特点DSP LF2407A主要的接口包括目标存储器接口、模拟接口、CAN总线接口、外部扩展接口等。它提供了128K的静态存储器，外部I/O口支持相应的64K I/O端口，片上的CAN总线和RS232端口可用做扩展连接7-8。它具备以下一些特点： （1）片内有高达32KB的FLASH程序存储器，高达1.5KB的数据/程序 RAM，544字双口RAM(DARAM)和 2KB 的单口 RAM(SAR

22、AM) （2） 两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括两个16 位通用定时器和8个16 位的脉宽调制(PWM)通道 （3）可扩展的外部存储器总共192K字空间，64K字程序存储器空间，4K字数据存储器空间和64K字I/0 寻址空间 （4）看门狗定时器模块(WDT) （5）10位A/D转换器最小转换时间为 500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个 8 通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器 （6）控制器局域网络(CAN)2.0B 模块 （7）串行通信接口(SCI)模块 （8）16位串行外设(SPI)接口模块 （9）基于锁相环的时钟发生器 （10）高达40个可单独编程或复用的

23、通用输入/输出引脚(GPIO) （11）5个外部中断(两个电极驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 3.4.2 电源电路系统一共用到了5种电源，都是DC/DC电源，电源的详细使用情况如表2所示：表2 电路主要电源使用情况电源产生方式主要用途+24V由24V电源稳压滤波得到系统供电的主电源和步进电机供电+5V由24V电源稳压滤波得到传感器信号处理电路，时钟电路等供电-5V由5V电源经电源转换芯片得到信号处理电路所需的负电源+3.3V由+5V电源经电源转换得到LF2407A所需的供电，比较器供电+3.3V由5V变换得到F28027A所需供电为了减少电源噪声和互相干扰，数字电路和模拟电路一般要独立供电，

24、数字地和模拟地也要分开，并最终通过一个磁珠在一点连在一起，用TPS7333进行3.3V电压的转换对DSP最小系统供电，如图7所示。图7 TPS7333转换电路原理图 时钟电路本文采用的是Intersil公司的时钟芯片ISL1208。ISL1208是低功率实时时钟，其具有功能：时钟日历、周期或轮询报警、定时与晶体补偿、电源失效指示器等9。ISL1208的引脚图如下图8所示。图8 时钟芯片ISL1208引脚图X1和X2脚分是反相放大器的输入、输出端。外接32.768kHz的振荡器，为ISL1208时钟提供基准时间。在工作温度范围内，内部补偿可以提高器件的精度。VBAT引脚为时钟芯片提供备用电源电压

25、。当VDD失效时，电源切换到VBAT。IRQ/FOUT（中断输出频率输出），该引脚是双重功能引脚，可以用作中断输出引脚或作频率输出引脚。串行时钟（SCL）引脚，SCL引脚为串行上接收和发送提供时钟。串行数据（SDA）引脚，SDA具有双向功能，可以发送和接收数据。时钟电路的原理图如图9所示，串行数据线和串行时钟线接上拉电阻，上拉电压为5V。图9 ISL1208原理图3.4.4 片外存储器RAMDSP LF2407A片内RAM只有2K,开发状态对程序进行仿真调试时，调试稍大一点的程序就只能用片外RAM,为了提高调试效率，系统扩展了片外的程序存储器，采用的是Cypress公司的CY7C1021芯片，

26、其存储时间为33ns，数据宽度是16位，容量64k。存储量大时，所有结果存在外部CY7C1021中，正常运行时作为A/D采样结果的存储空间。图10为片外存储器扩展。图10 片外存储器扩展3.4.5 逆变电路（1）脉宽调制电路控制系统采用集成脉宽调制芯片SG3525构成的脉宽调制电路。输入SG3525的误差信号经过误差放大器放大后，与其内部振荡器产生的锯齿波进行比较，输出的脉宽信号再经分相器分成2路互不重叠的两相信号，由11和14端输出。控制信号越大，则输出的脉宽越宽，脉宽调制电路原理如图11所示。由于驱动模块M57959L需要的是低电平输入信号，SG3525输出的2路PWM 信号经过工作在饱和

27、状态的三极管反相输出后加到M57959L的13脚。（2）驱动电路驱动电路的作用是将SG3525输出的2路PWM 脉冲进行功率放大，以驱动IGBT。M57959L驱动电路如图12所示。电阻Rg为IGBT栅极限流电阻，二极管D1是过载/短路检测二极管，稳压二极管D2用以补偿D1反向恢复时间（在D1反向恢复时间偏长时使用），稳压二极管D3、D4用于保护IGBT的发射结。 图11 脉宽调制电路   图12 M57959L驱动电路 3.4.6 JTAG接口电路JTAG是JOINT TEST ACTION GPOUP的简称，JTAG接口用于连接DSP系统板和仿真器，实现仿真器DSP访问

28、，JTAG的接口必须和仿真器的接口一致，否则将无法连接上仿真器。其连接图13所示。图13 J-TAG接口电路3.4.7 复位电路TMS320LF2407A内部带有复位电路，因此可以直接RS复位引脚外面接一个上拉电阻即可，这对于简化外围电路，减少电路板尺寸很有用处，但是为了调试方便经常采用手动复位。其连接方式如图14所示。图14 复位电路3.5 步进电机控制电路设计步进电机能直接接收数字信号，运动不产生旋转惯量的累积误差，因此采用步进电机作为太阳能跟踪控制系统的执行机构可以达到很高的精度。本文研究的步进电机采用开环控制，不需要反馈信号，通过DSP得到相应的位置，给定所需转动的位置，通过控制步进电

29、机驱动器进而控制步进电机按给定的方位转动实现预期跟踪。3.5.1 步进电机步进电机是靠脉冲信号控制的电动设备，将电脉冲信号转化为角位移信号。步进电机驱动器在收到一个脉冲信号后，驱动步进电机转动一个步距角。步进电机按固定的角度旋转，通过脉冲信号的数量，进而控制步进电机旋转的角度。步进电机的转速、启动停止位置只取决于接收脉冲信号的频率和脉冲数，在通常情况下，负载大小对其没有影响。本系统的太阳能跟踪控制器选用两相式混合步进电机。3.5.2 步进电机驱动器本文研究的控制器的步进电机采用SJ-220MA驱动器。该驱动器驱动二相混合式步进电机，具有很强的抗干扰性、起动频率高、高频性能好、内部信号与控制信号

30、实现光电隔离、电流可调、整半步可自由设定、结构简单、可靠性好、运行平稳等特点，其输入信号连线图15所示。SJ-220MA步进电机驱动器接线区可分为三个部分：控制信号端，电源端，步进电机接线端。控制信号端：驱动器通过脉冲信号(CP)接线端口接收脉冲信号，按接收到脉冲信号数量来驱动步进电机转动角度；驱动器通过方向信号端(DIR)接收方向信号，发送相应的指令使步进电机正转或反转；控制信号的公共阳端（COM）；脱机电平输入端（RST）：此端子加低电平，电机处于自由状态10-11。驱动器电源端和步进电机接线端接口如表3所示。图15 步进电机驱动器信号连接图表3 步进电机连接线端口信号功能+24V直流电源24V,可以接20-40VGND直流电源地A+电机A+相A-电机A-相B+电机B+相B-电机B-相4 软件设计4.1 概述本文研究的太阳能跟踪控制器采用软件算法控制和传感器检测精确控制综合来实现。软件算法控制根据天体运行规律，实时计算出太阳的位置，使跟踪器定位到一定的范围。软件算法控制可以提高系统的抗干扰能力。传感器检