【太阳光线跟踪器的控制系统设计案例分析5900字】

)式(1.12)与(1.13)中，α为y方向上太阳高度角偏差，β为x方向上的太阳方位角偏差，H为遮光筒高度。综上所述，在太阳光线跟踪器中，四象限传感器输出太阳能电池安装板与太阳位置的偏差情况的信号，反馈给控制系统驱动方位电机与俯仰电机调整太阳能电池安装板的姿态，直到入射光斑的质心与四象限传感器的中心再次重合，此时四象限传感器的法线与太阳光线偏差为零，完成系统对太阳光线的准确跟踪。1.2控制方案概述高空太阳光线跟踪器是一套完整的机电系统，需要软硬件相结合实现功能，根据本系统的功能需求，从低成本、控制简单、稳定可靠、低功耗且方便移植拓展的设计思路搭建控制系统。比起地面固定式的太阳跟踪系统，高空太阳光线跟踪器运行环境有一定的特殊性，高空气球是移动载体，在高空中会自旋，平流层的高空低温低压环境也是设计控制系统时需要考虑的因素，给出了一种太阳跟踪控制方案，如图1.3所示：图1.3高空太阳光线跟踪器总体结构示意图各个硬件部分所实现的功能分别如下：MC9S12XEP100MAL为核心控制芯片，具有信号采集、处理以及指令发送等功能。四象限传感器，负责测量太阳的偏差角度，根据太阳能电池安装板与太阳位置的偏差，反馈数据给控制芯片进行位姿调节。信号调理电路,用于对四象限传感器输出的电流或者电压信号进行采集和处理之后反馈给控制芯片。三维电子罗盘，用于读取太阳能电池安装板的方位角和俯仰角信息，反馈给控制芯片，根据当前太阳方位角和高度角调整姿态。时钟电路，提供当前的日期和时间信息，控制芯片计算当前的太阳方位角和太阳高度角。本系统以嵌入式处理器MC9S12XEP100MAL芯片为核心，其体积小、功能齐全，易于开发。设计了视日轨迹跟踪算法与光电跟踪算法，首先对太阳位置进行快速定位，找到太阳的大体位置后进行四象限传感器的闭环跟踪，两种跟踪方法相互补充，保证了跟踪精度。1.3传感器选型1.3.1电子罗盘视日轨迹式跟踪法需要太阳能电池安装板的方位角和俯仰角的数据，用来与用公式计算的太阳高度角和方位角理论值进行比较。三维电子罗盘是利用地磁场找到正北方向，配合加速度计计算罗盘与重力的夹角，就可以测量出方位角、俯仰角和翻滚角，并在罗盘计算方位角的时候提供倾角补偿。本系统采用北京瑞芬定制的低温环境DCM302B电子罗盘，该电子罗盘体积小、功耗低，电气参数如图图1.4三维电子罗盘图1.5三维电子罗盘参数图本系统中，将电子罗盘安装在太阳能电池安装板的背面，如图1.4所示，利用电子罗盘得到太阳能电池标定板的方位角度和俯仰角度以及正北方向，将数据通过串口传输到控制芯片中。因为倾角的测量范围只有±85°，为了保证使用过程中太阳能电池安装板始终处于倾角测量范围内，用6061铝合金制作一个支架，通过螺钉螺母将电子罗盘倾斜安装在安装板的背面。图1.6电子罗盘安装示意图1.3.2四象限传感器选用的四象限传感器使用简单，将太阳光偏差的位置信号转变成4个开关信号，信号输出方式为无源触点，俯仰角输出信号定义为：向上、向下，水平角接口定义为向东、向西，根据输出信号反馈给控制芯片调整姿态即可，跟踪精度为1°。因为四象限传感器在使用过程中容易受到外部光线的干扰，所以将四象限传感器安装在一个圆形遮光筒的底部正中心，并在遮光筒的顶部的正中心留出一个的进光孔，进光孔的中心与四象限传感器的中心要重合，太阳光线可以透过进光孔投射到光电池表面形成光斑。遮光筒顶部的进光孔大小要合适。进光孔的大小与四象限传感器表面的光斑的大小有关。进光孔太小导致各象限光电传感器光照强度太小，四象限传感器无法输出足够大的电流，控制系统可能因为没有收到信号而无法正常工作。进光孔也不能过大，当光斑大小超过四象限传感器的总面积时会将四个象限完全覆盖，四个象限产生相同的电信号，无法通过电信号的比对公式计算质心的偏移情况。所以进光孔大小要合适，根据试验结果不断调整进光孔大小。遮光筒的高度越小，射在四象限传感器上的光斑就越大，可以检测的范围就越大，精度也会下降，当光斑面积超过四象限传感器面积，算法即失效，相反遮光筒的高度越大，检测精度就会提高。所以用6061铝合金机加工了遮光筒的顶盖、中筒和底座，三个部分通过螺纹连接，可以根据精度要求在一定范围内调整遮光筒的高度。图1.7四象限传感器遮光筒1.3.3辐照计为了获取跟踪器当前位置的光强值，本系统采用辐照计作为光强传感器，外形如图1.8，主要用于检测辐射强度。通过串口发送回控制芯片，并通过通讯发向地面，地面监控人员可以根据辐照计检测的光强参数得到跟踪器当前的工作状态，作为是否调整工作状态的依据，增加了系统的可靠性。图1.8辐照计1.3.4温度传感器根据需求需要对环境温度进行采样，温度采样过程采用贴片式PT1000作为温度传感器，其结构如下图所示。PT1000是铂热电阻，其0℃时阻值为1000Ω它的阻值会随着温度的变化呈线性变化，检测阻值的大小就可以测得环境温度。采用四氟高密度镀银屏蔽线，防水防腐蚀。图1.9PT1000贴片传感器1.4步进电机的驱动步进电机是一种由脉冲信号驱动的电机，使用驱动器控制，当步进电机的驱动器收到一个脉冲信号时，便控制步进电机按照设定的方向（方向也由驱动器决定）旋转一个固定的角度（即步距角），常用的42步进电机和57步进电机的步距角为1.8°，也就是每个脉冲都会让42或者57步进电机旋转1.8°，我们只需要通过调整脉冲的频率即可达到调速的目的。为了精确定位电机动作。有时还要对脉冲信号进行细分，2细分就是将每个脉冲控制的步距角一分为二，42步进电机的一个脉冲对应0.9°，根据使用的精度要求，可以调整细分的数值。步进电机不能直接连接电源，必须通过驱动芯片进行控制，所以需要使用配套的驱动芯片或者封装好的驱动器，驱动芯片的主要作用是把控制器发出的脉冲信号加以放大驱动步进电机运转，其驱动控制框图如图1.10所示，本系统使用的驱动器本身无法在低温环境使用，所以将驱动器安装在吊舱内部进行保温，通过导电滑环输出控制信号。图1.10步进电机的驱动控制框图1.5程序的设计1.5.1控制系统主程序图1.11跟踪器主程序流程图跟踪器主程序流程图如图1.11所示，系统初始化成功以后，无论太阳能电池安装板当前姿态如何，将其调整到起始位置（安装板与方位支撑板相互垂直的位置），对跟踪模式进行选择，是直接进入光电式跟踪还是视日轨迹式跟踪，判断条件为当前太阳光是否处于光电跟踪的跟踪范围内，四象限传感器的测量范围有限（约为5°），如果处于光电跟踪范围内，控制器读取四象限传感器的反馈参数对方位电机和俯仰电机的驱动器发出驱动脉冲，如果处于光电跟踪范围外，则进入视日轨迹跟踪算法当中，找到太阳的大体位置，当安装板对准太阳以后，机构进入四象限传感器的测量范围，切换到光电跟踪算法，对太阳进行持续跟踪。这样提高了太阳光线的搜索效率，机构由于外部因素被干扰时，也不需要方位角旋转360°重新寻找太阳，根据视日轨迹算法小范围移动即可，同时光电式跟踪还可以修正视日轨迹式跟踪累计的误差，提高了系统的跟踪精度。如果四象限传感器损坏，只能依靠视日轨迹式跟踪法。如果电子罗盘损坏，无法正常工作，系统则按照图1.12程序进行大范围搜索太阳光线。图1.12电子罗盘失效流程图首先让系统回归初始位置（安装板与支撑板相互垂直），俯仰板抬高到预设定角度（该角度由使用地区的经纬度和时间计算得到的太阳高度角），方位角顺时针旋转360°，过程中四象限传感器读取数据，判断是否可以进入光电跟踪模式，如果未进入，则抬高5°俯仰角，方位角再次旋转360°，直到进入光电式跟踪模式。系统运行的全过程中都可以根据地面的发出的信号调整跟踪模式，也可以接收停止跟踪指令，若停止指令发出后，让系统回到起始状态，电机停止，蜗轮蜗杆减速器的自锁性能保持机构的姿态。1.5.2视日轨迹式跟踪子程序图1.13视日轨迹式跟踪流程图视日轨迹式跟踪法是光电式跟踪法的前置算法，为了增加搜索效率，先使用视日轨迹对准太阳方向。即使四象限传感器失去跟踪能力，视日运动轨迹跟踪方式也能保证机构继续运行。视日运行轨迹算法中，已知纬度和经度信息，单片机内部时钟可以获取实时时间，带入天文学公式去计算当时当地的太阳高度角、方位角。获得理论与实际的角度偏差，为了避免机构频繁动作损坏电机，当角度偏差超过设定的阈值时控制芯片才发送脉冲信号驱动电机，调节太阳能电池安装板的角度。过程中四象限传感器保持工作，当四象限传感器反馈的数据大于设定阈值，则表面系统大致对齐太阳，粗跟踪完成，转入四象限光电式跟踪程序。若四象限传感器反馈的数据不超过设定阈值，重新进行视日运行轨迹跟踪；若四象限传感器采集的数据始终不超过设定阈值，可检测四象限传感器是否出现故障，进入只依靠视日轨迹跟踪模式或者根据预设模式停止跟踪。1.5.3光电式跟踪子程序图1.14光电式跟踪流程图光电跟踪程序设计如图1.14所示，进入光电跟踪模式后，控制芯片根据四象限传感器反馈的数据计算出光斑质心在四象限传感器表面上的偏差值：Δx与Δy，如果光斑质心移动异常，即光斑不在四象限传感器的检测范围内，则切换到视日轨迹式跟踪算法，若电子罗盘损坏无法进入视日轨迹式跟踪，启动对应的电子罗盘