趙 濤， 周 兵， 薛 暉，湯 杰

（1.南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211167；2.南京工程學(xué)院 先進(jìn)數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，南京 211167）

0 引言

相對(duì)于其他可再生清潔能源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有儲(chǔ)能無(wú)限性、存在普遍性、利用清潔性等優(yōu)點(diǎn), 是一種較理想的替代能源。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電能變換與控制技術(shù)趨于成熟。我國(guó)是太陽(yáng)能光伏電池的主要生產(chǎn)國(guó)，但是光伏發(fā)電普及利用率卻不高。這是由于太陽(yáng)能電池的成本高，轉(zhuǎn)化成電能的效率低，因而制約光伏發(fā)電在我國(guó)的廣泛應(yīng)用。為了解決這一瓶頸問題，如何提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已成為研究的熱點(diǎn)，其中采用太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置是提高太陽(yáng)能利用率的一個(gè)重要途徑。我們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同的光照強(qiáng)度情況下，相對(duì)于太陽(yáng)光線垂直照射到電池板（照射角為90°）的情況，當(dāng)照射角為75°時(shí)，輸出功率下降5%左右；當(dāng)照射角為45°時(shí)，輸出功率下降15%；而當(dāng)照射角為30°，輸出功率下降了25%。

所以利用精確的太陽(yáng)光跟蹤裝置， 可使太陽(yáng)光能電池的發(fā)電效率大大提高， 從而提高太陽(yáng)能的利用效率, 拓寬太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。

針對(duì)這一問題，人們?cè)诜轿桓櫡矫嫣岢隽撕芏嗟难芯糠椒ê驮O(shè)計(jì)方案, 并有很多跟蹤技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的光伏發(fā)電中, 取得了很好的實(shí)用效果[1～5]。目前，關(guān)于太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤控制器應(yīng)用都是單機(jī)控制，每套系統(tǒng)都需要光電檢測(cè)系統(tǒng)和定時(shí)系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的成本。針對(duì)在同一區(qū)域內(nèi)，多塊太陽(yáng)能光伏電池陣列所處的經(jīng)度和緯度基本一致的情況，本文設(shè)計(jì)了基于CAN總線的太陽(yáng)能電池自動(dòng)跟蹤控制器，用一套光電檢測(cè)系統(tǒng)和定時(shí)系統(tǒng)控制通過CAN 總線實(shí)行多個(gè)太陽(yáng)能光伏電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。設(shè)計(jì)的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置, 能使太陽(yáng)光始終保持與太陽(yáng)能電池垂直,保持最大的輸出功率，跟蹤精度較高, 具有很好的實(shí)用價(jià)值。

1 太陽(yáng)光跟蹤策略與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 跟蹤策略

太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤器設(shè)計(jì)成雙軸跟蹤系統(tǒng), 可以在方位角和高度角兩個(gè)方向上跟蹤太陽(yáng)光，以保證太陽(yáng)光始終直射光伏電池, 提高發(fā)電效率?？紤]到定時(shí)跟蹤和光電跟蹤的特點(diǎn)和局限，采取了定時(shí)跟蹤和光電跟蹤兩種跟蹤方法相結(jié)合的混合式太陽(yáng)光跟蹤策略。以光電跟蹤方式作為主要跟蹤方式，定時(shí)跟蹤方式作為輔助方式的方法進(jìn)行跟蹤。在光線較強(qiáng)時(shí)，采用光強(qiáng)檢測(cè)電路檢測(cè)光線偏差進(jìn)行光電跟蹤，保證太陽(yáng)板正對(duì)太陽(yáng)。在光線不好的天氣情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為定時(shí)跟蹤方式。根據(jù)時(shí)種芯片提供的時(shí)間信息，計(jì)算出應(yīng)該處于什么方位角和高度角，通過比較控制器存放的太陽(yáng)板的實(shí)際方位角和高度角，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)的步數(shù)和運(yùn)行方向。經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板支架轉(zhuǎn)動(dòng)適當(dāng)角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，系統(tǒng)具有自動(dòng)復(fù)位的功能，在日落后能夠自動(dòng)控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)回復(fù)到基準(zhǔn)位置，高度角數(shù)值不變，方位角數(shù)值回零，并且停止轉(zhuǎn)動(dòng)，在第二天日出時(shí)刻自動(dòng)從跟蹤初始位置，進(jìn)行新一天的跟蹤。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1給出了跟蹤系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)框圖。包括C8051F040構(gòu)成的單片機(jī)控制單元，光電傳感器、實(shí)行方位角及高度角調(diào)整的雙軸驅(qū)動(dòng)及四個(gè)方向的位置開關(guān)組成及CAN總線。位置開關(guān)的作用是當(dāng)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍超過預(yù)設(shè)范圍時(shí)，停止跟蹤。其中東向的位置開關(guān)還作為為方位角的零點(diǎn)信號(hào)。

圖1 太陽(yáng)能電池自動(dòng)跟蹤控制器框圖

2 主要硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括光電檢測(cè)處理電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、CAN接口電路和時(shí)間、人機(jī)界面等電路。

2.1 光電檢測(cè)處理電路

光電檢測(cè)處理電路應(yīng)當(dāng)提供光伏電池和太陽(yáng)光入射角的偏差信號(hào)， 并能反映當(dāng)時(shí)的光照強(qiáng)度。常用的光敏傳感器主要有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管、光電池等類型，主要都是應(yīng)用了半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)。其中光敏電阻是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成，具有對(duì)光線很敏感，價(jià)格低廉，電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是在光強(qiáng)較大的情況下，呈現(xiàn)出飽和非線性，所以只適合做成開關(guān)式檢測(cè)器。光敏二極管和光敏三極管是利用了半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)。光敏三極管對(duì)光線的檢測(cè)比光敏二極管要高得多，在把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的同時(shí)，還放大了信號(hào)電流。光敏三極管的光強(qiáng)檢測(cè)范圍較寬，但是其線性度較差。光電池在不同的光照度下， 光生電動(dòng)勢(shì)和光電流是不相同的[6]。

通過對(duì)目前已采用的光電檢測(cè)電路的分析[7]，本文采用了一種復(fù)合光強(qiáng)檢測(cè)電路。檢測(cè)電路包括兩個(gè)部分，一部分通過設(shè)置一個(gè)圓筒形外殼，采用4對(duì)光敏電阻；在東、南、西、北四個(gè)方向上分別布置；其中一對(duì)光敏電阻（R1、R3）東西對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，一對(duì)光敏電阻（R2、R4）東西對(duì)稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來(lái)精確檢測(cè)太陽(yáng)的方位角。一對(duì)光敏電阻（R5、R7）南北對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，另一對(duì)光敏電阻（R6、R8）南北對(duì)稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來(lái)精確檢測(cè)太陽(yáng)的視高度。由于當(dāng)光敏電阻的阻值較小的時(shí)候，光電阻在太陽(yáng)照射下可能會(huì)很快達(dá)到飽和狀態(tài)，不能正確反應(yīng)太陽(yáng)光線強(qiáng)弱的變化情況。為此，另一路檢測(cè)電路檢測(cè)光伏電池的電壓，通過和閾值電壓比較，判斷太陽(yáng)的光照強(qiáng)度是否滿足光電跟蹤的條件。

檢測(cè)電路如圖3 所示。C8051F040單片機(jī)內(nèi)部自帶一個(gè)12位的ADC0子系統(tǒng)，ADC0 子系統(tǒng)包括一個(gè)9 通道的可編程模擬多路開關(guān)（AMUX0），一個(gè)可編程增益放大器（PGA0）和一個(gè)100ksps、12 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，可以將AMUX 輸入對(duì)編程為工作在或單端方式。8個(gè)光敏電阻組成兩個(gè)電橋，一個(gè)電橋負(fù)責(zé)東西方向，一個(gè)電橋負(fù)責(zé)南北方向的光強(qiáng)檢測(cè)。分別接DC8051F040的4 個(gè)外部模擬輸入引腳（AIN0.0 ～AIN0.3），并設(shè)置為差分工作方式。光伏電池的電壓信號(hào)經(jīng)過分壓濾波后接C8051F040的P3.2口。設(shè)置為單端方式。

圖2 光電檢測(cè)處理電路

當(dāng)太陽(yáng)光線以與傳感器板垂直的方向照射到傳感器上，兩組光敏電阻接收到的光照度相同，AIN0.0和AIN0.1相等，AD轉(zhuǎn)換值為零。而當(dāng)太陽(yáng)光偏離垂直方向一個(gè)較小的角度時(shí)，安裝在外側(cè)的光敏電阻R1、R3可能受環(huán)境散射光的影響，不會(huì)反應(yīng)出太陽(yáng)光線的變化，而安裝在外側(cè)的光敏電R2、R4受到了圓筒對(duì)環(huán)境散射光的屏蔽保護(hù)，它們接收的照度會(huì)出現(xiàn)差值，R2≠R4，AIN0.0和AIN0.1信號(hào)不相等，AD轉(zhuǎn)換值或?yàn)檎驗(yàn)樨?fù)，根據(jù)AD轉(zhuǎn)換值控制跟蹤器開始工作并快速的跟上太陽(yáng)。通過光伏電池的電壓檢測(cè)，通過和閾值電壓比較，判斷太陽(yáng)的光照強(qiáng)度是否滿足光電跟蹤的條件。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

步進(jìn)電機(jī)分別采用型號(hào)為57H56605和57H7404兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，用于高度角和方位角的跟蹤驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的步距角為1.8°，電源為24V直流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N和外接外恢二極管續(xù)流電路構(gòu)成。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路如圖3所示?？紤]到高度角和方位角的跟蹤并不需要同時(shí)進(jìn)行，C8051F040分別提供兩路使能信號(hào)EN1和EN2，當(dāng)EN1高電平時(shí)，進(jìn)行方位角跟蹤驅(qū)動(dòng)；當(dāng)EN2高電平時(shí)，進(jìn)行高度角跟蹤驅(qū)動(dòng)，當(dāng)EN1和EN2同為低時(shí)，電機(jī)不運(yùn)行。此外C8051F040提供一路PWM信號(hào)和4路換相脈沖信號(hào)，通過與門產(chǎn)生4路PWM信號(hào)，提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

電流檢測(cè)沒有采用L298典型的在每相繞組電路里設(shè)置取樣電阻的方法，而采用了具有內(nèi)部增益的高邊電流檢測(cè)放大器件MAX4376，在直流側(cè)的設(shè)置一0.12Ω取樣電阻，MAX4376檢測(cè)電阻兩端電壓，通過內(nèi)部的50倍增益，將放大后的信號(hào)接入C8051F040的AD的P3.0口，用于電流控制和保護(hù)，使得電路大大簡(jiǎn)化。

步進(jìn)電機(jī)繞組就是一個(gè)電感線圈，具有抵抗電流變化的現(xiàn)象，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在PWM方式下，可以控制其平均電流，但繞組的電流來(lái)不及上升到穩(wěn)態(tài)值。頻率越高，電流上升到達(dá)的數(shù)值也就越小，因而電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也越小。為此采取強(qiáng)脈沖PWM方式，電機(jī)每相通電時(shí)先給一個(gè)寬的脈沖信號(hào)，讓電機(jī)電流迅速達(dá)到正常運(yùn)行電流，然后給再調(diào)節(jié)PWM的占空比，使電機(jī)電流保持在正常運(yùn)行時(shí)的電流。圖4 給出了步進(jìn)電機(jī)相繞組電流波形。從波形可以看出，步進(jìn)電機(jī)相電流波形接近方波，這樣保證在相同的電流值下，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩最大。

圖4 步進(jìn)電機(jī)相繞組電流波形

2.3 CAN接口電路

C8051F040 內(nèi)部集成的CAN 控制器是Bosch全功能 CAN 模塊的完全實(shí)現(xiàn)，完全符合AN規(guī)范2.0B。此CAN控制器由以下四部分構(gòu)成：CAN內(nèi)核、報(bào)文RAM（與C8051 RAM相互獨(dú)立）、報(bào)文處理狀態(tài)機(jī)制和CAN控制寄存器[8]。由于Silicon Laboratories內(nèi)部的CAN控制器只是個(gè)協(xié)議控制器，不能提供物理層驅(qū)動(dòng)，所以在使用時(shí)還需外加CAN總線收發(fā)器，這里采用德州儀器公司生產(chǎn)的SN65HVD230作為CAN總線收發(fā)器，管腳和CA82C250兼容，具有輸入阻抗高、不上電節(jié)點(diǎn)對(duì)總線不產(chǎn)生干擾等優(yōu)點(diǎn)。適用于較高通訊速率、良好抗干擾能力和高可靠性CAN總線通信。CAN總線上兩端節(jié)點(diǎn)需加120Ω電阻對(duì)信號(hào)吸收，以避免信號(hào)反射，CAN通信物理層電路圖如圖5所示。

圖5 CAN接口電路

3 主要軟件設(shè)計(jì)

跟蹤控制主要是主控系統(tǒng)完成，其主要完成光電跟蹤、定時(shí)跟蹤和CAN通信。其主程序流圖如圖6所示。

跟蹤裝置處于跟蹤的起始位置，系統(tǒng)會(huì)判斷此時(shí)的天氣情況，主要是依靠檢測(cè)光伏電池兩端的電壓來(lái)進(jìn)行判斷，由光伏電池的特性可知，光照強(qiáng)度越高，電池板兩端的電壓越大，若測(cè)得的電壓Vout超出閾值Vturn，則認(rèn)為太陽(yáng)輻照的光強(qiáng)達(dá)到了進(jìn)行光電跟蹤的條件。否則，則系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向定時(shí)跟蹤模式?？刂破髟O(shè)置了高度角和訪位角的位置寄存器，累計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所發(fā)出的脈沖數(shù)，正轉(zhuǎn)時(shí)，加每次運(yùn)行的脈沖，反轉(zhuǎn)是減每次運(yùn)行的脈沖。由于脈沖數(shù)和角度成比例關(guān)系，也就相當(dāng)于知道跟蹤裝置的方位角和高度角。并將方位角和高度角度信號(hào)通過CAN總線傳輸?shù)綇臋C(jī)，實(shí)現(xiàn)雙軸跟蹤系統(tǒng)的群控?？紤]到太陽(yáng)光的照射角在一定范圍偏離90°時(shí)，輸出功率變化不大于，因此采取定時(shí)進(jìn)行光電檢測(cè)間隔性跟蹤的辦法，這樣在保證跟蹤精度的情況下，大大減少了電能的消耗，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 控制主程序流圖

CAN通訊分為主機(jī)程序和從機(jī)程序，從機(jī)采用中斷方式，定時(shí)接收主控系統(tǒng)發(fā)出的當(dāng)前方位角和高度角的信息，和存放在本機(jī)的方位角和高度角，以控制電機(jī)運(yùn)行。這部分內(nèi)容這里不再贅述。主控制系統(tǒng)的CAN 通信主要包括系統(tǒng)初始化程序、發(fā)送程序等。在本例中，初始化程序主要完成對(duì)所有的報(bào)文對(duì)象初始化（一般將所有值清零），對(duì)CAN 控制寄存器（CAN0CN）、位定時(shí)寄存器（BITREG）進(jìn)行設(shè)置，還要對(duì)發(fā)送報(bào)文對(duì)象和接收?qǐng)?bào)文對(duì)象分別初始化。本系統(tǒng)中，使用的晶振頻率為24MHz， 4分頻，系統(tǒng)位定時(shí)器的設(shè)置為 250Kbps。CAN 總線長(zhǎng)度 200m ，CAN 節(jié)點(diǎn)之間5 ns/m 的信號(hào)延遲，傳輸延遲時(shí)間為2300ns。位時(shí)間寄存器設(shè)置為0x4CC0H。

CAN 報(bào)文發(fā)送是由CAN 控制器自動(dòng)完成的，不需要用戶軟件干預(yù)，這樣就極大的減少了軟件開銷。只需根據(jù)接收到的遠(yuǎn)程幀的識(shí)別符，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到發(fā)送緩沖寄存器，然后將此報(bào)文對(duì)象的編碼寫入命令請(qǐng)求寄存器啟動(dòng)發(fā)送即可，而發(fā)送由硬件來(lái)完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)太陽(yáng)跟蹤方式進(jìn)行了討論，闡述了基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化的雙軸太陽(yáng)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)原理以及軟硬件設(shè)計(jì)思路方法。最后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，實(shí)驗(yàn)證明跟蹤效果良好，成本相對(duì)較低，便于操作，性能穩(wěn)定可靠，具有較高的實(shí)用價(jià)值，可以加大推廣應(yīng)用。控制器還存在需進(jìn)一步完善的問題，如采用定時(shí)跟蹤相對(duì)于計(jì)算法還比較粗糙；在網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)，可以增加從機(jī)的方位角和高度角的偏差設(shè)定功能，這樣可以實(shí)現(xiàn)例如不同樓層的太陽(yáng)板電池網(wǎng)絡(luò)控制，這些有待于在今后的工作中逐步解決。

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