聞嘉程，王　斐

(河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023)

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基于DSP的衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)設計*

聞嘉程，王斐

(河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023)

衛(wèi)星太陽能電池板將太陽能轉換為電能，是衛(wèi)星能源供應系統(tǒng)的重要組成部分。為了實現能源利用率的最大化，設計了基于DSP的太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)。通過控制太陽能電池板姿態(tài)，太陽能電池板可以完成太陽光的最有效采集，提高太陽能電池板的光電轉換效率。首先，依據太陽能電池板輸出短路電流與太陽光照強度成正比這一原理，測量出太陽光相對于太陽能電池板的入射角；然后，利用DSP處理并生成電機控制信號；最后，驅動步進電機轉過相應角度，完成姿態(tài)控制，從而使電池板達到最大采光率。測試結果表明，控制系統(tǒng)顯著提高了太陽能電池板的采光率，性能穩(wěn)定，為衛(wèi)星能源利用率最大化提供了可靠保障。

太陽能電池板；太陽光線入射角；姿態(tài)控制；步進電機；DSP

太陽能電池板是衛(wèi)星的一個獨立系統(tǒng)，也是衛(wèi)星在軌飛行時唯一主動提供能源的子系統(tǒng)。電池板像發(fā)電機一樣，把光能轉換成電能，源源不斷地輸送給飛船中的其他系統(tǒng)。因此，太陽能電池板光電轉化效率的高低和姿態(tài)控制是否合理，將直接影響衛(wèi)星整體的工作狀態(tài)與能源的利用率，所以，衛(wèi)星太陽能電池板系統(tǒng)對于衛(wèi)星平臺具有重要作用，在衛(wèi)星能源利用的研究中，對衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)的控制就顯得尤為必要。

目前使用最為廣泛的太陽能電池板控制系統(tǒng)為太陽光跟蹤系統(tǒng)，而跟蹤太陽的方法主要有熱敏電阻溫度比較法和光敏電阻光強比較法[1]。熱敏電阻溫度比較法通過安裝在太陽能電池板上的溫度傳感器測量出太陽能電池板上溫度的高低從而判斷太陽具體的偏差位置，如果溫度高說明太陽在這個方向，則控制電機向該方向轉動，反之則相反。該系統(tǒng)設置簡單，但是穩(wěn)定性差，跟蹤精度低，響應速度慢。光敏電阻光強比較法則是利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，在電池板上布置一定數量的光敏元件來測量在不同位置時光敏電阻的阻值變化情況，當阻值變小，說明所受光照強，則控制電機向該方向轉動；阻值變大時，說明所受光照弱，則控制電機向相反方向轉動。但是光敏電阻在光照條件復雜和溫度變化大的環(huán)境下受影響較大。

通過上面的比較可以發(fā)現，上述兩種方法對環(huán)境的要求較高，而衛(wèi)星所處的工作環(huán)境較惡劣，因此這兩種方法都不太適合于衛(wèi)星系統(tǒng)。通過進一步研究發(fā)現太陽能電池板的輸出短路電流與光照強度具有正比關系，因此，可以通過太陽能電池板的輸出短路電流來計算太陽光相對于電池板的入射角度。當輸出短路電流發(fā)生變化時，可以間接測量出光線的角度變化情況，進而通過控制系統(tǒng)生成控制信號，控制電池板轉動，使光線相對于電池板達到最大光照率。這種控制系統(tǒng)精確度較高，且電路也比較容易實現。

因此，本文根據太陽能電池板對太陽光最大采集率的要求，給出基于TMS320F28335的太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)的設計過程。該系統(tǒng)能根據太陽能電池板的輸出短路電流與光照強度成正比關系，實時完成輸入信號的采集、處理、數據后處理和生成控制信號?？刂葡到y(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，能實時檢測出太陽能電池板的輸出短路電流，生成控制信號調節(jié)太陽能電池板姿態(tài)，從而大大提高采光率。

1　系統(tǒng)工作原理

基于上述原理的分析，選擇控制精度高和電路易于實現的輸出短路電流法作為最終方案，其實現電路的原理框圖如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)原理框圖

控制系統(tǒng)主要由電流采集模塊、信號預處理模塊、主控制模塊、電機驅動模塊以及相應控制軟件組成。

對衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制時，系統(tǒng)的主要任務是對太陽光輸出短路電流的測量。而對于普遍的太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的光敏電阻光強比較法，主要是通過在電池板東西方向邊沿處的下方分別放置兩個完全相同的光敏電阻，當兩光敏電阻的阻值相同時，則說明光線直射在電池板上，此時電機也就不轉動。若兩光敏電阻阻值不同，則太陽光與電池板在垂直方向上有一定的夾角，則驅動電機向光敏電阻阻值減小的方向轉動，直至兩個光敏電阻阻值再次相等。

然而，對于衛(wèi)星上的太陽能電池板，由于衛(wèi)星始終在不停地圍繞地球運動，因此，太陽能電池板無法始終與太陽光線垂直。所以我們利用光照強度與太陽能電池板輸出短路電流成正比的關系，采集衛(wèi)星在各個位置時太陽能電池板的輸出短路電流，然后將采集到的信號送入主控系統(tǒng)中，進行進一步的處理和比較，繼而生成控制信號，控制步進電機轉動一定的角度，從而使得太陽能電池板的吸光率達到最大值。

2　系統(tǒng)控制條件

衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制的目的，主要是為了提高電池板對光線的采集率。但是在太空中的太陽能電池板與地面的電池板存在著很大的差別，太空中太陽能電池板無法始終跟蹤太陽光，即電池板與入射光的夾角無法永久的保持垂直。因此，要使衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)工作需要達到一定的條件[2]。

當衛(wèi)星運行至地球背光面時，太陽能電池板將得不到太陽光照，則此時無需調節(jié)太陽能電池板的姿態(tài)，控制系統(tǒng)停止工作，否則將會浪費能源。

太陽能電池板得不到光照的條件有：

第一，衛(wèi)星進入地球背光面時，如圖2所示，衛(wèi)星位置矢量P與太陽光線入射方向單位矢量L的夾角取值為0°≤α≤90°時處在地球背光面，所以要使系統(tǒng)停止工作需滿足的第一個條件為0°≤α≤90°；

第二，當衛(wèi)星穿越白晝黑夜交界面，由白晝進入黑夜時，在一段時間內太陽能電池板仍然能夠接收到一部分陽光，所以需滿足的第二個條件是，衛(wèi)星位置矢量P在地球白晝黑夜分界面上的投影長度|OD|≤R，R為地球半徑，|OD|=|P|sin(α)。

圖2　太陽光線照射衛(wèi)星示意圖

3　系統(tǒng)硬件設置

系統(tǒng)硬件主要包括信號采集系統(tǒng)、信號預處理系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)及電機驅動系統(tǒng)。

采集系統(tǒng)主要是運用模擬量的檢測方式，通過測量在不同位置時太陽能電池的輸出短路電流來計算太陽光入射角度。太陽能電池板的短路電流與光照強度成正比，當太陽光線與太陽能電池板所在平面的夾角較小時，太陽能電池板的短路電流也將會減小，其變化關系如圖3所示。

圖3　短路電流與太陽光線入射角關系

在圖中，S為太陽能電池平面的面積，L為太陽能電池平面的法線，L與太陽光線的夾角為θ，則S與S′的關系有：

S′=Scosθ.

(1)

通過分析可知，太陽能電池板實際接收光線的面積只相當于S在太陽光方向的投影面積。因此，只有將太陽能電池板正對太陽光線才能獲得最大能量，即太陽能電池板接收光線的面積與太陽光線入射角β具有反比關系。當太陽光線與電池板垂直時，太陽能電池板接收光線的面積將達到最大[3]。

所以，根據太陽能電池的短路電流與光照強度的線性關系，利用疊加原理，可知太陽電池的短路電流iSC的關系為：

iSC=I0+Imcosθ.

(2)

則短路電流與太陽光入射角的關系為：

iSC=I0+Imsinβ.

(3)

式中，I0為反射光對應的短路電流，短時間內該值為常數；Im是θ為0時的入射光對應的短路電流。

因此，可以通過測量出太陽能電池板短路電流的大小來間接測量太陽光的入射角。

信號預處理系統(tǒng)由前級運放、濾波電路、放大電路及ADC電路組成[4]。信號預處理系統(tǒng)主要是對來自采集系統(tǒng)中采集到的信號進行進一步的處理，將有用信號提取處理，調理成滿足AD轉換電路中所要求的信號，最終送入主控制中心進行對比處理。

主控制系統(tǒng)主要以TMS320F28335作為控制芯，通過使用芯片內部的資源來完成對整個系統(tǒng)的綜合管理和控制功能。

電機驅動系統(tǒng)主要由DAC電路與步進電機驅動電路組成[5]。DAC電路使用的是TMS320F28335自身所帶的12位DAC，將處理后的信號傳送至驅動電路中；步進電機驅動電路使用的ULN2003A驅動芯片，它可以提供高達500 mA的輸出電流，5 V供電，可以提供7對輸入/輸出通道，能滿足同時驅動兩個步進電機來控制兩片太陽能電池板的轉動。

4　系統(tǒng)軟件設計

太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)的軟件采用TI公司的CCSV6.1設計開發(fā)。該軟件以ANSI C為核心，是一款針對TMS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境，編程方式靈活，函數庫豐富，可以較好地提高軟件開發(fā)效率。

軟件設計采用模塊化原則，以提高軟件設計的靈活性和通用性，軟件構成如圖4所示。

圖4　電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)軟件構成圖

系統(tǒng)配置模塊主要完成姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制參數配置、定時器配置、I/O參數配置、系統(tǒng)路徑配置和輸出配置等功能。

數據處理模塊主要完成對采集系統(tǒng)中得到的電流參數，轉換成太陽光入射角角度值，并且實時對反饋信號進行比較判斷，生成電機驅動信號。

狀態(tài)監(jiān)測模塊主要完成太陽能電池板各位置所對應的短路電流參數的實時采集，并且將測試數據按照一定的頻率實時傳送到數據處理中心進行處理。

數據記錄模塊主要以指定數據格式和存儲路徑完成對采集后計算生成的太陽光線入射角的數據進行記錄存儲，以便姿態(tài)控制結束后的數據分析和處理。

電機驅動模塊主要完成步進電機的驅動功能，將數據處理中心所生成的驅動信號，通過驅動芯片ULN2003A驅動步進電機轉動固定的角度，從而使電池板采光率達到最佳。

5　測試環(huán)境與結果

為了驗證系統(tǒng)性能，構建一套模擬測試平臺。該測試平臺主要有模擬太陽光源，地球，衛(wèi)星和三者的運動軌道。利用氙氣燈作為太陽，將地球與衛(wèi)星放在模擬軌道中，以一定的速度進行自轉與公轉。然后利用計算機實時監(jiān)控光線的入射角以及太陽能電池板轉動的角度。

利用該測試平臺對衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)進行多次重復測試，得到部分測試數據如表1所示。

表1　電池板綜合測試數據表

根據電機的轉動角度與光線入射角度對比分析知測試值和誤差均在允許范圍內[6]，測試結果表明該系統(tǒng)的性能良好，達到預期效果。

6　結論

基于DSP的太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)能夠較好地完成使太陽能電池板達到最大采光率的功能，可以自動調節(jié)電池板達到最佳位置。將該控制系統(tǒng)放在模擬太空環(huán)境下進行測試，結果表明，系統(tǒng)性能良好，測試結果達到預期的性能指標，且運行可靠。本設計方案設計簡便，適宜于太陽能電池板姿態(tài)控制的實際應用，為提高太陽能電池板采光率提供了重要的依據。

[1]楊鵬，史旺旺，劉松青，等.基于太陽能電池的大范圍太陽光入射角測量方法研究[J].太陽能學報，2011，2(2)：216-219.

[2]王雪文，王洋，閻軍鋒，等.太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)的設計[J].西北大學學報，2004，2(2)：163-164.

[3]張龍慧，宋楊，唐俊，等.基于Open Inventor的衛(wèi)星姿態(tài)控制可視化仿真[J].計算機技術與發(fā)展，2009，19(11)：214-217.

[4]黃彥智，何寧，趙佳慶.基于平衡式陣列的光電傳感太陽跟蹤系統(tǒng)[J].桂林電子科技大學學報，2015，35(5)：377-381.

[5]陳多飛，鐘加杰，陳榮.太陽光入射方向的檢測與太陽能電池板方位控制系統(tǒng)[J].鹽城工學院學報，2014，27(4)：1-4.

[6]李燕斌，譚陽，王海泉，等.光伏發(fā)電逐日跟蹤控制系統(tǒng)設計[J].中原工學院學報，2014，25(6)：11-15.

Design of Solar Panel Satellite Attitude Control Based on DSP

Wen Jiacheng, Wang Fei

(SchoolofInformationEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,LuoyangHenan471023,China)

The satellite solar panels are the important parts of energy supply in satellite system, which can convert solar energy into electrical energy. The attitude control system of solar panel is designed to realize the maximum acquisition rate of solar power based on DSP. The solar panels can accomplish most efficiently to capture sunlight and improve the photoelectric conversion efficiency by controlling the attitude of solar panels. First, according to the principle that the short-circuit current output from solar panels is in proportion to the solar light, the sunlight angle of incidence is measured with respect to solar panels; Then, the DSP is used to process and generate the motor control signal; finally, it drives the stepping motor turning to the corresponding angle to complete the attitude control, so that the satellite solar panels reaches the maximum lighting rate. The test results show that the control system significantly improves the lighting rate of solar panels and the performance is stable, provides a reliable guarantee for the maximize utilization of satellite energy.

solar panel; sunlight angle; attitude control; stepper motor; DSP

2016-05-07

2016-05-19

河南科技大學大學生科研訓練計劃項目(SRTP2015-03)

聞嘉程(1994- )，男，廣東惠州人，學生，本科。

王斐(1976- )，男，河南洛陽人，副教授，博士，主要從事復雜光機電系統(tǒng)建?？刂品抡婕癡V&A方向的研究。

1674- 4578(2016)04- 0039- 03

TM914.4；V448.22

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