張春梅

（天津市河?xùn)|區(qū)職工大學(xué)，天津 300162）

太陽能是最清潔的能源，而且取之不盡用之不竭，屬于可再生能源。在很多使用方面可以代替不可再生資源，所以，我們應(yīng)該不斷開發(fā)更新太陽能再利用的方法，合理有效地利用太陽能不僅有助于保護(hù)環(huán)境，還可以節(jié)約寶貴的不可再生資源。但是由于自然條件、地理位置以及天氣情況的影響，導(dǎo)致太陽能不能大規(guī)模地應(yīng)用[1]，另外，已有的裝置對太陽能的利用率也不是很高，太陽能的采集需要跟蹤裝置，現(xiàn)在有很多種跟蹤裝置在使用，但是采集效果不盡如人意[2]。本文在原有硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上給出軟件設(shè)計(jì)結(jié)果，使設(shè)計(jì)更完整，實(shí)用性更強(qiáng)。

1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是用STEP7進(jìn)行PLC程序，在設(shè)計(jì)程序前介紹一下相關(guān)理論知識。

1.1 轉(zhuǎn)臺角度程序設(shè)計(jì)

本文主要是通過光電跟蹤程序?qū)D(zhuǎn)臺進(jìn)行控制的，使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過一定的俯仰角度和水平角度后正對太陽。但是所轉(zhuǎn)角度大小是通過光電傳感器和放大電路處理得到的結(jié)果，所以進(jìn)行程序設(shè)計(jì)前，必須弄清偏移量與轉(zhuǎn)臺所轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系[3]。

在自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，當(dāng)太陽轉(zhuǎn)動(dòng)后，這時(shí)候落在探測器上的光斑就發(fā)生了偏移，水平偏移量為Hx，俯仰偏移量為Hy，但這兩個(gè)數(shù)據(jù)必須要轉(zhuǎn)換成水平轉(zhuǎn)角Δa與俯仰轉(zhuǎn)角Δβ才有意義。當(dāng)光斑發(fā)生偏移時(shí)，則偏移后的坐標(biāo)為（Hx，Hy），與O點(diǎn)的距離為偏移后，通過轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)Δa和Δβ后，使光斑回到中心點(diǎn)O點(diǎn)。相關(guān)示意如圖1所示。

從圖1可以看出，當(dāng)光線從A點(diǎn)進(jìn)入時(shí)，光斑中心和探測器中心在一起，不會(huì)有偏移量。當(dāng)光線從B點(diǎn)進(jìn)入時(shí)，這時(shí)發(fā)生了偏移，此時(shí)點(diǎn)X必須經(jīng)過水平方向旋轉(zhuǎn)到達(dá)點(diǎn)X′才可以消除Δa。此時(shí)坐標(biāo)變?yōu)橐虼?，Δa就是水平方向需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，又因?yàn)棣很小，所以可以表示為：

俯仰方向上角度跟水平方向原理是一樣的，可以表示為：

該兩式主要是在PLC數(shù)據(jù)處理程序中涉及，通過使用數(shù)據(jù)寄存器D和乘除法計(jì)算將偏差量轉(zhuǎn)換成所轉(zhuǎn)角度。

圖1 示意圖

1.2 控制脈沖程序

PLC軟件平臺中，控制脈沖程序主要有3個(gè)部分：脈沖轉(zhuǎn)換，脈沖方向判斷，發(fā)出脈沖。其中脈沖轉(zhuǎn)換的目的就是將1.1節(jié)算出的轉(zhuǎn)臺角度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖量；而方向脈沖判斷是根據(jù)偏移量的正負(fù)來決定的，從而控制轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)方向；這些由PLC發(fā)出的脈沖會(huì)由驅(qū)動(dòng)器接收到，它主要接收兩路信號，一路是驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖，一路是電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向脈沖，接著驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

當(dāng)每一個(gè)采樣周期開始時(shí)，設(shè)計(jì)的程序根據(jù)采集到的偏移量計(jì)算出要發(fā)出的脈沖的數(shù)量，如果假設(shè)水平方向的轉(zhuǎn)臺和步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)比為1∶1時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)為4時(shí)，也就是步距角為0.45°，那么水平方向上的脈沖量為：

一般來說，對于機(jī)械裝置很多部分都是由齒輪來連接的，電機(jī)和轉(zhuǎn)臺也是這樣的。如果他們之間的傳動(dòng)比為1∶N。則根據(jù)上式知道，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過相同的度數(shù)，脈沖量也為原來的N倍。也就是：

當(dāng)知道脈沖數(shù)后，還要知道步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，也就是說水平和俯仰方向的步進(jìn)電機(jī)要根據(jù)偏差量的情況決定是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到自動(dòng)跟蹤的效果。由前文分析可知，如果光斑所在的象限不同，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向是不一樣的，這個(gè)很容易理解，如果把天空分為4個(gè)象限，以太陽正對小孔的位置為原點(diǎn)，則光斑所在象限不同就表明太陽在天空的象限不同，因此太陽能電池板旋轉(zhuǎn)的方向也會(huì)不一樣。鑒于此，還要設(shè)計(jì)一個(gè)程序來判斷轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)方向。

可是如何判斷轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)方向呢？當(dāng)然這個(gè)還得要用到Hx和Hy相關(guān)數(shù)據(jù)。主要判斷方法如下[5]。

水平方向判斷：

俯仰方向判斷：

Hx＞0時(shí)，則說明光斑落在第一或者第四象限，此時(shí)電機(jī)需要正傳才能追蹤到太陽。

Hx＜0時(shí)，則說明光斑落在第二或者第三象限，此時(shí)電機(jī)需要反轉(zhuǎn)才能追蹤到太陽。

光電跟蹤主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

Q0.1是水平方向的步進(jìn)電機(jī)方向脈沖輸出端口，Q0.3是俯仰方向的步進(jìn)電機(jī)方向脈沖輸出端口，規(guī)定電機(jī)在電平為1時(shí)反轉(zhuǎn)，電機(jī)在電平為0時(shí)正轉(zhuǎn)。發(fā)出脈沖是由定時(shí)器跟計(jì)數(shù)器共同控制的，從而實(shí)現(xiàn)脈沖的發(fā)出以及數(shù)量的多少。先將經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的脈沖數(shù)據(jù)存進(jìn)寄存器VD50和VD51中，然后發(fā)出脈沖并且將脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果發(fā)出的脈沖數(shù)N1，N2跟寄存器中的數(shù)據(jù)一樣的話，則停止脈沖輸出，將計(jì)數(shù)器復(fù)位。

1.3 測角信號程序

太陽能自動(dòng)跟蹤的反饋模塊主要利用的器件是增量式光電編碼器，編碼器和步進(jìn)電機(jī)是利用聯(lián)軸器連起來的，因此他們會(huì)一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器將聯(lián)軸轉(zhuǎn)過的角度通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換成脈沖送到PLC的高速計(jì)數(shù)器端口，通過計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，來得到反饋位置。該系統(tǒng)共有兩個(gè)光電編碼器，分別將水平方向和俯仰方向的信號送到HSC端，這樣方便采集。以下是對HSC的介紹：

高速計(jì)數(shù)器 使用的輸入

HSC0 I0.0, I0.1, I0.2

HSC1 I0.6, I0.7, I1.0, I1.1

HSC2 I1.2, I1.3, I1.4, I1.5

HSC3 I0.1

HSC4 I0.3, I0.4, I0.5

HSC5 I0.4

HSC工作模式：12種工作模式，按照功能構(gòu)造的不同可以分成4組，有2組是只有一路輸入信號，另外兩組卻有二路輸入信號。他們每一組的工作方式是不一樣的。同一組也有稍微的差別，比如啟動(dòng)手段不一樣，當(dāng)然復(fù)位手段也不一樣。

不同計(jì)數(shù)器工作模式：HSC3和HSC5為模式0；HSC0和HSC4沒有模式2，5，8和11；HSC1和HSC2有12種模式。

不同工作模式特點(diǎn)如下。

（1）3、4、5模式：有兩路輸入信號，一路脈沖輸入，另外一路是脈沖方向輸入。計(jì)數(shù)方向由外部信號控制。

（2）6、7、8模式：有兩路脈沖輸入信號，一個(gè)是加計(jì)數(shù)，另外一個(gè)是減計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)方向改變會(huì)產(chǎn)生中斷。

（3）9、10、11模式：A、B兩相脈沖相差90°，通過相差決定計(jì)數(shù)的加減方向，計(jì)數(shù)可靠。

該系統(tǒng)采用了I0.1和I0.3輸入端子，兩路輸入分別是A相和B相的輸入端口，使用線性計(jì)數(shù)法，正交方式。假如A相超前的話，就用A相計(jì)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)計(jì)數(shù)為增；如果相反，A相滯后，則采用B相計(jì)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)計(jì)數(shù)為減。

2 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)其實(shí)是一個(gè)很老的課題，以前有很多學(xué)者研究過，但這次設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)跟以往相比，有自己獨(dú)特的優(yōu)勢。一方面，對太陽跟蹤的效率大大提高，不受天氣影響，不受地域限制。另一方面，由于該系統(tǒng)使用的硬件簡單易操作，所以相比其他的跟蹤系統(tǒng)更節(jié)省材料成本和人工成本。

系統(tǒng)通過光電式控制方式，從而實(shí)現(xiàn)基于PLC的雙軸跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用成本低。通過四象限探測器采集到精準(zhǔn)的跟蹤信號，并將信號送到控制器，再通過PLC的程序控制雙軸系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)使用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步縮小誤差，提高跟蹤精度，增加利用效率。