馮 濤，李 擎，王常策，崔家瑞，潘月斗，庫(kù)都斯

（北京科技大學(xué)a.自然科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心；b.自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083）

0 引言

資源枯竭已經(jīng)成為當(dāng)前制約人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重大困擾和難題，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)因其顯著的優(yōu)點(diǎn)而成為新能源開(kāi)發(fā)和利用的重要發(fā)展方向［1-4］。太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)有多種形式，其中塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是通過(guò)大規(guī)模的反射鏡群將太陽(yáng)光聚焦到發(fā)電場(chǎng)中央集熱塔頂部的接收器上，對(duì)其中的工質(zhì)進(jìn)行高溫加熱產(chǎn)生蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)換。這種太陽(yáng)能熱發(fā)電形式因其熱傳輸路徑短、發(fā)電效率高、熱損耗小等特點(diǎn)成為世界各國(guó)研究的重點(diǎn)［5-6］，其中定日鏡對(duì)太陽(yáng)位置及光線角度的持續(xù)精確跟蹤是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)［7-9］。由于需要對(duì)太陽(yáng)的高度角和方位角進(jìn)行同步跟蹤，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電的定日鏡需要實(shí)現(xiàn)雙軸獨(dú)立控制，由獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)分別控制定日鏡的水平角度和俯仰角度以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)追蹤。

目前市面上成品的運(yùn)動(dòng)控制器均采用ARM/DSP+CPLD/FPGA的架構(gòu)，這種架構(gòu)具有極強(qiáng)的運(yùn)算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)4 軸甚至6 軸的曲線、圓弧插補(bǔ)［10-11］。定日鏡的運(yùn)動(dòng)控制只需要2 軸插補(bǔ)，使用成品運(yùn)動(dòng)控制器性能嚴(yán)重過(guò)剩。對(duì)于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，其定日鏡規(guī)模龐大，考慮到鏡群組網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制的要求，定日鏡運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)占電場(chǎng)總體建設(shè)成本的比例較大，采用這種成品的運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)造成極大的成本壓力。因此有必要專門針對(duì)塔式太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的定日鏡控制需求，開(kāi)發(fā)一款成本低、控制靈活、易于大規(guī)模組網(wǎng)的雙軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 定日鏡雙軸控制系統(tǒng)整體工作流程

定日鏡需要根據(jù)當(dāng)前所在的經(jīng)度、緯度，以及當(dāng)前的時(shí)間和季節(jié)，利用太陽(yáng)在天空的軌跡運(yùn)行規(guī)律調(diào)整自身的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的追蹤，整體控制流程如圖1 所示。

圖1 定日鏡太陽(yáng)追蹤控制流程圖

根據(jù)地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的規(guī)律，可以得到太陽(yáng)的高度角為［12］

式中：H為太陽(yáng)高度角；φ為定日鏡當(dāng)前所在位置的緯度；α為赤緯角；ω為太陽(yáng)時(shí)角。

太陽(yáng)方位角為

式中，β為太陽(yáng)方位角。通過(guò)式（1）、（2），系統(tǒng)可以計(jì)算出當(dāng)前太陽(yáng)的所在高度角和方位角，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的追蹤。

2 定日鏡雙軸控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)方案

根據(jù)定日鏡控制流程，定日鏡雙軸控制系統(tǒng)的總體要求如下：

（1）要求實(shí)現(xiàn)Modbus-TCP工業(yè)總線協(xié)議，并且數(shù)據(jù)響應(yīng)延遲要低于50 ms，能夠與中央控制主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn)定通信；

（2）能夠驅(qū)動(dòng)兩路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，分別控制定日鏡的俯仰角度和水平旋轉(zhuǎn)角度，并要求根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑加減速控制，避免步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失步與過(guò)沖；

（3）要求具備非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和完善的過(guò)熱報(bào)警、保護(hù)功能。

系統(tǒng)方案整體框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)主要由微控制器及其外圍電路、WiFi 通信模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)Modbus-TCP通信協(xié)議，具備現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模組網(wǎng)和通信能力，以集中對(duì)發(fā)電場(chǎng)內(nèi)所有定日鏡進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)可產(chǎn)生兩路脈沖及方向信號(hào)輸出給專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分別控制定日鏡的俯仰角度和水平角度，并能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的平滑加減速。系統(tǒng)帶有RS-232 接口，以和專用的手持操作器通信，方便維護(hù)人員對(duì)定日鏡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。此外，系統(tǒng)還集成有非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)經(jīng)緯度、通信地址和其他控制參數(shù)。系統(tǒng)同時(shí)還帶有溫度傳感和報(bào)警功能，以監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度，防止系統(tǒng)在室外工作過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)熱等現(xiàn)象。

3 定日鏡雙軸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)資源分配

根據(jù)上面的總體設(shè)計(jì)要求，選用STM32F407VGT6單片機(jī)作為主控芯片。STM32F407VGT6 單片機(jī)集成的是高性能的Cortex-M4 內(nèi)核，工作頻率在168 MHz，并且?guī)в懈↑c(diǎn)計(jì)算功能，運(yùn)算能力得到進(jìn)一步加強(qiáng)［13］。該單片機(jī)內(nèi)部集成了極為豐富的外設(shè)資源，如I/O口、定時(shí)器、UART、I2C接口等，各個(gè)外設(shè)模塊可以與多個(gè)I/O口進(jìn)行功能復(fù)用，使用相當(dāng)靈活。在本系統(tǒng)中單片機(jī)的內(nèi)部資源分配如表1 所示。

表1 系統(tǒng)功能與資源分配

3.2 非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用EEPROM 芯片24LC02 來(lái)存儲(chǔ)經(jīng)緯度、通信地址等非易失性參數(shù)。24LC02 內(nèi)部包含有256 Byte的存儲(chǔ)空間，采用I2C 接口，并帶有寫保護(hù)功能，可防止系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障使得程序意外寫入導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。24LC02 的電路原理圖如圖3 所示。

圖3 24LC02電路原理圖

在軟件實(shí)現(xiàn)上，這里使用STM32 單片機(jī)I/O口軟件模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)與24LC02 芯片之間的I2C 總線通信和數(shù)據(jù)讀寫。I2C協(xié)議使用SCL與SDA兩根線來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，SCL 作為時(shí)鐘線，SDA 作為數(shù)據(jù)線。將STM32 的對(duì)應(yīng)I/O 口進(jìn)行相應(yīng)的配置，根據(jù)I2C總線協(xié)議規(guī)范和24LC02 的手冊(cè)要求，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SCL和SDA 線的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)24LC02 的數(shù)據(jù)讀寫。

3.3 Modbus-TCP遠(yuǎn)程通信功能實(shí)現(xiàn)

為了對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電場(chǎng)的定日鏡進(jìn)行統(tǒng)一的控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，要求控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)通信能力，這里采用的是Modbus-TCP 協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)定日鏡控制系統(tǒng)的大規(guī)模組網(wǎng)。Modbus-TCP 協(xié)議是運(yùn)行在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上的Modbus 通信規(guī)約，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，能夠與多種PLC、通用控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)接［14］。

本系統(tǒng)中Modbus-TCP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以WiFi 模塊USR-WiFi232-B作為物理層。USR-WiFi232-B 模塊是一款一體化的802.11 b/g/n WiFi模塊，采用工業(yè)級(jí)高性能嵌入式架構(gòu)，在本系統(tǒng)中它的電路如圖4 所示。

圖4 USR-WIFI232-B模塊電路原理圖

USR-WiFi232-B模塊已經(jīng)處理了WiFi 數(shù)據(jù)通信中的大部分細(xì)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)Modbus 通信規(guī)約要求來(lái)實(shí)現(xiàn)Modbus-TCP通信協(xié)議。Modbus-TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)采用有限狀態(tài)機(jī)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5 所示。

圖5 Modbus-TCP數(shù)據(jù)處理狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

沒(méi)有收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)處于“空閑”狀態(tài)。收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到“數(shù)據(jù)接收”狀態(tài)，此時(shí)隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟粩噙M(jìn)行，會(huì)根據(jù)Modbus-TCP 的協(xié)議約定，對(duì)數(shù)據(jù)幀完整性進(jìn)行持續(xù)判斷。當(dāng)接收到完整的數(shù)據(jù)幀之后，進(jìn)入“數(shù)據(jù)幀解析”狀態(tài)，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)幀的正確及有效性進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，驗(yàn)證訪問(wèn)的寄存器有沒(méi)有超過(guò)范圍等。如果數(shù)據(jù)幀驗(yàn)證通過(guò)，則對(duì)其中的功能碼進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理。Modbus 協(xié)議支持多種功能碼，針對(duì)不同的功能碼，系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)地址的寄存器進(jìn)行讀寫，然后把讀寫結(jié)果組成回復(fù)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再次進(jìn)入“空閑”狀態(tài)，一次通信即告結(jié)束，等待遠(yuǎn)程控制主機(jī)發(fā)起下一次Modbus通信。

Modbus協(xié)議支持多種功能碼，在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能碼見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)的Modbus功能碼

3.4 脈沖信號(hào)可控輸出功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制需要由系統(tǒng)提供相應(yīng)頻率的脈沖輸出，脈沖輸出的頻率決定了電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，脈沖輸出的數(shù)量決定了步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，因此需要實(shí)現(xiàn)脈沖頻率、數(shù)量的可控輸出［15-16］。相對(duì)于采用CPLD/FPGA 的較為復(fù)雜的方案，本系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)內(nèi)部的高級(jí)多功能定時(shí)器進(jìn)行相互級(jí)聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)頻率和數(shù)量的可控輸出。該方案的組成框圖如圖6 所示。

圖6 STM32單片機(jī)定時(shí)器級(jí)聯(lián)框圖

圖6 中，定時(shí)器1 由STM32 的內(nèi)部高頻時(shí)鐘提供時(shí)鐘源，時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻和定時(shí)器1 的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，產(chǎn)生PWM信號(hào)輸出到外部。同時(shí)定時(shí)器2 對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入定時(shí)器2 的ISR，改變定時(shí)器1 的寄存器設(shè)置，從而改變脈沖輸出的頻率。脈沖輸出都是由定時(shí)器硬件完成，軟件只需要在預(yù)設(shè)的脈沖個(gè)數(shù)輸出完畢時(shí)才會(huì)介入以對(duì)后續(xù)的脈沖頻率、個(gè)數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟硬件優(yōu)化，對(duì)硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化，在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)成本的顯著降低。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，采用數(shù)字存儲(chǔ)數(shù)字示波器以及專用的通信測(cè)試軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的實(shí)驗(yàn)測(cè)試?？刂葡到y(tǒng)電路板及測(cè)試環(huán)境如圖7 所示。

圖7 定日鏡雙軸控制系統(tǒng)電路板及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境

將系統(tǒng)與上位機(jī)接入同一個(gè)局域網(wǎng)，然后在上位機(jī)上運(yùn)行Modbus Poll 測(cè)試軟件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)的Modbus寄存器讀寫操作，同時(shí)讓系統(tǒng)對(duì)24LC02 芯片進(jìn)行連續(xù)的讀寫操作，并與此同時(shí)輸出頻率、數(shù)量可控的脈沖信號(hào)。使用這樣的方式，對(duì)系統(tǒng)的Modbus-TCP通信、24LC02 芯片讀寫、脈沖信號(hào)可控輸出等功能進(jìn)行完整的壓力測(cè)試。

Modbus通信波形如圖8 所示，圖中，通道1 是中央主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制和查詢指令，通道2 是本系統(tǒng)的回復(fù)數(shù)據(jù)。由圖可見(jiàn)，從主機(jī)指令發(fā)送結(jié)束到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)回復(fù)起始之間的時(shí)間延遲約為10 ms，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。Modbus通信測(cè)試界面如圖9所示。經(jīng)過(guò)24h的連續(xù)測(cè)試運(yùn)行，上位機(jī)與系統(tǒng)總計(jì)進(jìn)行了6.5 ×105包的Modbus-TCP 通信數(shù)據(jù)交換，出錯(cuò)次數(shù)為0，這說(shuō)明本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的Modbus-TCP具有較高的通信穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求。

圖8 Modbus-TCP通信波形圖

用示波器抓取的系統(tǒng)對(duì)24LC02 芯片進(jìn)行讀寫操作的I2C通信波形如圖10 所示，波形滿足I2C 協(xié)議中所規(guī)定的操作時(shí)序要求和建立保持時(shí)間條件。測(cè)試過(guò)程中，對(duì)24LC02 芯片整個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行了連續(xù)104余次的讀寫操作，數(shù)據(jù)讀取與寫入均成功，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖9 Modbus-TCP通信測(cè)試界面圖

圖10 I2C總線操作波形圖

在系統(tǒng)進(jìn)行Modbus-TCP通信與EEPROM數(shù)據(jù)讀寫操作的同時(shí)，讓系統(tǒng)周期性地輸出兩路頻率、數(shù)量可控的脈沖信號(hào)，如圖11 所示。

圖11 脈沖可控輸出波形圖

對(duì)上面兩路輸出脈沖的數(shù)量、周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表3～5。

表3 兩路脈沖輸出數(shù)量統(tǒng)計(jì)

由上面的測(cè)試可見(jiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)了Modbus-TCP協(xié)議通信、EEPROM 數(shù)據(jù)讀寫、脈沖信號(hào)可控輸出等各項(xiàng)功能。由于使用了STM32單片機(jī)內(nèi)部的高級(jí)定時(shí)器，以硬件的方式來(lái)產(chǎn)生可控的脈沖輸出，將CPU的工作負(fù)載大大降低，使得CPU有足夠的時(shí)間去處理Modbus-TCP 通信、24LC02 的I2C 讀寫操作等其他功能，使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和響應(yīng)速度得到了有效保證。

表4 兩路脈沖最大輸出周期統(tǒng)計(jì)

表5 兩路脈沖最小輸出周期統(tǒng)計(jì)

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與應(yīng)用

本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于位于北京某太陽(yáng)能熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)電站。該實(shí)驗(yàn)電站是國(guó)家“十一五”863 計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目的一部分，是我國(guó)首個(gè)、同時(shí)也是亞洲最大的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電電站。電站總占地面積約19 200 m2，集熱塔高119 m，鏡場(chǎng)安裝有100 面定日鏡，總發(fā)電規(guī)模為1 MW，年可發(fā)電量達(dá)2 ×107kW·h。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)電站長(zhǎng)期的運(yùn)行測(cè)試表明，本系統(tǒng)能夠?qū)Χㄈ甄R群實(shí)現(xiàn)平滑穩(wěn)定的逐日跟蹤，并且能夠在中央控制室調(diào)度下對(duì)定日鏡群實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程統(tǒng)一控制，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。應(yīng)用調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)如圖12 所示。

圖12 定日鏡控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于STM32F407 單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一套定日鏡雙軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了定日鏡對(duì)太陽(yáng)的獨(dú)立連續(xù)跟蹤。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Modbus-TCP 遠(yuǎn)程通信、步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)可控輸出、EEPROM 參數(shù)本地存儲(chǔ)等功能。相對(duì)于成熟的通用運(yùn)動(dòng)控制器，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，能大幅降低塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)成本，同時(shí)具有運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。