摘要：為提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)了一種太陽能雙軸全自動(dòng)聚光跟蹤控制系統(tǒng)，使多個(gè)太陽能電池模塊的框架平臺(tái)可以跟蹤太陽光旋轉(zhuǎn)，并保持框架平臺(tái)上的太陽能電池與陽光入射角保持垂直，以達(dá)到光能的最大獲取率。在考慮太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出可以同時(shí)跟蹤太陽軌跡的二軸框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，方位軸和俯仰軸。結(jié)合課程內(nèi)容，重點(diǎn)分析了動(dòng)力裝置步進(jìn)電機(jī)和測(cè)角裝置旋轉(zhuǎn)變壓器的工作過程。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng) 太陽光源跟蹤 二相混合式步進(jìn)電機(jī) 旋轉(zhuǎn)變壓器

一、選題背景

太陽能光伏發(fā)電作為太陽能利用的主要方式之一， 因其資源潛力大、可持續(xù)利用等特點(diǎn)，成為各國競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)。近年來，隨著太陽電池成本下降，光伏發(fā)電已成為太陽能利用中最具活力的領(lǐng)域，而提高光伏發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率是進(jìn)一步利用太陽能、降低成本的重要課題。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，需要提高光伏陣列吸收太陽輻射能量的能力。其主要解決途徑是使光伏組件的框架平臺(tái)受光面能正對(duì)太陽，使相同的輻照條件下比固定安裝的光伏組件能吸收更多的太陽輻射能量。國內(nèi)外的研究主要集中在最佳傾角固定安裝和自動(dòng)跟蹤裝置，成本最低的最佳傾角固定安裝光伏陣列，由于太陽光入射角隨晝夜、季節(jié)變化，光伏組件陣列不能充分吸收太陽輻射的能量，且由于光伏組件聚光后產(chǎn)生的高溫，有可能反而造成不必要的損失。

本文結(jié)合自動(dòng)控制元件課上所學(xué)知識(shí)，重點(diǎn)分析了跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)和角度測(cè)量裝置自整角機(jī)的工作原理及建模仿真。

二、跟蹤伺服系統(tǒng)

太陽光源跟蹤伺服系統(tǒng)，基本功能是使光伏陣列快速、平穩(wěn)且準(zhǔn)確地跟蹤定位太陽光源。利用天文知識(shí)可以精確地獲取太陽高度角和方位角。如圖1 所示的雙軸太陽光源跟蹤伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)時(shí)刻檢測(cè)光伏陣列和太陽光源的位置并將其輸入到驅(qū)動(dòng)運(yùn)算單元，并產(chǎn)生輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩部電機(jī)分別在水平面和鉛垂面內(nèi)運(yùn)動(dòng)， 使太陽光時(shí)刻垂直人射到光伏陣列的表面上，達(dá)到準(zhǔn)確和快速跟蹤太陽光源的目的。

2.1平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)采用雙軸機(jī)械跟蹤定位方式。主要由電池板框架平臺(tái)、底座、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸（方位軸、俯仰軸）和直流電機(jī)構(gòu)成。整個(gè)太陽能電池板安裝在框架平臺(tái)上。跟蹤裝置設(shè)計(jì)成雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)， 可以同時(shí)在方位角和俯仰角兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行位置跟蹤。在驅(qū)動(dòng)電路的作用下可以使電池板框架平臺(tái)在水平方向上0～270°和垂直方向上的0～85°自由旋轉(zhuǎn)，以滿足全天的太陽軌跡跟蹤。太陽能電池板平臺(tái)框架示意圖如圖2 所示。

2.2跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)——二相混合式步進(jìn)電機(jī)

高度角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制太陽能電池板的俯仰運(yùn)動(dòng)，方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制太陽能電池板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)機(jī)構(gòu)工作時(shí)互不影響，本文以方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行分析。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖中比例環(huán)節(jié) K 為驅(qū)動(dòng)放大電路的等效傳遞函數(shù)，G1（s）為步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)，輸 入θr（s）為太 陽位置信號(hào)，輸出θc（s）為太陽能電池板位置信號(hào)。

2.2.1動(dòng)力裝置選擇

此處的動(dòng)力裝置選擇為二相混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)。一個(gè)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的組成如圖4所示：

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。該種電動(dòng)機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。因此本設(shè)計(jì)選擇混合式步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置。

2.2.2二相混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)不同，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均為一體結(jié)構(gòu)，而混合式電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子都被分為下圖所示的兩段，極面上同樣都分布有小齒。

定子的兩段齒槽不錯(cuò)位，上面布置有繞組。上所示為兩相4對(duì)極電機(jī)，其中的l、3、5、7為A相繞組磁極，2、4、6、8為B相繞組磁極。每相的相鄰磁極繞組繞向相反，以產(chǎn)生上圖中x、y向視圖中所示的閉合磁路。

顯然，同一段轉(zhuǎn)子片上的所有齒都具有相同極性，而兩塊不同段的轉(zhuǎn)子片的極性相反?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的最大區(qū)別在于當(dāng)磁化的永久磁性材料退磁后，則會(huì)有振蕩點(diǎn)和失步區(qū)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子本身具有磁性，因此在同樣的定子電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，且其步距角通常也較小。

2.2.3步進(jìn)電機(jī)工作過程

當(dāng)兩相控制繞組按AA--BB或BB--AA的次序輪流通電，每拍只有一相繞組通電，四拍構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。當(dāng)控制繞組有電流通過時(shí)，便產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，它與永久磁鋼產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)知，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)A相繞組通電時(shí)，在轉(zhuǎn)子N極端磁極1上的繞組產(chǎn)生的S磁極吸引轉(zhuǎn)子N極，使得磁極1下是齒對(duì)齒，磁力線由轉(zhuǎn)子N極指向磁極1的齒面，磁極5下也是齒對(duì)齒，磁極3和7是齒對(duì)槽。由于兩段轉(zhuǎn)子鐵芯上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，在轉(zhuǎn)子S極端，磁極1'和5'產(chǎn)生的S極磁場(chǎng)，排斥轉(zhuǎn)子S極，與轉(zhuǎn)子正好是齒對(duì)槽，磁極3'和7'齒面產(chǎn)生N極磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子S極，使得齒對(duì)齒。

因轉(zhuǎn)子上共有50個(gè)齒，其齒距角為3600 /50=720，因此當(dāng)定子的A相通電，在轉(zhuǎn)子N極，磁極1的5個(gè)齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒，旁邊的B相繞組的磁極2的5個(gè)齒和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯(cuò)位，即1.80， A相磁極3的齒和轉(zhuǎn)子就會(huì)錯(cuò)位3.6 0，實(shí)現(xiàn)齒對(duì)槽了。當(dāng)A相斷電B相通電時(shí)，磁極2產(chǎn)生N極性，吸合離它最近的S極轉(zhuǎn)子7齒，使得轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過1.80，實(shí)現(xiàn)磁極2和轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒，此時(shí)磁極3和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯(cuò)位。依次類推若繼續(xù)按四拍的順序通電，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每通電一次即每來一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1.80，即稱步距角為1.80，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈需要3600 /1.80 =200個(gè)脈沖?。

2.2.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)二相混合式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。1975年美國學(xué)者T.R.F redr ik sen首次在美國增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法。在其后的二十多年里，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。

脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路是把D/A輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端，脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波，通過對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制，改變輸出到電機(jī)繞組上的平均電流。由于電機(jī)繞組是一個(gè)感性負(fù)載，對(duì)電流有一定的濾波作用，而且脈寬調(diào)制電路的調(diào)制頻率較高，一般大于20 kHz，因此，雖然是斷續(xù)通電，但電機(jī)繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的控制精度高、工作頻率穩(wěn)定。其驅(qū)動(dòng)電路圖如圖7所示。

2.3角度測(cè)量裝置——旋轉(zhuǎn)變壓器

作為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，我們需要實(shí)時(shí)采集太陽能電池板實(shí)際的位置和角度，作為輸出信號(hào)，反饋給控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為測(cè)量角度的裝置。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測(cè)量角度用的小型交流電動(dòng)機(jī)，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁頻率通常用400、3000及5000HZ等。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。

2.3.1旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對(duì)固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改變，因而其輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。

2.3.2移相器原理

移相器是一種輸出電壓幅值恒定，其相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性函數(shù)關(guān)系的交流控制電機(jī)。其實(shí)質(zhì)可看作旋轉(zhuǎn)變壓器的一種特殊工作方式。如圖8所示，定子的一相繞組接勵(lì)磁電壓，另一相繞組短接作原邊補(bǔ)償，在轉(zhuǎn)子正交的兩相繞組中，正弦繞組接串接電容C，余弦繞組接串接電阻R，然后并聯(lián)輸出。

2.3.3測(cè)角系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述旋轉(zhuǎn)變壓器鑒相工作原理，當(dāng)同時(shí)存在勵(lì)磁信號(hào)E12和E34 時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓信號(hào)與勵(lì)磁電壓相比，幅值不變，相位的變化等于轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)角θ。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖所示。該測(cè)角系統(tǒng)是絕對(duì)式測(cè)角系統(tǒng)，可以測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角相對(duì)于初始位置的角度值θ 。

三、建模與仿真

3.1二相混合式變壓器建模

3.1.1建立數(shù)學(xué)模型

對(duì)于二相混合式步進(jìn)電機(jī)，在不計(jì)定子極間和端部的漏磁、不計(jì)永磁體回路的漏磁、忽略磁滯和渦流的影響、忽略飽和的影響、忽略定子線圈自感的諧波分董時(shí)，電機(jī)的繞組內(nèi)旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電壓EA 、EB 為

式中 ke為反電勢(shì)系數(shù)，θc為步進(jìn)電機(jī)電角度，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

電壓平衡方程為

式中 UA 、UB 和 iA、iB分別為 A 、B 兩相的電壓和電流，R 為相繞組電阻，L為相繞組電感，M 為相繞組間互感。

整個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為為

3.1.2仿真結(jié)果分析

選用電源的電壓60V，脈沖頻率為1000Hz。在無外載荷和負(fù)載為500N·m 的兩種條件下，對(duì)已建立的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行仿真，仿真模型，如圖9所示。在外載荷為零時(shí)，得到電動(dòng)機(jī)角位移圖和電流變化圖，如圖10、圖11 所示。

從仿真結(jié)果可以看出，角位移與時(shí)間基本上成線性關(guān)系;電流變化正負(fù)值對(duì)稱，峰值都是2A。仿真效果良好，與理論結(jié)論是相吻合的，有效地驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。在啟動(dòng)階段，兩圖都出現(xiàn)了一些波動(dòng)，這與模型的簡化、電機(jī)剛起動(dòng)不穩(wěn)定有關(guān);但系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。角位移后面線性關(guān)系很明顯;電流變化關(guān)于直線對(duì)稱?？梢?，建立的物理模型是可行的。

四、總結(jié)與收獲

通過對(duì)太陽光源跟蹤伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合課程內(nèi)容，重點(diǎn)研究了二相混合式步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理，并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，學(xué)習(xí)了相關(guān)知識(shí)，加深了對(duì)課程知識(shí)的了解，提高了軟件仿真能力。

作者簡介：周啟明（1994——），男，漢族，安徽省蚌埠市，職務(wù)：成都慕和科技有限公司總經(jīng)理兼技術(shù)總監(jiān)，西南大學(xué)學(xué)科教學(xué)（物理學(xué)）碩士在讀，研究方向：學(xué)科教學(xué)（物理）