基于单片机的太阳跟踪装置控制系统的研究(编辑修改稿)

基于单片机的太阳跟踪装置控制系统的研究(编辑修改稿)内容摘要：

性。 蜗杆传动和螺旋传动具有简单、应用广泛、性价比高等特点，特别是它们具有自锁性能。 如果跟踪平台采用蜗杆传动或者 螺旋传动，遇到逆风情况，山于系统结构能够自锁，跟踪平台并不会被风吹动甚至翻转，能够正常工作。 采用蜗杆传动或者螺旋传动结构，比较适合较大跟踪范围、防风性场合的需求。 图 ．方案 (1)传动原理 :输入轴转动时，蜗杆带动蜗轮及输出轴旋转。 方案 (2)传动原理 :输入轴转动时，小齿轮带动大齿轮以及螺杆旋转，从而带动螺母以及连杆的一端作上下直线运动 :根据连杆机构的原理，此运动带动接收器转动跟踪。 （ 1） （ 2） 输入轴； 输出轴； 蜗杆； 蜗轮； 壳体； 小齿轮； 大齿轮； 螺母； 螺杆； 连杆； 1接收器； 1支架 图 太阳跟踪系统 18 从跟踪范围方而考虑。 方案 (1)的输出轴可以旋转任意角度，为实现较大跟踪范围提供了可能。 而方案 (2)受连杆机构极限位置的限制，要满足较 大跟踪范围的要求，就必须把平台结构增大，这会使系统成本和能耗增加很多。 从防风性方而考虑。 方案 (1)的在自锁的同时结构紧凑，系统刚性提高，长期逆风工作结构变形较小，可靠性高。 方案 (2)的结构松散，长期逆风工作结构变形相对大，对工作效果产生影响、可靠性低。 从结构方而考虑。 方案 (1)的结构简单、紧凑；传动部件在传动箱内受到了良好的保护，机构的寿命提高。 而方案 (2)的结构较大、复杂、松散，结构刚性会降低很多，要提高刚性需要加固结构或者使用刚性好的材料，这些都会使成本增加。 而且松散的结构不利于螺杆 的保护，螺杆裸露在外寿命大大降低。 综上所述，蜗杆传动防风性能好、跟踪范围大、性价比高、可靠性高。 所以，选择方案 (1)作为跟踪平台的传动方案。 2． 3． 3 陀螺仪式跟踪平台 微型减速电机 1； 传动箱 1； 蜗杆 1； 涡轮 1； 环形支架 微型减速电机 2； 传动箱 2； 蜗杆 2； 蜗轮 2； 1接收器 图 陀螺仪式跟 踪平台传动示意图 太阳跟踪系统 19 由于防风性的要求，跟踪平台在两个方向的传动结构都选择蜗杆传动。 设计出的陀螺仪式跟踪平台示意图如图 ：传动箱 1和传动箱 2均为蜗轮蜗杆减速器，分别安装在固定支架和环形支架上。 微型减速器电机 1和微型减速器电机 2分别通过传动箱 1和传动箱 2输出动力给环形支架和接收器。 陀螺仪跟踪平台的工作原理如下：当太阳光线发生偏移时，控制部分发出信号给微型减速器电机 2驱动以及微型减速器电机 1，微型减速器电机 1和微型减速器电机 2分别通过传动箱 1和传动箱 2驱动环形支架和接收器转动，实现对太阳方位角和高 度角大范围跟踪。 陀螺仪式跟踪平台的两个方向的跟踪目标是山安装方向而定，现假设传动箱 1的输出轴南北朝向安装。 对于太阳方位角的跟踪运动，主要由微型减速电机 1驱动来实现，考虑到接线问题，环形支架转动的角度 (方位角跟踪角度 ) 跟踪太阳视高度变化运动主要由微型减速电机 2驱动实现，考虑到接线问题，以及防止接收器发生翻转，接收器转动的角度 (高度角跟踪角度 )。 参考前面对跟踪范围 (图 )的要求可知，陀螺仪式跟踪平台能够对太阳进行完全跟踪。 本章根据不同太阳能利用场合的需要，提出了三种跟踪平台机械执行部件。 探讨了系统结构方案的优化选择，机构的工作原理、性能特点、材料选择、成本等方面的情况。 通过阐述，进一步证实了太阳自动跟踪平台的优越性。 太阳跟踪系统 20 3 控制系统的总体方案设计 3． 1 控制系统的选取 伺服系统属于自 动控制系统中的一种，能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，称为自动控制系统。 自动控制系统是由多个部分组成，它们在系统中分别起着不同的作用。 在自动控制中，有一些重要的概念，这些概念对于理解系统的意义和功能是十分重要的。 对象，也称被控对象。 它是一个设备或是多种部件组合成一个整体或物体，其作用是要执行某种特定的动作或功能；任何被控的设备，物体都称为对象。 过程。 在自动控制系统中，任何被控的动力系统的运行状态称为过程。 过程在自动控制系统中被称为对象。 系统。 由一系列部件组合在一起，能 完成一定功能或任务的一个整体，称为系统。 系统在自动控制系统中有时也称对象。 控制器。 接收控制指令或信号，并对对象执行控制的部件称控制器。 控制器是自动控制系统的核心，各种控制理论和技术是通过控制器作用而实施的。 反馈。 在自动控制系统中，把系统的输出信号进行采样，并把结果送回到系统的输入端去，这一过程称为反馈。 如果把输入信号和输出信号进行相加，这一过程称为正反馈；如果把输入信号和输出信号进行相减，这一过程称为负反馈。 检测。 在自动控制系统中，为了监视系统的输出结果是否符合控制要求，需要对 输出系统状态进行测量，这种测量过程也称检测。 测量系统叔叔状态的器件也称传感器。 扰动。 使自动控制系统的输出结果产生偏差的信号称为扰动信号，有时也称干扰信号。 扰动信号是在自动控制系统内部产生的，称为内扰动，否则称为外扰动。 这都是控制系统所不期望的。 对已知扰动要加以消除和校正。 对无法预知的扰动采取反馈控制的方法加以抑制或消除。 伺服系统用来控制被控对象的转角 (或位移 )，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。 它的基本要求是输出量迅速而精确地跟随输入量的变化，因此又称为随动系统 (或跟踪 系统 )。 随着电子电力技术的发太阳跟踪系统 21 展，伺服系统越来越成为机械设备的核心组成部分之一。 伺服系统分类方法很多，一般可按驱动方式、控制原理及被控量性质来分类。 伺服系统驱动方式有电气驱动伺服、气压驱动伺服及油压驱动伺服三大类。 本控制系统的元件是由电气元件组成，因此本控制系统为电气伺服系统。 伺服系统按控制原理可分开环控制和闭环控制两大类。 按被控量性质分有速度伺服控制、位置伺服控制及力矩伺服控制等多种。 而开环控制和闭环控制是自动控制系统的两种最基本的形式，下面将分别进行介绍。 3． 1． 1 开环控制系统 开环控制 是指控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用的控制过程。 因此，开环控制系统的被控量 (或输出量 )，不对系统的控制量发生影响。 目前用于国民经济各部门的一些自动化装置，如自动车床、自动洗衣机、自动售货机、产品自动生产线等，一般都是开环系统。 开环控制系统的示意框图如图。 控制装置输入信号被控对象输出量干扰 图 开环控制框图 在开环控制中，对于系统的每一个输入信号，必有一个与之对应的工作状态和输出量。 系统的精度取决于元、器件的精度和特性调整的精度。 当系统的扰动影响不大，并且控制精度要求不高时，可采用开环控制方式。 开环系统的结构简单、成本低、调整和维修比较方便、工作可靠，主要用于精度、速度要求不高的场合。 如简易数控机床、小型工作台、线切割机、绘图仪、雕刻机等。 典型的 开环伺服系统是使用步进电动机的伺服系统，步进电机开环控制系统如下图所示，脉冲分配器根据输入脉冲和方向指令信号，输出合适顺序太阳跟踪系统 22 的脉冲序列，然后通过功率驱动器 (亦称为脉冲功率放大器 )，一次提供足够的脉冲电流给电机的各个相绕组，使其按给定的方向和速度产生不进运动。 输入脉冲方向指令脉冲分配器功率驱动器步进电机输出轴转角电源 图 典型开环控制系统 3． 1． 2 闭环控制系统 闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有正向作用，又有反馈作用的控制过程。 闭环控制是自然界中一切生物控制自身运动的基本规律，也是现代自动控制的基本的理论，它可以实现复杂而准确的控制。 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。 例如，人可以用手准确地去拿放在桌上的书、笔等物。 这个出现于日常生活中的习以为常的现象，正好体现了闭环控制的原理。 当人去拿书时，大脑送出一个信号令手执行任务。 这时，眼睛连续 观测手的位置，并将这个信息送入大脑。 然后，由大脑判断手对书的偏差，并根据其大小发出命令控制手臂移动，使偏差减小。 只要这个偏差存在，上述过程就要反复进行。 一旦手拿到书，偏差减小为零，人便完成了用手拿书的控制过程。 在此，手是被控对象，手的位置即为被控量，控制目的是使手的位置与书的位置一致，控制作用是通过眼睛、大脑和手臂来实现的。 人作为一个闭环控制系统可用图。 输入信号（书位置）眼睛 大脑 手臂、手（手位置）输出量 图 通常将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程称为反馈。 若反馈信号与输入信号相减，则称为负反馈，反之，若相加，太阳跟踪系统 23 则称为正反馈。 输入信号与反馈信号之差，称为偏差信号。 偏差信号作用于控制器上，使系统的输出量趋向于给定的数值。 闭环控制的实质，就是利用负反馈的作用来减小系统的误差，因此闭环控制又称为反馈 控制，其示意框图如图。 输入量 偏差量 控制器控制量 被控对象输出量测量元件 图 闭环控制框图 反馈控制是一种基本的控制规律，它具有自动修正被控量偏离给定的作用，因而可以抑制扰动所引起的误差，达到自动控制的目的。 3． 2 单片机的控制系统 单片机的一个广泛应用领域就是过程控制。 这包括生产过程中的控制过程，例如化工过程、冶金过程、轧钢过程、机械加工过程、塑料成型过程等，以及其他各种各样的控制过程。 单片机在过程控制中应用的特点是以控制理论为基础的系统自动化控制。 所以一般有较明确的系统组成结构，有较严密的数学算法和较复杂的响应过程。 这主要是因为在过程控制中对速度、时间、精度有严格的要求。 特别是对过渡过程要求是十分严格的。 单片机在过程控制中，通常是对一个过程的直接数字控制，也即是 DDC控制，很少涉及管理。 其原因在于单片机的内存容量 、速度、字长都不适应于管理目的。 现代计算机控制系统中最基本的控制是 DDC控制，然后才是监视控制，管理等层次。 各种层次往往采用不同结构的计算机。 在 DDC控制中适宜采用单片机，而在监视及管理中，则适宜采用微型机系统、微型机网络或小型计算机甚至中型计算机等。 单片机在 DDC控制中有着显著的优点。 它体积小，可以做成体积极小的控制器用于一些体积不大的设备和空间有限的生产过程、控制过程。 在现代化的汽车中就有不少单片机的控制器，包括点火控制、节油控制等。 单片机还有温度范围宽、抗干扰能力强的特点，故在强电场、强磁场的工业环 境中太阳跟踪系统 24 有良好的工作性能，在温度变化范围大的恶劣条件下仍能可靠工作。 在钢铁工业的冶炼、轧钢过程中普遍应用单片机进行过程控制；除此之外，石油化工、化肥、塑料、机械制造、纺织、制糖等生产过程也大量应用了单片机。 而在航天航空、军事装置、航海、交通设备中，单片机的应用也越来越多。 过程控制应用单片机已成为了一种不可抗拒的趋势。 单片机在过程控制中的应用是一种十分重要的领域，也是单片机应用得最多的一个领域之一。 本跟踪装置属于典型的伺服系统，需要控制的对象是双轴太阳跟踪器，被控制的量是跟踪器的转角位置，执行元件是步进电机， 反馈元件是传感器，而步进电机的转动状态及传感器的反馈信号都是在单片机控制系统的控制下完成的。 3． 3基于单片机机构的太阳跟踪器控制方式 3． 3． 1控制系统工作原理 本课题主要是研究一种能够跟踪太阳运动的机械装置的控制部分，通过控制机构运转来实现对太阳方位角和赤纬角进行跟踪，以达到最大利用太阳能的目的。 该控制系统的原理是： 按照跟踪机构在不同时刻不同地理位置处的运动角台的位姿，然后通过机构约束条件导出位姿的反解，求得机构的输入角度。 通过单片机发出脉冲指令及方向指令来控制电动机的运转速度和方向，实时地跟 踪太阳。 同时根据光敏传感器的反馈信号来及时的调整跟踪器运转的速度和方向以及通过该反馈信号控制部件决定何时对该跟踪装置实行制动，其控制框图如图 3. 5所示： 驱动器 步进电机 跟踪器A/ D转 换器 信号处理 传感器单片机 图 控制框图 由图可见该控制系统构成了一个由 单片机为中心控制元件闭环系统。 此太阳跟踪器具体工作过程叙述如下： 该系统的控制对象是双轴太阳跟踪器，被控制的量是跟踪器的转角位太阳跟踪系统 25 置。 跟踪装置要实现对太阳方位角和高度角两个方向的跟踪，所以应该明确这两个方向上运动的范围。 以徐州市为例，徐州所在的纬度约为 39 ，根据公式，可以算出在夏至日时，日出时间为 7点 38分，日落时间为 17点 38分，所以最长的光照时间为 10小时。 因此可以算出太阳的方位 角为 到之间。 由此可以初步确定跟踪日出日落的角度最大范围为 180度，跟踪太阳高度角变化的范围是 35度。 采用的是主动式跟踪，即预先算好某一时刻对应的太阳角位置机构所应该输入的角度，编入程序中。 当在正常天气情况下有阳光。