太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)設計(共31頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 南 陽 理 工 學 院 本科生畢業(yè)設計（論文） 學院（系）： 電子與電氣工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學 生： XX 指導 教師： 尉喬南 完成日期 2012 年 5 月南陽理工學院本科生畢業(yè)設計（論文） 太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)設計Design of Solar Power Generation Control System總 計： 24頁表 格： 3個插 圖： 22幅南 陽 理 工 學 院 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)設計Design of Solar Power Generation Control System學 院（系）： 電子與電

2、氣工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學 生 姓 名： X X 學 號： XX 指 導 教 師（職稱）：尉喬南 （講師） 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學院 Nanyang Institute of Technology專心-專注-專業(yè)太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)設計電氣工程及其自動化 X X摘 要為了提高太陽能的利用率，本文研究了一種新型的基于DSP的高精度太陽能跟蹤控制器。該控制器采用軟件粗控制和傳感器精確控制相結合的方式來實現(xiàn)。該跟蹤控制器以DSP作為控制芯片，根據天體運行規(guī)律，實時計算出太陽的位置，使跟蹤器定位到一定的范圍；同時通過四象限光電池傳感器接收來自不同角度的太陽光，將

3、光能轉換成電能，根據DSP計算的控制信號，由步進電機作為執(zhí)行機構控制太陽能板對太陽位置的跟蹤，使太陽能跟蹤裝置始終正對著太陽的位置，從而可以達到充分利用太陽能的目的。關鍵詞 DSP ；四象限光電池傳感器；步進電機；跟蹤Design of Solar Power Generation Control SystemElectrical Engineering and Automation Specialty Zhang XxxxAbstract: In order to improve the utilization rate of solar energy, this paper studies

4、 a new kind of high accuracy of the solar energy tracking based on DSP controller. The controller software adopted software coarse control and sensor precisely control the combination to implement.The tracking controller is used as the control chip by DSP, according to the laws of celestial bodies,

5、in real time to calculate the position of the sun, positioning tracker to a certain range. At the same time through four quadrant from different Angle sensor test receiving the light of the sun, and the light into electrical energy conversion. According to the calculation of DSP control signals, by

6、the stepper motor controls the executing agency as solar panels to track the location of the sun, the solar tracking device is always opposite the position of the sun. In order to realize the DSP chip of whole system control ,meanwhile, need to design the algorithm of the software system, mainly inc

7、lude solar tracking controller of the equations of motion realization based on DSP. Thus can achieve the purpose of full use of solar energy. Key words: DSP；Four-quadrant sensor test ；Stepping motor；Tracking目 錄1 引言1.1 選題的背景能源是人類生存發(fā)展必須具有的基本資源。從古至今人類獲得能源的途徑，可分為地上能源、地下能源與天上能源等三個階段。地上能源主要是植物能源，水能、風能等，在人

8、類農業(yè)經濟社會階段主要是植物能源，到了現(xiàn)代工業(yè)經濟社會階段，主要是煤石能源。隨著世界經濟的發(fā)展，進入21世紀以來，各國對能源的消耗以日俱增，能源短缺已成為人類社會面臨的一個重大挑戰(zhàn)，面對石油這些不可再生的資源，必須在其耗盡之前尋找到替代能源，否則未來世界將會因此不斷爆發(fā)能源危機。太陽能作為新能源與可再生能源的重要組成部分，有著煤炭、石油、天然氣等化石能源無法比擬的優(yōu)點： (1)儲量豐富：太陽能是取之不盡、用之不竭的。 (2)應用廣泛：太陽能不存在分布的偏集性，只要有陽光的地方就可以就地利用，有利于解決偏遠鄉(xiāng)村、海島等地區(qū)的能源供應問題。 (3)綠色環(huán)保：太陽能利用過程中，不需要燃料、不產生噪聲

9、，沒有廢氣、廢水、廢渣等的排放。 (4)經濟性：雖然目前太陽能發(fā)電的成本仍為常規(guī)發(fā)電的幾倍，但隨著太陽能利用技術的發(fā)展，其利用成本已大大下降。一般來說，太陽能利用的初期投入成本比較高，但由于太陽能無污染、無噪聲、取之不盡、分布廣泛的特點，從長期來看，其使用成本要小的多。 鑒于以上優(yōu)點，太陽能的開發(fā)利用具有巨大的市場前景，不僅能帶來很好的社會和環(huán)境效益，還具有明顯的經濟效益1-3。1.2 國內外太陽能發(fā)展的現(xiàn)狀從國際上看，世界各國從能源供應安全和清潔利用的角度出發(fā)，把太陽能的商業(yè)化開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展趨勢。自20世紀80年代以來，光伏產業(yè)可以說是世界上增長最快的高新技術產業(yè)之一。我國在太陽能

10、光伏發(fā)電的研究方面起步較晚，但擁有豐富的太陽能資源和巨大的市場需求。經過二十幾年的艱苦努力，已經為太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展和大規(guī)模應用奠定了良好的基礎。特別是隨著西部大開發(fā)政策的推行，國家加大對光伏產業(yè)的投入，使得我國太陽能發(fā)電行業(yè)快速發(fā)展。目前，我國太陽能產業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽能熱水器生產量和使用量最大的國家和重要的太陽能光伏電池生產國。1.3 研究的目的和意義太陽能作為一種新型的綠色能源，有著廣泛的發(fā)展前景，太陽能發(fā)電已成為未來全球解決能源危機的最具獨特優(yōu)勢的重要途徑。但是由于太陽能本身的缺點，現(xiàn)在對太陽能的利用率普遍較低，并且現(xiàn)有跟蹤控制器也有著各種缺點。在各種類型的跟蹤器中，純

11、機械式的跟蹤效率低，額外提高了成本，在設備中添加跟蹤器就失去了原來的意義。要進一步提高太陽能的利用率，需要更深一步的研究和探討，以開發(fā)出真正廉價、實用的自動跟蹤器。2 總體設計方案目前，各種類型的太陽能跟蹤器裝置，從簡單到復雜，主要分為兩大類，即機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。機械系統(tǒng)一般又可分為壓差式和控放式；而電控系統(tǒng)一般可分為光電式和視日運動軌跡式，視日運動軌跡式跟蹤又分為單軸跟蹤方式、極軸式全跟蹤方式和高度角-方位角式全跟蹤方式。本文主要是對高度角-方位角式全跟蹤方式的太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的研究，研究的主要工作如下：（1）設計太陽能跟蹤控制器機械結構，該結構具有兩個自由度，即水平方向轉動自由度和豎直

12、方向轉動自由度。該機械結構的運動由兩個步進電機來驅動，完成對太陽高度角和方向角的跟蹤。（2）設計太陽能跟蹤控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要包括兩個方面：檢測電路系統(tǒng)，控制電路系統(tǒng)。檢測電路系統(tǒng)主要完成四象限光電池傳感器信號的濾波、放大、比較等，把采集的太陽能信號傳遞給控制電路?？刂齐娐肥峭瓿烧麄€系統(tǒng)的控制部分，其根據DSP計算的控制信號，控制步進電機實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的控制。（3）設計系統(tǒng)軟件的算法。系統(tǒng)主要的算法主要是太陽能跟蹤控制器運動控制方程的實現(xiàn)。太陽能跟蹤控制器運動控制方程依照太陽的運行規(guī)律來計算太陽的運行軌跡，即太陽視日運動軌跡。（4）完成太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設計。以CCS

13、3.3為設計平臺，根據各軟件功能模塊來設計相應的軟件。主要的功能模塊為：主程序模塊，太陽跟蹤角度計算模塊，信號采集模塊，步進電機控制模塊以及其它相關的功能模塊的設計4-5?？傮w結構圖和跟蹤結構框圖如圖1所示：圖1(a) 太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)總體結構圖1(b) 跟蹤控制框圖3 硬件設計3.1 概述太陽能跟蹤控制器的機械結構設計為兩個自由度，即一個水平方向轉動自由度和一個豎直方向轉動自由度，由兩個步進電機來分別驅動。太陽能跟蹤器的硬件系統(tǒng)包括三大部分：檢測系統(tǒng)電路、控制系統(tǒng)電路和電機系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)電路是整個控制系統(tǒng)的重要部分，其主要由傳感器檢測電路和信號處理電路組成。傳感器檢測電路主要是通過四象限光

14、電池采集板，由光電池傳感器檢測周圍光信號，把相應的光信號轉變成電壓信號。控制系統(tǒng)主要由DSP主控、時鐘電路、電源電路、信號采樣等部分組成，完成整個電路的控制和驅動。電機系統(tǒng)主要由步進電機和步進電機驅動器組成。3.2 太陽能跟蹤控制器機械結構太陽能跟蹤控制器的機械結構主要由底座支架、水平旋轉自由度方向機構、豎直旋轉自由度方向機構、電池板支撐機構、傳感器裝置等幾部分構成。其工作原理如下：太陽能跟蹤控制器機械結構有兩個自由度，即一個水平方向轉動自由度和一個豎直方向轉動自由度，均由步進電機驅動。由控制系統(tǒng)軟件計算太陽的位置，將其轉化為相應的步進電機驅動信號，使太陽能接收板轉到該位置。然后根據傳感器裝置

15、采集到的信號，進一步由步進電機對太陽能接收板進行微調。以實現(xiàn)調整太陽能電池板的姿態(tài)使其板面接近于與太陽光線垂直的方向，達到最大限度接收太陽能量的目的。3.3 檢測系統(tǒng)電路設計利用四象限傳感器接收來自不同角度的入射太陽光，然后通過光強檢測電路將太陽光線的輻射強度信息轉化為電壓信號的形式輸出。3.3.1 四象限傳感器（1）光電池傳感器的選型光電池元件利用光生伏特效應的原理把光能轉換成電能。光電池是一種有源器件,根據光電池的特點和工作需要程度，在這里選用4片sps0606硅光電池傳感器6。該傳感器的主要參數如表1所示。（2）四象限傳感器的布局四個光電池傳感器分別放置在太陽能采集板的上下左右四個不同位

16、置，接收來自不同角度的入射太陽光。其布局如圖2所示：當上下兩個光電池傳感器接受到的光強度差值小于某個極小量時，控制器不發(fā)出讓電機動作的命令：當兩個信號強度超過一定的范圍時，可以控制電機轉動，電機的轉動速度也可由光強的差值大小來確定，從而使采光面板在豎直方向上正對著太陽光。左右兩個光電池傳感器用來控制另一個電機，使太陽能采光板在水平方向上正對著太陽光。從而實現(xiàn)了由太陽光控制電機的目的。通過兩個電機的控制，可以讓采光面板始終正對著太陽，實現(xiàn)最大化利用光能。圖2 四象限傳感器布局表1 sps0606硅光電池傳感器參數封裝黑色陶瓷封裝窗口材料濾光平板玻璃典型暗電流（nA）0.01開路電壓（100Lx）

17、(mV)300短路電流（100Lx）（A）>5感光范圍（nm）3001000峰值波長（nm）7003.3.2 檢測電路（1）太陽光強檢測電路信號放大電路如圖3所示：由于光電池傳感器出來的信號比較小，放大電路采用差動放大，其雙端輸入-單端輸出，具有共模抑制比高的特點。前級采用同向放大器，可以獲得很高的輸入阻抗，后級采用差動放大器可以獲得較高的共模抑制比，增強電路的抗干擾能力。其中R1=R3，R4=R5，R6=R7；可計算出放大的倍數如公式1所示 ：Avd=R7R5(1+2R1R3)(V2-V1) （1）（2）絕對值電路精密有源絕對值電路，如圖4所示：這是一種經過改進的絕對值電路，失真比較低

18、，適合小信號處理。其工作原理是：輸入V3>0時，運放U358/1-1A的輸入小于0，U358/1-1B的輸出大于0，二極管D2導通，D1兩端加上了方向電壓而被強制關段，U358/1-1B即是電壓跟隨器，則V4=V3。當V3<0時，U35/1-1A的輸出大于0，U358/1-1B的輸出小于0，二極管D1導通，D2兩端加上了反向電壓而被關斷，U358/1-1A作為反向電路，使得V4=-V3，所以V4=|V3|。圖3 太陽光強檢測電路圖圖4 精密有源絕對值電路原理圖（3）比較電路經過差動放大電路的傳感器信號輸入比較器的3腳，若輸入信號大于0，則輸出為高電平（+3.3V），若輸入信號小于0

19、，則輸出為低電平（0V）。根據輸出電壓的高低，可以判斷出差動放大電路那個輸入信號更大，進而可以判斷出光電池傳感器那邊的接收信號更強，如圖5所示。（4）有源濾波電路由于光電池傳感器采集的信號是電壓信號，需要濾除紋波。本濾波電路為電壓控制電壓源（VCVS）電路，如圖6所示：其運放為同向輸入，輸入阻抗高，輸出阻抗低，濾波器相當于一個電壓源，其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定，增益容易調節(jié)。由于DSP芯片內部有A/D轉換功能，故濾波后的電壓經過采樣后即可送入DSP芯片。圖5 比較電路原理圖圖6 有源濾波電路原理圖3.4 控制系統(tǒng)電路設計控制電路采用數字信號處理器型號為LF2407A的DSP芯片和電壓調節(jié)芯片處理各種

20、信號，對電信號進行處理并通過各種算法實現(xiàn)控制PWM波輸出，再通過驅動電路實現(xiàn)主電路的控制脈沖的輸出，同時控制步進電機動作。3.4.1 DSP芯片的特點DSP LF2407A主要的接口包括目標存儲器接口、模擬接口、CAN總線接口、外部擴展接口等。它提供了128K的靜態(tài)存儲器，外部I/O口支持相應的64K I/O端口，片上的CAN總線和RS232端口可用做擴展連接7-8。它具備以下一些特點： （1）片內有高達32KB的FLASH程序存儲器，高達1.5KB的數據/程序 RAM，544字雙口RAM(DARAM)和 2KB 的單口 RAM(SARAM) （2） 兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括

21、兩個16 位通用定時器和8個16 位的脈寬調制(PWM)通道 （3）可擴展的外部存儲器總共192K字空間，64K字程序存儲器空間，4K字數據存儲器空間和64K字I/0 尋址空間 （4）看門狗定時器模塊(WDT) （5）10位A/D轉換器最小轉換時間為 500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個 8 通道輸入A/D轉換器或一個16通道輸入的A/D轉換器 （6）控制器局域網絡(CAN)2.0B 模塊 （7）串行通信接口(SCI)模塊 （8）16位串行外設(SPI)接口模塊 （9）基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器 （10）高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(GPIO) （11）5個外部中斷(兩個

22、電極驅動保護、復位和兩個可屏蔽中斷) 3.4.2 電源電路系統(tǒng)一共用到了5種電源，都是DC/DC電源，電源的詳細使用情況如表2所示：表2 電路主要電源使用情況電源產生方式主要用途+24V由24V電源穩(wěn)壓濾波得到系統(tǒng)供電的主電源和步進電機供電+5V由24V電源穩(wěn)壓濾波得到傳感器信號處理電路，時鐘電路等供電-5V由5V電源經電源轉換芯片得到信號處理電路所需的負電源+3.3V由+5V電源經電源轉換得到LF2407A所需的供電，比較器供電+3.3V由5V變換得到F28027A所需供電為了減少電源噪聲和互相干擾，數字電路和模擬電路一般要獨立供電，數字地和模擬地也要分開，并最終通過一個磁珠在一點連在一起，

23、用TPS7333進行3.3V電壓的轉換對DSP最小系統(tǒng)供電，如圖7所示。圖7 TPS7333轉換電路原理圖3.4.3 時鐘電路本文采用的是Intersil公司的時鐘芯片ISL1208。ISL1208是低功率實時時鐘，其具有功能：時鐘日歷、周期或輪詢報警、定時與晶體補償、電源失效指示器等9。ISL1208的引腳圖如下圖8所示。圖8 時鐘芯片ISL1208引腳圖X1和X2腳分是反相放大器的輸入、輸出端。外接32.768kHz的振蕩器，為ISL1208時鐘提供基準時間。在工作溫度范圍內，內部補償可以提高器件的精度。VBAT引腳為時鐘芯片提供備用電源電壓。當VDD失效時，電源切換到VBAT。IRQ/F

24、OUT（中斷輸出頻率輸出），該引腳是雙重功能引腳，可以用作中斷輸出引腳或作頻率輸出引腳。串行時鐘（SCL）引腳，SCL引腳為串行上接收和發(fā)送提供時鐘。串行數據（SDA）引腳，SDA具有雙向功能，可以發(fā)送和接收數據。時鐘電路的原理圖如圖9所示，串行數據線和串行時鐘線接上拉電阻，上拉電壓為5V。圖9 ISL1208原理圖3.4.4 片外存儲器RAMDSP LF2407A片內RAM只有2K,開發(fā)狀態(tài)對程序進行仿真調試時，調試稍大一點的程序就只能用片外RAM,為了提高調試效率，系統(tǒng)擴展了片外的程序存儲器，采用的是Cypress公司的CY7C1021芯片，其存儲時間為33ns，數據寬度是16位，容量64

25、k。存儲量大時，所有結果存在外部CY7C1021中，正常運行時作為A/D采樣結果的存儲空間。圖10為片外存儲器擴展。圖10 片外存儲器擴展3.4.5 逆變電路（1）脈寬調制電路控制系統(tǒng)采用集成脈寬調制芯片構成的脈寬調制電路。輸入SG3525的誤差信號經過誤差放大器放大后，與其內部振蕩器產生的鋸齒波進行比較，輸出的脈寬信號再經分相器分成2路互不重疊的兩相信號，由11和14端輸出?？刂菩盘栐酱?，則輸出的脈寬越寬，脈寬調制電路原理如圖11所示。由于驅動模塊需要的是低電平輸入信號，SG3525輸出的2路PWM 信號經過工作在飽和狀態(tài)的三極管反相輸出后加到M57959L的13腳。（2）驅動電路驅動電路的

26、作用是將SG3525輸出的2路PWM 脈沖進行功率放大，以驅動IGBT。M57959L驅動電路如圖12所示。電阻Rg為IGBT柵極限流電阻，二極管D1是過載/短路檢測二極管，D2用以補償D1反向恢復時間（在D1反向恢復時間偏長時使用），穩(wěn)壓二極管D3、D4用于保護IGBT的發(fā)射結。 圖11 脈寬調制電路   圖12 M57959L驅動電路 3.4.6 JTAG接口電路JTAG是JOINT TEST ACTION GPOUP的簡稱，JTAG接口用于連接DSP系統(tǒng)板和仿真器，實現(xiàn)仿真器DSP訪問，JTAG的接口必須和仿真器的接口一致，否則將無法連接上仿真器。其連接圖13所示。圖

27、13 J-TAG接口電路3.4.7 復位電路TMS320LF2407A內部帶有復位電路，因此可以直接RS復位引腳外面接一個上拉電阻即可，這對于簡化外圍電路，減少電路板尺寸很有用處，但是為了調試方便經常采用手動復位。其連接方式如圖14所示。圖14 復位電路3.5 步進電機控制電路設計步進電機能直接接收數字信號，運動不產生旋轉慣量的累積誤差，因此采用步進電機作為太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構可以達到很高的精度。本文研究的步進電機采用開環(huán)控制，不需要反饋信號，通過DSP得到相應的位置，給定所需轉動的位置，通過控制步進電機驅動器進而控制步進電機按給定的方位轉動實現(xiàn)預期跟蹤。3.5.1 步進電機步進電機是

28、靠脈沖信號控制的電動設備，將電脈沖信號轉化為角位移信號。步進電機驅動器在收到一個脈沖信號后，驅動步進電機轉動一個步距角。步進電機按固定的角度旋轉，通過脈沖信號的數量，進而控制步進電機旋轉的角度。步進電機的轉速、啟動停止位置只取決于接收脈沖信號的頻率和脈沖數，在通常情況下，負載大小對其沒有影響。本系統(tǒng)的太陽能跟蹤控制器選用兩相式混合步進電機。3.5.2 步進電機驅動器本文研究的控制器的步進電機采用SJ-220MA驅動器。該驅動器驅動二相混合式步進電機，具有很強的抗干擾性、起動頻率高、高頻性能好、內部信號與控制信號實現(xiàn)光電隔離、電流可調、整半步可自由設定、結構簡單、可靠性好、運行平穩(wěn)等特點，其輸入

29、信號連線圖15所示。SJ-220MA步進電機驅動器接線區(qū)可分為三個部分：控制信號端，電源端，步進電機接線端?？刂菩盘柖耍候寗悠魍ㄟ^脈沖信號(CP)接線端口接收脈沖信號，按接收到脈沖信號數量來驅動步進電機轉動角度；驅動器通過方向信號端(DIR)接收方向信號，發(fā)送相應的指令使步進電機正轉或反轉；控制信號的公共陽端（COM）；脫機電平輸入端（RST）：此端子加低電平，電機處于自由狀態(tài)10-11。驅動器電源端和步進電機接線端接口如表3所示。圖15 步進電機驅動器信號連接圖表3 步進電機連接線端口信號功能+24V直流電源24V,可以接20-40VGND直流電源地A+電機A+相A-電機A-相B+電機B+相

30、B-電機B-相4 軟件設計4.1 概述本文研究的太陽能跟蹤控制器采用軟件算法控制和傳感器檢測精確控制綜合來實現(xiàn)。軟件算法控制根據天體運行規(guī)律，實時計算出太陽的位置，使跟蹤器定位到一定的范圍。軟件算法控制可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。傳感器檢測控制在該范圍內搜索檢測太陽光的最強點，提高太陽能的利用率。本節(jié)主要闡述太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設計平臺CCS3.3的軟件開發(fā)流程、太陽能跟蹤控制器的算法、系統(tǒng)軟件的流程以及時鐘芯片I2C的軟件實現(xiàn)。4.2 CCS3.3的軟件開發(fā)流程圖CCS開發(fā)工具包括：預處理器、匯編器、鏈接器、C+/C編譯器、建庫工具等。CCS3.3的代碼調試工具包括各種調試功能，可以對LF

31、2407A進行基本調試、指令級的仿真、可視化的實時數據分析等。另外，CCS提供了基本輸入/輸出庫函數和數字信號處理的庫函數，大大加快DSP的軟件開發(fā)過程。CCS3.3的軟件開發(fā)流程圖如圖16所示：編程寫入分析 軟硬件聯(lián)調及監(jiān)控設計方案仿真調試程序語法測試、仿真探測及日志保存編程和編譯創(chuàng)建工程文件，編寫程序及配置文件圖16 CCS3.3軟件開發(fā)流程圖4.3 太陽能跟蹤控制器算法設計太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的控制算法，即最大功率的跟蹤算法，是根據天體的運行規(guī)律計算出太陽運行規(guī)律，根據太陽運行規(guī)律，使太陽能接收板對著太陽，即太陽的視日運動軌跡。本文運用矢量方法對太陽運行軌跡進行計算12-13。圖17 太陽

32、位置計算幾何模型 圖17為太陽位置計算幾何模型，圖中XYZ-O為以太陽跟蹤控制系統(tǒng)所在地為原點建立的地平坐標系，I，J，K分別表示指向Z方向、X方向、Y方向的單位矢量，以單位矢量S表示照射到太陽跟蹤系統(tǒng)所在地的光線，根據圖17所示，可以得到S為： S=sinI+coscosJ-cossinK （2） 其中：表示太陽高度角，表示太陽方位角，通常以正南方向S為0°，向西為正，向東為負。由公式2可以看出，在地平面坐標系中，用太陽高度角和方位角就可以確定太陽在天球中的位置。 圖中xyz-o以地心為原點建立的時角坐標系，z軸指向地球軸北極，x軸為自地心指向太陽跟蹤系統(tǒng)所在地經線與赤道的交點，y

33、軸在地球赤道平面內并與x、z構成右手坐標系，i，j，k為相應方向的單位矢量，如17圖所示，在時角坐標系中S為： S=sini+coscosj-cossink （3） 將時角坐標系變換至地平坐標系，使其具有相同的原點。由于地球半徑和日地距離相比非常小，因此所引起的角度變換不會影響到實際計算。變換關系如圖18所示：圖18 坐標系變換關系注：(a)地平坐標系與時角坐標系間變換(b)地平坐標系與跟蹤坐標系變換由圖18中(a)可以看出I與i之間的夾角為跟蹤系統(tǒng)所在地的緯度角，K與k重合，J與j的夾角為90-，因此，地平坐標系與時角坐標系之間的變換關系可表達成公式（4）： ijk = sin-cos0co

34、ssin0001IJK （4） 由公式（3）和公式（4）可以得出：S=sin，coscos，-cossinsin-cos0cossin0001IJK=（sinsin+coscoscos）I+（-sincos+coscossin）J-cossinK （5）由公式（2）和（5）可以得出： sin=sinsin+coscoscos （6） sin=cossincos （7）式（6）和（7）為太陽高度角、太陽方位角的計算公式。在地平坐標系中，建立與旋轉軸一致的跟蹤坐標系并使與其描述的太陽位置的地平坐標系重合，跟蹤坐標系如圖18（b）所示，以單位矢量n表示太陽板表面的法線，因此n為： n=sinI+co

35、scosJ-cossinK （8） 式中：表示太陽跟蹤系統(tǒng)的高度角方向旋轉角；表示太陽跟蹤系統(tǒng)的方位角方向旋轉角。由圖18（b）圖可以得出，太陽入射角為單位矢量n和矢量S的夾角因此： =cos-1（Sn|S|×|n|） （9）將公式（2）與公式（5）帶入公式（8）即可求得太陽入射角。由于太陽能跟蹤系統(tǒng)坐標系與太陽位置的地平坐標系重合，所以，若是太陽板表面能夠完全跟蹤太陽運行的軌跡，即使太陽入射角=0，就必須采用雙軸太陽跟蹤控制系統(tǒng)，并且是太陽跟蹤控制系統(tǒng)的水平軸旋轉角與太陽高度角運行規(guī)律一致，使太陽跟蹤控制系統(tǒng)的垂直軸旋轉角與太陽方位角運行規(guī)律一致。因此，可得太陽跟蹤控制系統(tǒng)水平軸、

36、垂直軸旋轉角如下公式（10）和（11）： =sin-1（sinsin+coscoscos） （10） =sin-1（cossincos） （11）由公式（10）和(11)可以看到，跟蹤系統(tǒng)兩個軸的旋轉角由跟蹤系統(tǒng)安裝地理位置的緯度角、太陽赤緯角和太陽時角決定。根據Cooper方程，每天的太陽赤緯角可以由以下公式求得： =23.45sin(360×284+n365) （12） 其中n為日期在年內的序號，即積日。時角可以由當地的真太陽時求得。由于我們日常所用的時間計量系統(tǒng)是平太陽時，因此，必須根據平太陽時求得真太陽時，兩者的差值即時差用E表示,即： ts=t±(Lloc-Lst

37、15)+E60 (13)ts為當地真太陽時，單位為小時，t為當地平太陽時，即當地時間，單位為小時，Lst為制定時區(qū)標準的經度，北京時間經度為Lst=120，Lloc為跟蹤系統(tǒng)安裝地的經度，式中“±”號對東半球為正，西半球為負。E表示時差，可由下式求出： E=9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB (14)其中，B=360(n-81)364，n為積日。由于太陽每小時經過的經度角為15°，并規(guī)定以太陽正午時刻為0點，順時針方向（下午）為正，逆為負。由式（13）、（14）可求得以當地時間ts計算的時角： =15(ts-12) (15)將公式（12）、（15）代入公式

38、（11），可得地平坐標系下太陽跟蹤控制系統(tǒng)的控制方程： =(, Lloc ，n ,t) （16） =(, Lloc ，n ,t) (17) 4.4 太陽能發(fā)電的軟件設計光伏發(fā)電位置跟蹤控制系統(tǒng)的DSP控制軟件由三部分組成：初始化程序、主程序和中斷服務程序(包括SVPWM中斷子程序和外部中斷保護子程序)。系統(tǒng)在每次復位后，首先執(zhí)行初始化程序，實現(xiàn)對DSP內部各功能模塊工作模式的設定和對電機轉子初始位置的檢測。完成上述工作后，系統(tǒng)執(zhí)行主程序，主要完成經緯度采集、太陽運動軌跡程序 計算，以及采集系統(tǒng)狀態(tài)，通過設定特定的標志位，實現(xiàn)控制回路的動作。主程序還要調用串行通信子程序，向上位機提供電機的電流、

39、轉速等運行信息。4.4.1 主程序流程圖系統(tǒng)流程圖如圖19所示。系統(tǒng)首先初始化，對寄存器和變量的初始化。然后通過I2C總線讀取當前時間，然后由所在地的經度，緯度，和積日，通過天體運行公式計算當前的太陽高度角和方位角。把太陽的高度角和方位角轉換成步進電機所要轉動的步數和方向，控制電機轉動。若電機轉到計算的位置，則根據由四象限傳感器通過信號處理電路采樣得來的信號，來判斷電機是否轉到的精確定位位置。然后依次判讀電機是否對準太陽的高度角和太陽方位角，若沒有到達位置，則進行跟進傳感器信號來調整位置。若到達位置則電機停機。在由天體運行公式計算范圍內，通過傳感器精確的控制電機轉動，使太陽能接收板精確的對準太

40、陽。若超出范圍，則從新計算范圍，調整電機進入該區(qū)域內，在該區(qū)域內由傳感器來控制精度。是太陽能板始終正對著太陽，實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。4.4.2 中斷服務流程圖SVPWM中斷子程序是發(fā)電的核心程序，SVPWM的調制是將電機兩相靜止-坐標系上的兩個正交電壓向量U*和W*作為空間矢量信號實時調制的給定。具體過程為：首先利用兩個正交電壓向量U*和W*計算通用變量X、Y，和Z的值，并根據直流母線的變化進行修正，并確定空間矢量所在扇區(qū)的編號。由空間矢量所在扇區(qū)的編號和通用變量X、Y和Z的值確定基本空間矢量的作用時間t1和t2，最后確定每相功率器件導通的時間tcom1、tcom2和tcom3。在每次T1CN

41、T下溢中斷時將tcom1、tcom2和tcom3寫入到LF2407A中分別對應于3個互補的PWM輸出通道的比較寄存器CMPRl、CMPR2和CMPR3，并使能定時器與比較寄存器的比較匹配操作，當T1CNT中的計數值與比較寄存器中的值相同時，產生的比較匹配信號進入DSP內部集成的波形發(fā)生單元，就可以在DSP的6個PWM輸出引腳得到具有所需占空比的3組互補對稱的PWM信號。開始系統(tǒng)初始化讀取系統(tǒng)時間計算太陽高度角和方位角計算水平角和仰視角電機是否到達控制電機四象限光電池采樣信號放大處理電路DSP采樣計算電機精確轉動位置電機轉動仰視方向是否正對太陽水平方向是否正對太陽電機停太陽位置是否超出粗控制位置

42、是否精確調整NYNNYYYYNN圖19 跟蹤系統(tǒng)流程圖在SVPWM算法的軟件實現(xiàn)上，可通過設定DSP比較控制寄存器COMCON的值，使事件管理器中的通用定時器工作于全比較方式，并使DSP的全比較控制單元工作于PWM模式，以通用定時器正作為時間基準，將計數器T1CNT設定工作于連續(xù)增減模式，在每次T1CNT產生下溢中斷時啟動SVPWM中斷子程序，實現(xiàn)SVPWM算法14。PWM定時中斷子程序流程圖如圖20所示。PWM中斷服務子程序讀取當前轉子位置角r功率故障或到達機械限位到達設定轉速Y轉子位置PI調節(jié)器計算得到W*r轉子轉速微分器計算得到Wr轉速PI調節(jié)器計算得到Id*和Iq*從A/D通道讀入IA

43、、IB和ICClarke和Park合成變換得到Id、Iq電流PI調節(jié)器計算得到Ud*和Uq*電壓Park逆變換得到U*U*確定扇區(qū)和導通時間生成SVPWM脈沖PWM寄存器更新清除自動標志封鎖PWM脈沖設置停止信號中斷返回NNY圖20 中斷子程序流程圖4.5 時鐘芯片ISL1208軟件設計前面已對ISL1208時鐘芯片有了一定的介紹，ISL1208是低功率實時時鐘，帶定時與晶體補償、時鐘日歷、電源失效指示器、周期或輪詢報警、后備電池切換和后備電池供電的用戶SRAM。振蕩器采用外部低成本32.768KHz的晶體。實時時鐘用獨立的時、分、秒寄存器跟蹤時間，并且還帶有日歷寄存器用于存儲日、月、年和星期

44、。日歷精確到2099，具有閏年自動修正功能。ISL1208采用I2C通訊協(xié)議，與DSP進行通訊。以下是對其寄存器的介紹，通過這些寄存器可以對該時鐘芯片進行設置和讀15-16。4.5.1 時鐘芯片寄存器可由后備電池供電，其內容可以通過對任意寄存器地址直接以字節(jié)寫或頁面寫操作來修改。寄存器被分成4段：實時時鐘控制（7字節(jié)）：地址為00h至06h控制與狀態(tài)（5字節(jié)）：地址為07h至0Bh報警（6字節(jié)）：地址為0Ch至11h用戶SRAM（2字節(jié)）：地址為12h至13h4.5.2 時鐘芯片實現(xiàn)的I2C協(xié)議I2C協(xié)議定義了發(fā)送器、接收器、主機、從機。發(fā)送器為向總線發(fā)送數據的任何器件；接收器為接收數據的器件

45、；主機為控制發(fā)送的器件；從機為被控制的器件。主機用來啟動數據的傳送，同時要提供用于發(fā)送和接收操作的時鐘。因此ISL1208的應用一般用作從機。（1）I2C接口協(xié)議I2C總線是兩線式串行總線:SDA（串行數據線）和SCL（串行時鐘線）。只有在SCL為低（LOW）時，SDA線上的數據才能改變狀態(tài)。在SCL為高（HIGH）時，SDA狀態(tài)的改變是數據的“開始”（START）或“停止”（STOP），如圖21所示。圖21 有效的數據變化、開始和停止條件當數據傳送成功后接收方要給予應答（ACK）信號。無論是主機還是從機，發(fā)送器件在發(fā)送8位數據后，數據總線SDA將釋放。在第九個時鐘周期中，接收器件把數據總線S

46、DA線拉低，對接收到8位數據的予以應答，如圖22所示。圖22 接收器發(fā)出的應答響應寫字節(jié)時的應答信號順序為：每發(fā)送一次成功數據，接收器給予應答。首先DSP發(fā)送帶有有效的標識字節(jié)，ISL1208在接收到該標識字節(jié)后發(fā)送應答來響應DSP。DSP主機在接收到讀操作之后的數據字節(jié)以后，發(fā)送應答信號響應ISL1208。（2）器件尋址主機在發(fā)送“開始”條件后接著發(fā)送地址，地址為7位。I2總線委員會負責分配地址。對于ISL1208時鐘芯片，這7位是“”。前四位“1101”訪問寄存器。后三位“111”規(guī)定器件的選擇位。最后一位規(guī)定是讀操作還是寫操作。當R/W位為1時，為讀操作；當R/W為0時，為寫操作。主機DSP在給ISL1208發(fā)送數據時，首先要發(fā)送地址給ISL1208。ISL1208監(jiān)聽到SDA總線的整個地址字節(jié)后，將器件辨識符和器件選擇位同“”比較。如果完全匹配，ISL1208給予主機DSP一個應答信號。在發(fā)送地址字節(jié)之后，要發(fā)送一個字地址，表示要對ISL1208開始某個地址寫或讀操作。結束語本文是在查閱和參考大量的國內外有關太