1、緒論21 世紀是太陽能時代。在未來的40 年中，人類可以實現100%的可再生能源供電。不再需要中東的石油、西伯利亞的天然氣以及澳大利亞的鈾。實際上，目前在我們家門口就已經獲得了未來能源的載體:太陽、風力、水力、地熱能，以及來自農田和林地的生物能。 根據歐盟報告， 2050 年全球能源供給分配應當為:40%太陽能，30%生物能，巧 %風能， 10%水能， 5%原油。報告論述了如何達到這種經濟、環保、和平并且可持續的能源供給狀態。跨國石油公司，比如殼牌、惠普等，已經在向著這種能源供給狀態發展。地球上的萬物生長都依賴于太陽的存在， 太陽給我們提供了巨大的能量源， 地球上大部分的能源歸根結蒂也來自于太

2、陽。 比如石油、煤炭等化石能源都是過去的動植物通過吸收太陽能不斷的生長， 后來這些動植物被掩埋在土壤下形成的能源， 這其實是太陽能一種形式的轉換， 并被存儲了下來， 直到今天被人類開采使用。 太陽能開發利用的潛力是相當巨大， 據統計，全世界人們一年所使用的能量總和僅僅相當于太陽輻射到地球能量的數萬分之一。 在化石能源即將枯竭的未來， 在未來能源方面， 太陽能給人類帶來新的生機。太陽在一天中不斷改變位置， 這造成太陽能存在著密度低、 間歇性的特點， 且光照方向和度隨時間不斷變化。 傳統太陽能電池板固定在一個角度， 不能時刻工作在最大效率處，而采用雙軸太陽能跟蹤系統的太陽能電池板在功率保持一定的情

3、況下可以提升 36% 的發電量，提高太陽能的利用率。第一章跟蹤系統的控制方案目前光跟蹤技術主要是兩種方法 :1.視日運行軌道跟蹤方法。 2.光電自動跟蹤方法。1.1 視日運行軌道跟蹤視日運行軌道跟蹤技術是一種根據理論計算的太陽運行的軌跡而采取的一種跟蹤技術，根據跟蹤的方位它主要分為兩種 :單軸跟蹤和雙軸跟蹤。單軸跟蹤單軸跟蹤分為三種方式 :1.傾斜布置東西追蹤 ;2.焦線南北水平布置，東西跟蹤 ;3. 焦線東西水平布置，南北跟蹤。它們跟蹤原理是相同，即電池陣列繞單一軸轉動，其轉動方向為自東向西或者南北方向，自東向西單軸跟蹤方式是跟蹤太陽方位角變化，驅動電池陣列轉動，使電池陣列方位角與太陽方位角

4、相同。這類跟蹤方式結構簡單，控制容易，在光照強度大和光照相當穩定的地方實施這類跟蹤方式比較適宜。 但這類跟蹤方式存在一個最大缺點是除了正午這個時刻外在其他時侯不能保持電池陣列接收光輻射面與太陽光線垂直，這樣大大降低了光的吸收效率，造成了能量的流失大，影響了整個光伏發電的效率。雙軸跟蹤雙軸跟蹤是一種全方位的跟蹤技術， 它彌補了單軸跟蹤的不足之處， 目前視日運動軌跡的雙軸跟蹤主要分為兩種方式 :極軸跟蹤方式，高度一方位角太陽軌跡跟蹤方式。極軸跟蹤方式 :是聚光鏡的一軸指向地球北極，即與地球自轉軸相平行，故稱為極軸 ;另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時反射鏡面繞極軸運轉，其轉速的設定與地球自轉角速

5、度大小相同方向相反用以追蹤太陽的視日運動 ;反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉動是為了適應赤緯角的變化， 通常根據季節的變化定期調整。 這種追蹤方式并不復雜，但在結構上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設計比較困難。高度一方位角太陽軌跡跟蹤是一種地平坐標系統跟蹤方式， 它是當今比較先進的一種跟蹤方式， 跟蹤精度較高。 高度一方位角跟蹤方式通過計算具體地點和具體時刻的太陽運動軌跡 (高度角和方位角表示運行軌跡 )，根據光伏電池陣列的具體位置，先沿著垂直軸轉動彌補方位角偏差， 然后沿水平軸轉動彌補高度角偏差， 以保證電池陣列與太陽運行軌跡一致。 這種方式受天氣季節性影響較小屬于一種理論計算軌跡程序控

6、制跟蹤方式。 由于理論計算軌跡與實際運行軌道誤差小， 因此該跟蹤方式跟蹤精度較高，這種方式缺點是受跟蹤系統機械影響比較大， 在系統長期運行或者外力影響造成機械誤差后，會造成跟蹤偏差變大，影響了跟蹤精度。11.2 光電自動跟蹤光電跟蹤技術是利用光信號強度的變化轉化成電信號大小的變化，這種變化差異作為一種感知輸入來控制跟蹤裝置跟蹤太陽的一種技術。目前，光電自動跟蹤裝置根據傳動方式分類有 :重力式跟蹤裝置、電磁式跟蹤裝置、電動式跟蹤裝置、壓差式跟蹤裝置和控放式跟蹤裝置等。光電跟蹤是通過光傳感元件如光敏電阻、硅光電管等接受太陽光，由于太陽運動， 造成太陽光入射角度的變化，這樣通過多個相同類型的光傳感器

7、敷設到不同方位， 使得傳感器之間產生偏差信號值，此信號經過放大后， 輸入到控制系統單元， 控制單元計算位置偏差值， 然后控制跟蹤系統驅動裝置調整電池陣列位置保持它與太陽光垂直。這種方式的優點是跟蹤精度高，實時跟蹤性能好， 它反映了實際跟蹤情況， 受機械偏差影響小。 缺點是受天氣季節氣候影響大，天陰的情況下，光傳感元件效果差，極容易產生誤差，嚴重的情況下，會造成驅動裝置誤動作。2第二章跟蹤控制系統設計在太陽光的采集過程中， 為了能夠最大效率地采集太陽光， 要求太陽能板始終與太陽保持一個最佳角度， 因此必須跟蹤太陽。 常見的跟蹤控制系統， 按照被控制量對控制量是否存在著反饋可分為閉環、開環和混合控

8、制方式。閉環控制能夠通過反饋來消除誤差， 但感光元件在稍長時間段內接收不到太陽光會導致跟蹤系統的失效，甚至會引起執行機構的誤動作 ;開環跟蹤雖然在任何天氣下都可以正常工作，但是在跟蹤過程中產生的累積誤差自身并不能消除 ;混合控制方式結合了兩者的優點并克服了兩者的缺點，能夠得到最佳的控制效果。開始是否是晴天？驅動電機根據日期時間計算高度角和方位角是否是垂直？根據高度角和方位角驅動電機結束3第三章跟蹤控制系統硬件電路3.1 控制電路本文以 AT89C52 為主控制器，實現了一種混合控制，系統示意圖如圖1 所示。主要電路份為三部分 :單片機、鍵盤顯示接日芯片和日歷時鐘芯片之間的通信電路 ;以光敏電阻

9、為感光元件的反饋電路 ;單片機控制步進電機的驅動電路。控制單元 AT89C52控制部件選擇 ATMEL 公司生產的 AT89C52 型單片機。 AT89C52 是一種低功耗、高性能的 8 位單片機，片內帶有 4KB 的 flash 可編程可擦除只讀存儲器， 它采用 CMOS 工藝和高密度非易失性存儲器（ NURAM ）技術，而且引腳和指令系統都與 MCS-51 兼容。 AT89C52 是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控制領域。日歷時鐘芯片 DS1302DALLAS 公司生產的串行實時時鐘芯片 DS1302，它具有實時時鐘和 31 字節的靜態 RAM ，采用串行通信，

10、 可方便地與單片機接口。 DS1302 可提供秒、分、時、日、星期、月和年，并帶閏年補償，可采用 12h 或 24h 方式計時，采用雙電源：主電源和備用電源供電。43.2 傳感器使用兩只光敏傳感器與兩只比較器分別構成兩個光控比較器控制電動機的正反轉。由于一年四季、 早晚和中午環境光和陽光的強弱變化范圍都很大，所以上述兩種控制器很難使大陽能接收裝置四季全天候跟蹤太陽。這里介紹的是將 4 個完全相同的光敏電阻分別置于太陽光接收器的東西南北方向，負責檢測這四個方向的光源強度。如果太陽光垂直照射在太陽能電池板板上，東西 ( 南北 ) 兩個光敏電阻所接收到的太陽強度相同， 其阻值完全相同， 此時電動機不

11、轉動。 當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時， 接收光強多的光敏電阻阻值減少， 再經過運算放大電路和信號調整芯片輸出電壓， 從而驅動電動機轉動， 直至兩個光敏電阻上的光照強度相同， 稱為光敏電阻光強比較法。其優點在于控制較精確且電路比較容易實現。光電模塊檢測的俯視圖，其由 5 只光敏電阻組成。正中央一只，旁邊四只圍成一圈。5第四章跟蹤系統機械部分太陽跟蹤裝置的載體是太陽能電池板， 電池板面積比較大，帶動它所需力量較大，考慮到跟蹤平臺在輸入功率較小的情況下帶動較大的電池板工作， 機械結構又對會聚光線的強度存在影響等因素，跟蹤平臺機械部件設計一般應滿足一下要求：(1)光伏發電太陽跟蹤裝置的機械執行

12、機構能夠進行大范圍的跟蹤，其跟蹤范圍要求大于或等于太陽的運動范圍，并要避免極限位置鎖死； 當跟蹤平臺在運動載體上運行時，載體的運動不確定，可能朝各個方向行駛，相對于跟蹤平臺來說，太陽的運動變得更加復雜。 所以跟蹤平臺兩個方向的跟蹤范圍應該設置的較大，以應對可能出現的情況。(2)光伏發電太陽跟蹤裝置的機械執行機構還要有較好的防風性。跟蹤平臺一般用于固定安裝的場合，或者安裝在中低速運送的載體上（太陽能車、船） ，實現對太陽能雙維大范圍自動跟蹤。 在高速運動的載體上工作， 如果遇到很大的逆向風， 采用防風性能一般的平臺，極有可能導致平臺被吹動或者吹翻，無法進行正常運轉工作；采用能夠自鎖的機構， 如鍋

13、輪傳動或者螺旋傳動機構， 遇到逆風情況， 跟蹤平臺不會被風吹動或者吹翻，保持正常運轉。(3)較大的輸出功率，工作能耗小于給定值；綜合各種傳動結構，齒輪傳動具有傳動比準確、 傳遞扭矩大的優點； 以上兩種傳動比都較大， 能在使用功率較小的普通電機的同時傳遞足夠大的動力， 比較適合在中低速運動載體上運行的需求； 但這兩種結構在傳動時存在間隙，沒有諧波傳動跟蹤精度高。(4)結構緊湊，可靠性高；如果系統的結構比較松散，長期逆風工作變形會較大，剛性降低，提高剛性需要加固結構或者使用剛性好的材料，這些都會使成本增加， 而且傳動部件的性能易受到影響，跟蹤裝置的壽命及可靠性降低。此外，應盡量簡化加工工藝，進一步

14、提高跟蹤裝置性價比。64.1 機械結構簡圖步進電機、軸承和箱體等未畫出74.2 機構受力太陽能電池板面積為 100mm 80mm，面積較小，所以忽略風力影響，則整個機構受外力為太陽能電池板自身重量 10kg，豎直向下。太陽能電池板重力產生的轉矩Tmgcos( ab / 2)為太陽能電池板與豎直方向夾角a 為齒輪 4 到太陽能電池板距離b 為太陽能電池板寬度則最大轉矩為Tmax mg (40 30 / 2) 10 210 9.8 55 10 2 5.39 N M8第五章驅動單元設計5.1 步進電機現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（ VR ）、永磁式步進電機（ PM）、混合式步進電機（ H

15、B ）和單相式步進電機等。反應式步進電動機采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子， 其結構簡單，生產成本低，步距角可以做的相當小， 一般為三相， 可實現大轉矩輸出， 步進角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。 反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成， 定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩，但動態性能相對較差。永磁式步進電機轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵， 在其外側配置齒狀定子。 用轉子和定子之間的吸引和排斥力產生轉動， 它的出力大， 動態性能好， 但步距角一般比較大。一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或 15度。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五

16、相： 兩相步進角一般為 1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度。這種步進電機的應用最為廣泛，它是 PM 和 VR 的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優點， 步距角小，出力大，動態性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。步進電機有步距角（涉及到相數） 、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。（ 1）步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求， 將負載的最小分辨率 （當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度 （包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目

17、前市場上步進電機的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相電機）、0.9 度/1.8 度（二、四相電機）、1.5 度/3 度 （三相電機）等。（ 2）靜力矩的選擇步進電機的動態力矩一下子很難確定， 我們往往先確定電機的靜力矩。 靜力矩選擇的依據是電機工作的負載， 而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。 單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載， 恒速運行進只要考慮摩擦負載。 一般情況下， 靜力矩應為摩擦負載的 2-3 倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。（ 3）電流的選擇靜力矩一樣的電機，

18、 由于電流參數不同， 其運行特性差別很大， 可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓） 。95.2 步進電機選擇步進電機 1 選擇太陽能電池板重力產生的最大轉矩Tmax mg (40 30/ 2) 10 210 9.8 55 10 25.39 N M所以步進電機 1 最小轉矩為 5.39 N M ，考慮到其他因素步進電機 1 靜力矩略大于太陽能電池板重力產生的最大轉矩。步進電機選用性能較好 86BYG 系列永磁兩相混合式步進電機，選用森創公司 85BYG250C-SAFRBC-0302 兩相 4 線制步進電機， 該電機采用整步驅動方式， 脈沖移動角度整步方式的 1.8 度

19、。整步驅動方式在任一時刻只有一相通電，驅動方式的驅動相序: A' ABB'AA'B' B1085BYG250C-SAFRBC-0302 結構11步進電機 2 選擇水平方向不受力，對轉矩要求較小。所以選擇：型號 :46BYG001相數 :2電壓 /V:12相電流 /A:0.09步距角 (°):1.8步進角誤差 (%):±3每轉步數 :200靜態轉矩 /(N2m):23 10(-2)定位轉矩 /(N2m):3.43 10(-3)125.3 步進電機驅動驅動器驅動步進電機有專用的驅動器，如SH-20809N,SH-20803N,SH-20504,S

20、H-21006等。85BYG250C-SAFRBC-0302 選擇使用 SH-21006C 驅動器驅動。13驅動芯片驅動SGS 公司的 L297 單片步進電機控制集成電路適用于雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機的控制， 與兩片 H 橋式驅動芯片 L298 組合，組成完整的步進電機固定斬波頻率的PWM 恒流斬波驅動器。L297 產生四相驅動信號，用以控制雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機，可以采用半步、 兩相勵磁、單相勵磁三種工作方式控制步進電機， 并且控制電機的片內 PWM 斬波電路允許三種工作方式的切換。使用 L297 突出的特點是外部只需時鐘、方向和工作方式三個輸入信號，同時 L2

21、97 自動產生電機勵磁相序減輕了微處理器控制及編程的負擔。 L297 具有 DIP20 和 SO20 兩種封裝形式，可用于控制集成橋式驅動電路或分立元件組成的驅動電路。L297 主要由譯碼器、兩個固定斬波頻率的 PWM 恒流斬波器以及輸出邏輯控制組成，其內部結構圖如圖所示。L297 另一重要組成是 PWM 斬波器控制相繞組電流，實現恒流斬波控制，以獲得良好的轉矩 -頻率特性。每個斬波器由一個比較器、一個 RS 觸發器以及外接采樣電阻組成 (見圖 2) 內部設有一公共振蕩器，向兩個斬波器提供觸發脈沖信號，脈沖頻率是由外接的 RC 網絡決定，當時振蕩器脈沖使觸發器置 “1，”電機繞組相電流上升，采

22、樣電阻 RS 的電壓上升到基準電壓 Vref 時，比較器翻轉，使觸發器復位，功率晶體管關斷，電流下降，等待下一個振蕩器脈沖的到來。這樣，觸發器輸出是恒頻的 PWM 信號，調制 L297 的輸出信號，繞組相電流峰值由 Vref 決定。CONTROL 信號用以選擇斬波信號控制。當它為低電平時，斬波信號作用于兩個禁止信號，高電平時，斬波信號作用于 A、B、C、 D 信號。前者適用于單極性工作方式，而對于雙極性工作方式的電機， 這兩種控制方式都可以采用。 利用 L297 的 SYNC14引腳可實現多個 L297 同步工作，其連接方式如圖 3 所示，只將 RC 網絡接于一芯片上，而其余芯片的 OSC 引

23、腳均接地，這樣可避免接地雜波的引入問題。SGS 公司的 L298 芯片是一種高電壓、大電流雙 H 橋功率集成電路，可用來驅動繼電器、線圈、直流電機和步進電機等感性負載。 它具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號影響。 每橋的三極管的射級是連接在一起的， 相應的外接線端可用來連接外設傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。采用 L297 和 L298實現的步進電機驅動電路見圖 4，該電路為固定斬波頻率的 PWM 恒流斬波驅動方式，適用兩相雙極性步進電機，最高電壓 46V ，每相電流可達 2A。用兩片 L298 和一片297 配合使用，可驅動更大功率的兩相步進電機。L297 和 L298 的步進電機驅動電路圖軟件設計 當程序進入到非程序區，只要在非程序區設置攔截措施，使程序進入陷阱，然后強迫程序回到初始狀態。如對 CPU 的 RST 指令對應的字節碼為 0FFH ，如果不用的程序存儲區預先寫入 0FFH ，則當程序因干擾而