94 赵建钊等 : 智能型太阳能跟踪系统设计与实现 Vol. 32 No 系统功能 1) 键盘及显示屏设有 4 4 的键盘和一块点阵的液晶显示器 (liquid crystal display, LCD), 主要用于手动控制和人机交互, 便于用户设置时间和位置参数

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盐桑
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1 第 32 卷第 24 期电网技术 Vol. 32 No 年 12 月 Power System Technology Dec 文章编号 : (2008) 中图分类号 :TP271.5 文献标志码 :A 学科代码 : 智能型太阳能跟踪系统设计与实现赵建钊, 史耀耀, 马健, 冯云 ( 西北工业大学机电学院, 陕西省西安市 ) Design and Implementation of An Intelligent Sun-Tracking System ZHAO Jian-zhao,SHI Yao-yao,MA Jian,FENG Yun (Institute of Electromechanical Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi an ,Shaanxi Province,China) ABSTRACT: In a solar energy power generation system using active sun-tracking technology, it is necessary to calculate solar position to implement accurate sun-tracking and improve power generation efficiency. For an open loop controlled sun-tracking system, the computation accuracy of solar position is especially important. By means of dual-axis horizontal and pitching coordinate system and by use of 32-bit ARM embedded microprocessor as well as using stepping motor as the actuator, a composite tracking mode combining programmed tracking with photoelectric tracking is proposed. By use of the solar position calculation system that takes J as fundamental epoch, the calculation error is reduced as well as the tracking accuracy is improved. The presented tracking device is an intelligent sun-tracking device that can automatically calculate operational parameters of the sun according to different geographical positions and times and adopts photoelectric detection in its feedback loop, therefore, the automatic sun-tracking under various environments is implemented. KEY WORDS: tracking control mode; hybrid control ; stepping motor;solar energy 摘要 : 在主动式跟踪太阳能热发电系统中, 要求计算太阳位置以实现跟踪, 提高发电效率对于开环控制的太阳能跟踪系统, 太阳位置的计算精度尤为重要采用水平俯仰双轴坐标系统, 利用 32 位 ARM (advanced RISC machine) 公司的嵌入式微处理器, 以步进电机作为执行机构, 提出了基于程控跟踪和光电跟踪相结合的复合跟踪方式, 并采用基于 J 为基准历元的太阳位置计算系统, 减小了计算误差, 提高了跟踪精度该跟踪装置是一种能根据不同地理位置和时间自动计算太阳运行参数, 通过光电检测构成反馈回路, 实现在不同环境下自动跟踪的智能型跟踪装置关键词 : 跟踪控制方式 ; 混合控制 ; 步进电机 ; 太阳能 0 引言随着社会经济的快速发展, 人类所面临的能源问题越来越突出 [1-7], 太阳能作为一种清洁能源, 无疑受到各国的普遍重视如何提高太阳能的利用效率成为研究热点, 太阳跟踪是提高利用率的一种途径目前太阳跟踪的方式有多种, 主要有光电式和机械式前者为被动跟踪, 受环境影响较大, 尤其在多云或阴天时 ; 后者为主动式, 其原理是通过程序计算出太阳位置, 控制步进电机跟踪太阳 ; 目前国内大多数采用后者的方式 [8] 但这种跟踪方式会存在累积误差, 主要原因是采用的太阳位置坐标模型不够精确 ; 由于是开环控制, 机械结构变形及电机在执行过程中产生的误差难以消除, 跟踪的精度随运行时间的增加而降低本文采用基于 32 位 ARM 公司的嵌入式微控制器 LPC2290 构建平台, 采用以程控跟踪为主光电跟踪为辅的跟踪方式, 同时更新了计算太阳坐标位置的数学模型 [9-10], 从而提高了跟踪精度, 实现了全自动跟踪, 对于实现大型太阳能热发电具有重要意义 1 太阳能跟踪系统的功能与结构 1.1 系统组成及结构智能型太阳能跟踪装置主要由微处理器控制单元光电检测单元液晶显示模块存储单元和键盘及相应的外围电路手动控制单元等组成, 如图 1 所示软件部分包括操作系统的移植和应用程序的编写光电检测模块手动控制电源 ARM 控制器驱动模块步进电机存储模块显示模块图 1 太阳能跟踪系统硬件组成 Fig. 1 Hardware components of the solar energy tracking system

2 94 赵建钊等 : 智能型太阳能跟踪系统设计与实现 Vol. 32 No 系统功能 1) 键盘及显示屏设有 4 4 的键盘和一块点阵的液晶显示器 (liquid crystal display, LCD), 主要用于手动控制和人机交互, 便于用户设置时间和位置参数, 并对系统的运行状态进行监视 2) 检测模块检测模块安装在集热器面板或者与集热器平行的面板上, 主要用于检测系统运行时的环境条件 [11] 其功能可分为 2 个方面 :1 检测环境光线强弱程度, 以区别白昼和夜晚 ; 在阴天光照强度不够时, 系统检测到信号后自动处于待机状态, 避免不必要的能源浪费, 从而达到系统的自动控制 2 提供水平和俯仰方向上的误差信号在系统正常跟踪状态时, 跟踪方式为程控跟踪, 由于计算误差和机械误差的存在, 在系统长期运行后, 累积误差无法消除检测模块检测到累积误差后, 发出中断信号, 微控制芯片响应中断, 发出相应指令控制执行机构动作以修正误差, 从而达到闭环控制 3) 电源电路电源电路主要为微控制器外围器件以及控制系统中所用到的其他芯片提供工作电源由于采用的 ARM 微控制器为 LPC2290, 而它具有独立的模拟电源和数字电源, 为降低出错几率, 模拟电源和数字电源应该隔离因此接入的 220 V 电源经滤波后分为 2 路 : 一路作为步进电机驱动器工作电源 ; 一路经整流后为系统提供 5 V 和 15 V 电源微控制器的 2 组电源在 5 V 的基础上经过一个电压调节器分别输出 3.3 V 和 1.8 V 4) 存储模块采用的 LPC2290 片内只有 16 kb 的静态随机存取存储器 (static RAM,SRAM), 没有可以利用的片内只读存储器 (read only memory,rom) 或 FLASH 存储器, 因此需要对其进行扩展, 用以存储操作系统和运行程序, 以防断电后丢失程序 5) 执行机构执行机构主要是驱动模块步进电机以及相应的支撑结构驱动模块接受微控制器的输出脉冲后, 经光电隔离后进行放大循环输出步进电机能够直接进行数字控制, 将脉冲序列转化为相应的角位移, 即接受一个脉冲, 步进电机就转过一个角位移支撑结构将步进电机输出的功率降速增距后, 分别转化为水平方向的低速旋转运动和垂直方向的俯仰运动以跟随太阳 2 太阳能跟踪系统的设计与实现 2.1 ARM 微处理器本文选用微控制器 LPC2290 LPC2290 是一 [12] 个基于实时仿真和嵌入式跟踪的 16/32 位 ARM7TDMI-S(ARM 芯片 )CPU 的微控制器, 对代码规模有严格控制, 可使用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30% 而性能的损失却很小 [13] 由于 LPC2290 的 144 脚封装极低的功耗 2 个 32 位定时器 8 路 10 位模数转换器 (analog-to-digital converter, ADC) 脉宽调制输出(pulse width modulation,pwm) 以及多达 9 个外部中断使它们应用得非常广泛并通过外部存储器接口, 可将存储器配置成 4 组, 每组容量高达 16 MB, 共 64 MB 因此,LPC2290 高性能的 ARM7 CPU 内核和丰富的片上外设, 可使系统设计简化, 并大幅降低系统成本 2.2 液晶显示模块液晶模块选用 RT12864-M, 内嵌 ST7920 中文字型点矩阵 LCD 驱动 / 控制器, 它可以显示字母数字符号中文字型以及自定义图形特点是可以提供 3 种控制接口 :8 位并行微控制器接口 4 位并行微控制器接口和串行接口显示 RAM 字符产生器液晶驱动和控制电路均包含在一个芯片内, 其中 LPC2290 与 RT12864-M 的连接如图 2 所示 [P1.25~P1.18] P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 [D7~D0] RS WR E PSB LPC2290 RT12864-M 图 2 LPC2290 和 RT12864-M 的连接 Fig. 2 Connection of LPC2290 and RT12864-M 2.3 存储模块 LPC2290 片内有 16kB 的片内 SRAM, 没有可以利用的片内 ROM 或 FLASH 存储器, 程序掉电就会失去, 不能固化因此在系统内扩展了 2 MB 的 FLASH 存储器, 型号为 SST39VF160, 它是一个 CMOS 多功能 FLASH(MPF) 器件, 由 SST(silicon storage technology inc.) 公司特有的高性能 Super- FLASH 技术制造而成,SuperFLASH 技术提供了固定的擦除和编程时间, 与擦除 / 编程周期数无关图 3 为 LPC2290 与 SST39VF160 的连接示意图,SST39VF160 的片选信号为 CS0, 将其配置成 [A20~A1] [A19~A0] [D15~D0] [DQ15~DQ0] noe /WE nwe /OE CS0 /CE LPC2290 SST39VF160 图 3 LPC2290 与 SST39VF160 的连接 Fig. 3 Connection of LPC2290 and SST39VF160

3 第 32 卷第 24 期电网技术 95 Bank0, 其访问的起始地址为 0x , 即 LPC2290 的 Bank0 存储空间 SST39VF160 是 16 位总线接口,A0 脚空置, 只使用 LPC2290 的地址总线 A1~A 光电检测模块光电检测模块主要由一个四象限光敏二极管探测器组成四象限光敏二极管 2CU301 是在同一芯片上制做 4 个二极管单片 ( 它们之间有十字沟槽间隔 ), 光敏面如图 4 所示单元的性能参数基本相同, 一致性较好 4 个二极管单元相当于直角坐标系中的 4 个象限, 每个象限的二极管有自己的输出当照射在 4 个象限光敏二极管上的光斑图像位于十字形划线的中心时, 代表 4 个象限的光敏二极管各自的输出相等, 经过运算放大器对信号处理后, 输出为零当光斑产生相对于十字形划分线的任何位移时, 都会使 4 个象限光敏二极管的输出随之变化, 运算放大器的输出也随之产生相对位移方向上的正负变化, 从而可以确定物体在 2 维方向上的位移 [14] Vcc 15 V IV I III 图 4 光敏面形状 Fig. 4 Formation of the photosensitive planar 为减小环境光的干扰和提高检测单元的敏感度,4 象限光敏二极管探测器可以放置在一个长方形桶状内, 采用透光性比较好的材料为长方形桶做一个盖子, 以防止由于遮光或覆盖灰尘而发出错误信号 [15] 图 5 为检测光斑的 4 象限运动电路其中 VD1 VD2 正极分别接在 CU301 的 2 3 端, VD3 VD4 正极分别接在 CU301 的 1 4 端 [14] 这样 X 轴 Y 轴的输出信号即可显示出光斑是否在中心位置, 当控制器检测到光斑在中心位置上时即发出中断信号 Vcc 15 V II VD1 VD2 VD3 VD4 平衡 X 轴 _ IC1 _ IC2 X 轴输出平衡 Y 轴 _ IC3 _ IC4 Y 轴输出 (a) X 轴输出 15 V 15 V (b) Y 轴输出 15 V 15 V 图 5 检测单元电路 Fig. 5 Circuits of the detection unit 2.5 执行机构 LPC2290 输出的是 0~3.3 V 脉冲序列, 步进电机驱动器接收的是 (transistor transistor logic,ttl) 晶体管晶体管逻辑电路电平信号, 因此需要将此信号放大此外, 为使系统在低速状态下运行平稳, 减小振动, 驱动器还可以细分输出 2.6 太阳坐标模型太阳坐标模型根据不同的跟踪方式而不同 [16-18], 而对于较大的跟踪系统一般采用方位俯仰跟踪方式在这种方式下, 在任意时刻, 地球上任一点的式中 :h 为太阳高度角 ;Φ 为观测者所在地理纬度, 不论南北, 一律取正 ;δ 为太阳赤纬角 ; t 为太阳时角本文设计的跟踪系统也是基于上述公式, 但在计算太阳赤纬和太阳时角时采用了最新的基准历元, 考虑了岁差和章动的影响, 在年内的计算误差不超过 0.01 至于太阳赤纬以及太阳时角的计算, 比较复杂, 详细过程, 参见文献 [19-20] 3 软件设计太阳位置与该时刻太阳赤纬太阳时角以及该点的 [19] 地理纬度有关, 具体公式为 3.1 操作系统移植太阳高度角由于系统功能复杂, 考虑将 µc/os-ii 嵌入式实 sin h = sinφsinδ cosφcosδ cos t (1) 时多任务操作系统作为应用软件平台 µc/os-ii 是太阳方位角 sinϕ = cosδ sinω cos h (2) 一种可移植可固化可裁剪及可剥夺的实时多任务内核实时操作系统 (real-time operating system,

4 96 赵建钊等 : 智能型太阳能跟踪系统设计与实现 Vol. 32 No. 24 RTOS), 其绝大部分源码是用 ANSI 的 C 语言编写, 可方便地移植并支持多种类型的处理器 µc/os-ii 的硬实时性以及低成本易控制小规模高性能的特性, 使其能满足工业中小型控制对可靠性实时性以及多任务处理的要求, 设计中采用的开发工具是 ADS1.2 µc/os-ii 的文件系统结构包括核心 [10] 代码部分配置代码部分处理器相关代码部分其中处理器相关代码部分是移植需要修改的部分, 它包括 OS_CPU.h OS_CPU_C.c 和 OS_CPU_A.s( 根据 ADS(ARM developer suite) 公司的要求将 OS_ CPU_A.asm 改名 )3 个文件目前关于 µc/os-ii 移植的参考资料比较多, 本文不再做详细讨论 3.2 应用程序设计软件设计主要是在移植操作系统的基础上, 设计控制系统的应用程序, 其任务是在总体设计和硬件设计的基础上设计软件功能模块, 完成每个模块功能主程序是系统后台程序, 按照特定顺序完成系统功能它首先完成各种初始化, 然后进入主功能模块 ( 图 6(a)) 在主程序循环过程中, 同时监控其他功能模块, 进行中断响应程序进入中断响应后, 进入辅助跟踪子程序 ( 图 6(b)), 此时输出脉冲的个数根据实际运行需要确定, 由于步进电机的步距角是一个定值, 因此, 在软件设计跟踪子程序时, 应充分考虑计算结果与步距角的关系, 防止电机往复运行和引起更大的误差开始初始化是设置参数? 否否程控跟踪? 是调用程控跟踪子程序否误差修正? 否延时显示返回为 1? 是结束是辅助跟踪子程序开始计算太阳位置计算角度差换算脉冲个数输出脉冲结束 (a) 主程序 (b) 程控跟踪子程序图 6 主程序与程控跟踪子程序 Fig. 6 Flow of the algorithm and sub-program of the tracking control 4 结论本文介绍了基于 ARM 微处理器 LPC2290 的太阳能跟踪系统的软硬件设计 ARM 处理器丰富的片内外设和优越的性能适合于应用复杂的多任务处理场合, 且可靠性高成本低 ; 利用 µc/os-ii 可以提高系统的安全性和可靠性, 简化多任务程序的设计, 但用户必须对 µc/os-ii 有深入的了解, 才能编写出有效的程序代码在设计太阳位置计算程序时, 充分利用了 ARM 处理器的 32 位数据处理能力, 太阳位置计算精度理论上的误差不超过 0.1 ; 增加了人机交互功能和手动控制功能, 便于监督系统运行情况和处理意外情况考虑到由于步进电机的步距角细分有限, 有可能存在的机械误差, 因此以光电检测模块作为辅助定位方式, 可有效减少积累误差, 并实现自动控制本文提出的解决方案已在 ADS1.2 仿真试验平台初步验证, 系统具有一定稳定性, 跟踪精度误差在 0.25 ~0.5 内, 适合大型太阳能热发电系统参考文献 [1] 尚金成, 张立庆. 电力节能减排与资源优化配置技术的研究与应用 [J]. 电网技术,2007,31(22): Shang Jincheng,Zhang Liqing.Technologies research and application on energy-saving, emission-reducing and resources allocation optimization in electric power system[j].power System Technology, 2007,31(22):58-63(in Chinese). [2] 蔡洋. 电网调度管理须与电网发展俱进 : 北美东北电网事故浅析 [J]. 电网技术,2004,28(8): Cai Yang.Power system operation control should be in step with its expansion:a brief analysis of large scope blackout in interconnected northeast America Power Grid[J].Power System Technology,2004, 28(8):11-14(in Chinese). [3] 陈旭, 左郑敏. 抽水蓄能电站在广东的发展分析 [J]. 电网技术, 2006,30(5): Chen Xu, Zuo Zhengmin. Analysis on development of pumped-storage station in Guangdong province[j].power System Technology,2006,30(5):56-61(in Chinese). [4] 张慧妍, 韦统振, 齐智平. 超级电容器储能装置研究 [J]. 电网技术,2006,30(8):1-5. Zhang Huiyan,Wei Tongzhen,Qi Zhiping.Analysis and design of ultracapacitor energy storage[j]. Power System Technology,2006, 30(8):1-5(in Chinese). [5] 黄杰鹏, 李宇红, 倪维斗. 并网风电场可避免费用的计算 [J]. 电网技术,2006,30(16): Huang Jiepeng,Li Yuhong,Ni Weido.Avoidable cost of wind farm interconnected to power grid[j].power System Technology,2006, 30(16):50-53(in Chinese). [6] 张颖颖, 曹广益, 朱新坚. 燃料电池 : 有前途的分布式发电技术 [J]. 电网技术,2005,29(2): Zhang Yingying,Cao Guangyi,Zhu Xinjian. Fuel cell: a promising

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Microsoft Word - 专论综述1.doc 2016 年第 25 卷第期 http://www.c-s-a.org.cn 计算机系统应用 1 基于节点融合分层法的电网并行拓扑分析王惠中 1,2, 赵燕魏 1,2, 詹克非 1, 朱宏毅 1 ( 兰州理工大学电气工程与信息工程学院, 兰州 730050) 2 ( 甘肃省工业过程先

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94 赵建钊等 : 智能型太阳能跟踪系统设计与实现 Vol. 32 No 系统功能 1) 键盘及显示屏设有 4 4 的键盘和一块点阵的液晶显示器 (liquid crystal display, LCD), 主要用于手动控制和人机交互, 便于用户设置时间和位置参数