使用DSP芯片實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)

引言

太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、無(wú)噪聲、無(wú)公害的可再生能源，目前開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的方式很多，光伏發(fā)電是其中一種主要的利用方式。所謂光伏，是以太陽(yáng)能電池為媒介，將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。我國(guó)目前采用的光伏發(fā)電電池以普通單晶硅多晶硅為主，轉(zhuǎn)換效率較低；聚光電池轉(zhuǎn)換效率較高，但需要跟蹤精度較高的太陽(yáng)跟蹤器，時(shí)時(shí)刻刻跟蹤太陽(yáng)，使太陽(yáng)光線與集光板垂直，利用圖1所示的菲涅耳透鏡使光線匯聚在聚光器的聚光電池上，提高能量密度，從而提高發(fā)電效率。

1 太陽(yáng)跟蹤器跟蹤原理

目前國(guó)內(nèi)外的太陽(yáng)跟蹤器按跟蹤原理分為：傳感器檢測(cè)的主動(dòng)跟蹤原理和太陽(yáng)位置計(jì)算的被動(dòng)跟蹤原理。本文將兩種原理相結(jié)合設(shè)計(jì)了基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812的太陽(yáng)跟蹤控制器。太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤器由傳感器、信號(hào)處理及補(bǔ)償、微處理器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)接 口等單元電路組成（選擇不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合），驅(qū)動(dòng)太陽(yáng) 能設(shè)備自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏移時(shí)，傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理及 補(bǔ)償電路的處理，進(jìn)入到微處理器，微處理器根據(jù)輸入信號(hào)，運(yùn)行跟蹤算法，輸 出控制信號(hào)，通過(guò)接口電路單元驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整太陽(yáng)能設(shè)備的角度，從而實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的目的。

1.1 傳感器檢測(cè)的原理

利用硅光電池的光電效應(yīng)，在太陽(yáng)能集光板上高度和方位方向各放置兩個(gè)長(zhǎng)方形的硅光電池板，陽(yáng)光通過(guò)通光筒照射在硅光電池板上，如圖2所示。

高度方向硅光電池被分為A、B兩個(gè)區(qū)域，方位方向硅光電池被分為C、D兩個(gè)區(qū)域。通過(guò)電壓比較電路可分別計(jì)算出它們之間的電壓差：

其中，UA、UB、UC、UD為A、B、C、D各點(diǎn)的電壓，K為標(biāo)定系數(shù)，由此可在一定范圍內(nèi)檢測(cè)角度偏差，從而確定運(yùn)動(dòng)方向和角度變化大小。

1.2 太陽(yáng)位置計(jì)算的原理

太陽(yáng)在天球上的位置可由太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角來(lái)確定。地球上觀測(cè)點(diǎn)同太陽(yáng)中心連線與地平面的夾角，稱為太陽(yáng)高度角；地球上觀測(cè)點(diǎn)同太陽(yáng)中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角，稱為太陽(yáng)方位角。太陽(yáng)運(yùn)行軌跡與太陽(yáng)高度角α、方位角γ的關(guān)系如圖3所示。

要計(jì)算α和γ，可以采用以下計(jì)算方法：

δ為太陽(yáng)赤位角，ω為太陽(yáng)時(shí)角，φ為當(dāng)?shù)氐木暥取?duì)于δ和ω這兩個(gè)參數(shù)的精確計(jì)算要滿足高精度跟蹤的需求，并根據(jù)實(shí)際情況來(lái)不斷修正；同時(shí)，還需要結(jié)合傳感器檢測(cè)的原理加以修正。采用TMS320F2812做主處理器，根據(jù)硬件時(shí)鐘提供的日歷時(shí)間計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)精確地跟蹤太陽(yáng)。

2 跟蹤器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述工作原理，本設(shè)計(jì)以太陽(yáng)位置計(jì)算的方法為主要跟蹤方式，采用硅光電池傳感器進(jìn)行角度偏差反饋，設(shè)計(jì)了高精度太陽(yáng)跟蹤器。

2.1 主要控制電路硬件設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。選用TI公司32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812和Altera公司的CPLDEPM3256為主協(xié)處理器。由DSP（數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力）完成計(jì)算與控制算法，并產(chǎn)生用于步進(jìn)電機(jī)控制的SPWM波；輸入／輸出接口采用光電隔離；驅(qū)動(dòng)器電路選擇IPM模塊，可以達(dá)到功率驅(qū)動(dòng)的目的，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)高度和方位步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。CPLD是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、掃描鍵盤(pán)、接收擴(kuò)展中斷等功能。二者通過(guò)DSP的外部接口（XINTF）進(jìn)行通信。采用光電開(kāi)關(guān)和限位開(kāi)關(guān)分別實(shí)現(xiàn)定位、限位功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。采用LCD顯示和5×5矩陣鍵盤(pán)，方便進(jìn)行人機(jī)交互的臨時(shí)調(diào)整操作。

首先利用光電定位開(kāi)關(guān)和硅光電池傳感器進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)TMS320F2812的SPI總線設(shè)置硬件時(shí)鐘RTC初值后，利用硬件時(shí)鐘實(shí)時(shí)讀取時(shí)間并計(jì)算太陽(yáng)高度、方位角。在設(shè)定的工作時(shí)間內(nèi)，依據(jù)計(jì)算的太陽(yáng)高度、方位角選擇合適的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行速度，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)的步數(shù)和控制板應(yīng)該發(fā)的脈沖數(shù)。由 EV事件管理器產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)IPM功率驅(qū)動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)高度和方位方向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)太陽(yáng)能集光器支架轉(zhuǎn)動(dòng)適當(dāng)角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。每天工作完以后自動(dòng)返回歸位，若出現(xiàn)較大位置偏差，可以由光電開(kāi)關(guān)和硅光電池傳感器進(jìn)行修正。修正完畢重新進(jìn)入自動(dòng)跟蹤，工作完成后自動(dòng)返回。

2.2 主要控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在正常工作時(shí)，每天從定位開(kāi)關(guān)處開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，晚上返回定位開(kāi)關(guān)處。啟動(dòng)和返回時(shí)間由太陽(yáng)高度決定。在完成一周期（即一天）的跟蹤后由時(shí)鐘電路的定時(shí)中斷信號(hào)進(jìn)入休眠狀態(tài)，或定時(shí)由繼電器關(guān)閉總電源，減小系統(tǒng)功耗，待次日由定時(shí)中斷信號(hào)或值班電路給出信號(hào)喚醒處理器進(jìn)入下一周期工作。控制軟件程序流程如圖5所示。

3 實(shí)際效果與誤差分析

將設(shè)計(jì)的太陽(yáng)跟蹤器應(yīng)用在太陽(yáng)能發(fā)電中。從2010年4月某天早上8：00工作至下午17：00，典型誤差測(cè)量結(jié)果如圖6所示。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等的誤差，以及外界不確定環(huán)境（如大風(fēng)等）的影響，跟蹤角度存在無(wú)規(guī)律性誤差，但總體來(lái)說(shuō)誤差可以控制在±O.05°之內(nèi)。

實(shí)踐運(yùn)行情況表明，太陽(yáng)跟蹤器實(shí)現(xiàn)了高精度跟蹤，年平均發(fā)電量比固定式高了20％～40％，比普通單軸式高出約25％。可見(jiàn)，該設(shè)計(jì)方案能夠使光伏發(fā)電效率大大提高。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)跟蹤器的跟蹤原理進(jìn)行了研究，闡述了基于TMS320F2812的太陽(yáng)跟蹤器的軟硬件設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)高度角與方位角轉(zhuǎn)動(dòng)的自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)跟蹤準(zhǔn)確、能耗低、可靠性高、系統(tǒng)性能穩(wěn)定，發(fā)電效率提高35％以上，對(duì)以后建設(shè)電站等具有指導(dǎo)性意義，具有跟蹤精度高，成本相對(duì)較低，便于操作，性能穩(wěn)定可靠，等的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了光伏發(fā)電效率，具有較高的實(shí)用價(jià)值。