基于F28335的太阳跟踪控制器设计及应用

文章编号：１００１．９９４４（２０１１）１１－００４１．０４　基于Ｆ２８３３５的太阳跟踪控制器设计及应用　赵利国，李成贵，周培涛，马晓娇　（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，－４Ｌ京１ＯＯ１９１）　摘要：针对聚光式太阳跟踪系统．设计了基于ＴＭｓ３２０Ｆ２８３３５的高精度太阳跟踪系统控制　器。介绍了太阳位置计算方法及系统的控制方法，并对实际计算出来的方位角和高度角进　行了误差分析　系统利用ＤＳＰ的ｅＰｗＭ模块在短时间内实现线性匀速控制，近似代替太阳　在短时间内的曲线运动，从而提高跟踪精度。人机接口模块为系统的调整与测试提供了很　大方便。系统增加风速传感器，当有大风时，系统可自动将太阳能电池板置于水平位置，保　证系统安全。实验证明了系统的应用性和推广价值　关键词：ＤＳＰ：ＰＷＭ；太阳跟踪控制器；聚光式光伏发电　中图分类号：ＴＰ２３．ＴＫ５１３．４　文献标志码：Ｂ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｏｌａｒ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆ２８３３５　ＺＨＡＯ　Ｌｉ—ｇｕｏ，ＬＩ　Ｃｈｅｎｇ—ｇｕｉ，ＺＨＯＵ　Ｐｅｉ—ｔａｏ，ＭＡ　Ｘｉａｏ－ｊｉａｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ　ｓｏｌａｒ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｓｏｌａｒ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，　ａｎａｌｙｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒ　ｏｆ　ａｚｉｍｕｔｈ　ａｎｄ　ｅｌｅｖａｔｉｎｇ　ａｎｇｌｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｃｔｕａｌｌｙ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅＰＷＭ　ｍｏｄｕｌｅ　ｏｆ　ＤＳＰ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｕｎｉＮｒｍ　ｉｎ　ａ　ｓｈｏｒｔ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈ　ｔａｋｉｎｇ　ｐｌａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＵｎ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ，ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ．Ｈｕｍａｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｍｏｄｕｌｅ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｃｏｎｖｅ—　ｎｉｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａｄｄｉｎｇ　ｗｉｎｄ　ｓｐｅｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｔｈｅ　ｓｏｌａｒ—　ｃｅｌｌ　ｐａｎｅｌｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｐｌａｃｅｄ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｓｔｒｏｎｇ　ｗｉｎｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＤＳＰ；ＰＷＭ；ｓｏｌａｒ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ　ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　太阳能光伏发电是太阳能利用的主要途径之　一．但目前光伏发电Ⅲ效率低、是制约其发展的关键　１　太阳跟踪控制器的原理及设计　采用聚光式电池可以提高能量密度，从而提高　太阳能接受效率，但需要较高精度的太阳跟踪控制　系统，如果光线不能垂直入射在太阳能电池板上，偏　因素。太阳跟踪控制系统作为光伏发电的重要组成　部分，可以配合聚光电池，从而很大程度提高太阳能　量接收效率。本文设计了一种具有高精度、抗干扰性　的新型太阳跟踪控制器。　收稿日期：２０１１－０５—２４；修订日期：２０１１－０７—２６　差达到一定程度．太阳光就不能汇聚在芯片上致使　作者简介：赵利国（１９８８一），男，在读硕士研究生，研究方向为嵌入式应用系统开发；李成贵（１９６４一），男，副教授，研究方向为　嵌入式计算机测试和控制技术。　自动化与仪表２０１１（１１）　团　芯片不能发电。本文采用太阳视位置算法［２１结合短　时间内近似匀速控制算法，设计了一种双轴高精度　的太阳跟踪控制器，从而实现太阳能发电系统的高　精度控制。　１．１　太阳位置计算方法　本文采用太阳视位置计算方法即根据太阳的运　动规律计算出太阳的视运动轨迹，进一步可以得出　太阳的高度角与方位角。建立如图１所示的黄道坐　标系『２１，坐标系中Ｃ点表示地心，Ｐ为极轴，Ｍ为子午　轴（子午面与赤道平面的交线），Ｓ为太阳所在方向。　赤　射经度　图１　黄遭坐标系下太阳位置示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｕｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｚｏｄｉａｃ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　图１中６为太阳赤纬角，　为太阳时角。其中太　阳赤纬角是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线　之间的夹角。其精确计算方法　为　８＝ｋ　１＋ｋ２ｃｏｓＯ＋ｋ３ｓｉｎ０一ｋ４ｃｏｓ２０＋ｋｓｓｉｎ２０　（１）　其中：　，ｋ　ｋ３，ｋ　，ｋ　，需要考虑岁差，蒙气差等诸多　因素来不断订正　］；０为日角，即当日所在积日占全　年天数的比例用弧度表示。　太阳时角　是指太阳中心点到地心连线与子　午线所在平面的夹角，表达式为　６０＝（　。＋　）×１５。　（２）　其中，ｈ。和ｍｏ均为真太阳时的小时和分钟。　太阳高度角和方位角与当地的地理纬度西，太　阳赤纬角６和时角　有关。确定三个参数即可求出　太阳高度角　和　方位角［３１：　：ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ６ｓｉｎ咖＋ｃ０ｓ６ｃ０ｓ　ｃ０ｓ　］　（３）　ａｒｃｓｉｎ卜ｃｏ￣ｓｉｎｗ］ｃｏｓｙ＞￣０　ｃＯＳＯＬ　．．＝　ｒｃｓｉｎ【＿＿　ｃｏｓＳｓｉｎｗ］ｃｏｓｙ（４）　＜￣０四　１．２系统跟踪控制方法　由上述太阳位置算法，求出太阳高度角和方位　角后，就可以对太阳跟踪系统实现控制，为了保证系　统的跟踪精度，系统利用在短时问内实现线性匀速　控制近似代替太阳在短时间内的曲线运动。　系统每隔ｍ秒计算１次当前时刻太阳高度角　和方位角　，以及ｍ秒之后的太阳高度角　：和　方位角　：。再根据高度方向和方位方向机械结构减　速比Ｒ　和Ｒ　，以及步进电机步距角０，即可分别计　算出每ｍ秒系统所需发出的高度步进电机和方位　步进电机的控制脉冲个数Ⅳ　和　。　Ⅳ　：　（５）　Ⅳ２：　（６）　由此脉冲个数Ⅳ以及ＰＷＭ的时基频率厂，可计　算出系统的ＰＷＭ周期　。计算方法如下：　Ｖ　（７）一　即系统每隔ｍ秒装载一次ｅＰＷＭ周期寄存器，　从而实现对ｅＰＷＭ控制脉冲个数的确定。　一一２　系统设计　根据上述工作方法和原理，设计了以ＴＩ公司　３２位浮点型数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５　为主　控芯片的太阳跟踪控制系统。系统硬件结构框图如　图２所示。　风速传感器ｌｌ　ＬｃＤ显示　ｅＰＷＭ１：　７４ＨＣ２４５Ｈ　ＴＨＢ６０６４卜．４高度电机　Ｉ２Ｃ］ＴＭ　吨ｓ　ｓｓ　ＥＸＩＮＴＩ　７４ＨＣ２４５　ＴＨＢ６０６４　方位电机　审匝塞　图２太阳跟踪控制系统硬件结构图　Ｆｉｇ．２　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｎ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｍｌ　ｓｙｓｔｅｍ　系统利用Ｆ２８３３５的浮点处理单元（Ｘ２８Ｘ＋　ＦＰＵ）［３１完成对太阳高度角与方位角的计算。并利用　其ｅＰＷＭ模块的ＨＲＰＷＭ操作实现对步进电机高　精度控制。产生的ＰＷＭ信号不能直接接到驱动器　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　２０１１（１１）　一～一上，须经过驱动芯片７４ＨＣ２４５后才可以连接到步进　电机驱动器．步进电机驱动器采用ＴＨＢ６０６４Ｈ芯　片，其驱动电流最高可达４．５Ａ，最高细分为１／６４。系　统利用Ｆ２８３３５的ＦＣ模块，实时读取Ｘ１２２６时钟芯　片，完成实时数据的计算与处理。　定位开关是利用槽型光电开关，将其放在固定　角度，为系统每天跟踪精度校准提供触发信号，即当　每天系统运动至定位开关处，系统都会对此处的角　度进行一次校正与自动调整，从而保证系统的精度，　程序流程图如图３（ａ）所示。在恶劣大风天气＿５ｌ中，风　速传感器将会产生中断信号．系统自动将太阳能电　池板转置水平位置，当大风停止后，系统计算当前时　间太阳高度角与方位角，可将其自动快速调整工作　位置。防风设计的功能流程图如图３（ｂ）所示。　∞∞∞加∞∞∞∞加０　Ｉ读取ＲＴｃ　Ｘ１２２６　ｆ　Ｊ　ｉ．￣，ＲＴＣ　Ｘ１２２６　Ｉ　Ｉ计算方位角高度角Ｉ　ｌ求当前时间角度与水平位置之差　一　●　Ｉ运行至水平位置，等待卜卜＿　求当前时间角度与物理角度之差ｌ　Ｉ计算脉冲，开启电机ｆ　求风停时间角度与水平位置之差　◇　Ｉ运行至计算位置ｌ　ｌ转置风停时间角度位置Ｉ　—　（ａ）定位模块　（ｂ）防风模块　图３定位及防风程序流程图　Ｆｉｇ．３　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｗｉｎｄ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　在人机接口方面，系统采用ＺＬＧ７２９０为键盘芯　片，ＬＣＤ显示，实现对系统时间、经纬度手动调整，　并可通过控制器键盘对系统进行手动角度调整与校　正。此外，当系统运动到极限位置时将会触碰限位开　关，将系统电源切断，对系统起到保护作用。　３系统误差分析及测试　３．１　系统计算数据及误差分析　利用太阳视位置计算出的太阳方位角和高度角　结果如图４所示，二者随时间的变化是不规则的。图　ａ动化与仪表２ｏ１１（１１）　蠹　０　蠢　勰　鸶瞳－　４所示为全年正午１２点的太阳高度角与方位角。可　以看出不同日期的同一时间点太阳方位角与高度角　是不同的。图５所示为２０１１年３月１２日当天不同　时刻的太阳高度角与方位角的变化曲线。　１喧　医　１０：１　２：１２　３：２６　５：０７　６：１８　７：３０９：１０１０：２２１２：０３　时间／月份：日期　图４全年正午１２点的太阳高度角与方位角　Ｆｉｇ．４　Ｈｏｌｅ　ｙｅａｒ’Ｓ　ａｌｔｉｔｕｄｅ　ａｎｄ　ａｚｉｍｕｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｎ　ａｔ　ｔｗｅｌｖｅ　ｎｏｏｎ　０　０　０　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　０　Ｏ　如　加　征　枢　搬　医　斗《　时『日Ｊ／ｈ　图５　２０１１年３月１２日太阳高度角与方位角　Ｆｉｇ．５　Ｍａｒｃｈ　１２，２０１　１　ｔｈｅ　ｓｕｎ’Ｓ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ａｚｉｍｕｔｈ　图６，图７是以紫金山天文台嘲观测到的太阳的　高度角和方位角为真值做出的误差曲线，从图中可　以看出，系统的太阳高度角在ＰＣ中和ＤＳＰ中的计　算结果和紫金山天文台天文年历记载数据的误差基　本不超过０．０５。，而方位角的最大误差不超过０．１。。　蜮　士　１喧　图６高度角计算误差比较曲线　Ｆｉｇ．６　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｅｒｒｏｒｓ　四　｛咪　：　遇　时间／ｈ　图７方位角计算误差比较曲线　Ｆｉｇ．７　Ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｈｅ　ａｚｉｍｕｔｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｅｒｒｏｒ　ｃｕｒｖｅ　图８控制系统联机调试　Ｆｉｇ．８　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｏｎ—ｌｉｎｅｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　３．２系统的联机调试　结合ｅＰＷＭ模块，实现了对聚光式太阳能电池板的　系统软硬件实现后，配合聚光光伏发电装置．采　用２相５７系列步进电机，带动６ｍ　左右的集光板，　将其置于华北地区光伏发电站中独立运行，跟踪控　制器的工作时间因日照长短不同而不同，一般可以　从早上８：０（）工作至下午ｌ８：００。本太阳跟踪控制器　实际运行效果良好，跟踪误差控制在±Ｏ．２。以内．跟　踪控制器如图８所示。　实时高精度控制，实验证明跟踪精度可以很好地满　足聚光光伏发电的需要。为促进光伏发电的进一步　发展和普及，加快新能源的开发利用有较大意义。　参考文献：　【１］王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术【Ｍ】．北京：化学工业出　版社．２００５．　［２】　中围科学院紫金山天文台．中国天文年历ｆＭ】．北京：科学出版社，　２０１０．　４　结语　本文设计了高精度的太阳跟踪控制系统．并对　［３］周培涛．基于ＤＳＰ的双轴太阳自动跟踪控制系统研究ｆＩ）】．北京：　北京航空航天大学．２０１０．　［４］苏奎峰，吕强，邓志东，等．ＴＭＳ３２０ｘ２８ｘｘｘ原理开发与应ＨＩ［Ｍ］．ｊＥ　京：电子工业出版社．２００９．　太阳位置计算方法进行了实际分析与讨论。以　ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５为核心，利用太阳视位置计算方法，　【５］中国气象局．气象辐射观测方法【Ｍ】．北京：气象出版社，１９９６．一　＋　＋“—－｝一＊＋・・＋”＋”—－｝－一“＋－—－－　一＋”—－－　一—＋一＊—・　一一—十一－＋－—’一一＋＊—－＋一一＋－—・　一一＋－＋”—＋～一＋＊＋　＋一＋　＋一＋－＋一＋一＋＊＋一＋＊＋一＋－十一十一＋　（上接第１１页）任何一个时间片上，总有若干个小　４结语　本文中设计的高速数据记录器采用流水线技术　对Ｆｌａｓｈ进行交替双平面页编程，达到了总线扩展　的效果，提高了存储区的平均操作速率，成功实现了　６０ＭＢ／ｓ存储速度要求。样机已经完成联试，为实际　研制应用于航天器上的基于闪存的高速数据记录器　奠定了坚实的基础，具有较高的借鉴意义和实用价值。　参考文献：　【１】吴萌．一种高速、大容量图像存储系统设计【Ｄ］．北京：巾国科学院　西安光学精密机械研究所．２００９．　【２】Ｋ９ＷＢＧ０８Ｕ１Ｍ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｆｌａｓｈ　Ｍｅｍｏｒｙ　ＤａｔａＳｈｅｅｔ　ＳＡＭＳＵＮＧ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｚ】，２００７．　［３１李佳琦，李健，党相甫，等．基于同态硬盘的闪存阵列并行结构设　操作同时进行，即实现了时间片上的复用，故从整　体上看，速度会提高［４１。　假设数据的输入速度为３０ＭＢ／ｓ，写完第一组页　寄存器后有２００￣ｓ的编程时间，在此期间可以立即　依次对第二、ｉ和四组进行写操作，其时间＝４０９６ｘ　６Ｂ／３０ＭＢ／ｓ＝８１９．２　ｓ＞２ｏ０　ｓ，错过第一组的编程时　间。之后第一组可以立即进行下一次写页寄存器操　作，故整个过程中单片Ｆｌａｓｈ平均写入速度为　３０ＭＢ／ｓ，等于数据输入速度，能够正常的记录数据。　为了达到任务书中对雷达回波信号每ｌＯ０￣ｓ内平　均有效速率不高于５９ＭＢ／ｓ要求，同时可以使用２　片Ｋ９ＷＢＧ０８Ｕ１Ｍ进行片外流水线式操作。将片外　的两片Ｋ９ＷＢＧ０８Ｕ１Ｍ进行交替式编程来实现　６０ＭＢ／ｓ存储速度。　计【Ｊ１＿微电子学与计算机，２０１０，２７（４）：８５～８８．　［４１高怡祯．基于闪存的星载大容量存储器的研制ｆＤ］．北京：中科院　空间科学与应用研究中心，２００４．　●　口　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　２０１１（１１）