太阳能发电控制系统设计.docx
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太阳能发电控制系统设计
南阳理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院（系）：
电子与电气工程学院
专业：
电气工程与其自动化
学生：
XX
指导教师：
尉乔南
完成日期2012年5月
南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
太阳能发电控制系统设计
DesignofSolarPowerGenerationControlSystem
总计：
24页
表格：
3个
插图：
22幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
太阳能发电控制系统设计
DesignofSolarPowerGenerationControlSystem
学院（系）：
电子与电气工程学院
专业：
电气工程与其自动化
学生姓名：
XX
学号：
1040911200XX
指导教师（职称）：
尉乔南（讲师）
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
太阳能发电控制系统设计
电气工程与其自动化XX
[摘要]为了提高太阳能的利用率，本文研究了一种新型的基于DSP的高精度太阳能跟踪控制器。
该控制器采用软件粗控制和传感器精确控制相结合的方式来实现。
该跟踪控制器以DSP作为控制芯片，根据天体运行规律，实时计算出太阳的位置，使跟踪器定位到一定的范围；同时通过四象限光电池传感器接收来自不同角度的太阳光，将光能转换成电能，根据DSP计算的控制信号，由步进电机作为执行机构控制太阳能板对太阳位置的跟踪，使太阳能跟踪装置始终正对着太阳的位置，从而可以达到充分利用太阳能的目的。
[关键词]DSP；四象限光电池传感器；步进电机；跟踪
DesignofSolarPowerGenerationControlSystem
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyZhangXxxx
Abstract:
Inordertoimprovetheutilizationrateofsolarenergy,thispaperstudiesanewkindofhighaccuracyofthesolarenergytrackingbasedonDSPcontroller.Thecontrollersoftwareadoptedsoftwarecoarsecontrolandsensorpreciselycontrolthecombinationtoimplement.
ThetrackingcontrollerisusedasthecontrolchipbyDSP,accordingtothelawsofcelestialbodies,inrealtimetocalculatethepositionofthesun,positioningtrackertoacertainrange.AtthesametimethroughfourquadrantfromdifferentAnglesensortestreceivingthelightofthesun,andthelightintoelectricalenergyconversion.AccordingtothecalculationofDSPcontrolsignals,bythesteppermotorcontrolstheexecutingagencyassolarpanelstotrackthelocationofthesun,thesolartrackingdeviceisalwaysoppositethepositionofthesun.InordertorealizetheDSPchipofwholesystemcontrol,meanwhile,needtodesignthealgorithmofthesoftwaresystem,mainlyincludesolartrackingcontrolleroftheequationsofmotionrealizationbasedonDSP.Thuscanachievethepurposeoffulluseofsolarenergy.
Keywords:
DSP；Four-quadrantsensortest；Steppingmotor；Tracking
1引言
1.1选题的背景
能源是人类生存发展必须具有的基本资源。
从古至今人类获得能源的途径，可分为地上能源、地下能源与天上能源等三个阶段。
地上能源主要是植物能源，水能、风能等，在人类农业经济社会阶段主要是植物能源，到了现代工业经济社会阶段，主要是煤石能源。
随着世界经济的发展，进入21世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增，能源短缺已成为人类社会面临的一个重大挑战，面对石油这些不可再生的资源，必须在其耗尽之前寻找到替代能源，否则未来世界将会因此不断爆发能源危机。
太阳能作为新能源与可再生能源的重要组成部分，有着煤炭、石油、天然气等化石能源无法比拟的优点：
（1）储量丰富：
太阳能是取之不尽、用之不竭的。
（2）应用广泛：
太阳能不存在分布的偏集性，只要有阳光的地方就可以就地利用，有利于解决偏远乡村、海岛等地区的能源供应问题。
（3）绿色环保：
太阳能利用过程中，不需要燃料、不产生噪声，没有废气、废水、废渣等的排放。
（4）经济性：
虽然目前太阳能发电的成本仍为常规发电的几倍，但随着太阳能利用技术的发展，其利用成本已大大下降。
一般来说，太阳能利用的初期投入成本比较高，但由于太阳能无污染、无噪声、取之不尽、分布广泛的特点，从长期来看，其使用成本要小的多。
鉴于以上优点，太阳能的开发利用具有巨大的市场前景，不仅能带来很好的社会和环境效益，还具有明显的经济效益[1-3]。
1.2国内外太阳能发展的现状
从国际上看，世界各国从能源供应安全和清洁利用的角度出发，把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。
自20世纪80年代以来，光伏产业可以说是世界上增长最快的高新技术产业之一。
我国在太阳能光伏发电的研究方面起步较晚，但拥有丰富的太阳能资源和巨大的市场需求。
经过二十几年的艰苦努力，已经为太阳能光伏发电的发展和大规模应用奠定了良好的基础。
特别是随着西部大开发政策的推行，国家加大对光伏产业的投入，使得我国太阳能发电行业快速发展。
目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。
1.3研究的目的和意义
太阳能作为一种新型的绿色能源，有着广泛的发展前景，太阳能发电已成为未来全球解决能源危机的最具独特优势的重要途径。
但是由于太阳能本身的缺点，现在对太阳能的利用率普遍较低，并且现有跟踪控制器也有着各种缺点。
在各种类型的跟踪器中，纯机械式的跟踪效率低，额外提高了成本，在设备中添加跟踪器就失去了原来的意义。
要进一步提高太阳能的利用率，需要更深一步的研究和探讨，以开发出真正廉价、实用的自动跟踪器。
2总体设计方案
目前，各种类型的太阳能跟踪器装置，从简单到复杂，主要分为两大类，即机械系统和电控系统。
机械系统一般又可分为压差式和控放式；而电控系统一般可分为光电式和视日运动轨迹式，视日运动轨迹式跟踪又分为单轴跟踪方式、极轴式全跟踪方式和高度角-方位角式全跟踪方式。
本文主要是对高度角-方位角式全跟踪方式的太阳能发电控制系统的研究，研究的主要工作如下：
（1）设计太阳能跟踪控制器机械结构，该结构具有两个自由度，即水平方向转动自由度和竖直方向转动自由度。
该机械结构的运动由两个步进电机来驱动，完成对太阳高度角和方向角的跟踪。
（2）设计太阳能跟踪控制系统硬件系统。
硬件系统主要包括两个方面：
检测电路系统，控制电路系统。
检测电路系统主要完成四象限光电池传感器信号的滤波、放大、比较等，把采集的太阳能信号传递给控制电路。
控制电路是完成整个系统的控制部分，其根据DSP计算的控制信号，控制步进电机实现对太阳高度角和方位角的控制。
（3）设计系统软件的算法。
系统主要的算法主要是太阳能跟踪控制器运动控制方程的实现。
太阳能跟踪控制器运动控制方程依照太阳的运行规律来计算太阳的运行轨迹，即太阳视日运动轨迹。
（4）完成太阳能跟踪控制系统的软件设计。
以CCS3.3为设计平台，根据各软件功能模块来设计相应的软件。
主要的功能模块为：
主程序模块，太阳跟踪角度计算模块，信号采集模块，步进电机控制模块以与其它相关的功能模块的设计[4-5]。
总体结构图和跟踪结构框图如图1所示：
图1（a）太阳能发电控制系统总体结构
图1（b）跟踪控制框图
3硬件设计
3.1概述
太阳能跟踪控制器的机械结构设计为两个自由度，即一个水平方向转动自由度和一个竖直方向转动自由度，由两个步进电机来分别驱动。
太阳能跟踪器的硬件系统包括三大部分：
检测系统电路、控制系统电路和电机系统。
检测系统电路是整个控制系统的重要部分，其主要由传感器检测电路和信号处理电路组成。
传感器检测电路主要是通过四象限光电池采集板，由光电池传感器检测周围光信号，把相应的光信号转变成电压信号。
控制系统主要由DSP主控、时钟电路、电源电路、信号采样等部分组成，完成整个电路的控制和驱动。
电机系统主要由步进电机和步进电机驱动器组成。
3.2太阳能跟踪控制器机械结构
太阳能跟踪控制器的机械结构主要由底座支架、水平旋转自由度方向机构、竖直旋转自由度方向机构、电池板支撑机构、传感器装置等几部分构成。
其工作原理如下：
太阳能跟踪控制器机械结构有两个自由度，即一个水平方向转动自由度和一个竖直方向转动自由度，均由步进电机驱动。
由控制系统软件计算太阳的位置，将其转化为相应的步进电机驱动信号，使太阳能接收板转到该位置。
然后根据传感器装置采集到的信号，进一步由步进电机对太阳能接收板进行微调。
以实现调整太阳能电池板的姿态使其板面接近于与太阳光线垂直的方向，达到最大限度接收太阳能量的目的。
3.3检测系统电路设计
利用四象限传感器接收来自不同角度的入射太阳光，然后通过光强检测电路将太阳光线的辐射强度信息转化为电压信号的形式输出。
3.3.1四象限传感器
（1）光电池传感器的选型
光电池元件利用光生伏特效应的原理把光能转换成电能。
光电池是一种有源器件,根据光电池的特点和工作需要程度，在这里选用4片sps0606硅光电池传感器[6]。
该传感器的主要参数如表1所示。
（2）四象限传感器的布局
四个光电池传感器分别放置在太阳能采集板的上下左右四个不同位置，接收来自不同角度的入射太阳光。
其布局如图2所示：
当上下两个光电池传感器接受到的光强度差值小于某个极小量时，控制器不发出让电机动作的命令：
当两个信号强度超过一定的范围时，可以控制电机转动，电机的转动速度也可由光强的差值大小来确定，从而使采光面板在竖直方向上正对着太阳光。
左右两个光电池传感器用来控制另一个电机，使太阳能采光板在水平方向上正对着太阳光。
从而实现了由太阳光控制电机的目的。
通过两个电机的控制，可以让采光面板始终正对着太阳，实现最大化利用光能。
图2四象限传感器布局
表1sps0606硅光电池传感器参数
封装
黑色陶瓷封装
窗口材料
滤光平板玻璃
典型暗电流（nA）
0.01
开路电压（100Lx）（mV）
300
短路电流（100Lx）（μA）
>5
感光范围（nm）
300～1000
峰值波长（nm）
700
3.3.2检测电路
（1）太阳光强检测电路
信号放大电路如图3所示：
由于光电池传感器出来的信号比较小，放大电路采用差动放大，其双端输入-单端输出，具有共模抑制比高的特点。
前级采用同向放大器，可以获得很高的输入阻抗，后级采用差动放大器可以获得较高的共模抑制比，增强电路的抗干扰能力。
其中R1=R3，R4=R5，R6=R7；可计算出放大的倍数如公式1所示：
=
（1+2
）（V2-V1）
（1）
（2）绝对值电路
精密有源绝对值电路，如图4所示：
这是一种经过改进的绝对值电路，失真比较低，适合小信号处理。
其工作原理是：
输入V3>0时，运放U358/1-1A的输入小于0，U358/1-1B的输出大于0，二极管D2导通，D1两端加上了方向电压而被强制关段，U358/1-1B即是电压跟随器，则V4=V3。
当V3<0时，U35/1-1A的输出大于0，U358/1-1B的输出小于0，二极管D1导通，D2两端加上了反向电压而被关断，U358/1-1A作为反向电路，使得V4=-V3，所以V4=|V3|。
图3太阳光强检测电路图
图4精密有源绝对值电路原理图
（3）比较电路
经过差动放大电路的传感器信号输入比较器的3脚，若输入信号大于0，则输出为高电平（+3.3V），若输入信号小于0，则输出为低电平（0V）。
根据输出电压的高低，可以判断出差动放大电路那个输入信号更大，进而可以判断出光电池传感器那边的接收信号更强，如图5所示。
（4）有源滤波电路
由于光电池传感器采集的信号是电压信号，需要滤除纹波。
本滤波电路为电压控制电压源（VCVS）电路，如图6所示：
其运放为同向输入，输入阻抗高，输出阻抗低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，增益容易调节。
由于DSP芯片内部有A/D转换功能，故滤波后的电压经过采样后即可送入DSP芯片。
图5比较电路原理图
图6有源滤波电路原理图
3.4控制系统电路设计
控制电路采用数字信号处理器型号为LF2407A的DSP芯片和电压调节芯片处理各种信号，对电信号进行处理并通过各种算法实现控制PWM波输出，再通过驱动电路实现主电路的控制脉冲的输出，同时控制步进电机动作。
3.4.1DSP芯片的特点
DSPLF2407A主要的接口包括目标存储器接口、模拟接口、CAN总线接口、外部扩展接口等。
它提供了128K的静态存储器，外部I/O口支持相应的64KI/O端口，片上的CAN总线和RS232端口可用做扩展连接[7-8]。
它具备以下一些特点：
（1）片内有高达32KB的FLASH程序存储器，高达1.5KB的数据/程序RAM，544字双口RAM（DARAM）和2KB的单口RAM（SARAM）
（2）两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括两个16位通用定时器和8个16位的脉宽调制（（PWM）通道
（3）可扩展的外部存储器总共192K字空间，64K字程序存储器空间，4K字数据存储器空间和64K字I/0寻址空间
（4）看门狗定时器模块（WDT）
（5）10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器
（6）控制器局域网络（CAN）2.0B模块
（7）串行通信接口（SCI）模块
（8）16位串行外设（SPI）接口模块
（9）基于锁相环的时钟发生器
（10）高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO）
（11）5个外部中断（两个电极驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）
3.4.2电源电路
系统一共用到了5种电源，都是DC/DC电源，电源的详细使用情况如表2所示：
表2电路主要电源使用情况
电源
产生方式
主要用途
+24V
由24V电源稳压滤波得到
系统供电的主电源和步进电机供电
+5V
由24V电源稳压滤波得到
传感器信号处理电路，时钟电路等供电
-5V
由＋5V电源经电源转换芯片得到
信号处理电路所需的负电源
+3.3V
由+5V电源经电源转换得到
LF2407A所需的供电，比较器供电
+3.3V
由＋5V变换得到
F28027A所需供电
为了减少电源噪声和互相干扰，数字电路和模拟电路一般要独立供电，数字地和模拟地也要分开，并最终通过一个磁珠在一点连在一起，用TPS7333进行3.3V电压的转换对DSP最小系统供电，如图7所示。
图7TPS7333转换电路原理图
3.4.3时钟电路
本文采用的是Intersil公司的时钟芯片ISL1208。
ISL1208是低功率实时时钟，其具有功能：
时钟日历、周期或轮询报警、定时与晶体补偿、电源失效指示器等[9]。
ISL1208的引脚图如下图8所示。
图8时钟芯片ISL1208引脚图
X1和X2脚分是反相放大器的输入、输出端。
外接32.768kHz的振荡器，为ISL1208时钟提供基准时间。
在工作温度范围内，内部补偿可以提高器件的精度。
VBAT引脚为时钟芯片提供备用电源电压。
当VDD失效时，电源切换到VBAT。
IRQ/FOUT（中断输出频率输出），该引脚是双重功能引脚，可以用作中断输出引脚或作频率输出引脚。
串行时钟（SCL）引脚，SCL引脚为串行上接收和发送提供时钟。
串行数据（SDA）引脚，SDA具有双向功能，可以发送和接收数据。
时钟电路的原理图如图9所示，串行数据线和串行时钟线接上拉电阻，上拉电压为5V。
图9ISL1208原理图
3.4.4片外存储器RAM
DSPLF2407A片内RAM只有2K,开发状态对程序进行仿真调试时，调试稍大一点的程序就只能用片外RAM,为了提高调试效率，系统扩展了片外的程序存储器，采用的是Cypress公司的CY7C1021芯片，其存储时间为33ns，数据宽度是16位，容量64k。
存储量大时，所有结果存在外部CY7C1021中，正常运行时作为A/D采样结果的存储空间。
图10为片外存储器扩展。
图10片外存储器扩展
3.4.5逆变电路
（1）脉宽调制电路
控制系统采用集成脉宽调制芯片SG3525构成的脉宽调制电路。
输入SG3525的误差信号经过误差放大器放大后，与其内部振荡器产生的锯齿波进行比较，输出的脉宽信号再经分相器分成2路互不重叠的两相信号，由11和14端输出。
控制信号越大，则输出的脉宽越宽，脉宽调制电路原理如图11所示。
由于驱动模块M57959L需要的是低电平输入信号，SG3525输出的2路PWM信号经过工作在饱和状态的三极管反相输出后加到M57959L的13脚。
（2）驱动电路
驱动电路的作用是将SG3525输出的2路PWM脉冲进行功率放大，以驱动IGBT。
M57959L驱动电路如图12所示。
电阻Rg为IGBT栅极限流电阻，二极管D1是过载/短路检测二极管，稳压二极管D2用以补偿D1反向恢复时间（在D1反向恢复时间偏长时使用），稳压二极管D3、D4用于保护IGBT的发射结。
图11脉宽调制电路
图12M57959L驱动电路
3.4.6JTAG接口电路
JTAG是JOINTTESTACTIONGPOUP的简称，JTAG接口用于连接DSP系统板和仿真器，实现仿真器DSP访问，JTAG的接口必须和仿真器的接口一致，否则将无法连接上仿真器。
其连接图13所示。
图13J-TAG接口电路
3.4.7复位电路
TMS320LF2407A内部带有复位电路，因此可以直接RS复位引脚外面接一个上拉电阻即可，这对于简化外围电路，减少电路板尺寸很有用处，但是为了调试方便经常采用手动复位。
其连接方式如图14所示。
图14复位电路
3.5步进电机控制电路设计
步进电机能直接接收数字信号，运动不产生旋转惯量的累积误差，因此采用步进电机作为太阳能跟踪控制系统的执行机构可以达到很高的精度。
本文研究的步进电机采用开环控制，不需要反馈信号，通过DSP得到相应的位置，给定所需转动的位置，通过控制步进电机驱动器进而控制步进电机按给定的方位转动实现预期跟踪。
3.5.1步进电机
步进电机是靠脉冲信号控制的电动设备，将电脉冲信号转化为角位移信号。
步进电机驱动器在收到一个脉冲信号后，驱动步进电机转动一个步距角。
步进电机按固定的角度旋转，通过脉冲信号的数量，进而控制步进电机旋转的角度。
步进电机的转速、启动停止位置只取决于接收脉冲信号的频率和脉冲数，在通常情况下，负载大小对其没有影响。
本系统的太阳能跟踪控制器选用两相式混合步进电机。
3.5.2步进电机驱动器
本文研究的控制器的步进电机采用SJ-220MA驱动器。
该驱动器驱动二相混合式步进电机，具有很强的抗干扰性、起动频率高、高频性能好、内部信号与控制信号实现光电隔离、电流可调、整半步可自由设定、结构简单、可靠性好、运行平稳等特点，其输入信号连线图15所示。
SJ-220MA步进电机驱动器接线区可分为三个部分：
控制信号端，电源端，步进电机接线端。
控制信号端：
驱动器通过脉冲信号（CP）接线端口接收脉冲信号，按接收到脉冲信号数量来驱动步进电机转动角度；驱动器通过方向信号端（DIR）接收方向信号，发送相应的指令使步进电机正转或反转；控制信号的公共阳端（COM）；脱机电平输入端（RST）：
此端子加低电平，电机处于自由状态[10-11]。
驱动器电源端和步进电机接线端接口如表3所示。
图15步进电机驱动器信号连接图
表3步进电机连接线端口
信号
功能
+24V
直流电源24V,可以接20-40V
GND
直流电源地
A+
电机A+相
A-
电机A-相
B+
电机B+相
B-
电机B-相
4软件设计
4.1概述
本文研究的太阳能跟踪控制器采用软件算法控制和传感器检测精确控制综合来实现。
软件算法控制根据天体运行规律，实时计算出太阳的位置，使跟踪器定位到一定的范围。
软件算法控制可以提高系统的抗干扰能力。
传感器检测控制在该范围内搜索检测太阳光的最强点，提高太阳能的利用率。
本节主要阐述太阳能跟踪控制系统的软件设计平台CCS3.3的软件开发流程、太阳能跟踪控制器的算法、系统软件的流程以与时钟芯片I2C的软件实现。
4.2CCS3.3的软件开发流程图
CCS开发工具包括：
预处理器、汇编器、链接器、C++/C编译器、建库工具等。
CCS3.3的代码调试工具包括各种调试功能，可以对LF2407A进行基本调试、指令级的仿真、可视化的实时数据分析等。
另外，CCS提供了基本输入/输出库函数和数字信号处理的库函数，大大加快DSP的软件开发过程。
CCS3.3的软件开发流程图如图16所示：
图16CCS3.3软件开发流程图
4.3太阳能跟踪控制器算法设计
太阳能跟踪控制系统的控制算法，即最大功率的跟踪算法，是根据天体的运行规律计算出太阳运行规律，根据太阳运行规律，使太阳能接收板对着太阳，即太阳的视日运动轨迹。
本文运用矢量方法对太阳运行轨迹进行计算[12-13]。
图17太阳位置计算几何模型
图17为太阳位置计算几何模型，图中XYZ-O为以太阳跟踪控制系统所在地为原点建立的地平坐标系，
，
，
分别表示指向Z方向、X方向、Y方向的单位矢量，以单位矢量
表示照射到太阳跟踪系统所在地的光线，根据图17所示，可以得到
为：
+
-
（2）
其中：
α表示太阳高度角，γ表示太阳方位角，通常以正南方向S为0°，向西为正，向东为负。
由公式2可以看出，在地平面坐标系中，用太
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