基于步进电机细分驱动的太阳能自动跟踪系统的设计

摘要：为了高效地利用太阳能，根据太阳运行规律，结合光电传感器设计以单片机为核心的太阳能自动跟踪系统。首先进行硬件设计和系统控制的软件实现，然后深入地分析比较步进电机一般驱动和细分驱动对太阳能自动跟踪精度的影响。研究结果表明，与采用一般驱动方法的系统相比，采用步进电机细分驱动的太阳能自动跟踪系统跟踪精度高，有效地提高太阳能利用率。
关键词：太阳能；自动跟踪；步进电机细分驱动；跟踪精度

    能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池板采集太阳能的效率，太阳能电池板接受太阳光的直射，由此得到太阳最大光照强度，从而最大限度的采集太阳能，目前太阳能电池板普遍采用半自动单轴跟踪方式和电池板固定朝南安装的方式。这些方法存在的缺点是：转换效率较低、跟踪适应能力弱、跟踪精度低。本文根据太阳运行规律，结合光电传感器设计太阳能自动跟跟系统。设计硬件和软件控制流程，深入地分析比较步进电机一般驱动和细分驱动对太阳能自动跟踪精度的影响。该系统跟踪能双轴跟踪，精度高，适应性强，有望在光伏发电中使用。

1 太阳能自动跟踪系统的设计
1．1 太阳运行规律
    为了提高太阳能电池板对光能的采集效率，需要尽可能的保持太阳光垂直照射到太阳能电池板上。从高度角方位角两个物理量是可以描述太阳的这种位置变化的，太阳能电池板对高度角和方位角的跟踪就能保证阳光垂直照射电池板，但是在一般情况下还需要光电传感器反馈来对跟踪的误差进行修正，以提高自动跟踪的精度。
    太阳高度角α

    式中：t是一天当中的时刻。
    由式(1)-(4)可计算出太阳高度角和方位角，以此进行两个角度的双轴跟踪，来实现太阳能自动跟踪。
1．2 系统总体设计
    太阳能自动跟踪系统的总体结构框图如图1所示。整个系统分为六个部分：时钟模块，初始位置校验，单片机模块，驱动模块，光电检测模块和太阳能电池板。单片机是整个跟踪系统的核心，负责运算和控制。时钟模块主要把全年每天的时间提供给单片机。驱动模块包括光电隔离、步进电机驱动和步进电机，为了消除干扰，单片机和步进电机驱动之间需要加隔离；由于是在高度角和方位角两个方向上进行双轴跟踪，因此需要两个相同的驱动模块。传感器模块包括四象限探测器、信号处理电路和A／D转换电路。太阳光线垂直照射四象限探测器时，它四个象限的输出电流等；

    当发生偏移时，四个象限的电流不等，通过四象限探测器的这种特点检测太阳光是否直射太阳能电池板。信号处理电路负责信号采集放大，把电流信号转化为相应的电压量并放大后，通过A／D后送入单片机运算分析并发出控制信号给步进电机。
1．3 硬件设计
    系统的控制核心采用的单片机是AT89S51；时钟芯片是DS1302；日出初始位置校验需要使用微动开关，系统使用三洲集团乐拉电器厂的LXW5-11G2。
    光电检测部分： (1)四象限探测器具有低暗电流，高可靠性、高均匀性、高对称性，盲区小的优点，系统采用的四象限探测器为Pacific Silicon Sensor的QP20—6T08S。四象限探测器示意图如图2所示，器件是反向偏置的半导体二极管阵列，其工作原理是：当太阳光垂直照射器件各个象限时，各个象限输出的光电流ia、ib、ic、id相等；而当目标发生偏移时，各个象限的输出光电流不等，光电流经信号变换及放大后变为相应的电压量，太阳运动的两个偏移量由式(5)算出，由此可测出太阳的方位，从而起到跟踪的作用。四象限探测器能在东西方向(方位角方向)和南北方向(高度角方向)上进行双轴跟踪。并且通过四个象限的电流和还可以进行阴晴天的判断，晴天时，太阳光线强，所产生的电流大，阴天时产生的电流小，因此确定一个阈值就能判断天气，经实验后得这个阈值为1．12V。(2)测量四象限探测器其中一个象限所用的光电探测电路如图3所示，每个象限都使用完全相同的光电探测电路。电阻把光电二极管输出的光电流转换为电压信号，运放将这个压信号作适当的放大，四象限光电探测器所产生的阻抗电流，其值一般为mA级，经试验后知需要放大的倍数为2倍。(3)转换器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A／D转换器，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A／D转换，是目前国内应用最广泛的8位通用A／D芯片。
   
   

    驱动模块在2．2中会详细介绍。
1．4 软件设计
    软件流程图如4所示。系统初次使用时进入时钟芯片的初始化，中断的初始化设置。刚日出时，进行初始位置校验，即单片机发出信号控制电池板由头一天运动的反方向旋转，直至碰到限位开关后停止，此时的位置作为初始位置，初始位置太阳能电池板的高度角方位角是确定的。此后由时钟提供的日出日落时间，和单片机储存的事先计算好的日出日落时间比较，若在日出后日落前，传感器电路由此时的光照强度判断是否为晴天，若为晴天，进行时钟跟踪，即把单片机里事先存储的太阳高度角方位角数据与上一次(每天日出时的为初始位置)的高度角方位角比较得出角度差值，转化成脉冲数后单片机控制步进电机转过相应的角度，这以后使用传感器电路检测阳光是否垂直照射电池板，若没有，则把信号发送给单片机进行处理，再使电机带动电池板旋转；若为阴天，则只进行时钟跟踪。一次跟踪完成后，等待1．5分钟，进行下一次的跟踪，如此反复进行。

2 步进电机的驱动
    步进电机的驱动方法可分为细分驱动和非细分驱动。细分驱动就是把步进电机的步距角细化，使步距角分辨率提高；在非细分驱动中，步进电机的步距角只有整步和半步两种。
2．1 步进电机细分驱动的原理
    在步进电机非细分驱动电路中，各相绕组的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各绕组产生的磁场也是只有零和某一额定值两种状态。控制定子绕组中的电流变化，使合成磁势以微步距转动，可实现对步进电机原有步距角细分，使转子以较小的步距增量旋转，提高步进分辨率。细分控制的基本思想是在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样步进电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，从而使转子每步运行角度也只是步距角的一部分。
    式6为两相混合式步进电机细分的数学模型
   
    式中：ia是A相电流，ib是B相电流，in是额定电流，n是细分数，s是步数为了实现恒力矩驱动，并保持力矩输出为最大值，相电流的变化取三角函数关系。

    两相混合式步进电机4细分电流状态图如图5所示。可以看出，初始时A相电流ia=0，B相通额定电流in；第一步时，A相电流ia=insin(22．5°)=0．38in，B相电流ib=incos(22．5°)=0．92in；第二步时，ia=0．71in，ib=0．71in，……
2．2 步进电机细分驱动的实现
    文中设计的太阳能自动跟踪系统的步进电机细分驱动采用THB6064H来实现，采用两相混合式步进电机，其整步步距角是1．8°／步，半步是0．9°／步。THB6064H是一个PWM斩波式正弦波微步步进电机驱动器。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路。其主要参数和性能指标如下：
    (1)单芯片两相正弦细分步进电机驱动。
    (2)采用高耐压BiCD工艺。
    (3)可实现正反转控制。
    (4)可选择细分控制(1／2，1／8，1／10，1／16，1／20，1／32，1／40，1／64)。
    (5)高输出耐压。
    (6)高输出电流。
    (7)有输出监视管脚。
    (8)芯片内部有过热保护和过流检测电路。

    单片机与步进电机细分驱动连接电路如图6。单片机P0．2端发出高电平信号经过光电隔离芯片TLP521，使能端EN变为高电平，芯片开始工作；CW／CWW端为步进电机正反转控制端，用高低电平控制；CLK端为脉冲输入端。拨码开关确定细分数后，步进电机细分后的步距角也随之确定，需要步进电机转多大角度，只需转换为脉冲数后通过P0．1向CLK端发送脉冲即可，为了避免步进电机过冲，而且在太阳能自动跟踪系统中使用，也不必过快旋转，所以脉冲频率不能太高。用THB6064H芯片设计的步进电机细分驱动电路的外围电路简单，可靠性高，并且与单片机的连线只有三根。

3 步进电机驱动方法对太阳能自动跟踪精度影响的研究
    在太阳能自动跟踪系统中，每一个模块对跟踪精度都有影响，本文重点研究步进电机驱动方法对跟踪精度的影响，必须使其他因素理想化，排除它们对跟踪系统精度的影响，采用仿真进行研究。
    以南宁市夏至日高度角跟踪为例，日出时间为当地真太阳时5时14分，日落时间为当地真太阳时18时46分。
3．1 自动跟踪未采用细分驱动
    对南宁市夏至日高度角数据进行研究后发现，间隔时间为4．5分钟时，太阳高度角的变化大约为0．9°，所以在不采用细分驱动时太阳能电池板在高度角上的调整至少需要间隔4．5分钟。
    间隔4．5分钟，无细分高度角跟踪图如图7所示。图中的阶梯波形曲线为高度角跟踪曲线，另一条曲线为实际的南宁市夏至日高度角曲线。不对光电传感器部分进行仿真。

    在阶梯波中，电池板转动小角度所需要的时间相对于数分钟的等待时间来说是非常短暂的，所以忽略电池板转动所需要的时间。系统的跟踪过程为：每隔4．5分钟计算出高度角差值，除以半步步距角0．9°，得到所需脉冲数，由于脉冲只能是整数，所以对所得数据进行四舍五入处理，将得到的脉冲数发送使步进电机带动电池板转动。
    跟踪的最大误差是9．14°，平均误差是3．96°。通过实验发现，步进电机在没有采用细分驱动时震动和噪声比较大，每一个脉冲的旋转角度误差是比较大的，由于仿真中是假定此时一个脉冲使步进电机旋转0．9°，所以实际的要比理想化的跟踪误差要偏大。
    不考虑反馈，出现累积误差，配上传感器电路作为反馈修正，可消除部分累积误差，但是步进电机的最小旋转角度是0．9°，对于诸如1．3°，2．4°这样的离0．9°的整数倍较远的角度偏差改良效果不佳，所以用光电传感器电路进行反馈时对跟踪精度的改良效果也十分有限。
    此时电池板的等待间隔时间至少是4．5分钟，在这段时间内电池板的角度是不变的，但是太阳高度角是一直在变化的，所以等待时间越长，则电池板采集太阳能的效率就会越低。
3．2 自动跟踪采用细分驱动
    间隔1．5分钟，采用32细分高度角跟踪图如图8所示，其跟踪过程与图7类似。采用32细分驱动，0．0563°／步，间隔时间缩短，跟踪的最大误差是1．25°，平均误差是0．9°。由图8可知，跟踪误差比不采用细分驱动时明显减小，精度提高，细分驱动后步进电机运行稳定，每个步进精度接近于0．0563°，采用传感器电路进行反馈补偿后可进一步提高跟踪精度，此时的补偿效果优于一般驱动。
    间隔1．5分钟，64细分高度角跟踪图如图9所示，其跟踪过程与图7类似。跟踪的最大误差是0．4°，平均误差是0．16°。64细分驱动后精度比32细分进一步提高，并且64细分驱动时还可进一步缩短间隔时间。对于一般的实际应用来说，64细分，间隔1．5分钟，再配以光电传感电路进行角度反馈补偿是完全能满足太阳能自动跟系统的精度要求。

    基于缩短等待间隔时间，传感器对小角度补偿时误差减小和步进电机运行稳定三方面来考虑，太阳能自动跟踪系统中步进电机驱动应采用细分驱动，这样可以大幅提高跟踪精度，充分利用太阳能资源。

4 结束语
    文中设计以单片机为核心的太阳能自动跟踪系统，系统为双轴跟踪，能自动检测昼夜和判断天气状况。自动跟系统采用预先计算好的太阳位置进行自动跟踪，晴天时光电传感器对可能出现的误差进行修正，减小跟踪误差。深入地分析比较系统中步进电机驱动采用一般驱动与细分驱动对跟踪精度的影响，得出结论，与采用一般驱动方法的系统相比，采用步进电机细分驱动的太阳能自动跟踪系统跟踪精度高，有效地提高太阳能利用率。