旭川／，Ｌｉ衙１ｔ ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９０．ｉｓｓｎ．１５６３－４７９５．２０１１．１２．００３ 基于步进电机细分驱动的太阳能 自动跟踪系统的设计 高 磊．，谢玲玲，卓浩泽，舒鹏飞 （广西大学电气工程学院，广西 南宁５３０００４） 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 需要尽可能的保持太阳光垂直照射到太阳能电池 题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨 板上。从高度角方位角两个物理量是可以描述太 大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富 阳的这种位置变化的嘲。太阳能电池板对高度角和 的国家，充分利用太阳能资源．有着深远的能源 方位角的跟踪就能保证阳光垂直照射电池板，但 战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池 是在一般情况下还需要光电传感器反馈来对跟踪 板采集太阳能的效率。太阳能电池板接受太阳光 的误差进行修正．以提高自动跟踪的精度。 的直射，由此得到太阳最大光照强度，从而最大 太阳高度角 限度的采集太阳能，目前太阳能电池板普遍采用 ｓｉｎ ＝ｓｉｎ ｓｉｎ ＋ｃｏｓ咖ｃ０ｓ６ｃｏｓ 半自动单轴跟踪方式【。１１２１１３１和电池板固定朝南安装的 太阳方位角 方式［４１。这些方法存：ｉ生的缺点是：转换效率较低、 ｓｉｎｙ＝—ｃｏｓ￣ｓｉｎｔｏ —跟踪适应能力弱、跟踪精度低。本文根据太阳运 ＣｏＳ 行规律，结合光电传感器设计太阳能自动跟跟系 式中： 是当地纬度， 是太阳赤纬角，ｔｏ是太 统。设计硬件和软件控制流程．深人地分析比较 阳时角太阳赤纬： 步进电机一般驱动和细分驱动对太阳能自动跟踪 ６＝２３．４５ ｎ（４５ｓｉ ） （３） 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。 式中：ｎ是积日，一月一日为１，一月二日为 ２．……太阳时角 １太阳能自动跟踪系统的设计 ｏ￣＝１５（１２一ｔ） （４） 式中：￡是一天当中的时刻。 １．１太阳运行规律 由式（１）一（４）可计算出太阳高度角和方位 为了提高太阳能电池板对光能的采集效率． 角，以此进行两个角度的双轴跟踪，来实现太阳 收稿日期：２０１１－０５—１１ 能自动跟踪。 。 ）避ｍ八 １．２系统总体设计 』 －北 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 图２南 四象限探测器示意图 阳运动的两个偏移量由式（５）同算出，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 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 角方向１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 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 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 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。ｆ２１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 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［７１，经试验后知需要放 系统的控制核心采用的单片机是ＡＴ８９Ｓ５１：时钟 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 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—１ １Ｇ２。 光电检测部分： （１）四象限探测器具有低暗 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路模拟输人信号中的一个进行Ａ／Ｄ转 换，是目前国内应用最广泛的８位通用Ａ／Ｄ芯片。 △ ＝—Ｕａ＋／ｄ，ｄ－—Ｕｂ－Ｕｃ Ｕａ＋Ｕｂ＋ＩＺｃ＋／／＇ｄ 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ＱＰ２Ｏ一６ＴＯ８Ｓ。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ｉ 、ｉ 、ｉ。、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 驱动部分 图３光电探测电路图 嘉舅茬筹 曾蕾臂 Ｈｉ ｒ光电隔离卜———————１ ｒ＿－叫驱动电路卜————— —＿１ ｒ＿＿叫步进电机Ｈ ———————］● 方位角Ｉ 落数据 ．．．．．．．．．．．．．．．．＿＿Ｊ 单片机 日出初始校验 软件滤波 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．． 太阳能电池板 Ａ／Ｄ转换电路Ｈ信号处理电路Ｈ四象限探测器 ： ……………光电检测部分 翌 ……………ｊ 图１ 系统总体结构框图 旭川儿 什 Ａｙ —Ｕａ－ｂＵｂ－－—Ｕｃ－Ｕｄ ｆ６１ Ｕａ＇－ｂＵｂ＇４－／￣ｅ￣－ｂＵｄ 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，： 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Ｆｔ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ｆ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。 Ｎ ＼／ ≤＞ ＼ ＮＹ 晴天 二一＝： ，－一 刚日出时进行初始位置校验 时钟跟踪 调整太阳高度角方位： 调整太阳高度角方位角 传感器反馈补偿 等待３分钟 图４软件流程图 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［８１，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 ｉａ＝ｉ ｓｉｎ（ ｎ ｓ） ｉｂ＝ｉ．ｃ。ｓ（ ｓ） 式中： 是Ａ相电流， ｂ是Ｂ相电流， 是额定电 流， 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ｉ ＝Ｏ，Ｂ相通额定 电流ｉｎ；第一步时，Ａ相电流 ＝ｉｎＳｉｎ（２２．５。）＝ ０．３８ｉ ，Ｂ相电流ｉｂ＝ ＣＯＳ（２２．５。）：Ｏ．９２ｉ ；第二步时， ａ＝０．７１ｉ ，ｉｂ＝０．７１ｉ ，…… 步数 图５ 两相混合式步进电机４细分电流状态图 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 ｍ Ｉ王｜，＿Ｉ Ｉ，ａ龟ＩＴ。 细分驱动采用ＴＨＢ６０６４Ｈ来实现，采用两相混合式 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 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、 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 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。 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 １，●●ｎ¨ ● 围电路简单．可靠性高，并且与单片机的连线只 有三根。 ｆ３）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）。 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 （５）高输出耐压。 ｆ６高输出电流。６） （７１有输出监视管脚。 踪精度都有影响。本文重点研究步进电机驱动方 ７一，一 一 一 一 一 （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。 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 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 拨码开关 ４ — 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。 ５ — ６ ＶＣＣ １０ 昌 莲一 ＯＵＴ ２Ａ 单片机 Ｍ。７ ８ 璺 墨霎 Ａ 步进电机 Ｍ２ Ｍ３ ＩＩ ｌＰ２ １ Ｉ Ｐ２．ｌＩ２ ．．．．．．．９ ｌＯ ｌｌ ＣＷ／ＣＷＷ ＣＬＫ 一 １２ ＥＮ ＲＥＳＥＴ ＡＬＥＲＴ ２５ ５ ●一 。 ０ＵＴ ｌＢ ０ＵＴ ２Ｂ ０ Ｚ ＡＴ８９Ｓ５ｌ 一一 ＶＣＣ ＤＯＷＮ ４ ＶＲＥＦ ＦＴＤ ５ ∞ Ｕ ！！墓金金ＮＦＢ 口 Ｏ．２７ ０ 星 ４７０ ４７ｏｐ： ５ｋ 图６ 单片机与步进电机细分驱动连接电路图 通用元器件 》≯ 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人处理，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。，２．４ｏ 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 ｔｉｍｅ／ｈ 图７ 间隔４．５分钟．无细分高度角跟踪图 ｔｉｍｅｈａ 图８ 间隔１．５分钟。３２细分高度角跟踪图 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１：Ｌ３２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 ，毫望九１ 订 ＩＴ 新能源及工艺２００３．３：１８—２ｌ Ｍ】．北京：北京人民教育出版社，１９９８ ［２ 李申生，太阳能【２］ＪＩ．上海大中型电机， 【３】 言惠，太阳能一２ｌ世纪的能源【２００４，４：１－９ 王一平，韩立君．聚光光伏系统的技术进展［Ｊ】，太 ［４】 田玮，阳能学报，２００５．２６：５９７—６０４． 伍春生，刘四洋，彭燕昌等．基于ＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａ自动太阳 的设计［Ｊ】．现代电子技术２００７，２０：１４７—１５３ 马玲，沈小丰，叶巍．一种新型光电定向系统的实现【ＪＪ． 电子工程师，２００６，５：３—４ 许守平，李斌，马胜红．槽式太阳能热发电跟踪控制系 统的研究［Ｊ］．计算机测量与，２００８，１６：１６３５—１６３７ 图９ 间隔１．５分钟，６４细分高度角跟踪图 惠晶，肖荣．一种实用的步进电机细分驱动控制【Ｊ】微电 机．２００９．４２：８７—８９． 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 作者简介 高磊（１９８５－），男 硕士，从事自动化研究。 ，跟踪系统跟踪精度高，有效地提高太阳能利用率。 参考文献 谢玲玲（１９８０一）， 女，博士，从事ＤＣ—ＤＣ开关变换器的 建模与控制研究。 卓浩泽（１９８６一）， 男，硕士，从事智能化检测与控制技 术研究。 【１】 陈维，李戬洪．太阳能利用中的跟着控制方式的研究【Ｊ】． （上接第ｌ０页） 图５传感器磁场计算结果后处理图 强了可靠性。尤其针对光伏逆变器的较为特殊的 应用环境，设计出的高质量测量传感器的应用不 ５７－６１ 【３］ ＦＬＵＸ１０ ２Ｄ＆３Ｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｒｉｓｅｒ’ｓ ｇｕｉｄｅ ｖｏｌｕｍｅ ４［Ｍ】． Ｆｒａｎｃｅ．ＣＥＤＲＡＴ ２００７．３—２０ 仅提高了光伏电器设备的可靠性，而且对整个新 能源应用领域都有着非常重要的意义。 参考文献 ｓｏｎ，Ｐ．Ｒ．；Ｒｏｓｓ，Ｊ．Ｎ．；Ｂｒｏｗｎ，Ａ．Ｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ 【４］ Ｗｉｌｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｉｒｃｕｉｔｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ． ［Ｊ］Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｖｏｌｕｍｅ １７，Ｉｓｓｕｅ １，Ｊａｎ ２００２ ５５ ６５ Ｍ．Ｉｌｙｕｋｏｖｉｃｈ．Ｈａｌｌ Ｓ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ 【１］ Ａ．ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，［Ｊ］Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈ ｎｉｑｕｅｓ， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，２００５—１ ６２３—６２６ 作者简介 Ｂｈａｇ Ｓｉｎｇｕ Ｇｕｒｕ，Ｈｕｓｅｙｉｎ Ｒ．Ｈｉｚｉｒｏｇｌｕ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ 闰四玉（１９７５一），男，硕士研究生学历。主要研究领域 工业控制与仿真．已发表论文５篇。 ｆｉｅｌｄ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ【Ｍ】．Ｃｈｉｎａ Ｍａｃｈｉｎｅ ｐｒｅｓｓ．Ｊａｎ ２００５
