基于STM32的太陽模擬器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張嘉鈺，竇建秦，牛虎利，常 笑（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

基于STM32的太陽模擬器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張嘉鈺，竇建秦，?；⒗?笑
（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

聚焦型太陽模擬器應(yīng)用于光熱發(fā)電相關(guān)試驗(yàn)，主要由風(fēng)冷系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。為了消除系統(tǒng)的人工安裝誤差、減小光斑調(diào)整誤差，設(shè)計(jì)了基于STM32處理單元，結(jié)合PID算法，采用RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，以液晶觸摸屏為輸入輸出單元的太陽模擬器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括氙燈光強(qiáng)度控制、氙燈陰極溫度控制、氙燈單元俯仰、平移控制等模塊。通過對控制系統(tǒng)的搭建，實(shí)現(xiàn)了光斑面積與焦平面的位置調(diào)整，以及氙燈陰極溫度的檢測與控制，有效解決了多光源系統(tǒng)焦點(diǎn)光斑匯聚重合的問題。

自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用；STM32；太陽模擬器；溫度控制；光斑聚焦

太陽模擬器分為準(zhǔn)直型太陽模擬器和聚焦型太陽模擬器。前者的特征是在較大的輻照面積內(nèi)提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準(zhǔn)直穩(wěn)定的太陽光輻照，主要用來測試太陽電池光伏特性和收集太陽光能；后者的特征是在小輻照面積內(nèi)獲取極高的輻射通量，主要應(yīng)用于測試光熱轉(zhuǎn)換部件和材料的高熱特性和熱化學(xué)特性[1－3]。目前國內(nèi)外太陽模擬器的設(shè)計(jì)主要集中在如何增大輻照度方面，而對模擬器的各個(gè)系統(tǒng)一體化研究較少。大多數(shù)太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)直接固定到支架上，無法進(jìn)行精確位置調(diào)整[4－6]。本文中聚焦型太陽模擬器、7組燈單元組成空間球面分布（見圖1），通過對其進(jìn)行機(jī)械驅(qū)動(dòng)模塊和風(fēng)冷模塊的精密調(diào)節(jié)，使光斑匯聚重合形成高強(qiáng)度輻照光斑。太陽模擬器控制系統(tǒng)通過氙燈單元的俯仰和平移調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)匯聚光斑的調(diào)整；通過氙燈陰極溫度的檢測，進(jìn)行冷卻風(fēng)量的精確調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)氙燈陰極溫度的精確控制。

圖1　太陽模擬器Fig.1 Solar simulator

1　控制系統(tǒng)簡介

太陽模擬器控制系統(tǒng)是以STM32F103VCT6單片機(jī)為處理單元建立的應(yīng)用系統(tǒng)[7]，包括液晶觸摸屏、氙燈陰極溫度傳感器、風(fēng)機(jī)變頻器FRN1.5G1S－4C、YK86型步進(jìn)電機(jī)、線性模組行程傳感器等，控制系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。單片機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成前端實(shí)時(shí)控制，利用FPGA進(jìn)行串口擴(kuò)展[8]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用編碼器實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前角度與平移位置信息，同時(shí)對平移距離進(jìn)行反饋；氙燈溫度自動(dòng)調(diào)整模塊利用氙燈陰極溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，經(jīng)處理單元運(yùn)算后控制風(fēng)機(jī)變頻器對風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到對氙燈溫度的閉環(huán)控制；使用RS485通信標(biāo)準(zhǔn)避免了各系統(tǒng)間的電磁干擾。

STM32系列單片機(jī)是基于嵌入式ARM Cortex－M3內(nèi)核的32位微處理器，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（包括256KB的Flash和48 KB的SRAM），含有多達(dá)112個(gè)快速I／O端口，3 個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，還包含先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C，3 個(gè)SPI，2個(gè)I2S，1個(gè)SDIO，3個(gè)USART，1個(gè)USB 和1個(gè)CAN。

本文中太陽模擬器要求氙燈溫度≤180℃，工作環(huán)境溫度≤50℃。因此氙燈陰極溫度傳感器采用非接觸式紅外探頭傳感器MIK－AL－10，測溫范圍0～300℃，工作環(huán)境溫度0～60℃，測量精度1℃；變頻器FRN配有RS485通信接口，使用自動(dòng)滑差補(bǔ)償功能，提高速度控制精度，縮短整定時(shí)間；步進(jìn)電機(jī)型號為YK86HB80－04A，步距角1.8°，步距精度5%，額定電流4.2A。

圖2　控制系統(tǒng)功能框圖Fig.2 Control system functional block diagram

2　控制系統(tǒng)工作流程

為把7組燈的光斑匯聚到一點(diǎn)，首先將中間燈的光斑中心坐標(biāo)（x0，y0）設(shè)為光斑匯聚點(diǎn)。以外圍燈為例（見圖3）：把各個(gè)機(jī)械部件調(diào)整至初始位置，即旋轉(zhuǎn)為0°，俯仰為0°，平移為0mm?？梢杂?jì)算出初始光斑中心位置（x1，y1），確定它與中心距離L。已知聚光罩焦距為2 050mm，即發(fā)光點(diǎn)到（x0，y0）點(diǎn)距離，理論上光斑垂直入射（x1，y1）點(diǎn)，可以計(jì)算出俯仰角θ＝arcsin（L／2 050），俯仰角調(diào)整完以后利用輻照度測量系統(tǒng)對單燈光斑數(shù)據(jù)采集，電機(jī)驅(qū)動(dòng)三維調(diào)整部件將光斑輻照度最高點(diǎn)微調(diào)至（x0，y0）點(diǎn)，依次類推，直至7組燈光斑中心重合。

圖3　光斑匯聚調(diào)整示意圖Fig.3 Spot convergence adjustment schematic

控制系統(tǒng)功能主要由兩部分組成：一是根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果對俯仰和平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整；二是氙燈溫度傳感器信號反饋到單片機(jī)，對風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行調(diào)整來改變風(fēng)量，流程圖如圖4所示。以單片機(jī)STM32做主控制器，接收經(jīng)串口RS485傳輸?shù)囊壕э@示屏輸入的控制指令和運(yùn)行角度參數(shù)，分別驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)YK86進(jìn)行俯仰和平移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)精確運(yùn)動(dòng)；以FPGA作為輔助處理器擴(kuò)展口，讀取俯仰和平移方向上編碼器實(shí)時(shí)反饋的角度和位移信息，經(jīng)過串口RS485在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示；氙燈陰極處的溫度傳感器將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)，與液晶顯示屏輸入的設(shè)定溫度范圍進(jìn)行PID比較運(yùn)算，控制信號經(jīng)串口RS485傳遞給風(fēng)機(jī)變頻器從而調(diào)整冷卻風(fēng)量。

3　控制系統(tǒng)算法

風(fēng)量控制采用數(shù)字PID增量算法[9－10]，離散的PID表達(dá)式為

圖4　控制系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of the control system

式中：KP為控制器的比例放大系數(shù)為積分系數(shù)為微分系數(shù)，T為采樣周期；k為采樣序號，k＝1，2，…，n；u（k）為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e（k）為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e（k－1）為第（k－1）次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。

該系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，是指數(shù)字控制器輸出只是控制量的增量，該算法編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲(chǔ)空間少，運(yùn)算快。根據(jù)遞推原理可得：用式（1）減去式（2），可得增量式PID控制算法：

參數(shù)整定具體步驟如下。

1）先設(shè)控制器積分時(shí)間TI＝∞，微分時(shí)間TD＝0。將系統(tǒng)投入運(yùn)行，整定比例度KP，如果曲線振蕩頻繁，則加大比例度KP；如果曲線超調(diào)大，且趨于非周期過程，則減小比例度KP。

2）引入積分作用，將由大到小進(jìn)行整定。如果曲線波動(dòng)較大，則應(yīng)該增大積分時(shí)間TI，如果曲線偏離設(shè)定值后長時(shí)間回不來，則需要減小TI，以求得較好的過渡過程曲線。

3）引入微分作用，將TD＝（1／4～1／3）TI設(shè)置，并且由小到大進(jìn)行調(diào)整。如果曲線超調(diào)大而衰減慢，則增大TD；如果曲線振蕩厲害，則需要減小TD。觀察曲線，再適當(dāng)調(diào)節(jié)KP和TI，反復(fù)調(diào)試直到求得滿意的實(shí)際控制曲線為止。

本文根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)計(jì)算出最大超調(diào)量為10℃，由試驗(yàn)參數(shù)確定當(dāng)氙燈溫度e＜100℃時(shí)，風(fēng)量固定不變；當(dāng)氙燈溫度100℃≤e≤170℃時(shí)，采用PID控制；當(dāng)e＞170℃時(shí)斷開電源。

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，對于那些有較大滯后的系統(tǒng)來說采樣周期是一個(gè)比較重要的因素，一般都要讓滯后時(shí)間等于采樣周期的整數(shù)倍。本系統(tǒng)滯后時(shí)間T0為10s，因此系統(tǒng)的采樣周期T就可以定為2s，即T0是T的5倍。相對于溫度這樣的慢速變化的量而言這種逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)過程基本無異。

4　主要控制模塊組成

4.1溫控模塊設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中氙燈陰極溫度采集電路見圖5。CON端連接氙燈陰極溫度傳感器，經(jīng)傳感器熱電轉(zhuǎn)換將溫度信號轉(zhuǎn)成4～20mA電流信號，經(jīng)過電路濾波后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，傳入單片機(jī)。

圖5　溫度采集電路Fig.5 Temperature acquisition circuit

單片機(jī)通過RS485通信調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器共計(jì)7路，如圖6所示：TXD和RXD分別連接單片機(jī)的RXD和TXD的串口引腳，DIR485引腳控制讀寫數(shù)據(jù)，光電耦合器作為輸入和輸出信號隔離，準(zhǔn)確保留數(shù)據(jù)信號，避免了電磁干擾對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的影響，輸出脈沖信號至高電平，光電耦合器TLP781GR接通，然后經(jīng)過SP483芯片使得TTL串行總線標(biāo)準(zhǔn)被轉(zhuǎn)換成485串行總線標(biāo)準(zhǔn)，而且485的比較輸出形式可以實(shí)現(xiàn)RS485的遠(yuǎn)距離通信[11－16]。

圖6　RS485通信模塊Fig.6 RS485communication module

4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

在液晶觸摸屏上輸入燈單元空間位置參數(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊按照設(shè)定值控制7組燈進(jìn)行俯仰角的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光斑匯聚完成后，在觸摸屏上可以調(diào)整7組線性模組平移進(jìn)行匯聚光斑大小的調(diào)整，其電機(jī)控制部分原理圖如圖7所示，首先單片機(jī)輸出脈沖信號SELx選定電機(jī)，接著輸出脈沖信號至高電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)線型模組與燈室組件開始移動(dòng)，直至達(dá)到預(yù)定位置；若讓組合體返回初始位置，則單片機(jī)輸出脈沖信號至低電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)，組合體到初始位置停止。

為了電路的輸入處于完全隔離的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輸入輸出部分的電器隔離，提高其抗干擾能力和穩(wěn)定性，A／D輸出電路與單片機(jī)數(shù)字電路采用HCPL2531光耦隔離設(shè)計(jì)，這種信息傳遞方式的信號傳輸速度快，在對信號的傳輸有速度要求的設(shè)計(jì)中很常用。

圖7　電機(jī)控制電路圖Fig.7 Motor control circuit diagram

5　工作臺(tái)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

太陽模擬器在工作狀態(tài)下具有非常高的溫度，氙燈極高的亮度對人眼有傷害，為保護(hù)人身安全要求在工作狀態(tài)下不得有人靠近，一切操作均須在工作臺(tái)遠(yuǎn)程控制完成。工作臺(tái)的設(shè)計(jì)還方便操作人員隨時(shí)檢測系統(tǒng)的工作狀況。

如圖8所示，操作臺(tái)整體分為3個(gè)部分。

圖8　操作臺(tái)正面圖示Fig.8 Front view of the station

1）燈室監(jiān)控部分。在燈室安裝4個(gè)攝像頭，對光學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)人工監(jiān)控，若有問題可隨時(shí)關(guān)閉電源。

2）手動(dòng)按鈕操作部分。這部分主要包括流量、風(fēng)溫、風(fēng)壓顯示及其調(diào)控部件，氙燈工作狀態(tài)指示燈，氙燈功率調(diào)節(jié)器，氙燈開關(guān)，氙燈觸發(fā)按鈕等。

3）觸摸屏及鍵盤部分。用戶可以通過觸摸屏查看各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，直接操作或者通過鍵盤功能按鈕都可進(jìn)行操作。

6　結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種以STM32F103VCT6單片機(jī)為核心，結(jié)合PID增量式算法，采用RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，以液晶觸摸屏為輔助單元的太陽模擬器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以傳感器進(jìn)行反饋，可以滿足光斑高精度匯聚的要求，克服了原來由人工檢查調(diào)控帶來的各種問題，有效解決了模擬器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置和氙燈溫度的精確控制問題。

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Design of solar simulator control system based on STM32

ZHANG Jiayu，DOU Jianqin，NIU Huli，CHANG Xiao
（School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Focus－type solar simulator，which is applied to solar thermal power generation－related test，mainly consists of aircooled system，optical system，mechanical system and control system.In order to eliminate manual installation error of the system and reduce the spot adjustment error，a solar simulator control system is designed based on STM32processing unit combining with PID algorithm，adopting RS485communication standard and using LCD touch screen for input and output units.The system includes modules of xenon light intensity control，xenon lamp cathode temperature control，xenon lamp unit＇s tilting and translation control.Through construction of the control system，the spot size and focal plane position adjustment，and the xenon lamp cathode temperature measurement and control are achieved，which provides a effective solution to the focus spot overlap problem of converged multi－source systems.

application of automatics；STM32；solar simulator；temperature control；spot focus

1008－1534（2016）01－0052－06

TP27；TH86

A

10.7535／hbgykj.2016yx01010

2015－06－02；

2015－07－15；責(zé)任編輯：陳書欣

河北省教育廳青年基金（Q2012073）

張嘉鈺（1966—），男，天津人，教授，主要從事機(jī)電一體化、CAD／CAM方面的研究。

E－mail：zhangjyv＠163.com

張嘉鈺，竇建秦，?；⒗?基于STM32的太陽模擬器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技，2016，33（1）：52－57.

ZHANG Jiayu，DOU Jianqin，NIU Huli，et al.Design of solar simulator control system besed on STM32[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（1）：52－57.