基于DSP的衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

聞嘉程，王　斐

(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

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基于DSP的衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

聞嘉程，王斐

(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

衛(wèi)星太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，是衛(wèi)星能源供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分。為了實(shí)現(xiàn)能源利用率的最大化，設(shè)計(jì)了基于DSP的太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)。通過控制太陽能電池板姿態(tài)，太陽能電池板可以完成太陽光的最有效采集，提高太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率。首先，依據(jù)太陽能電池板輸出短路電流與太陽光照強(qiáng)度成正比這一原理，測量出太陽光相對(duì)于太陽能電池板的入射角；然后，利用DSP處理并生成電機(jī)控制信號(hào)；最后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度，完成姿態(tài)控制，從而使電池板達(dá)到最大采光率。測試結(jié)果表明，控制系統(tǒng)顯著提高了太陽能電池板的采光率，性能穩(wěn)定，為衛(wèi)星能源利用率最大化提供了可靠保障。

太陽能電池板；太陽光線入射角；姿態(tài)控制；步進(jìn)電機(jī)；DSP

太陽能電池板是衛(wèi)星的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，也是衛(wèi)星在軌飛行時(shí)唯一主動(dòng)提供能源的子系統(tǒng)。電池板像發(fā)電機(jī)一樣，把光能轉(zhuǎn)換成電能，源源不斷地輸送給飛船中的其他系統(tǒng)。因此，太陽能電池板光電轉(zhuǎn)化效率的高低和姿態(tài)控制是否合理，將直接影響衛(wèi)星整體的工作狀態(tài)與能源的利用率，所以，衛(wèi)星太陽能電池板系統(tǒng)對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)具有重要作用，在衛(wèi)星能源利用的研究中，對(duì)衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)的控制就顯得尤為必要。

目前使用最為廣泛的太陽能電池板控制系統(tǒng)為太陽光跟蹤系統(tǒng)，而跟蹤太陽的方法主要有熱敏電阻溫度比較法和光敏電阻光強(qiáng)比較法[1]。熱敏電阻溫度比較法通過安裝在太陽能電池板上的溫度傳感器測量出太陽能電池板上溫度的高低從而判斷太陽具體的偏差位置，如果溫度高說明太陽在這個(gè)方向，則控制電機(jī)向該方向轉(zhuǎn)動(dòng)，反之則相反。該系統(tǒng)設(shè)置簡單，但是穩(wěn)定性差，跟蹤精度低，響應(yīng)速度慢。光敏電阻光強(qiáng)比較法則是利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，在電池板上布置一定數(shù)量的光敏元件來測量在不同位置時(shí)光敏電阻的阻值變化情況，當(dāng)阻值變小，說明所受光照強(qiáng)，則控制電機(jī)向該方向轉(zhuǎn)動(dòng)；阻值變大時(shí)，說明所受光照弱，則控制電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。但是光敏電阻在光照條件復(fù)雜和溫度變化大的環(huán)境下受影響較大。

通過上面的比較可以發(fā)現(xiàn)，上述兩種方法對(duì)環(huán)境的要求較高，而衛(wèi)星所處的工作環(huán)境較惡劣，因此這兩種方法都不太適合于衛(wèi)星系統(tǒng)。通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)太陽能電池板的輸出短路電流與光照強(qiáng)度具有正比關(guān)系，因此，可以通過太陽能電池板的輸出短路電流來計(jì)算太陽光相對(duì)于電池板的入射角度。當(dāng)輸出短路電流發(fā)生變化時(shí)，可以間接測量出光線的角度變化情況，進(jìn)而通過控制系統(tǒng)生成控制信號(hào)，控制電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，使光線相對(duì)于電池板達(dá)到最大光照率。這種控制系統(tǒng)精確度較高，且電路也比較容易實(shí)現(xiàn)。

因此，本文根據(jù)太陽能電池板對(duì)太陽光最大采集率的要求，給出基于TMS320F28335的太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。該系統(tǒng)能根據(jù)太陽能電池板的輸出短路電流與光照強(qiáng)度成正比關(guān)系，實(shí)時(shí)完成輸入信號(hào)的采集、處理、數(shù)據(jù)后處理和生成控制信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)檢測出太陽能電池板的輸出短路電流，生成控制信號(hào)調(diào)節(jié)太陽能電池板姿態(tài)，從而大大提高采光率。

1　系統(tǒng)工作原理

基于上述原理的分析，選擇控制精度高和電路易于實(shí)現(xiàn)的輸出短路電流法作為最終方案，其實(shí)現(xiàn)電路的原理框圖如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)原理框圖

控制系統(tǒng)主要由電流采集模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及相應(yīng)控制軟件組成。

對(duì)衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制時(shí)，系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)太陽光輸出短路電流的測量。而對(duì)于普遍的太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的光敏電阻光強(qiáng)比較法，主要是通過在電池板東西方向邊沿處的下方分別放置兩個(gè)完全相同的光敏電阻，當(dāng)兩光敏電阻的阻值相同時(shí)，則說明光線直射在電池板上，此時(shí)電機(jī)也就不轉(zhuǎn)動(dòng)。若兩光敏電阻阻值不同，則太陽光與電池板在垂直方向上有一定的夾角，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)向光敏電阻阻值減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻阻值再次相等。

然而，對(duì)于衛(wèi)星上的太陽能電池板，由于衛(wèi)星始終在不停地圍繞地球運(yùn)動(dòng)，因此，太陽能電池板無法始終與太陽光線垂直。所以我們利用光照強(qiáng)度與太陽能電池板輸出短路電流成正比的關(guān)系，采集衛(wèi)星在各個(gè)位置時(shí)太陽能電池板的輸出短路電流，然后將采集到的信號(hào)送入主控系統(tǒng)中，進(jìn)行進(jìn)一步的處理和比較，繼而生成控制信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，從而使得太陽能電池板的吸光率達(dá)到最大值。

2　系統(tǒng)控制條件

衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制的目的，主要是為了提高電池板對(duì)光線的采集率。但是在太空中的太陽能電池板與地面的電池板存在著很大的差別，太空中太陽能電池板無法始終跟蹤太陽光，即電池板與入射光的夾角無法永久的保持垂直。因此，要使衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)工作需要達(dá)到一定的條件[2]。

當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行至地球背光面時(shí)，太陽能電池板將得不到太陽光照，則此時(shí)無需調(diào)節(jié)太陽能電池板的姿態(tài)，控制系統(tǒng)停止工作，否則將會(huì)浪費(fèi)能源。

太陽能電池板得不到光照的條件有：

第一，衛(wèi)星進(jìn)入地球背光面時(shí)，如圖2所示，衛(wèi)星位置矢量P與太陽光線入射方向單位矢量L的夾角取值為0°≤α≤90°時(shí)處在地球背光面，所以要使系統(tǒng)停止工作需滿足的第一個(gè)條件為0°≤α≤90°；

第二，當(dāng)衛(wèi)星穿越白晝黑夜交界面，由白晝進(jìn)入黑夜時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)太陽能電池板仍然能夠接收到一部分陽光，所以需滿足的第二個(gè)條件是，衛(wèi)星位置矢量P在地球白晝黑夜分界面上的投影長度|OD|≤R，R為地球半徑，|OD|=|P|sin(α)。

圖2　太陽光線照射衛(wèi)星示意圖

3　系統(tǒng)硬件設(shè)置

系統(tǒng)硬件主要包括信號(hào)采集系統(tǒng)、信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

采集系統(tǒng)主要是運(yùn)用模擬量的檢測方式，通過測量在不同位置時(shí)太陽能電池的輸出短路電流來計(jì)算太陽光入射角度。太陽能電池板的短路電流與光照強(qiáng)度成正比，當(dāng)太陽光線與太陽能電池板所在平面的夾角較小時(shí)，太陽能電池板的短路電流也將會(huì)減小，其變化關(guān)系如圖3所示。

圖3　短路電流與太陽光線入射角關(guān)系

在圖中，S為太陽能電池平面的面積，L為太陽能電池平面的法線，L與太陽光線的夾角為θ，則S與S′的關(guān)系有：

S′=Scosθ.

(1)

通過分析可知，太陽能電池板實(shí)際接收光線的面積只相當(dāng)于S在太陽光方向的投影面積。因此，只有將太陽能電池板正對(duì)太陽光線才能獲得最大能量，即太陽能電池板接收光線的面積與太陽光線入射角β具有反比關(guān)系。當(dāng)太陽光線與電池板垂直時(shí)，太陽能電池板接收光線的面積將達(dá)到最大[3]。

所以，根據(jù)太陽能電池的短路電流與光照強(qiáng)度的線性關(guān)系，利用疊加原理，可知太陽電池的短路電流iSC的關(guān)系為：

iSC=I0+Imcosθ.

(2)

則短路電流與太陽光入射角的關(guān)系為：

iSC=I0+Imsinβ.

(3)

式中，I0為反射光對(duì)應(yīng)的短路電流，短時(shí)間內(nèi)該值為常數(shù)；Im是θ為0時(shí)的入射光對(duì)應(yīng)的短路電流。

因此，可以通過測量出太陽能電池板短路電流的大小來間接測量太陽光的入射角。

信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)由前級(jí)運(yùn)放、濾波電路、放大電路及ADC電路組成[4]。信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)主要是對(duì)來自采集系統(tǒng)中采集到的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，將有用信號(hào)提取處理，調(diào)理成滿足AD轉(zhuǎn)換電路中所要求的信號(hào)，最終送入主控制中心進(jìn)行對(duì)比處理。

主控制系統(tǒng)主要以TMS320F28335作為控制芯，通過使用芯片內(nèi)部的資源來完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的綜合管理和控制功能。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由DAC電路與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成[5]。DAC電路使用的是TMS320F28335自身所帶的12位DAC，將處理后的信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)電路中；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用的ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片，它可以提供高達(dá)500 mA的輸出電流，5 V供電，可以提供7對(duì)輸入/輸出通道，能滿足同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來控制兩片太陽能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)的軟件采用TI公司的CCSV6.1設(shè)計(jì)開發(fā)。該軟件以ANSI C為核心，是一款針對(duì)TMS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境，編程方式靈活，函數(shù)庫豐富，可以較好地提高軟件開發(fā)效率。

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化原則，以提高軟件設(shè)計(jì)的靈活性和通用性，軟件構(gòu)成如圖4所示。

圖4　電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成圖

系統(tǒng)配置模塊主要完成姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制參數(shù)配置、定時(shí)器配置、I/O參數(shù)配置、系統(tǒng)路徑配置和輸出配置等功能。

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對(duì)采集系統(tǒng)中得到的電流參數(shù)，轉(zhuǎn)換成太陽光入射角角度值，并且實(shí)時(shí)對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行比較判斷，生成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

狀態(tài)監(jiān)測模塊主要完成太陽能電池板各位置所對(duì)應(yīng)的短路電流參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，并且將測試數(shù)據(jù)按照一定的頻率實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)記錄模塊主要以指定數(shù)據(jù)格式和存儲(chǔ)路徑完成對(duì)采集后計(jì)算生成的太陽光線入射角的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，以便姿態(tài)控制結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析和處理。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要完成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能，將數(shù)據(jù)處理中心所生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，從而使電池板采光率達(dá)到最佳。

5　測試環(huán)境與結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能，構(gòu)建一套模擬測試平臺(tái)。該測試平臺(tái)主要有模擬太陽光源，地球，衛(wèi)星和三者的運(yùn)動(dòng)軌道。利用氙氣燈作為太陽，將地球與衛(wèi)星放在模擬軌道中，以一定的速度進(jìn)行自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)。然后利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控光線的入射角以及太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

利用該測試平臺(tái)對(duì)衛(wèi)星太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)測試，得到部分測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　電池板綜合測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與光線入射角度對(duì)比分析知測試值和誤差均在允許范圍內(nèi)[6]，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)的性能良好，達(dá)到預(yù)期效果。

6　結(jié)論

基于DSP的太陽能電池板姿態(tài)控制系統(tǒng)能夠較好地完成使太陽能電池板達(dá)到最大采光率的功能，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)電池板達(dá)到最佳位置。將該控制系統(tǒng)放在模擬太空環(huán)境下進(jìn)行測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)性能良好，測試結(jié)果達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，且運(yùn)行可靠。本設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)簡便，適宜于太陽能電池板姿態(tài)控制的實(shí)際應(yīng)用，為提高太陽能電池板采光率提供了重要的依據(jù)。

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Design of Solar Panel Satellite Attitude Control Based on DSP

Wen Jiacheng, Wang Fei

(SchoolofInformationEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,LuoyangHenan471023,China)

The satellite solar panels are the important parts of energy supply in satellite system, which can convert solar energy into electrical energy. The attitude control system of solar panel is designed to realize the maximum acquisition rate of solar power based on DSP. The solar panels can accomplish most efficiently to capture sunlight and improve the photoelectric conversion efficiency by controlling the attitude of solar panels. First, according to the principle that the short-circuit current output from solar panels is in proportion to the solar light, the sunlight angle of incidence is measured with respect to solar panels; Then, the DSP is used to process and generate the motor control signal; finally, it drives the stepping motor turning to the corresponding angle to complete the attitude control, so that the satellite solar panels reaches the maximum lighting rate. The test results show that the control system significantly improves the lighting rate of solar panels and the performance is stable, provides a reliable guarantee for the maximize utilization of satellite energy.

solar panel; sunlight angle; attitude control; stepper motor; DSP

2016-05-07

2016-05-19

河南科技大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(SRTP2015-03)

聞嘉程(1994- )，男，廣東惠州人，學(xué)生，本科。

王斐(1976- )，男，河南洛陽人，副教授，博士，主要從事復(fù)雜光機(jī)電系統(tǒng)建?？刂品抡婕癡V&A方向的研究。

1674- 4578(2016)04- 0039- 03

TM914.4；V448.22

A