基于復(fù)合控制的塔式太陽(yáng)能跟蹤控制裝置設(shè)計(jì)

甘屹+曲鳳挺+郭家忠+王子健+曾樂(lè)才

摘 要： 針對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中定日鏡跟蹤裝置的跟蹤精度不高、構(gòu)建成本較大等問(wèn)題，提出采用將遺傳算法的選擇機(jī)制與吸熱塔能量變化的反饋機(jī)制相結(jié)合的方式對(duì)光熱電站的太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn).在光熱電站的少數(shù)幾臺(tái)定日鏡上配備光電檢測(cè)元件，并以其控制角度為基準(zhǔn)控制其他定日鏡的角度調(diào)整.采用DSP（digital signal processing）為控制核心，完成了跟蹤控制器的通訊框架及控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)表明，該方案在保證光熱電站整體控制精度的基礎(chǔ)上，減少了光電檢測(cè)元件安裝數(shù)量和電站構(gòu)建成本，并保證了視日軌跡跟蹤控制時(shí)的自動(dòng)調(diào)整能力.

關(guān)鍵詞： 塔式太陽(yáng)能發(fā)電； 定日鏡； 遺傳算法； 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 電路設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 27文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1008-8857（2016）03-0125-06

Abstract： With the problems of low tracking accuracy and high construction cost of the heliostat tracker in the solar thermal power tower，the combination of the selection mechanism of genetic algorithm and the feedback mechanism of energy changes in the heat absorption tower was proposed to improve the tracking controller.Optoelectronic sensors were equipped in a few of heliostats.Based on these heliostat control angles，the angles of the other heliostats were adjusted.The communication framework and the circuit of tracking controller were designed using DSP as the control core.Experimental results showed that the proposed solar tracking controller could reduce the number of optoelectronic sensor and the construction cost of solar thermal power plant without reducing the overall control precision of the solar thermal power tower.At the same time，the control system had the ability of automatic adjustment when its tracking control depended on the trajectory of the sun.

Keywords： solar power tower； heliostat； genetic algorithm； structure of control system； circuit design

在光熱發(fā)電領(lǐng)域中采用太陽(yáng)能跟蹤控制方式是提高定日鏡接收率的最有效途徑之一[1].目前采用的太陽(yáng)能跟蹤控制有多種控制方式，如氣動(dòng)式、壓差式、電控式等[2].在如何提高單個(gè)定日鏡跟蹤精度方面已取得很多成果[3]，但是對(duì)于大規(guī)模光熱電站中數(shù)目眾多的定日鏡的整體控制還沒(méi)有成熟的方案[4].若僅采用光電檢測(cè)式跟蹤控制，雖然具有較高的精度，但高昂的成本使其離商業(yè)化運(yùn)行還有差距[5]；而屬于開(kāi)環(huán)控制的視日軌跡跟蹤控制雖然有著很好的跟蹤穩(wěn)定性[6]，但其缺乏自動(dòng)調(diào)整能力[7]，使得其整體跟蹤精度不高，導(dǎo)致太陽(yáng)能的整體利用率較低.

為了不增加定日鏡數(shù)目并保證光熱電站定日鏡的整體控制精度，采用遺傳算法對(duì)太陽(yáng)能跟蹤控制策略進(jìn)行改進(jìn).文獻(xiàn)[8-9]基于單片機(jī)技術(shù)，研究了滿足復(fù)合控制功能要求的太陽(yáng)能跟蹤控制裝置.在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并完成了高精度控制器的硬件電路設(shè)計(jì).在保證光熱電站整體發(fā)電效率的同時(shí)，大大減少了光電檢測(cè)元件的安裝數(shù)量，使復(fù)合控制與大規(guī)模光熱電站定日鏡跟蹤控制能更好地結(jié)合.

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用基于遺傳算法改進(jìn)的復(fù)合控制方案[10].光熱電站中設(shè)置光電基準(zhǔn)型和受控型兩種類(lèi)型定日鏡.光電基準(zhǔn)型定日鏡通過(guò)光電檢測(cè)跟蹤和視日軌跡跟蹤確定定日鏡最佳接收角度，受控型定日鏡根據(jù)光電基準(zhǔn)型定日鏡的最佳角度形成域值范圍，并在此范圍內(nèi)采用遺傳算法進(jìn)行調(diào)整.光熱電站中光熱基準(zhǔn)型定日鏡數(shù)量記為n，受控型定日鏡數(shù)量記為m.在控制系統(tǒng)的通信框架中，以n臺(tái)光電基準(zhǔn)型定日鏡為主站，在分站1、2、3內(nèi)設(shè)置多臺(tái)PC機(jī)從站，光電基準(zhǔn)型定日鏡與分站通信方式為多主對(duì)多從，采用CAN總線的通信模式完成數(shù)據(jù)交換.分站1、2、3負(fù)責(zé)將光電基準(zhǔn)型定日鏡調(diào)整的最佳角度實(shí)時(shí)傳遞給總站，總站根據(jù)光電基準(zhǔn)型定日鏡最佳角度形成的域值并經(jīng)遺傳算法運(yùn)算形成隨機(jī)角度，并將其傳遞給分站4、5、6、7，分站再將角度分配給每一個(gè)受控型定日鏡.控制系統(tǒng)的通信框架圖如圖1所示.

2 光電基準(zhǔn)型定日鏡控制器電路框架設(shè)計(jì)

光電基準(zhǔn)型定日鏡控制系統(tǒng)主要包括5個(gè)模塊：電源電路、檢測(cè)電路、主控電路、通信電路、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器.電源電路主要為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓.檢測(cè)電路中配備有四象限光電檢測(cè)裝置及信號(hào)處理電路，通過(guò)四象限光強(qiáng)變化采集太陽(yáng)方位信息，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給主控電路.主控電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)計(jì)算太陽(yáng)方位、接收采集信息、控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等重要功能，主要由DSP控制電路、AD采樣電路、PWM輸出電路、復(fù)位電路、JTAG電路、時(shí)鐘電路、EEPROM構(gòu)成.通信電路負(fù)責(zé)PC機(jī)與光電檢測(cè)元件的數(shù)據(jù)傳遞，本文采用CAN總線通信電路和RS232串口通信電路.采用直流無(wú)刷伺服電機(jī)及其配套的直流伺服驅(qū)動(dòng)器.光電基準(zhǔn)型定日鏡控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示.

3 電源電路設(shè)計(jì)概要

硬件電路系統(tǒng)均需電源電路.在光電基準(zhǔn)型定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)電路中，各模塊所需的額定電壓不同，對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求也不同.因此，需要針對(duì)特定的模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的電源電路.

3.1 開(kāi)關(guān)電源選型220 V24 V

系統(tǒng)采用供電電壓為24 V的直流電.考慮到各個(gè)模塊工作時(shí)額定功率、電壓、電流等的要求，尤其要保證伺服電機(jī)能夠正常驅(qū)動(dòng)，本文選擇型號(hào)為YXW24 V10 A240 W的220 V24 V、AC轉(zhuǎn)DC開(kāi)關(guān)電源，其各項(xiàng)參數(shù)滿足硬件系統(tǒng)的性能要求.

3.2 24 V電源抗干擾電路

為保證硬件系統(tǒng)正常工作，需要電源電壓工作穩(wěn)定，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力.因此，需對(duì)電源電壓進(jìn)行濾波、穩(wěn)壓處理，據(jù)此在抗干擾電路設(shè)計(jì)中增加防反接二極管、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓，增加雙向共模電感，以消除共模電磁干擾，增加電容起到濾波作用.

3.3 24 V10 V DCDC降壓電路設(shè)計(jì)

本文選擇以LM5008A型降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片為核心處理單元來(lái)設(shè)計(jì)24 V10 V DCDC降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器.該方案可確保短路控制，同時(shí)提供最低的折返，具有熱關(guān)斷、VCC欠壓鎖定、柵極驅(qū)動(dòng)欠壓鎖定、最大占空比限制器和預(yù)充電開(kāi)關(guān)等功能.

3.4 5 V、3.3 V、1.8 V電壓電路設(shè)計(jì)

根據(jù)不同電路對(duì)電壓的要求，可在獲得10 V電壓后經(jīng)芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換.TLV70450DBV、TLV70436DBV芯片可以將10 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V電壓，而1.8 V電壓可由5 V電壓通過(guò)TI公司的PS767D301芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換.

4 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路系統(tǒng)共有5個(gè)模塊：四象限傳感器模塊、信號(hào)放大電路模塊、精密有源絕對(duì)值電路模塊、比較電路模塊、有源濾波電路模塊.其工作原理為四象限傳感器模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)放大模塊將電壓信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大及去干擾，精密有源絕對(duì)值電路負(fù)責(zé)獲取電信號(hào)的大小，比較電路模塊則用來(lái)判斷電壓方向，最后通過(guò)有源濾波電路模塊傳給主控單元.

4.1 四象限傳感器模塊

光電檢測(cè)四象限法中采用的核心元件為四象限光電傳感器[11]，其原理為利用各象限光照不均產(chǎn)生壓差來(lái)工作.四象限檢測(cè)法就是將光電檢測(cè)區(qū)域分為四部分，將四象限傳感器安放其中，并根據(jù)傳感器中的電流大小和方向判斷各象限接收到的光照情況，從而做出相應(yīng)的調(diào)整.

當(dāng)太陽(yáng)垂直對(duì)準(zhǔn)定日鏡時(shí)，太陽(yáng)入射光斑位于光電檢測(cè)元件的正中心，這樣四個(gè)象限內(nèi)光照一致，不會(huì)產(chǎn)生電壓差.當(dāng)太陽(yáng)入射方向發(fā)生偏移時(shí)，入射光斑在四個(gè)象限中的位置會(huì)產(chǎn)生偏移，四象限因光照不均產(chǎn)生電壓差形成電流回路，經(jīng)計(jì)算可得出當(dāng)前定日鏡與最佳方位偏離的角度，從而對(duì)定日鏡的轉(zhuǎn)角位置重新進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到與太陽(yáng)光照方向垂直的效果.

4.2 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

四象限光電傳感器的電壓差是因太陽(yáng)光在各象限內(nèi)光強(qiáng)不均產(chǎn)生的，由光強(qiáng)信號(hào)改變而引起的電壓差不足以為主控芯片提供變化的電壓信號(hào)，而且微弱的信號(hào)易受到外界信號(hào)的干擾，需要對(duì)其進(jìn)行放大、抗干擾處理.雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路具有共模抑制比高、不易受外界信號(hào)干擾等優(yōu)點(diǎn).信號(hào)放大電路的前級(jí)采用同向放大電路，通過(guò)電路的高阻抗特性放大輸入信號(hào)的電壓差，然后在后級(jí)使用差分放大器消除前級(jí)同向電路采入信號(hào)的共模偏差，增強(qiáng)電路的抗干擾能力.

信號(hào)放大電路如圖3所示，其中R1=R3，R4=R5，R6=R7；U1為輸入電壓；U2為輸出電壓；輸入信號(hào)的放大倍數(shù)Ud可由式（1）得出，即

4.3 精密有源絕對(duì)值電路設(shè)計(jì)

為方便DSP（digital signal processing）的信號(hào)處理，在AD采樣電路中加入可將負(fù)電壓轉(zhuǎn)化為正電壓，并保持外界電壓信號(hào)大小的精密有源絕對(duì)值電路.其工作原理為：當(dāng)輸入電壓U3>0時(shí)，運(yùn)算放大器oc1的輸入小于0，運(yùn)算放大器oc2的輸入大于0，二極管D2導(dǎo)通，D1兩端施加了方向電壓而被強(qiáng)制關(guān)斷，oc2則為電壓跟隨器，輸出電壓U4=U3；當(dāng)U3<0時(shí)，運(yùn)算放大器oc1的輸出大于0，運(yùn)算放大器oc2的輸出小于0，二極管D1導(dǎo)通，D2兩端施加了反向電壓而被關(guān)斷，oc2作為反向電路，使得U4=-U3.精密有源絕對(duì)值電路原理圖如圖4所示.

4.4 比較電路設(shè)計(jì)

精密有源放大電路只能傳遞信號(hào)的大小，需經(jīng)比較電路判斷輸入信號(hào)的方向.傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大電路后從比較電路的3腳輸入.若輸入信號(hào)大于0，則3腳電壓低于2腳接地電壓0 V，6腳輸出高電平3.3 V；若輸入信號(hào)小于0，3腳電壓高于2腳接地電壓0 V，6腳輸出電壓為低電平0 V.通過(guò)比較電路可知四象限傳感器產(chǎn)生的電流方向，從而得出光信號(hào)更強(qiáng)的傳感器象限的相關(guān)信息，進(jìn)而推斷出太陽(yáng)方位的變化.比較電路原理圖如圖5所示.

4.5 有源濾波電路設(shè)計(jì)

濾波電路的設(shè)計(jì)就是求解出通帶放大系數(shù)Aup、截止頻率fp和過(guò)渡帶的斜率.有緣濾波器與無(wú)源濾波器相比，無(wú)源濾波器是由電阻、電容組成的濾波器，其截止頻率受負(fù)載的變化而變化，較不穩(wěn)定.而有源濾波器是在無(wú)源濾波器后接電壓跟隨器，由于電壓跟隨器的輸入電壓無(wú)窮大，即可以將負(fù)載與無(wú)源濾波器隔離，使負(fù)載對(duì)濾波器截止頻率無(wú)影響.有源濾波器只適用于信號(hào)的處理，不適合高電壓、大電流負(fù)載.而無(wú)源濾波器常用于整流后的濾波，高電壓、大電流的濾波常采用LC電路.本文中傳感器的傳遞頻率為10～15 Hz，屬于低頻，所以設(shè)計(jì)為低通濾波器（LPF）.

5 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路以DSP為核心處理芯片，設(shè)置相關(guān)外設(shè)組成核心電路板，主要由DSP控制芯片、AD采樣電路、PWM輸出電路、復(fù)位電路、JTAG程序下載電路、時(shí)鐘電路、EEPROM電路模塊組成.以DSP為控制核心的跟蹤系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)、跟蹤反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，為裝置實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤太陽(yáng)光提供了平臺(tái)[12].

5.1 DSP選型

為滿足硬件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)快速、高效的處理要求，本文選擇TMS320F2812型DSP作為主控電路的核心處理芯片[13].其最高時(shí)鐘頻率達(dá)150 MHz，運(yùn)行速度快，且本身自帶SRAM、flash等儲(chǔ)存空間，可方便地進(jìn)行在線仿真.此外，本型號(hào)DSP還配備諸多外設(shè)，包含3路SCI、1路SPI、2套EV時(shí)間處理器、2路8位的ADC、1路eCAN總線通道，功能齊全.

5.2 AD采樣電路

TMS320F2812型DSP的A/D端口是GPIO多路復(fù)用的形式，共有16路12位的A/D轉(zhuǎn)換器.A/D端口的輸入電壓控制在0～3.3 V.為保證實(shí)際輸入電壓在輸入信號(hào)范圍內(nèi)，在A/D采樣端口處必須設(shè)置保護(hù)電路[14].

5.3 PWM輸出電路及程序下載接口電路

DSP采用PWM輸出波形控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速率.TMS320F2812型DSP有12路PWM脈沖輸出端口.為保證輸出波形的真實(shí)性，采用74HC245型鎖存器進(jìn)行PWM輸出波形的保持，以防止傳遞出的PWM波形衰減[15].

DSP進(jìn)行程序調(diào)試時(shí)，需經(jīng)JTAG程序下載接口將仿真器與DSP連接，并將PC機(jī)上的程序下載到DSP中才能讓DSP運(yùn)行.

5.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)及EEPROM電路模塊

對(duì)定日鏡進(jìn)行時(shí)鐘控制時(shí)，要保證時(shí)鐘不受系統(tǒng)失效的影響，采取單獨(dú)時(shí)鐘芯片構(gòu)成時(shí)鐘模塊最為安全.本文采用Intersil公司生產(chǎn)的ISL1208型時(shí)鐘芯片.該時(shí)鐘芯片具有低功耗、高精度等優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)電源失效時(shí)，可以通過(guò)后備電源供電，提供可靠的時(shí)鐘信息.

為防止在主控電路發(fā)生故障突然掉電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，添加EEPROM電路模塊.

6 通信電路

定日鏡需要與分站進(jìn)行通信，以完成數(shù)據(jù)交換.定日鏡與分站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)屬于多主多從模式.本文用eCAN總線通信模式完成定日鏡與分站的數(shù)據(jù)交換.在硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用兩種通信方式：eCAN總線通信方式和RS232串口通信方式.eCAN總線通信方式主要用于定日鏡與分站的數(shù)據(jù)交換；RS232串口通信方式用于調(diào)試時(shí)主控模塊與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換.

6.1 eCAN總線通信電路

選用SN65HVD232芯片作為eCAN總線通信電路的設(shè)計(jì)芯片.該芯片的應(yīng)用擴(kuò)展性好，功能強(qiáng)大，若要增加節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，只需在CAN總線上掛載有CAN模塊的控制器即可[16].

6.2 RS232串口通信電路

在進(jìn)行DSP主控板的通信程序調(diào)試時(shí)，采用PC機(jī)與主控板串口調(diào)試方式更為方便.由于DSP采用的是TTL電平，與PC機(jī)的電平不一致，所以需要借助Max232完成TTL電平與PC機(jī)電平之間的轉(zhuǎn)換.

7 伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器選擇

為滿足定日鏡調(diào)整特性，采用直流無(wú)刷伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)模糊PID控制對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制調(diào)整，減小其誤差，使其能達(dá)到定日鏡轉(zhuǎn)角精度的要求.主控電路根據(jù)所要調(diào)整的位置及伺服電機(jī)反饋情況向控制器提供相應(yīng)PWM脈沖來(lái)調(diào)整定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng).

因?yàn)槎ㄈ甄R需要根據(jù)太陽(yáng)方位的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，所以要求所采用的電機(jī)具有頻繁啟動(dòng)、快速響應(yīng)等特性.根據(jù)定日鏡支架結(jié)構(gòu)、重量、所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等實(shí)際情況，選擇雷賽公司的DCM 50205型永磁直流無(wú)刷電機(jī)作為定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī).根據(jù)DCM50205型直流電機(jī)特性，選擇DCS810數(shù)字直流電機(jī)控制器作為該系統(tǒng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器.

8 結(jié) 論

本文提出了基于遺傳算法改進(jìn)的復(fù)合控制方案，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能光熱電站控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，采用以CAN總線協(xié)議為基礎(chǔ)通訊協(xié)議的總站、分站相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式.這種模式既減輕了總站控制多臺(tái)定日鏡的負(fù)擔(dān)，又方便每臺(tái)定日鏡各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ).設(shè)計(jì)完成了光電基準(zhǔn)型定日鏡跟蹤控制裝置的硬件電路，包括電源電路、檢測(cè)電路、主控電路、通信電路和伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器模塊.本方案在保證光熱電站整體控制精度的基礎(chǔ)上，減少了光電檢測(cè)元件的安裝數(shù)量，降低了電站的構(gòu)建成本.本研究將促進(jìn)太陽(yáng)能光熱發(fā)電的發(fā)展.

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