嵌入式在太陽方位跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

張彩霞，巫炳和，王向東

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院自動化學(xué)院，廣東佛山528000；2.佛山市精視自動化科技有限公司，廣東佛山528200；3.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院，廣東佛山528000）

近年來隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，人們對太陽能設(shè)備的使用率越來越高[1]，從而對高效且穩(wěn)定的采集更多的太陽能提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的太陽能電池板大都采用固定式安裝，嚴(yán)重影響光電轉(zhuǎn)換效率，因此需要重視太陽跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)研究。

如今能源技術(shù)的發(fā)展越來越快，對能源的需求也越來越高，太陽能有著取之不盡、綠色無污染的特點而受到了重視[2]。要獲取更高的轉(zhuǎn)換效率，其中一項技術(shù)就是太陽能跟蹤，這些技術(shù)在光熱、光伏等有高精度追日要求的場合中更為重要。太陽能跟蹤系統(tǒng)通過利用光敏陣列傳感器去感知周圍環(huán)境信息，采用光控與時控相結(jié)合的跟蹤模式實現(xiàn)太陽方位跟蹤控制。

本研究主要對太陽能跟蹤系統(tǒng)進行研究，采用陣列式光感器對環(huán)境光照進行數(shù)據(jù)采集，通過雙核心控制系統(tǒng)對環(huán)境數(shù)據(jù)進行管理和分析，在光感跟蹤、時間跟蹤算法以及定位方法上達(dá)到更好的控制效果，從而使電池板或其他光伏器件的法線始終與太陽光線平行，以保存最大的轉(zhuǎn)換效率。同時嵌入式對太陽能利用在控制智能化與信息化等方面有很大的作用。因此，本文將嵌入式[3-4]應(yīng)用在太陽方位跟蹤系統(tǒng)中，探討其軟硬件設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在本系統(tǒng)中，采用了ARM+FPGA的雙核心結(jié)構(gòu)，使得太陽跟蹤系統(tǒng)更加靈活。

（1）ARM作為整個系統(tǒng)的核心部分，包含時間跟蹤單元和光感跟蹤單元，時間跟蹤單元對所獲得的時間數(shù)據(jù)與地理位置信息進行管理和分析計算。

（2）光感跟蹤單元則對光感陣列傳感器采集到的光強變化數(shù)據(jù)進行處理和分析。通過這兩種跟蹤單元的組合，減小系統(tǒng)誤差，計算出最佳太陽能電池板傾角。

FPGA核心作為邏輯器件角色，負(fù)責(zé)對光感陣列傳感器的并行管理和數(shù)據(jù)的實時采集、雙軸電機控制以及ARM核心進行數(shù)據(jù)交換[5]。

ARM和FPGA兩個核心采用16位并行總線通信，使得兩核心數(shù)據(jù)交換具有便利性和實時性。這樣FPGA較大程度地分擔(dān)了ARM的工作，減少了ARM系統(tǒng)的資源利用，讓ARM有更多地資源進行數(shù)據(jù)分析和管理方面的工作，大大提高太陽跟蹤系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，以獲得最大發(fā)電功率。圖1是系統(tǒng)總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 陣列式光感傳感器的設(shè)計

本設(shè)計研究一種陣列式光強檢測方法能實現(xiàn)太陽光照的垂直跟蹤。陣列式光強傳感器采用n2個光敏元件并且每個元件呈陳列分布設(shè)計。其工作原理是通過采集陣列分布的n2個光敏元件的感光量，根據(jù)各光敏元件所獲相對感光量及其在陳列中的位置進行分析[6]，從而獲得太陽光線與陣列分布的光敏元件的檢測面間的夾角。光敏元件之間采用擋板將各光敏傳感器隔開進行排列。光檢測陣列排列方式如圖2。

圖2 光檢測陣列排布

2.2 ARM與FPGA雙核心系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)供電如圖3所示。

由圖3可知，雙核心模塊的ARM核心采用Coretex-M4內(nèi)核的STM32F407IGT6，其具有168 MHz主頻、FPU浮點單元及DSP指令集等高性能特性[7]，而且具有多外設(shè)、多接口及多I/O口等優(yōu)點。FPGA核心采用Altera Cyclone系列第4代產(chǎn)品EP4CE10F17C8N，具有功耗低、性能強、資源多及使用方便等優(yōu)點。雙核心板采用USB OTG、USB UART和EXT IN共3種供電方式，其供電電壓為5 V，供電電流約為300 mA。雙核心板從4個方面為系統(tǒng)供電，同時提供電源監(jiān)控和基準(zhǔn)。

2.3 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

模塊的接口電路如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)供電示意

圖4 步進電機驅(qū)動接口電路

為了讓太陽跟蹤系統(tǒng)達(dá)到更精準(zhǔn)的運動，采用了2個兩相四線步進電機，步進電機驅(qū)動模塊采用ZD-M42S微型步進電機驅(qū)動器[8]，此款驅(qū)動器體積較小，減少了占用空間，更適合安裝在移動機器人上。并且集成度高，可靠性高，接口采用超高速光耦隔離，抗高頻干擾能力強，擁有過熱自動關(guān)斷輸出保護，輸出電流在0～1.8 A范圍可選，非常適合用于雙軸電機驅(qū)動[9]。FPGA通過生成PWM和方向信號輸出到該信號控制，從而實現(xiàn)FPGA兩路脈沖精確控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ARM程序設(shè)計

ARM程序設(shè)計主要包括時間跟蹤單元和光感跟蹤單元[10]的設(shè)計，其ARM程序設(shè)計如圖5所示。

圖5 ARM程序設(shè)計

時間跟蹤單元的控制策略為根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，應(yīng)用Klein位置算法確定高度角和方位角，以實現(xiàn)對太陽位置的精確跟蹤。光感跟蹤單元則是根據(jù)光敏陣列傳感器檢測到的偏差信號，計算出最佳太陽能電池板傾角。

通過時間跟蹤和光感跟蹤相結(jié)合的跟蹤系統(tǒng)[11]，不僅可以彌補日光軌跡跟蹤過程中會出現(xiàn)累計誤差的問題，而且可解決光電跟蹤在陰雨天氣無法工作的問題，混合跟蹤系統(tǒng)精度高。

3.2 FPGA程序設(shè)計

FPGA主要負(fù)責(zé)步進電機對光伏陣列板的高度角和水平角的位置調(diào)整，保持陣列板與太陽光線垂直。利用QuartusⅡ進行FPGA的設(shè)計，其流程如圖6所示。

利用FPGA產(chǎn)生PWM控制電機驅(qū)動模塊[12]，PWM采用調(diào)頻方式控制，其中PWM模塊的接口及內(nèi)部信號定義分別如下。

（1）復(fù)位信號。復(fù)位信號為input rsn。

（2）時鐘信號。時鐘信號為clk。

（3）PWM輸出。PWM輸出為pwm_out。

（4）參數(shù)確定。核心板輸入基準(zhǔn)時鐘頻率是25 MHZ，PWM輸出頻率為10～200 kHZ[13]，所以預(yù)分配系數(shù)最大值是2 500。

這里建立一個PWM寄存器pwm_reg，設(shè)計的寄存器功能定義如表1所示。PWM模塊Verilog HDL程序流程如圖7所示。

圖6 FPGA程序設(shè)計

表1 PWM寄存器功能定義

圖7 PWM流程設(shè)計

4 小結(jié)

本文設(shè)計了一種嵌入式全天候太陽方位跟蹤裝置，實現(xiàn)了電池板跟隨太陽光全天候垂直照射的方位跟蹤。將基板與光敏元件，相鄰兩排和相鄰兩列的光敏元件間的隔板，二軸驅(qū)動的多維驅(qū)動器，太陽能電池板、ARM和FPGA雙核心控制器等有機結(jié)合成跟蹤裝置，將光感跟蹤與時間跟蹤方法有效結(jié)合，從而實現(xiàn)了精確且穩(wěn)定的跟蹤，有效地保證了太陽能電池的最大輸出功率，提高了太陽能轉(zhuǎn)化電能的利用效率。實驗表明該方法切實有效，具有成本低、安裝簡易、穩(wěn)定性較高、精度較高以及應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點。