開閉環(huán)雙系統(tǒng)雙軸太陽跟蹤裝置的設(shè)計與研究

李雪松 邵戎 尹娟 王雅琦

（四川省氣象探測技術(shù)中心 四川省成都市 610072）

1 跟蹤裝置的現(xiàn)狀、發(fā)展及意義

大氣探測技術(shù)發(fā)展帶動了氣象數(shù)據(jù)電子化及自動觀測業(yè)務(wù)日漸成熟，使得太陽跟蹤、航空技術(shù)與天氣業(yè)務(wù)等與探測技術(shù)結(jié)合緊密。從電能利用效率的角度，太陽能板載入雙軸太陽跟蹤平臺利用率提高30%至50%。為提高發(fā)電效率該裝置的使用歷史已久，隨其裝置的應(yīng)用和研究發(fā)展，該裝置能測量部分氣象數(shù)據(jù)，但高空球載平臺應(yīng)用罕見，對其改進后應(yīng)用于高空可創(chuàng)造更高價值。在中國科學(xué)院大氣物理研究所、微電子所、中國氣象局及多個電子公司均有相關(guān)研究和課題。就半導(dǎo)體板供電效率為例，根據(jù)時期不同效率不同，與天氣、所處地段等因素有關(guān)，效率低地區(qū)利用率只有約5%。使用該裝置后，效率增加時間為太陽升起至正午，此段時間雙軸太陽跟蹤供能高于普通供能半導(dǎo)體板。最高可達(dá)原板功能的3 倍。

國際上1994 年捷克科學(xué)院物理所研制出了單軸被動式太陽跟蹤器。1997 年Blackace 研制出了主動單軸跟蹤器，但該裝置只東西向?qū)?zhǔn)跟蹤太陽，南北向?qū)?zhǔn)跟蹤還需要手動調(diào)整，僅單軸熱接受效率提高15%。1998 美國加州研制出了ATM 雙軸太陽跟蹤裝置效率有所提高。2002 年2 月亞利桑那大學(xué)推出新型太陽能跟蹤裝置，拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。2006 年西班牙Acciona 太陽能公司投入大量生產(chǎn)使用。

2 跟蹤裝置運行平臺及總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)通過多個串口和PC 機連接，實現(xiàn)每個器件與主干PC 機通信，將所采數(shù)據(jù)和運動控制器狀態(tài)信息傳輸于主干PC 機，經(jīng)處理結(jié)果作為步進電機轉(zhuǎn)動指令，通過串口被控器件及采集器件與PC 機通信。跟蹤裝置至于不穩(wěn)定的一級吊籃平臺，作為二級平臺承載功能設(shè)備實現(xiàn)姿態(tài)跟蹤。由于一級平臺在橫滾角度、俯仰角度及方位角度均不穩(wěn)定，使用開閉環(huán)雙系統(tǒng)跟蹤裝置相互配合，閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)可按時間位置使陽光垂直落點進入可監(jiān)測范圍，開環(huán)系統(tǒng)在可檢測范圍內(nèi)進一步調(diào)整以適應(yīng)一級平臺不斷晃動、震蕩的作用。太陽跟蹤包括兩個環(huán)節(jié)，即閉環(huán)和開環(huán)。開環(huán)系統(tǒng)是根據(jù)天文學(xué)理論已得出關(guān)于太陽運行軌跡的定理和公式，規(guī)劃步進電機的路線實現(xiàn)太陽跟蹤。閉環(huán)系統(tǒng)是使用PSD 探測實際光線入射角度和所需光線入射角度之間造成的距離差后，經(jīng)過計算調(diào)整步進電機的角度。

2.2 硬件設(shè)計及指標(biāo)

硬件系統(tǒng)由傳感器、供能設(shè)備、核心器件、運動控制組成。供能系統(tǒng)是鋰電池分為12V 和5V 的輸出電壓。核心處理器使用ARM7，英國ARM 公司設(shè)計的主流嵌入式處理器ARM7 內(nèi)核是0.9MIPS/MHz 的三級流水線和馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。運動控制是步進電機，驅(qū)動時需核心器件對驅(qū)動供電，采用7sc34型號步進電機。共用三個傳感器四象限、限位開關(guān)、姿態(tài)磁傳感器，PSD 備用。

跟蹤過程為避免由于設(shè)備耐受條件限制如低溫、精度不足等導(dǎo)致儀器不能正常運行或所測結(jié)果無法使用，表1 所示為相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。

表1：雙軸跟蹤裝置技術(shù)指標(biāo)

控制器需在核心處理器開閉環(huán)模式轉(zhuǎn)換，光敏探測器與前置電路連接，所載信息傳遞至核心處理器，向運動控制驅(qū)動器發(fā)出指令使得轉(zhuǎn)軸按指令轉(zhuǎn)動。傳感器主要有以下幾種：四象限傳感器、位置敏感傳感器、姿態(tài)磁傳感器、限位開關(guān)傳感器。傳感器將所采數(shù)據(jù)傳送至核心處理器，器件聯(lián)合跟蹤設(shè)備組成系統(tǒng)。

2.3 限位開關(guān)

限位開關(guān)也稱行程開關(guān)，安裝于固定架上以控制兩相對運動物體的距離以免相撞。運動物接近于靜止物時，兩開關(guān)之間相接處閉合，二者未閉合時兩開關(guān)并未接觸開關(guān)斷開，處理器可通過開關(guān)的開合判斷兩物體相對位置。限位開關(guān)由高精度大傳動比減速器、傳感器和與其輸出軸同步的機械記憶控制機構(gòu)組成，體積小、功能多、精度高、限位可調(diào)。本裝置中主要用以控制太陽高度角步進電機超過量程界限導(dǎo)致越位引起的器械物理碰撞，分別用作上限和下限，該傳感器使用簡單，只需外接兩根導(dǎo)線，一根用于供能，另一根用于信號傳輸。

3 開環(huán)系統(tǒng)

3.1 坐標(biāo)模型

早在1994 年，張迎勝、唐憶春、楊波等設(shè)計的極軸式太陽全跟蹤系統(tǒng)已較為成熟，利用時角和仰角，將太陽軌跡以極坐標(biāo)的形式表示。此體系以地球為原點建立三維立體坐標(biāo)系如圖1 所示。

圖1：太陽位置計算集合模型圖

隨后竇偉、許洪華、李晶等在地面坐標(biāo)系太陽全自動跟蹤系統(tǒng)方面有很大進展。該體系將地面所在位置作為原點，南北向為x 軸，東西向為y 軸，天地向為z 軸。將太陽軌跡表達(dá)與此坐標(biāo)中如圖2 所示。

圖2：以地面頂點為坐標(biāo)的太陽位置計算圖

系統(tǒng)實現(xiàn)太陽跟蹤所得數(shù)據(jù)通過串口傳輸保存，使用C++語言編程實現(xiàn)。遠(yuǎn)程通信和自動控制通過串口通信，PC 與7sc34 和PSD 傳感器分別連接于com1 和com2 口相互的通信。起始按字符傳輸，字符按位傳輸，傳輸字符以“起始位”開始且以“停止位”結(jié)束，字符之間沒有固定時間間隔。異步通信雙方時鐘可容差值較大，同步通信時鐘可容差值較小，效率則相反。

3.2 預(yù)測原理

地球自傳的同時繞太陽公轉(zhuǎn)，相對任意特定觀測點，任意太陽位置可由入射光線高度角和方位角確定。太陽高度角（用α表示）是地球上觀測點同太陽中心連線與地平面之間的夾角，太陽方位角（用γ表示）是地球上觀測點同太陽中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角，如圖2 所示。

太陽高度角α和方位角γ隨時間不同而變化，并符合以下三角公式：

式中δ 是太陽赤緯角，φ 為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?，?為當(dāng)時的太陽夾角。太陽赤緯角δ 是指地心與太陽中心的連線與赤道平面之間的夾角，其粗略計算式為：

式中n 為積日（一年中第n 天）。太陽時角ω 是指太陽中心點到地心連線與格林威治天文臺的東西之間的0°經(jīng)線所在平面的夾角，我國區(qū)域的太陽時角ω 確定如下：

式中t 為北京時間，E 為當(dāng)?shù)嘏c北京地區(qū)的時差，Lon為當(dāng)?shù)氐牡乩斫?jīng)度。δ 和ω 兩個參數(shù)的計算需滿足高精度跟蹤要求，需要考慮歲差、章動、蒙氣差等諸多因素根據(jù)實際情況不斷訂正。根據(jù)上述方法可計算出太陽高度角與方位角從而確定太陽位置。該原理所使用的計算方法精度更高，即為本設(shè)計所采用的太陽位置計算方法，但難以避免長期跟蹤產(chǎn)生的機械積累誤差，需結(jié)合傳感器檢測等方法定期修正。

4 閉環(huán)系統(tǒng)

4.1 閉環(huán)設(shè)計原理

如圖3 所示裝置工作原理是通過傳感器判斷是否在監(jiān)測范圍內(nèi)，如在內(nèi)則啟動閉環(huán)模式，如不在內(nèi)則就啟動開環(huán)模式。切換至閉環(huán)模式后通過傳感器測量調(diào)整具體位置，如不在閉環(huán)可測量范圍內(nèi)切換至開環(huán)模式通過公式計算調(diào)整角度，不斷重復(fù)探測。如直射點超出傳感器探測范圍則將模式切換至開環(huán)模式。

圖3：核心處理器程序流程圖

4.2 太陽跟蹤傳感的設(shè)計

4.2.1 光敏傳感器的選擇

PSD 可用于采集太陽位置信息作為備用，四象限傳感器出現(xiàn)意外時使用PSD 臨時代替。PSD 可分為三四邊型、二面型、枕型三大類。四邊型PSD 后期計算較為復(fù)雜，處理器需有較高的處理性能或添加后續(xù)電路，枕型PSD 因其制造工藝和工作原理工作面積較小，價格較貴?；谝陨蟽牲c選擇二面型PSD 較為合適，使用成本不會過高且保證了線性度。將兩類傳感器試運行比較時，PSD 光敏感探測器制作太陽跟蹤裝置后出現(xiàn)不斷震蕩的情況，每跟蹤上就會發(fā)生震蕩導(dǎo)致跟蹤無法進行。換用四象限傳感器后，則沒有震蕩問題。根據(jù)眾多傳感器指標(biāo)衡量，采用四象限傳感器作為主要位置采集工具。穩(wěn)定性比較高，不會出現(xiàn)跟蹤平面抖動，圖4 為四象限傳感器實物圖。

圖4：四象限傳感器

此傳感器有效工作面積為100mm，精度間隔較小，暗電流低，工作時溫度和存儲溫度-40℃到100℃之間，焊接時溫度高達(dá)260℃，需離針腳2mm 遠(yuǎn)且焊接時間不超過5s。其應(yīng)用不僅可用于太陽跟蹤，在光學(xué)鑷子、自動化瞄準(zhǔn)、偏振光橢圓率測量儀等上依然有所使用。如圖4 所示為所用傳感器，需距離邊角最近的四個針腳輸出值，傳感器焊接于電路板，再從電路板面接出導(dǎo)線，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊把信號導(dǎo)入處理器。根據(jù)輸出電流大小判斷太陽直射點離傳感器有效測量面積中心的距離，最后通過計算得出步進電機運動指令，使直射點落于傳感器中心。

4.2.2 四象限傳感器的工作原理

閉環(huán)狀態(tài)PSD 傳感器探測太陽位置信息，把入射光光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，通過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號與PC 通信，通過數(shù)據(jù)計算調(diào)整運動控制器角度使得直射點落于理想位置。

四象限探測器如圖5 所示，由四個光敏面組成，之間由十字形溝道相隔，每個光敏面均為一個光電二極管，受到光照后對應(yīng)象限有與光照強度成正比的光電流輸出，光電流通過串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。

圖5：探測器結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器的重要指標(biāo)是四象限探測器象限間一致性，包括光響應(yīng)度、感光面積、暗電流和結(jié)電容等參數(shù)，這些參數(shù)將直接影響測量和定位精度。設(shè)計四象限探測器傳統(tǒng)方法是把四個型號完全相同的光電二極管按照直角坐標(biāo)要求排列。此方法卻有三點不足：很難滿足象限一致性要求，二極管型號相同制作工藝卻難免有細(xì)微差別；排列并固定二極管后要保證四個光敏面于同一水平面且象限間隔完全一致；光敏電阻等由于自身限制易發(fā)生散射和反射并且易受環(huán)境污染，導(dǎo)致傳感器靈敏度偏低，從而影響跟蹤精度和系統(tǒng)效率。為合理解，選用一片性質(zhì)均勻的圓形太陽能光電板，圓心處由激光割出“十”字形溝道，形成四象限光伏探測器且各象限間具有很好的一致性，提高了傳感器的精度和靈敏度。

大小合適的光斑如圖6 所示光信號經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)于探測器成像。光線垂直入射時，光斑落于探測器正中如圖6b 所示，四個象限輸出信號相同。光信號偏離探測器法向時如圖6a所示，四個象限成像面積不同，探測器分別輸出電壓信號幅度不同，比較其輸出即可確定光信號的方位。如圖5 所示光斑被四個象限分為A、B、C、D 四個部分，對應(yīng)象限輸出U、U、U、U四個電壓信號，由（U+U）—（U+U）可得Y 向偏移量，（U+U）—（U+U）可得X 向偏移量。

圖6：光線入射示意圖

5 總結(jié)

雙系統(tǒng)太陽跟蹤裝置很大程度上解決了單一系統(tǒng)跟蹤的弊端，開環(huán)系統(tǒng)需在太陽進入可觀測法案為內(nèi)跟蹤，閉環(huán)系統(tǒng)不能檢測到太陽角度的微小變化，而兩套系統(tǒng)的切換有效的避免的了其中的弊端，互相補充提高了太陽跟蹤效率。