基于步进电机的太阳跟踪系统设计

电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００８

第４２卷第９期２００８年９月

定稿日期：２００８－０５－２３作者简介：马

健（１９７９－），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向为机电一体化、嵌入式技术。

１引言

随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出。太阳能作为一种清洁能源，受到了各国的普遍重视，因此如何提高太阳能的利用率成为了研究热点。太阳跟踪是提高利用率的一种途径，其方式主要有光电式和机械式。前者为被动跟踪，受环境影响较大，尤其在多云或阴天时；后者为主动式，由程序计算出太阳位置，控制步进电机跟踪太阳，目前国内多采用该方式。现采用基于３２位ＡＲＭ嵌入式微控制器ＬＰＣ２２９０来构建平台，利用高精度的太阳位置坐标模型，以步进电机作为执行机构，通过步进电机的开环控制，以及程控跟踪的方式，大大提高了跟踪精度，实现了全自动跟踪，对于实现大型太阳能热发电具有重要意义。

２

系统功能与结构

２．１

系统组成及结构

图１示出跟踪系统的硬件组成。

太阳跟踪装置主要由微处理器控制单元、光电检测单元、液晶显示模块、存储单元和键盘及相应的

外围电路、手动控制单元等组成。软件部分包括操作

系统的移植和太阳位置计算程序的编写。２．２系统功能

（１）键盘及显示屏设有４×４的键盘和一块３２０×

２４０点阵的液晶显示器（ＬＣＤ）

，主要用于手动控制和人机交互，便于用户设置时间和位置参数，并对系统的运行状态进行监视。

（２）

检测模块检测模块安装在集热器面板上，主要用于检测系统运行时的环境条件。检测环境光线强弱程度，以区别白昼和夜晚；在阴天光照强度不够时，系统监测到信号后自动处于待机状态，避免不必要的能源浪费，从而达到系统的自动控制。

（３）

电源电路主要为微控制器、外围器件以及控制系统中所用到的其他芯片提供工作电源。由于采用的ＡＲＭ微控制器ＬＰＣ２２９０具有独立的模拟电源、数字电源，为了降低出错几率，应将二者进行隔离。因此接入的２２０Ｖ市电经滤波后分为两路，一路作为步进电机驱动器的工作电源；一路经整流后为系统提供＋５Ｖ，＋１５Ｖ电源。

微控制器的两组电源在＋５Ｖ的基础上经过一个电压调节器分别输出＋３．３Ｖ，＋１．８Ｖ。

（４）

存储模块采用的ＬＰＣ２２９０片内只有１６ｋＢ的ＳＲＡＭ，没有能用的片内ＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ存储器，因此需要对其进行扩展，用以存储操作系统和运行程序，以防掉电后丢失程序。

（５）

执行机构执行机构主要包括驱动模块、步进电机以及相应的支撑结构。驱动模块接受微控制器的输出脉冲后，再经过光电隔离后进行放大循环

基于步进电机的太阳跟踪系统设计

马

健，向

平，赵卫凤，毕玉庆

（西北工业大学，陕西西安７１００７２）

摘要：在碟式太阳能热发电中，跟踪系统能够大大提高太阳能的利用率。依据高精度的太阳位置算法，利用３２位

ＡＲＭ（ＡｄｖａｎｃｅｄＲＩＳＣＭａｃｈｉｎｅｓ）

嵌入式微处理器，以步进电机作为执行机构，实现了双轴太阳跟踪系统的设计。试验表明，跟踪精度能够满足碟式太阳能热发电的需要，系统的性能稳定、功能丰富，具有较高的实用价值。

关键词：跟踪系统；太阳能发电；步进电机中图分类号：ＴＭ６１５

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０９－００３４－０３

ＤｅｓｉｇｎｏｆａＳｕｎ－ｔｒａｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＳｔｅｐＭｏｔｏｒ

ＭＡＪｉａｎ，ＸＩＡＮＧＰｉｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｉ－ｆｅｎｇ，ＢＩＹｕ－ｑｉｎｇ

（ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｓｏｌａｒｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｐａｒａｂｏｌｉｃｄｉｓｈ，ｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｎｇｒｅａｔｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ

ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ，

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ｔｒａｃｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｍｅｅｔｓｔｈｅｄｉｓｈｓｏｌａｒｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｎｅｅｄｓ，

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；ｓｔｅｐｐｉｎｇｍｏｔｏｒ

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输出。步进电机能够直接进行数字控制，将脉冲序列转化为相应的角位移，即接受一个脉冲，步进电机就转过一个角位移。支撑结构将步进电机输出的功率降速增距后，分别转化为水平方向的低速旋转运动和垂直方向的俯仰运动以跟随太阳。

３

设计与实现

３．１

ＡＲＭ微处理器［１］

选用ＬＰＣ２２９０作为微控制器（ＭＣＵ）

，它是一款基于实时仿真和嵌入式跟踪的１６／３２位ＡＲＭ７ＴＤＭＩ－Ｓ型ＣＰＵ的ＭＣＵ。由于ＬＰＣ２２９０具有１４４脚封装、极低的功耗、２个３２位定时器、８路１０位ＡＤＣ和ＰＷＭ输出以及多达９个外部中断，故其应用非常广泛。它还可通过外部存储器接口，将存储器配置

成４组，

每组容量高达１６ＭＢ，共６４ＭＢ。３．２液晶显示模块

液晶模块选用ＲＴ１２８６４－Ｍ，内嵌ＳＳＴ７９２０微控制器。ＳＴ７９２０点阵ＬＣＤ控制／驱动器可以显示字母、数字符号、中文字型以及自定义图形。其特点是可以提供３种控制接口，即８位并行微控制器接口、４位

并行微控制器接口以及串行接口。显示ＲＡＭ、

字符产生器、液晶驱动和控制电路均包含在一个芯片内。图２示出它与

ＬＰＣ２２９０的连接图。

３．３存储模块

ＬＰＣ２２９０片内设有１６ｋＢ

的片内ＳＲＡＭ，未设

片内ＲＯＭ或

ＦＬＡＳＨ存储器，

所以程序掉电就会丢失，不

能固化。因此系统扩展了２ＭＢ的ＳＳＴ３９ＶＦ１６０型ＦＬＡＳＨ存储器，这是一款ＣＭＯＳ多功能ＦＬＡＳＨ（ＭＰＦ）器件，由ＳＳＴ特有的高性能ＳｕｐｅｒＦＬＡＳＨ技术制造而成，ＳｕｐｅｒＦＬＡＳＨ技术提供固定的擦除和编程时间，与擦除／编程周期数无关。

图３示出连接示意图。ＳＳＴ３９ＶＦ１６０的片选信号为ＣＳ０，将其配置成ｂａｎｋ０，所以其访问的起始地址为０ｘ８０００００００，即ＬＰＣ２２９０的Ｂａｎｋ０存储空间。

ＳＳＴ３９ＶＦ１６０是１６位总线接口，Ａ０脚空置，只使用ＬＰＣ２２９０的地址总线Ａ１～Ａ２０。３．４

光电检测模块［２］

光电检测模块主要包括一个四象限光敏二极管探测器。四象限光敏二极管２ＣＵ３０１是在同一芯片上做出４个二极管单片，单片之间有十字沟槽间隔，

光敏面如图４所示。各单元的性能参数一致性较好。４个二极管单元相当于直角坐标系中的４个象限，每个象限的二极管有自己的输出。当照射在４个象限光敏二极管上的光斑图像位于十字形划线的中心时，代表４个象限的光敏二极管各自的输出相等，经过运算放大器对信号处理后，输出为零。当光斑产生相对于十字形划分线的任何位移时，都会使４个象限光敏二极管的输出随之变化，运算放大器的输出也随之产生相对位移方向上的正负变化，由此即可确定物体在二维方向上的位移。

为减小环境光的干扰并提高检测单元敏感度，四象限光敏二极管探测器可放置在一个长方形桶状内，采用透光性比较好的材料为长方形桶做一个盖子，以防止由于遮光或覆盖灰尘而给出错误信号。

图５示出检测光斑的四象限运动电路。其中

ＶＤ１，ＶＤ２正极分接在ＣＵ３０１的“２”，“３”端，ＶＤ３，ＶＤ４

正极分接在ＣＵ３０１的“１”，“４”端。这样ｘ轴、ｙ轴的输出信号即可显示出光斑是否在中心位置，当控制器检测到光斑在中心位置上时即发出中断信号。

３．５

执行机构

ＬＰＣ２２９０ＭＣＵ输出的是０～３．３Ｖ脉冲序列，

步进电机驱动器接收的是晶体管－晶体管逻辑（ＴＴＬ）电路电平信号，因此需要将此信号放大。此外，为了使系统在低速状态下能平稳运行，减小振动，驱动器还可以细分输出。３．６太阳坐标模型［３］

太阳坐标模型根据不同的跟踪方式而不同，对

于较大的跟踪系统多采用方位－俯仰跟踪方式。

在该方式下，在任意时刻，地球上任一点的太阳位置与该

图２ＬＰＣ２２９０与ＲＴ１２８６４的连接

图３ＬＰＣ２２９０与ＳＳＴ３９ＶＦ１６０连接图

图４光敏面形状

图５检测单元电路图

基于步进电机的太阳跟踪系统设计

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电力电子技术

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Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００８

第４２卷第９期２００８年９月

时刻太阳赤纬角δ、太阳时角ｔ以及该点的地理纬度

Φ有关，在此不论南北，Φ一律取正。即太阳高度角

ｈ和方位角φ分别为：

ｓｉｎｈ＝ｓｉｎΦｓｉｎδ＋ｃｏｓΦｃｏｓδｃｏｓｔ

ｓｉｎφ＝ｃｏｓδｓｉｎω／ｃｏｓ!

ｈ

（１）

跟踪系统也是基于上述公式，但在计算δ和ｔ时，采用了最新的基准历元，考虑了岁差和章动的影响，在１９５０～２０５０年内的计算误差不超过０．０１°。δ和ｔ的计算比较复杂，详细过程可查阅相关文献。

４

软件设计

４．１

操作系统移植

由于系统功能复杂，考虑将μＣ／ＯＳ－ＩＩ嵌入式实时多任务操作系统作为应用软件平台。μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一种可移植、可固化、可裁剪及可剥夺的实时多任务内核（ＲＴＯＳ实时操作系统）

，其绝大部分源码是用ＡＮＳＩ的Ｃ语言编写的，

可方便地进行移植并支持多种类型的处理器。μＣ／ＯＳ－ＩＩ的实时性以及低成本、易控制、小规模、高性能的特性，使其能满足工业中小型控制对可靠性、实时性以及多任务处理的要求，这里采用的开发工具是ＡＤＳ１．２。μＣ／ＯＳ－ＩＩ的文件系统结构包括核心代码部分、配置代码部分和处理器相关代码部分。其中处理器相关代码部分是移植需要修改的部分，它包括ＯＳ＿ＣＰＵ．ｈ，ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．ｃ，

ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ｓ（

根据ＡＤＳ的要求将ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ａｓｍ改名）３个文件。４．２应用程序设计

基于移植操作系统设计控制系统的应用程序，其任务就是在总体设计和硬件设计的基础上设计软件功能模块，以完成各模块功能。主程序是系统后台程序，按特定顺序完成系统功能。它首先完成各种初始化，然后进入主功能模块，如图６ａ所示。

在主程序循环过程中，同时监控其他功能模块，

进行中断响应。程序进入中断响应后，进入辅助跟踪子程序，见图６ｂ。此时输出脉冲的个数根据实际运

行需要确定，由于步进电机的步距角是一个定值，因

此在软件设计跟踪子程序时，应充分考虑计算结果与步距角的关系，防止电机往复运行和引起更大的误差。

５试验结果及结论

太阳跟踪程序是系统的主要应用程序，图７ａ，ｂ示出跟踪程序的计算结果，它表明了太阳运行的基本规律，为精确跟踪太阳提供了保证。图７ｃ示出步进电机控制脉冲实验波形。

研究了基于ＡＲＭ微处理器ＬＰＣ２２９０的太阳能

跟踪系统的软硬件设计。ＡＲＭ处理器丰富的片内外设和优越的性能适用于复杂的多任务处理场合，且可靠性高、成本低；利用!Ｃ／ＯＳ－ＩＩ可以提高系统的安全性和可靠性，简化多任务程序的设计，但用户必须对!Ｃ／ＯＳ－ＩＩ有深入的了解，才能编写出有效的程序代码。在设计太阳位置计算程序时，充分利用了ＡＲＭ处理器的３２位数据处理能力，太阳位置计算精度理论上的误差不超过０．１°；同时增加了人机交互功能和手动控制功能，便于监督系统运行情况并处理意外情况。考虑到主动跟踪误差的存在，因此以光电检测模块作为辅助定位方式，可有效减少积累误差，并实现自动控制，但目前这部分功能还没有实现。所设计的软硬件部分已经在跟踪试验平台上初步验证，系统具有一定稳定性，跟踪精度误差在

０．２５°～０．５°

，适用于大型太阳能热发电系统。参考文献

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