摘要：為了高效地利用太陽(yáng)能，根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，結(jié)合光電傳感器設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。首先進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制的軟件實(shí)現(xiàn)，然后深入地分析比較步進(jìn)電機(jī)一般驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤精度的影響。研究結(jié)果表明，與采用一般驅(qū)動(dòng)方法的系統(tǒng)相比，采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度高，有效地提高太陽(yáng)能利用率。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；自動(dòng)跟蹤；步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)；跟蹤精度

    能源短缺問(wèn)題是目前許多國(guó)家面臨的重要問(wèn)題，太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，有著巨大的開(kāi)發(fā)前景。我國(guó)是一個(gè)太陽(yáng)能資源較為豐富的國(guó)家，充分利用太陽(yáng)能資源，有著深遠(yuǎn)的能源戰(zhàn)略意義。利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵是提高太陽(yáng)能電池板采集太陽(yáng)能的效率，太陽(yáng)能電池板接受太陽(yáng)光的直射，由此得到太陽(yáng)最大光照強(qiáng)度，從而最大限度的采集太陽(yáng)能，目前太陽(yáng)能電池板普遍采用半自動(dòng)單軸跟蹤方式和電池板固定朝南安裝的方式。這些方法存在的缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換效率較低、跟蹤適應(yīng)能力弱、跟蹤精度低。本文根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，結(jié)合光電傳感器設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟跟系統(tǒng)。設(shè)計(jì)硬件和軟件控制流程，深入地分析比較步進(jìn)電機(jī)一般驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤精度的影響。該系統(tǒng)跟蹤能雙軸跟蹤，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，有望在光伏發(fā)電中使用。

1 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1．1 太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律
    為了提高太陽(yáng)能電池板對(duì)光能的采集效率，需要盡可能的保持太陽(yáng)光垂直照射到太陽(yáng)能電池板上。從高度角方位角兩個(gè)物理量是可以描述太陽(yáng)的這種位置變化的，太陽(yáng)能電池板對(duì)高度角和方位角的跟蹤就能保證陽(yáng)光垂直照射電池板，但是在一般情況下還需要光電傳感器反饋來(lái)對(duì)跟蹤的誤差進(jìn)行修正，以提高自動(dòng)跟蹤的精度。
    太陽(yáng)高度角α

    式中：t是一天當(dāng)中的時(shí)刻。
    由式(1)-(4)可計(jì)算出太陽(yáng)高度角和方位角，以此進(jìn)行兩個(gè)角度的雙軸跟蹤，來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤。
1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為六個(gè)部分：時(shí)鐘模塊，初始位置校驗(yàn)，單片機(jī)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，光電檢測(cè)模塊和太陽(yáng)能電池板。單片機(jī)是整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)運(yùn)算和控制。時(shí)鐘模塊主要把全年每天的時(shí)間提供給單片機(jī)。驅(qū)動(dòng)模塊包括光電隔離、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)，為了消除干擾，單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)之間需要加隔離；由于是在高度角和方位角兩個(gè)方向上進(jìn)行雙軸跟蹤，因此需要兩個(gè)相同的驅(qū)動(dòng)模塊。傳感器模塊包括四象限探測(cè)器、信號(hào)處理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路。太陽(yáng)光線垂直照射四象限探測(cè)器時(shí)，它四個(gè)象限的輸出電流等；

    當(dāng)發(fā)生偏移時(shí)，四個(gè)象限的電流不等，通過(guò)四象限探測(cè)器的這種特點(diǎn)檢測(cè)太陽(yáng)光是否直射太陽(yáng)能電池板。信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)信號(hào)采集放大，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓量并放大后，通過(guò)A／D后送入單片機(jī)運(yùn)算分析并發(fā)出控制信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)。
1．3 硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的控制核心采用的單片機(jī)是AT89S51；時(shí)鐘芯片是DS1302；日出初始位置校驗(yàn)需要使用微動(dòng)開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)使用三洲集團(tuán)樂(lè)拉電器廠的LXW5-11G2。
    光電檢測(cè)部分： (1)四象限探測(cè)器具有低暗電流，高可靠性、高均勻性、高對(duì)稱性，盲區(qū)小的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用的四象限探測(cè)器為Pacific Silicon Sensor的QP20—6T08S。四象限探測(cè)器示意圖如圖2所示，器件是反向偏置的半導(dǎo)體二極管陣列，其工作原理是：當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射器件各個(gè)象限時(shí)，各個(gè)象限輸出的光電流ia、ib、ic、id相等；而當(dāng)目標(biāo)發(fā)生偏移時(shí)，各個(gè)象限的輸出光電流不等，光電流經(jīng)信號(hào)變換及放大后變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量，太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)偏移量由式(5)算出，由此可測(cè)出太陽(yáng)的方位，從而起到跟蹤的作用。四象限探測(cè)器能在東西方向(方位角方向)和南北方向(高度角方向)上進(jìn)行雙軸跟蹤。并且通過(guò)四個(gè)象限的電流和還可以進(jìn)行陰晴天的判斷，晴天時(shí)，太陽(yáng)光線強(qiáng)，所產(chǎn)生的電流大，陰天時(shí)產(chǎn)生的電流小，因此確定一個(gè)閾值就能判斷天氣，經(jīng)實(shí)驗(yàn)后得這個(gè)閾值為1．12V。(2)測(cè)量四象限探測(cè)器其中一個(gè)象限所用的光電探測(cè)電路如圖3所示，每個(gè)象限都使用完全相同的光電探測(cè)電路。電阻把光電二極管輸出的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，運(yùn)放將這個(gè)壓信號(hào)作適當(dāng)?shù)姆糯?，四象限光電探測(cè)器所產(chǎn)生的阻抗電流，其值一般為mA級(jí)，經(jīng)試驗(yàn)后知需要放大的倍數(shù)為2倍。(3)轉(zhuǎn)換器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A／D芯片。
   
   

    驅(qū)動(dòng)模塊在2．2中會(huì)詳細(xì)介紹。
1．4 軟件設(shè)計(jì)
    軟件流程圖如4所示。系統(tǒng)初次使用時(shí)進(jìn)入時(shí)鐘芯片的初始化，中斷的初始化設(shè)置。剛?cè)粘鰰r(shí)，進(jìn)行初始位置校驗(yàn)，即單片機(jī)發(fā)出信號(hào)控制電池板由頭一天運(yùn)動(dòng)的反方向旋轉(zhuǎn)，直至碰到限位開(kāi)關(guān)后停止，此時(shí)的位置作為初始位置，初始位置太陽(yáng)能電池板的高度角方位角是確定的。此后由時(shí)鐘提供的日出日落時(shí)間，和單片機(jī)儲(chǔ)存的事先計(jì)算好的日出日落時(shí)間比較，若在日出后日落前，傳感器電路由此時(shí)的光照強(qiáng)度判斷是否為晴天，若為晴天，進(jìn)行時(shí)鐘跟蹤，即把單片機(jī)里事先存儲(chǔ)的太陽(yáng)高度角方位角數(shù)據(jù)與上一次(每天日出時(shí)的為初始位置)的高度角方位角比較得出角度差值，轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)后單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度，這以后使用傳感器電路檢測(cè)陽(yáng)光是否垂直照射電池板，若沒(méi)有，則把信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，再使電機(jī)帶動(dòng)電池板旋轉(zhuǎn)；若為陰天，則只進(jìn)行時(shí)鐘跟蹤。一次跟蹤完成后，等待1．5分鐘，進(jìn)行下一次的跟蹤，如此反復(fù)進(jìn)行。

2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)
    步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法可分為細(xì)分驅(qū)動(dòng)和非細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)就是把步進(jìn)電機(jī)的步距角細(xì)化，使步距角分辨率提高；在非細(xì)分驅(qū)動(dòng)中，步進(jìn)電機(jī)的步距角只有整步和半步兩種。
2．1 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理
    在步進(jìn)電機(jī)非細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中，各相繞組的電流只有零和某一額定值兩種狀態(tài)，相應(yīng)的各繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是只有零和某一額定值兩種狀態(tài)?？刂贫ㄗ永@組中的電流變化，使合成磁勢(shì)以微步距轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)原有步距角細(xì)分，使轉(zhuǎn)子以較小的步距增量旋轉(zhuǎn)，提高步進(jìn)分辨率。細(xì)分控制的基本思想是在每次輸入脈沖切換時(shí)，只改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分，這樣步進(jìn)電機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，從而使轉(zhuǎn)子每步運(yùn)行角度也只是步距角的一部分。
    式6為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分的數(shù)學(xué)模型
   
    式中：ia是A相電流，ib是B相電流，in是額定電流，n是細(xì)分?jǐn)?shù)，s是步數(shù)為了實(shí)現(xiàn)恒力矩驅(qū)動(dòng)，并保持力矩輸出為最大值，相電流的變化取三角函數(shù)關(guān)系。

    兩相混合式步進(jìn)電機(jī)4細(xì)分電流狀態(tài)圖如圖5所示?？梢钥闯?，初始時(shí)A相電流ia=0，B相通額定電流in；第一步時(shí)，A相電流ia=insin(22．5°)=0．38in，B相電流ib=incos(22．5°)=0．92in；第二步時(shí)，ia=0．71in，ib=0．71in，……
2．2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
    文中設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)采用THB6064H來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其整步步距角是1．8°／步，半步是0．9°／步。THB6064H是一個(gè)PWM斬波式正弦波微步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。它內(nèi)部集成了細(xì)分、衰減模式設(shè)置、電路調(diào)節(jié)、CMOS功率放大等電路。其主要參數(shù)和性能指標(biāo)如下：
    (1)單芯片兩相正弦細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
    (2)采用高耐壓BiCD工藝。
    (3)可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。
    (4)可選擇細(xì)分控制(1／2，1／8，1／10，1／16，1／20，1／32，1／40，1／64)。
    (5)高輸出耐壓。
    (6)高輸出電流。
    (7)有輸出監(jiān)視管腳。
    (8)芯片內(nèi)部有過(guò)熱保護(hù)和過(guò)流檢測(cè)電路。

    單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)連接電路如圖6。單片機(jī)P0．2端發(fā)出高電平信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離芯片TLP521，使能端EN變?yōu)楦唠娖?，芯片開(kāi)始工作；CW／CWW端為步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制端，用高低電平控制；CLK端為脈沖輸入端。撥碼開(kāi)關(guān)確定細(xì)分?jǐn)?shù)后，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分后的步距角也隨之確定，需要步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)多大角度，只需轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)后通過(guò)P0．1向CLK端發(fā)送脈沖即可，為了避免步進(jìn)電機(jī)過(guò)沖，而且在太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中使用，也不必過(guò)快旋轉(zhuǎn)，所以脈沖頻率不能太高。用THB6064H芯片設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的外圍電路簡(jiǎn)單，可靠性高，并且與單片機(jī)的連線只有三根。

3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法對(duì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤精度影響的研究
    在太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，每一個(gè)模塊對(duì)跟蹤精度都有影響，本文重點(diǎn)研究步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法對(duì)跟蹤精度的影響，必須使其他因素理想化，排除它們對(duì)跟蹤系統(tǒng)精度的影響，采用仿真進(jìn)行研究。
    以南寧市夏至日高度角跟蹤為例，日出時(shí)間為當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)5時(shí)14分，日落時(shí)間為當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)18時(shí)46分。
3．1 自動(dòng)跟蹤未采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)
    對(duì)南寧市夏至日高度角數(shù)據(jù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，間隔時(shí)間為4．5分鐘時(shí)，太陽(yáng)高度角的變化大約為0．9°，所以在不采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)太陽(yáng)能電池板在高度角上的調(diào)整至少需要間隔4．5分鐘。
    間隔4．5分鐘，無(wú)細(xì)分高度角跟蹤圖如圖7所示。圖中的階梯波形曲線為高度角跟蹤曲線，另一條曲線為實(shí)際的南寧市夏至日高度角曲線。不對(duì)光電傳感器部分進(jìn)行仿真。

    在階梯波中，電池板轉(zhuǎn)動(dòng)小角度所需要的時(shí)間相對(duì)于數(shù)分鐘的等待時(shí)間來(lái)說(shuō)是非常短暫的，所以忽略電池板轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的時(shí)間。系統(tǒng)的跟蹤過(guò)程為：每隔4．5分鐘計(jì)算出高度角差值，除以半步步距角0．9°，得到所需脈沖數(shù)，由于脈沖只能是整數(shù)，所以對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行四舍五入處理，將得到的脈沖數(shù)發(fā)送使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)。
    跟蹤的最大誤差是9．14°，平均誤差是3．96°。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)在沒(méi)有采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)震動(dòng)和噪聲比較大，每一個(gè)脈沖的旋轉(zhuǎn)角度誤差是比較大的，由于仿真中是假定此時(shí)一個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0．9°，所以實(shí)際的要比理想化的跟蹤誤差要偏大。
    不考慮反饋，出現(xiàn)累積誤差，配上傳感器電路作為反饋修正，可消除部分累積誤差，但是步進(jìn)電機(jī)的最小旋轉(zhuǎn)角度是0．9°，對(duì)于諸如1．3°，2．4°這樣的離0．9°的整數(shù)倍較遠(yuǎn)的角度偏差改良效果不佳，所以用光電傳感器電路進(jìn)行反饋時(shí)對(duì)跟蹤精度的改良效果也十分有限。
    此時(shí)電池板的等待間隔時(shí)間至少是4．5分鐘，在這段時(shí)間內(nèi)電池板的角度是不變的，但是太陽(yáng)高度角是一直在變化的，所以等待時(shí)間越長(zhǎng)，則電池板采集太陽(yáng)能的效率就會(huì)越低。
3．2 自動(dòng)跟蹤采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)
    間隔1．5分鐘，采用32細(xì)分高度角跟蹤圖如圖8所示，其跟蹤過(guò)程與圖7類似。采用32細(xì)分驅(qū)動(dòng)，0．0563°／步，間隔時(shí)間縮短，跟蹤的最大誤差是1．25°，平均誤差是0．9°。由圖8可知，跟蹤誤差比不采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)明顯減小，精度提高，細(xì)分驅(qū)動(dòng)后步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，每個(gè)步進(jìn)精度接近于0．0563°，采用傳感器電路進(jìn)行反饋補(bǔ)償后可進(jìn)一步提高跟蹤精度，此時(shí)的補(bǔ)償效果優(yōu)于一般驅(qū)動(dòng)。
    間隔1．5分鐘，64細(xì)分高度角跟蹤圖如圖9所示，其跟蹤過(guò)程與圖7類似。跟蹤的最大誤差是0．4°，平均誤差是0．16°。64細(xì)分驅(qū)動(dòng)后精度比32細(xì)分進(jìn)一步提高，并且64細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)還可進(jìn)一步縮短間隔時(shí)間。對(duì)于一般的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，64細(xì)分，間隔1．5分鐘，再配以光電傳感電路進(jìn)行角度反饋補(bǔ)償是完全能滿足太陽(yáng)能自動(dòng)跟系統(tǒng)的精度要求。

    基于縮短等待間隔時(shí)間，傳感器對(duì)小角度補(bǔ)償時(shí)誤差減小和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定三方面來(lái)考慮，太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)，這樣可以大幅提高跟蹤精度，充分利用太陽(yáng)能資源。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)為雙軸跟蹤，能自動(dòng)檢測(cè)晝夜和判斷天氣狀況。自動(dòng)跟系統(tǒng)采用預(yù)先計(jì)算好的太陽(yáng)位置進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，晴天時(shí)光電傳感器對(duì)可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行修正，減小跟蹤誤差。深入地分析比較系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用一般驅(qū)動(dòng)與細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)跟蹤精度的影響，得出結(jié)論，與采用一般驅(qū)動(dòng)方法的系統(tǒng)相比，采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度高，有效地提高太陽(yáng)能利用率。