太阳能自动跟踪系统设计课程设计论文

HarbinInstituteofTechnology课程名称：自动控制元件院系：航天学院控制科学与工程系班级：设计者：指导教师：设计时间： 20年12月摘要能源是人类生存的基础，当前，人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，而太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，同时太阳能也存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使当前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。而太阳光线自动跟踪装置能有效地解决太阳能利用率不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了自动跟踪系统控制部分设计和机械设计。第一，控制部分设计：主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻，将九个完全相同的光敏电阻成九宫装放置于一块电池板上。当九个光敏电阻接收到的光强度不相同时，产生电流信号。电流通过信号转换电路生成脉冲信号，然后脉冲信号通过运放比较电路将信号送给单片机。通过给单片机录入程序使单片机驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。第二，机械部分设计：机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。通过以上原件实现了水平方向和垂直方向的跟踪。当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪。同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动。关键词太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机1绪论 51.1课题来源 51.2课题背景 51.2.1能源现状及发展 51.3课题研究的目的 61.4研究课题的意义 61.5太阳能利用的国内外发展现状 71.6太阳追踪系统的国内外研究现状 71.7论文的研究内容 82太阳能自动跟踪系统总体设计 92.1太阳运行的规律 92.2跟踪方案的比较选择 92.2.1视日运动轨迹跟踪 92.2.2光电跟踪 112.2.3系统跟踪方式的选择 123机械设计部分 123.1跟踪器机械执行部分比较选择 123.1.1立柱转动式跟踪器 133.1.2陀螺仪式跟踪器 143.1.3齿圈转动式跟踪器 143.2太阳能自动跟踪系统机械设计方案 163.3第一齿轮转动计算 173.4第二齿轮转动计算 183.5抗风性分析 184电机选择 194.1电机所需静力矩计算 194.1.1电机1静力矩 194.1.2电机2静转矩 204.2电机选择 214.2.1电机的主要种类及其相应特性及特点 214.2.2电机种类的选择 244.3步进电动机介绍 264.3.1总述 264.3.2步进电机的主要特性 274.3.3步进电机型号的选择 295传感器的选择 375.1光电传感器 375.1.1光电探测器 375.1.2典型光敏电阻传感器 395.1.3高精度光敏传感器 415.1.4日晷式太阳传感器 435.1.5五象限光电传感器 435.1.6太阳敏感器 455.2光电传感器的确定 465.3风速传感器 476自动跟踪系统设计 486.1系统总体结构 486.2系统流程图 496.2.1系统主流程图 496.2.2风速测试子流程图 496.2.3光照强度测试子流程图 506.3系统控制图 516.4外围电路 517相关理论性能指标分析与计算： 537.1分辨率 537.2发电效率 537.3系统运转角度 547.4电机负载启动频率 547.5成本分析及收益计算 558结论 558.1设计过程的概述 558.2展望 568.3感想及心得 561绪论1.1课题来源模拟生产实际课题:太阳能自动跟踪系统设计。1.2课题背景 1.2.1能源现状及发展目前，人类生存主要依靠的能源是以石油、煤炭、天然气为主的矿物燃料。众所周知，这类矿物能源是不可再生能源，包括我国在内的很多国家都在认真积极的探索新能源以及可再生能源的开发和利用。而在众多新型能源中，太阳能作为一种清洁、可再生、利用成本低、安全的新型能源，在众多新能源中脱颖而出。而就现阶段的应用来看，太阳能也是当之无愧的最有新型能源。1.2.2我国太阳能资源我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。全国2/3地区日照小时数大于2200h/a，理论储量折合标准煤达17×1011t/a。丰富区位于吐哈、柴达木、二连、银额盆地；较丰富区位于塔里木、准噶尔、鄂尔多斯、松辽及渤海湾盆地。目前利用太阳光光能发电已成为主流，中国也在加紧研发光伏电池和如何降低成本等问题。1.2.3目前太阳能的开发和利用人类直接利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。太阳能的光电转换方面，现阶段的太阳能电池板对太阳能的转换率普遍达到了15%。太阳能的光化学转换主要应用与谁的分解，其主要包括三个途径，即化学光电池，光助络合催化，半导体催化。1.2.4太阳能的特点太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有以下优点：第一，太阳能是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。

第二，太阳能的应用范围广，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。

第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。第四，太阳能是一种廉价且安全的能源，太阳都能的开发条件低，而且应用起来比较安全。

太阳能的利用有它的缺点：

第一，能流密度较低，日照较好的，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。

第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。第三，太阳能电池板的利用效率很低，这是由于现阶段的技术水平决定，随着科技的发展这个缺点会逐步解决。1.3课题研究的目的本课题灵感来源于向日葵，主要目的是研究出一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备对太阳能的利用率。1.4研究课题的意义解决了当下大部分太阳能发电装置对太阳能应用率不高的问题，解决了空间分布不断变化的缺点。为太阳能的利用提出了更有效的方式方法，对于应对能源危机提供了一定的帮助。1.5太阳能利用的国内外发展现状日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太阳热能的利用，从1979年第二次石油危机后开始，1990年进入普及高峰。从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到2010年达到482万千瓦，增加约6倍。德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代，1990年德国政府推出了“一千屋顶计划”，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量1～5千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。已用4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。2005年，美国光伏发电总容量达到100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。印度也于1997年12月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神2006”的太阳能利用计划，按照该计划，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。我国由建设部制定的《建筑节能“九五”计划和2010年规则》中已将太阳能热水系统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站——安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。另外，据对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取代核能占第一位，多以很多国家对太阳能的利用加强了重视。太阳能也必然会成为利用最广泛的能源。1.6太阳追踪系统的国内外研究现状在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，使效率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，大大拓宽了跟踪器的应用领域。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1.7论文的研究内容本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电追踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。论文的主要工作包括:(l)分析太阳运行规律，比较国内外主要的几种跟踪方案，提出合理的跟踪策略。(2)机械部分也是实现追踪目的的关键，主要是机械设计和计算，装配图及其零件图。(3)分析传感器工作原理，分析该传感器大范围、高精度跟踪的可行性，还要设计光电转换电路。(4)选取控制芯片，分析系统的硬件需求，设计控制系统。(5)设计控制方案，步进电动机以及驱动电路。2太阳能自动跟踪系统总体设计2.1太阳运行的规律由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个27度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为23度27分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，夏至时赤纬角最大为23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。2.2跟踪方案的比较选择目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式:(1)视日运动轨迹跟踪；(2)光电跟踪；(3)视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。2.2.1视日运动轨迹跟踪不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。 参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法:算法l，采用中国国家气象局气象辐射观测方法；算法2，采用世界气象组织气象和观测方法。由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。太阳在天球上的位置可由太阳高度角α和太阳方位角γ确定。太阳高度角α又称为太阳高度或太阳俯仰角，是指太阳光线与地表水平面之间的夹角()，可由下式计算得出:式中:各角度单位均为度(°)。其中，ν为当地纬度角；δ为太阳赤纬角，春分和秋分时δ=0°，夏至时δ=23.5°，冬至时δ=-23.5°；ω为时角，是用角度表示的时间；n为1年中的日期序号，从1月1日开始，n=1，每往后加一天，即n=n+1。太阳方位角γ是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角，即: 式(1)~(3)中的赤纬角δ和时角ω的计算需要通过时间确定。由于太阳在一年中的时角运动很复杂，日常生活中的钟表时间采用平均太阳时(简称平太阳时，)，即太阳沿着周年运动的平均速率。真太阳时(即太阳时，)与平太阳时之差即称为时差，在工程计算中就会存在时差问题。因此，必须采用真太阳时，以达到实际计算中的精度要求。为了得到准确的真太阳时，可以根据定时标准来校正时差值，我国区域的时差e确定如下:式中:longitude为光伏发电地点的地理经度，中国地区的北京标准时间的经度为120°；t为北京时间。因为地球每24h自转1圈，所以每15°为1h；且正午时，时角ω=0°，上午时ω>0°，下午时ω<0°，则ω可由下式计算得到，即:ω=15(12-) (7)当太阳在正南方向时，式(3)中的方位角γ=0°；正南以西时，γ>0°；正南以东时，γ<0°。为有效跟踪太阳的位置，除了要计算出太阳的实时位置外，还需要知道具体某天的日出时角ω1和日落时角ω2。由于日出日落时，太阳高度角α=0°，因此，由式(1)可计算出:ω=arcos(-tanνtanδ) (8) 且根据时角ω(上午时ω>0°，下午时ω<0°)，得到日出时角的表达式为： ω1=arcos(-tanνtanδ) (9) ω2=arcos(-tanνtanδ) (10)计算出日出时角和日落时角后，由式(7)可得出日出时间和日落时间，即: 2.2.2光电跟踪传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件组成:位置检测器、控制组件、跟踪头。其跟踪系统框图如图2-5所示。位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。图2-5跟踪系统框图2.2.3系统跟踪方式的选择由上述可以看出，第一类视日运动轨迹跟踪方式的算法过程十分复杂，其计算量的增大会增加控制系统的成本，而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器是否正确安装的关系极为密切，该种方式在国内应用很少。第二类视日运动轨迹跟踪方式应用较多，但跟踪精度不高。成本较低而跟踪精度相对较高的是光电式跟踪，如果将视日运动轨迹跟踪与光电跟踪两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。故可在视日运动轨迹跟踪的基础上加高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以闭环控制为主，程序控制为辅，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。3机械设计部分3.1跟踪器机械执行部分比较选择根据分析以前的跟踪器机械执行部分的问题，以及成本等各个方面考虑，有以下几种跟踪器。3.1.1立柱转动式跟踪器图2-1立柱转动式跟踪器跟踪器的结构：大齿轮固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动)，小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮连接马达1的输出轴。马达1固定在转动架上，转动架以及支架固定安装在主轴上，接收器、马达2安装在支架上面(接收器相对于支架可以转动)，马达2的输出轴连接在接收器上。跟踪器实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮转动，由于大齿轮固定。使得小齿轮自转的同时围绕大齿轮转动，因此带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及接收器转动；同时控制信号驱动马达2带动接收器相对与支架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。对于方位角的跟踪，利用齿轮副传动，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本。整个跟踪器的结构紧凑，刚度较高。传动装置设置在转动架下。受到了较好的保护，提高了传动装置的寿命。3.1.2陀螺仪式跟踪器图2-2陀螺仪式跟踪器跟踪器的结构：传动箱1固定安装在支架上，马达1安装在传动箱1上，传动箱1的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达1的输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面(环形支架相对于支架可以转动)，传动箱1的输出轴连接环形支架，传动箱2固定安装在环形支架上，马达2安装在传动箱2上，传动箱2内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。马达2的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面(接收器相对于环形支架可以转动)，传动箱2的输出轴连接接收器。该跟踪器可以选择不同朝向安装，当按照上图的朝向进行安装时，跟踪器跟踪的实现原理如下：当太阳光线发生偏移时，控制部分发出信号驱动马达2带动传动箱2中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动接收器相对于环形支架转动，跟踪太阳由东向西的运动；同时控制部分也发出信号驱动由马达1带动传动箱1中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动环形支架和接收器转动，跟踪太阳南北方向的运动，由此来实现对太阳的两个方向的跟踪。系统优点：该跟踪机构结构简单。对于两个方向的跟踪，都利用蜗杆、蜗轮副传动，在紧凑的结构下得到很大的传动比，能使用功率很小的马达同时传递足够的动力，使用功率小的马达降低了其能源成本和制造成本；蜗杆、蜗轮副的自锁性能好，能防风防雨。结构紧凑，运动空间大。传动装置设置在传动箱内，受到了较好的保护，提高了装置的寿命。3.1.3齿圈转动式跟踪器机构结构：马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与齿圈1啮合。齿圈1连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈2啮合，齿圈2连接着转动架，转动架安装在主轴上(转动架相对于主轴可以转动)。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动齿圈1和主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。小齿轮2带动齿圈2和转动架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。图2-3齿圈转动跟踪器系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动力，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本；由于使用半个齿圈，能在紧凑的结构下得到较大的传动比。结构紧凑，运动空间大。3.2太阳能自动跟踪系统机械设计方案本课题的机械设计方案纵向本课题的机械设计方案横向机构结构：步进电机1固定在支架上，步进电机1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与大齿轮啮合。齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，步进电机2安装在主轴前端的一块板上，步进电机2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈啮合，齿圈连接着太阳能板，转动架安装在主轴上。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动，小齿轮1带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板转动，通过步进电机1、步进电机2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。3.3第一齿轮转动计算尺寸计算初选模数m=4mm，中心距a=260，转动比i=5。一般齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角=8到15度。初选齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角=10度，则齿轮齿数Z2=iZ1=5×25=125。分度圆直径：小齿轮直径，取d1=100mm。大齿轮直径，取d2=507.7mm。式（3.1）取齿宽系数=1.2b==1.2×100=120则取大齿轮宽度b2=120，小齿轮宽度b1=125。齿顶高式（3.2）齿根高式（3.3）齿高式（3.4）。3.4第二齿轮转动计算尺寸计算初选模数m=3mm，转动比i=4。一般Z1=25，=8到15度（为分度圆螺旋角）。初选Z1=30，=15度，则Z2=iZ1=4*30=120。分度圆直径：小齿轮，取d1=125mm。大齿轮，取d2=500mm。取齿宽系数=1.2b==1.2×125=150则取大齿轮宽度b2=150，小齿轮宽度b1=155。齿顶高齿根高齿高3.5抗风性分析底座上螺钉校核危险截面面积式(3.50)螺钉应力副式(3.51)选择螺钉的性能等级5.6级则式(3.52)螺钉疲劳极限式(3.53)极限应力幅式(3.54)许用应力幅所以螺钉强度满足条件。4电机选择4.1电机所需静力矩计算查相关系数得出以下结论:太阳板重12kg，梁1重51kg，电机齿轮2重4kg，纵轴10kg4.1.1电机1静力矩 重力:力矩平衡: 其中() 故 4.1.2电机2静转矩重力:易得 其中综合上述当4.2电机选择4.2.1电机的主要种类及其相应特性及特点直流电机原理:在电动机电刷两端引入直流电压，在电动机电刷两端引入直流电压，则电枢线圈中有电流通过，圈中有电流通过，载流导体在磁场中受电磁力的作用，力的作用，所以导体所受的电磁力对轴形成一个转矩，称为电磁转矩，使电枢旋转。通过换向器的作用在电枢线圈中产生的电流为交变电流，交变电流，使N、S极下的导体的电流方向不、极下的导体的电流方向不变，则电枢转矩的方向不变。所以外加直流则电枢转矩的方向不变。电能转换为机械能提供给轴上的机械负载。如图所示优点:1.具有良好的线性控制特性，静、动态控制性能好。2.调速范围广，易于无级调速、四象限运行。3.起动、制动转矩大，易于快速起动、停车缺点:1.电刷、换向器结构限制了电机的最大功率、最高转速；2.电刷、换向器结构限制了电机的安全性、适用性3.电刷、换向器结构导致电机应用维护性差。4.电磁兼容性差。 异步电机原理：当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势并产生感应电流。根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。以电压为参变量，电磁转矩T与转差率s（或转速n）的关系如下图所示调速方法：1.变频调速2.改变定子端电压调速3.转子回路串电阻调速4.串级调速5.矢量控制优点：结构简单，制造方便，价格便宜，运行方便。缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。无刷直流电机原理：电枢静止，磁极旋转，且磁极为永久磁铁。电枢绕组中电流的换向是借助于转子位置传感器和电子开关线路来实现的，所以，无刷直流电动机一般都是由电动机，位置传感器和电子开关线路三部分组成。优点：1.电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低2.属静态电机，空载电流小；3.效率高；4.体积小。缺点：1.低速起动时有轻微振动；2.价格高，控制器要求高；3.易形成共振。步进电机原理:通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲 三相步进电机负载运行数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。.优点：1．电机旋转的角度正比于脉冲数；2．电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；3．无累积误差故有较好的位置精度和运动的重复性； 4．优秀的起停和反转响应；5．没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6．响应仅由脉冲确定，可开环控制，使电机的结构简单而且控制成本；7．仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。8．由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。缺点1．如果控制不当容易产生共振；2．难以运转到较高的转速。3．难以获得较大的转矩4．在体积重量方面没有优势，能源利用率低。5．超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。低频共振和低频丢步曲线4.2.2电机种类的选择考虑到“向日葵”的逐步的运行方式以及控制以及成本等问题，步进电机的特性更加符合设计要求。具体理由如下:I．运行方式“向日葵”运行方式为基本等距的微小步进，步进电机可以通过调整步距角从而调整电机的步距，虽然步距角和运动增量是固定的，但在太阳能系统中对运动精度要求并不苛刻，故其满足要求。II.控制方式步进电机控制原理简单，位移量和脉冲量成正比，且能直接实现数字控制，数字脉冲信号经处理和功率放大后可直接控制步进电机，无需转换。符合系统控制简单易用的要求。III.机械结构步进电机机械结构简单，坚固耐用，适合“向日葵”长期户外作业的要求。IV．价格价格方面由于步进电机不能直接接到普通的交直流电源上运行，必须配备驱动器，而驱动器价格相对较高，但步进电机相对耐用，故在价格方面的些许劣势并不影响大体的选择。※关于步进电机使用闭环控制的一些思考：很多人认为步进电机没有闭环控制的必要，开环就能满足要求，它本来就是开环控制的，只要不超过它的允许范围内使用就可以.但是我们并不同意这种说法，理由有以下几点:1．步进系统便宜过伺服系统很多很多，众所周知，为了便宜，在自动控制领域内，步进系统还是占大多数，但步进系统潜在失步的可能性，且无法判断是否已经失步。虽然步进驱动器可以细分并产生微步，但微步主要是让电流更平滑，电机振动性更好，微步虽然可以提高步进电机的准确性，但微步却不可靠，这点限制了步进系统成为可满足高精度要求和高风险要求的机器。添加闭环控制器后，步进系统精度并不比伺服差，仅是速度比不上伺服（但前文已经分析，向日葵系统对速度的要求并不苛刻），定位精度可以超过伺服电机，因为伺服只是半闭环控制，免除了机械系统的误差，所以定位精度可以超过伺服系统.而价钱只是伺服的几分之一。2．步进电机不能保证绝对的准确性，而且还不知道是否准确，因此在工作负载变化大或不确定性的工作条件下，比如当向日葵追踪系统在运行时太阳板突然受到大风的干扰，力矩就会急剧增大.为了应付这种可能性并且保证精度，现在唯一的办法就是降低运行速度，以换取局部的安全.而其实绝大部份工作时间都不是在大阻力状态下，因此严重的降低了系统使用的效率，而使用闭环控制器，便可以在这种情况下大幅提高机器的效率，我们不必为个别的阻力点的安全而降低整个过程和速度和效率.控制器会自动调整速度通过阻力点，阻力点过后又会自动恢复速度，并加速补偿回丢失的脉冲，而且是一瞬间完成。3．不少的进口机电设备还有一些医疗机器上，步进电机后面带有编码器，以保证设备的精确性和安全性.国外步进电机后面带编码器已经有标准产品.还有日本东方电机是全球有名的步进系统制造商，他们这几年的着重推荐的步进系统的产品αstep系列，便是号称不会失步的步进电机，一套电机加驱动器要2-3千RMB.由此可见闭环的步进系统将是发展的一种方向，不是每个有精度要求和安全要求的机器都一定要用伺服电机.由以上几点可以看出步进电机的闭环控制是有自己存在的合理性和价值，当然这些只是针对有高要求但又不至于使用伺服的机器，不针对低要求的机器.它的作用是填补开环的步进电机和高性能的伺服电机的中间阶段的空白，给人以更多的选择。4.3步进电动机介绍4.3.1总述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。按励磁方式分类，步进电动机可分为3大类：(1)反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。(2)永磁式步进电功机永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的。转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。移或直线位移，即给一个冲信。(3)混合式步进电动机混合式步进电动机也称为感应式步进电动机。它综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩，动态性能好，步距角小，是一种很有发展前途的步进电动机。4.3.2步进电机的主要特性1.步距角步距角指每给一个电脉冲信号电机转子所应转过的角度。步进电机的步距角是由转子齿数和电机的相数所决定。典型的混合式步进电机是四相200步的电机，步距角为1.9。选择步进电机时，步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度。电机的步距角应等于或小于此角度。2.矩角特性矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系。3.响应频率在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率f作为衡量的指标。它是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率或突跳频率。4.启动矩频特性在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称牵入特性。5.运行矩频特性在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性。6.惯频特性在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性。7.保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。8.定位转矩（DETENTTORQUE）是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。9.步进电机的另外一些特点：a.一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。b．步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。c．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。d．步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。低频共振时的转子运动规律 低频共振和低频丢步4.3.3步进电机型号的选择由于系统需要两个步进电机，其二者所在位置和实现功能均不相同，故我们需分别对其进行选择。1.步进电机１选择估计步进电机1所需要的最大静力矩不大于，，由于在前文最大静力矩计算中已经给出了足够大的裕度，且负载转动惯量，电机转动惯量以及负载最大加速度较小，故我们在估算中将此项省略，又由步进电机最大静转矩的选择公式可知，当时，。经查阅相关厂家产品资料，初选森创电机型号如下序号规格型号相数步距角(°)静态相电流(A)相电阻(Ω)相电感(mH)保持转矩(N·m)定位转矩(N·m)转动惯量(g·cm2)外形尺寸(mm)重量(Kg)156BYG250C-SASSBL-024120.9/1.82.41.24.01.040.0426056×56×540.6256BYG250B-BASSBL-024120.9/1.82.40.952.40.650.0318056×56×450.48357BYG350DL-SASSML-060130.6/1.260.431.641.50.0838057×57×771.1三台电机的矩频特性如图序号1电机：序号2电机：序号3电机：电机选择分析在保持转矩均符合要求的情况下，我们做了如下分析I．相数（即步距角）三相电机相对两相电机而言，步距角更小，可以提升系统的精度，但电机1用于使整个系统绕着地面坐标系的Z轴旋转，且“向日葵”系统并不是高精度的系统，对精度要求不高，故三相电机在此方面没有太大的优势。II．启动转矩上述电机启动转矩均能满足要求。III．外形尺寸以及重量由表可知序号1电机相对序号3电机尺寸更小，重量更轻，不会给系统造成太大的负担，故在此方面我们偏向于序号1电机。IV．相电阻以及相电感序号1电机的相电阻以及相电感均大于序号3电机，相对序号3电机而言，序号1电机会使发热功率增加，造成一定的浪费，在此方面我们更偏向于选择序号3电机。V．保持转矩序号2电机保持转矩无法满足要求，故首先将其排除。序号1电机的保持转矩相对序号3电机保持转矩小，但所留下的裕量适中，而序号3电机的保持转矩的裕量相对而言较大，考虑到电机1大多数时间均是在正常工作环境下运行，对裕量的要求不大，序号3电机在这方面显然会造成一定的不必要的能量消耗，故在此方面我们更偏向于选择序号1电机。VI．转动惯量转动惯量会影响控制的动作的动态特性，比如加减速性能.显然转动惯量越小，动态特性越好。在转动惯量上，序号1电机相对于序号3电机有少许优势。VII．价格序号3三相电机的价格远高于序号1两相电机的价格，在成本方面，由于“向日葵”系统更偏向于民用，应尽可能减少成本，故序号1电机在此方面获得了我们的青睐。综上所述，电机1我们最后选择了序号1电机。即56BYG250C-SASSBL-0241森创两相混合步进电机。其所选电机其余主要参数如下查阅相关配套资料以及对系统使用环境进行考虑，我们最终选择了SH-20404作为它的驱动器。SH-20404驱动器相关参数如下：2.步进电机2选择估计步进电机1所需要的最大静力矩不大于，如上1电机分析，计算忽略了，同样由步进电机最大静转矩的选择公式可知，当时，。经查阅相关厂家产品资料，初选森创电机型号如下序号规格型号相数步距角(°)静态相电流(A)相电阻(Ω)相电感(mH)保持转矩(N·m)定位转矩(N·m)转动惯量(g·cm2)外形尺寸(mm)重量(Kg)186BYG250CN-SAKRBL-050120.9/1.85.00.86.87.50.36428083×83×1263.6286BYG350CH-SAKSML-030130.6/1.23.03.1719.57.00.4348085×85×1254.0两台电机的矩频特性如图序号1电机：序号2电机：电机选择分析：在保持转矩均符合要求的情况下，我们做了如下分析I．相数（即步距角）同上电机1的分析，三相电机可以提升系统的精度，考虑到电机2用于控制太阳能电池板的俯仰角，关系到“向日葵”系统追踪太阳的精度，可适当减小其步距角以增加电池板接收更大强度太阳光的能力，但两相电机和三相电机相比而言，在双拍运行时步距角仅仅少了0.3°，总体区别并不大，同电机1的结论，三相电机在此方面没有太大的优势。II．启动转矩由矩频特性图可知，所选电机都满足，即电机均可正常启动。III．外形尺寸以及重量由表不难看出序号1电机比序号2电机轻巧得多，减小了系统所承受的负担，故在此方面序号1电机更能满足要求。IV．相电阻以及相电感序号1电机的相电阻以及相电感略小于序号2电机，两电机相比，在发热功率这方面区别不大，在这项中无法评判孰优孰劣。V．保持转矩电机2所处位置以及功能要求其必须留有足够的转矩裕值以应对各种突发状态，如大风等，对于序号1电机，其裕量接近所需要求的25%，足以应对大多的状态，而序号2电机的保持转矩的裕量相对而言较大，虽说可以应对更多的恶劣情况，但需要从以下方面考虑：一，恶劣情况往往是少数，很有可能在系统过了服役期而损坏前都不会碰上一次所谓的恶劣情况。二，付出和所得到的收益并不成正比，会造成所谓的“性价比不高”的情况。综上，在此方面序号1电机胜出。VI．转动惯量序号1电机相对序号2电机的转动惯量小得多，减速性能更好，系统稳定性更高，动态性能更好，故在此方面，对系统而言，序号1电机更加优秀。VII．价格同电机1的选择，序号2三相电机的价格远高于序号1两相电机的价格，在成本方面，由于“向日葵”系统更偏向于民用，应尽可能减少成本，故序号1电机在此方面获得了我们的青睐。综上所述，电机1我们最后选择了序号1电机。即86BYG250CN-SAKRBL-0501森创两相混合步进电机。所选电机其余主要参数如下：查阅相关配套资料以及对系统使用环境进行考虑，我们最终选择了SH-20504作为它的驱动器。SH-20504驱动器相关参数如下5传感器的选择5.1光电传感器查阅了相关资料，最终我们根据系统的特性选择出以下几种传感器5.1.1光电探测器新光电探测器的具体结构如图3所示。设置一个空腔薄壁的梯体框架，框架每个侧面的内表面两侧分别布置一排型号为2CR21的硅光电池，底面为平面镜。该探测器对太阳的高度角和方位角进行二维跟踪，框架相对的两侧面上的光电池一对检测方位角偏差，另一对则检测高度角偏差。当太阳光线垂直照射平面镜时，检测方位角的光电池均没有接收到太阳光的直接照射；当太阳入射光与平面镜的夹角在～90°之间(为框架侧面与底面的夹角)，太阳光经平面镜反射到用来检测方位角偏差的一个侧面上的部分或全部光电池上，这些光电池两极之间产生较强的电压，而检测方位角偏差的另一侧面没有接收到太阳光的照射，其上的光电池两极间产生的电压相对微弱，这样经过适当处理的信号送入控制单元，控制单元发出控制信号，使电机动作直到太阳光垂直照射到框架底面的平面镜上；当太阳入射光与平面镜的夹角在0～之间，太阳光可以直接照射到检测方位角偏差的一个侧面的部分或全部光电池上，而检测方位角偏差的另一个侧面没有接收到太阳光的照射，如上述，两侧光电池的电信号也可进行比较。高度角方向上的偏差探测与之同理，探测器工作原理如图4所示。探测精度与框架的几何参数有关，角取值越接近90°，探测精度越高，但这样会减小探测范围，适当地增大框架高度H探测精度也会增高。本设计取=75°，框架的底面边长和高分别为200mm和96mm，探测精度可达0.5°，探测范围在5°～175°之间时即方位角或高度角的偏差值在5°～175°之间，该探测器可以正常工作。用光电池作为光敏元件较用光敏电阻作为光敏元件的显著优点在于光电池不需外加电源便可达到检测光照强弱的目的。现研究该探测器框架上相对两侧面上的光电池接收光照和其短路电流的情况。太阳光线与探测器底面的平面镜成角照射，在～90°之间时，受平面镜反射光照射的部分光电池，因其安装在与平面镜成角的框架内侧面上，接收的光强较太阳直接照射减弱，不考虑散射的影响，根据框架的几何参数，可得减弱系数为(cos+sin/tan)，而与之相对的另一侧面上的光电池只受环境散射光的照射。在0～之间时，一个侧面上的部分或全部光电池接收太阳光的直射，而与之相对的另一侧面只受环境散射光的照射。由硅光电池的特性知，光电池的短路电流与入射光照度成正比，所以本探测器采集的是光电池的短路电流，信号经电流-电压变换、滤波、放大后由数据采集卡送入计算机处理。设该探测器处在太阳光可以直接照射的环境中，环境光照度为(1～1.3)×105lx，以型号为2CR21的硅光电池为例，表1列出了接收太阳光经平面镜反射和相应环境散射的光电池的光照度和短路电流，表2列出了接收太阳光直接照射和相应环境散射光的光电池的光照度和短路电流。从表1和表2可以看出，只要在控制部分设置合适的临界值，就可以准确检测到方位角上是否存在偏差。高度角上的情况与此类似。5.1.2典型光敏电阻传感器使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电机的正反转。由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。这里所介绍的控制电路也包括两个电压比较器，但设在其输人端的光敏传感器则分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻；一只检测太阳光照，另一只则检测环境光照，送至比较器输人端的比较电平始终为两者光照之差。所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳，而且调试十分简单，成本也比较低。

电路原理

电路原理图如图1所示，双运放LM358与R1、R2构成两个电压比较器，参考电压为VDD（＋12V）的1/2。光敏电阻RT1、RT2与电位器RP1和光敏电阻RT3、RT4与电位器RP2分别构成光敏传感电路，该电路的特殊之处在于能根据环境光线的强弱进行自动补偿。如图2所示，将RT1和RT3安装在垂直遮阳板的一侧，RT4和RT2安装在另一侧。当RT1、RT2、RT3和RT4同时受环境自然光线作用时，RP1和RP2的中心点电压不变。如果只有RT1、RT3受太阳光照射，RT1的内阻减小，LM358的③脚电位升高，①脚输出高电平，三极管VT1饱和导通，继电器K1导通，其转换触点3与触点1闭合。同时RT3内阻减小，LM358的⑤脚电位下降，K2不动作，其转换触点3与静触点2闭合，电机M正转；同理，如果只有RT2、RT4受太阳光照射，继电器K2导通，K1断开，电机M反转。当转到垂直遮阳板两侧的光照度相同时，继由器K1、K2都导通，电机M才停转。在太阳不停地偏移过程中，垂直遮阳板两侧光照度的强弱不断地交替变化，电机M转——停、转——停，使太阳能接收装置始终面朝太阳。4只光敏电阻这样交叉安排的优点是：（l）LM358的③脚电位升高时，⑤脚电位则降低，LM358的⑤脚电位升高时，③脚电位则降低，可使电机的正反转工作既干脆又可靠；（2）可直接用安装电路板的外壳兼作垂直遮阳板，避免将光敏电阻RT2、RT3引至蔽阴处的麻烦。

使用该装置，不必担心第二天早晨它能否自动退回。早晨太阳升起时，垂直遮阳板两侧的光照度不可能正好相等，这样，上述控制电路就会控制电机，从而驱动接收装置向东旋转，直至太阳能接收装置对准太阳为止。

安装调试

整个太阳能接收装置的结构如图2。兼作垂直遮阳板的外壳最好使用无反射的深颜色材料，四只光敏电阻的参数要求一致，即亮、暗电阻相等且成线性变化。安装时，四只光敏电阻不要凸出外壳的表面，最好凹进一点，以免散射阳光的干扰；垂直遮阳板（即控制盒）装在接收装置的边缘，既能随之转动又不受其反射光的强烈照射。凋试时，首先不让太阳直接照到四只光敏电阻上，然后调节RP1、RI2，使LM358两正向输人端的电位相等且高于反向输人端0.5V－1V。调试完毕后，让阳光照到垂直遮阳板上，接收装置即可自动跟踪太阳了。5.1.3高精度光敏传感器在太阳跟踪器中，传感器用来感测太阳的位置，或者感测太阳光线的入射角度。传感器的精度很大程度上决定了太阳跟踪器的精度。本设计中，采用了两个传感器，一个高精度光敏矩阵传感器，一个大角度传感器。将9个光敏电阻在同一平面上组成阵列，并分别编号，如图2所示。将这个光敏电阻阵列置于一个顶端开有一个小孔的封闭壳体中，小孔的直径等于光敏电阻的直径，如图3所示。当光线垂直于阵面照射时，光线将照射在9号光敏电阻上；当光线不垂直时，可能照射在1到8号电阻上。由被光线照射的光敏电阻的编号可以确定光源的方向。由于光敏电阻的阻值与光照强度有关，所以可以通过测量光敏电阻的阻值，确定被光线照射的电阻。在阳光下照射到光敏电阻的光并非是一条线，而是一个光柱，这个光柱有可能同时照射到两个光敏电阻，这时可认为受光面积大的光敏电阻为被照射电阻。传感器原理设光线在光敏电阻阵列上的照射点到9号光敏电阻中心的距离为D，小孔到光敏电阻阵面的距离为H，光线与垂直入射线夹角为β，则tanβ=D/H。根据正弦三角关系，当距离D固定时，H越大，β越小，精确度越高。所以在光敏电阻直径一定时，只要将壳体长度加长就可以得到足够高的精度。在壳体很长的情况下，如果光线入射角很大将会带来一个问题。如图4所示，入射角很大时，光线将不能直接照射在光敏电阻上，从而无法判断光源的位置。因此还需要一个传感器来识别大入射角时的光源方向。如图5所示，大角度传感器外型设计成凸台型，每个编号处安装一个光敏电阻。当光线垂直入射时，如图6所示，由于两边的光敏电阻有倾斜角度，受光面积比中间的电阻小，此时中间的光敏电阻阻值最小。当光线倾斜入射时，如图7所示，左边的光敏电阻受光面积大，因此它的阻值小。通过测量光敏电阻的阻值，可以判断光源的大概方位。为了提高精度，可以在中间的光敏电阻上套一个遮光管，如图8所示。当光线倾斜入射时，遮光管可以遮挡住照射在中间光敏电阻上的光线；当光线垂直入射时，遮光管不会遮挡照射在中间光敏电阻上的光线。因此如果让中间光敏电阻的阻值最小，则入射光线须以接近垂直的角度照射，从而提高了传感器的精度。控制策略及程序设计控制器首先读取大角度传感器的信号。当大角度传感器的1号、2号或3号光敏电阻的阻值最小时，说明光线从上面照射，光源的位置在上方，控制器驱动图1中的电机2，减小俯仰角；当大角度传感器的6号、7号或8号光敏电阻的阻值最小时，增加俯仰角。当大角度传感器的1号、4号或6号光敏电阻的阻值最小时，控制器驱动电机1向左旋转；当大角度传感器的3号、5号或6号光敏电阻的阻值最小时，控制器驱动电机1向右旋转。如果1号、3号、6号或者8号阻值最小，则电机1和电机2可以同时旋转。当角度调整到位后，9号光敏电阻的阻值最小。控制器检测到大角度传感器9号光敏电阻的阻值最小后，读取高精度光敏矩阵传感器的信号，如果高精度光敏矩阵传感器的9号光敏电阻阻值最小，说明调整到位。因为光照角度误差为1度时，光照面积误差小于0.02，这点能量损失与驱动电机的能量相比可以忽略，所以跟踪器调整到位后，可以保持一段时间不动。如果高精度光敏矩阵传感器的18号光敏电阻中某一个阻值最小，则控制器驱动电机1或电机2旋转，驱动过程类似于大角度传感器有信号时的驱动情况。传感器中受光照最强的电阻（即阻值最小的电阻）的编号可由比较电路和相关程序确定。为了节约能源，在夜间跟踪器应静止不动。白天或者黑夜可以通过时间来判断。另外阴天的光线为散射光线，这对跟踪器的调整是不利的。在阴天时，跟踪器不应经常动作。跟踪器正常调整位置时有一个合理的时间段，超过这个时间段仍不能调整到位的，可认为是阴天。5.1.4日晷式太阳传感器基本原理：由于太阳照射到地面上的角度变化会导致物体影子的移动，因此可以利用光敏传感器对物体影子的实时检测，来实现太阳能电池板效率的提高。在一块与太阳能电池板平行的板子上直立一根适当长度的棒子，并在板上周围一圈放上光敏传感器。若太阳光不是直射到太阳能电池板上，则小棒必有影子投到板上，板上有影子投射到的区域光强与其它区域有明显区别，此区域中的光敏传感器将这种变化转换成电信号，并以之控制太阳能电池板向该光敏传感器反向转动，从而实现太阳能电池板的实时转向控制。实现方式：太阳能电池板实时转向控制装置主要分为三个部分：太阳光偏离方向检测系统、数据处理系统以及转向系统。1、太阳光偏离方向检测系统如图，在一块与太阳能电池板平行的板子上垂直立一根长L的直棒，并在以棒根为圆心、R为半径的圆上放置一圈连续的光敏传感器。R/L控制在约0.2-0.3即可，使得太阳光与太阳能电池板垂直方向的夹角在约15°以内。为减少光敏传感器的使用量，并提高棒的稳定性、可靠性，可使R尽量小一些，并同时减小棒长L，以保证仪器不是过于敏感。在板上以帮根为圆点建立坐标系。将光敏传感器与单片机连接并编号。当某一个光敏传感器与其它光敏传感器监测到不同光强时，则选中此光敏传感器，将其编号输入到单片机内部进行处理，得到此光敏传感器的坐标（即太阳光偏离电池板垂直方向的反方向），并将其转换成电池板分别在x、y方向所需转动的角度，并将此信号传递到x、y方向的两个转轴上，使其转动相应角度。RL2、数据处理系统数据处理系统可通过单片机编程来实现，单片机采集承受光强不同的光敏传感器的编号，经处理后得到被选定的光敏传感器的坐标，并将结果最终处理为转轴需要转过的角度，传送到转向系统。3、转向系统转向系统得到数据处理系统发送过来的角度后，缓慢转动相应角度。此时若太阳光基本直射于太阳能电池板，即小棒的影子处于圆内，则太阳能电池板不再转动。否则重复执行此三部操作。从而实现早上阳光刚出来时太阳能电池板方向的自动调整。5.1.5五象限光电传感器基本原理：在半径为R的大圆内有一个半径为R/2的小圆，将大圆与小圆之间的圆环分成四个象限。每象限的分界线与X轴均成45度，小圆为第V像限，图2-6五象限光电转换器原理在上述5象限中为跟踪定位测向象限，V象限为主测象限。将5片面积、性能、参数相同的光电池安装在所设计的5个象限内，当阳光照射到5片光电池上时必然产生光电流，光电流强度与光强成正比。为了测量准确，在光电池前放置可调光学镜筒，将一个凸透镜放在镜筒前，透镜安放在镜筒的最外沿，如图2-7所示。当光线经过透镜照到镜筒底部的5片光电池上时，调节筒的长度，使光斑正好完全覆盖5片光电池。当太阳光与光轴成一角度时，光线经过透镜照射到5片光电池上形成的光斑必然发生偏移，如图2-8所示。阴影部分为光线照到的部分，此时有的光电池不能被光斑完全覆盖，因此各光电池产生的光电流不尽相同，将光电流差经过一系列处理后输入到跟踪头，驱动电机动作，调节跟踪装置，直到4个象限光电池输出的光电流相等，此时太阳光线与透镜光轴平行，驱动电机无动作。为了使测量跟踪装置更安全、可靠，该装置采用V象限主测光电池进行光强测量和判断，使装置在夜晚停止工作。将第V象限的电压V1与外来控制电压V2进行比较，可选择合适的V1控制测量跟踪装置的工作状态，在夜晚时V2<V1，装置停止工作；在有太阳光时V1>V2，装置正常工作。图2-7镜筒结构图2-8光线与光轴不垂直时理论上，镜筒越长，光电池的灵敏度愈高，但是镜筒长度和透镜的参数也有关系，不可能无限制增长，通常镜筒长度，以取10-30cm为宜。系统的位置精度，基本决定于传感器的精度，因此能够比较容易实现跟踪装置具有较高的精确度，光电池只要能捕捉到透镜聚焦的光斑就可以跟踪太阳，且结构设计较为简单。但当长时间出现云遮后或早晨太阳刚升起时，太阳光线与透镜光轴的夹角超过一定的角度范围，由于镜筒结构的限制，透镜聚焦的光斑无法被光电池捕捉到这时跟踪装置便无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。因而该种跟踪装置只能在一定的角度范围内实现高精度跟踪，其跟踪范围跟镜筒结构有关。5.1.6太阳敏感器太阳敏感器的基本分类通常，太阳敏感器可分为3类：（1）模拟式太阳敏感器。它产生的输出信号是星体相对太阳矢量方位（太阳角）的连续函数；（2）太阳出现敏感器（0-1式太阳敏感器）。它以数字信号1或0表示太阳是否位于敏感器的视场内；（3）数字式太阳敏感器。它能提供离散的编码输出信号，其输出值是被测太阳角的函数。该敏感器的特点是：视场大、精度高、寿命和可靠性有很强的优势，己广泛应用于各种型号的航天器上。太阳敏感器按照其工作的方式可以分成“0-1”式、模拟式和数字式几种。0-1”“0-1”式太阳敏感器又称太阳发现探测器，即只要有太阳就能产生输出信号，可以用来保护仪器，使航天器或实验仪器定位。它的结构也比较简单，敏感器上面开一个狭缝，底面贴光电池，当卫星搜索太阳时，一旦太阳进入该探测器视场内，则光电池就产生一个阶跃响应，说明发现了太阳。持续的阶跃信号指示太阳位于敏感器视场内。一般来说，卫星的粗定姿是由“0-1”式的太阳敏感器来完成的，主要用来捕获太阳，判断太阳是否出现在视场中。“0-1”式的太阳敏感器要能够全天球覆盖，且所有敏感器同时工作。这种敏感器虽然实现起来比较简单，但是比较容易受到外来光源的干扰。例如，此球反射的太阳光信号、太阳帆板反射的太阳光等都容易对这种敏感器形成干扰。因此，敏感器的滤波器能够滤掉偶尔出现的电脉冲。模拟式太阳敏感器模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器，常使用光电池作为其传感器件，它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关，其关系式为：其中，Iθ—太阳光束与光电池法线方向的夹角。0—光电池的短路电流；模拟式太阳敏感器几乎全部都是全天球工作的，其视场一般在20°~30°左右，精度在1°左右，它判断出现太阳信号的阈值以不高于太阳信号的80%（一般为50%）为门限。如图1所示。这样的精度对于通信卫星还可以，但对于对地观测的卫星来说，精度太低，因此，目前的通信卫星主要依赖这种模拟式的太阳敏感器。数字式太阳敏感器模拟式太阳敏感器的实现原理简单，但是其精度却难以满足卫星姿态控制系统日益提高的要求，并且，模拟式太阳敏感器容易受到地球反射光等其它光源的干扰使对姿态测量的结果产生误差，因此，数字式太阳敏感器得到了很大的发展。并且，数字式太阳敏感器能够满足越来越高的重量轻、功耗低、精度高、模块化等要求。数字式太阳敏感器是通过计算太阳光线在探测器上相对中心的位置的偏差来计算太阳光的角度的敏感器，主要有CCD和APS两种，其中CCD太阳敏感器包括线列CCD数字式太阳敏感器和面阵CCD式太阳敏感器，而APS数字式太阳敏感器则以面阵为主。目前应用CCD的数字式太阳敏感器产品较多。数字式的太阳敏感器的视场一般在±60°左右，其精度能够达到≤0.05°。其原理多是采用太阳光通过狭缝照射在CCD探测器上，通过计算太阳成像偏离CCD中心的位置来计算太阳光的夹角。其工作波段多采用0.4mm~1.1mm的可见光波段。虽然数字式太阳敏感器的视场很大，但真正用到的只是其中的一小段，在实际工作中它只对靠近光轴的主要区域重点探测，远离光轴的两侧只在较少时候进行探测；另外，为了避免被太阳能电池帆板等反射的太阳光干扰，太阳敏感器对偶然出现的较强信号也会将其滤除；最后，数字式太阳敏感器一般在CCD的前面要加滤光片，用来衰减太阳光强，使其不至于工作在饱和状态。5.2光电传感器的确定通过我们对上述6种传感器的比较，我们最终选择了序号3传感器，即高精度光敏传感器理由如下：从控制系统的角度来说，光电探测器，典型光敏电阻传感器，日晷式太阳传感器无法精确测量出太阳的具体的方位角以及高度角，对实现对步进电机的精密控制造成了一定的困难。相对而言，高精度光敏传感器，五象限光电传感器，太阳敏感器可以实现此功能。就精度的方面要求而言，高精度光敏传感器，太阳敏感器测得太阳位置角的精度相对于五象限光电传感器更高。价格方面，由于使用环境以及使用领域一般为航天领域，故太阳敏感器在价格上远远高于高精度光敏传感器，对于普通民用设备而言，代价太高，不易普及。本文选用的高精度光敏矩阵传感器既有大角度搜索功能，防止了在特殊情况下系统无法接收到阳光以至于无法运行的情况，又有高精度传感器来提高系统的控制精度，故适用于此太阳能跟踪系统。另注：在原传感器基础上加两个光敏电阻用来测光强。5.3风速传感器 由于风速传感器种类和功能均较为单一，且对于此系统而言，要求并不高，故在此我们没有作过多的选择，选了一个较为便宜的且符合要求的风速传感器。样本和具体参数如下：风速部分.测量范围：0～40m/s.分辨率：0.1m/s.准确度：±(0.5+0.03V)V—实际风速.起动风速：≤0.5m/s.距离常数：2.7m.抗风强度：50m/s.输出信号：RS485风向部分.测量范围：0～360°.分辨率：5°.准确度：±5°.起动风速：≤0.5m/s.距离常数：1.0m.阻尼比：0.4.抗风强度：50m/s.输出信号：RS485电源和工作环境.电源:DC.5V.工作环境：-40～+60℃；6自动跟踪系统设计6.1系统总体结构本系统包括光电转换器、步进电机、单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板有两个自由度。控制机构将分别对水平方向与垂直方向进行调整。单片机加电复位后，垂直和水平方向都将处于旋转待命状态，单片机将对采样进来的信号进行判断，并调整系统做出相应的动作。系统结构如下：光电转换传感器步进电机驱动器单片机光电转换传感器步进电机驱动器单片机电源电源图4-1系统总体结构6.2系统流程图6.2.1系统主流程图6.2.2风速测试子流程图6.2.3光照强度测试子流程图6.3系统