太陽能光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)—硬件部分畢業(yè)論文設(shè)計

1、 本科畢業(yè)設(shè)計論文題目：太陽能光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)硬件部分院 系： 電子信息工程學(xué)院 學(xué)科專業(yè)： 電氣工程及其自動化 2010年 6月太陽能光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng) 硬件部分摘要太陽能是一種非常具有開發(fā)潛力的能源，世界各國都在積極開發(fā)利用太陽能。我國太陽能的利用，在近十年發(fā)展得非常迅速，但是我國的太陽能利用技術(shù)還比較落后，且太陽能利用的局限性很大。為了進(jìn)一步擴(kuò)大太陽能的利用范圍，提高太陽能的利用率，本文開發(fā)了一套太陽跟蹤與驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使太陽能利用裝置時刻保持與太陽光線垂直，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且跟蹤精度高，可用于太陽灶、太陽能熱水器等各種太陽能裝置上，具有一定的實用價值。設(shè)計的太陽

2、跟蹤與驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：傳感器、控制器、機械跟蹤平臺。傳感器由獨立的四片光電池組成，用于大范圍跟蹤太陽，控制器硬件以單片機c8051f020為核心，完成了控制器的硬件電路設(shè)計和制作，系統(tǒng)的硬件電路包括，模擬輸入電路，電機驅(qū)動電路，電源電路等。關(guān)鍵詞:太陽跟蹤，傳感器，控制器，跟蹤平臺solar photovoltaic energy sources tracking control system the hardware partabstract solar energy is a kind of energy with great potential development,a

3、nd many countries is trying to utilize it.the use of solar energy is developed very fast in our country in recent ten years.but the technology of utilizing solar energy is still relatively backward,and the application of solar energy is restricted by many factors.to widen the use of solar energy and

4、 increase the utilization of solar energy,the solar energy traking and driving system is designed in this paper.the system can guarantee that the deviceice of utilizing solar energy is vertical to sun streams,and it has simple structure, low cost and high tracking precision.the system can be used in

5、 many kinds of solar installations such as solar cooker and solar water heater,and it has certain practical value.in the paper,the designed solar tracking and drive control system are mainly composed of three major components:sensors,controllers and mechanical tracking platform.the sensor is mainly

6、composed of four photocell which could achieve large-scale tracking the sun.c8051f020 is used as the core in the controller.hardware circuit design and production are accomplished.the system hardware circuits are composed of analog input circuit,the motor drive circuit,power circuit and so on.keywor

7、ds:solar tracking,sensor, controller,tracking platform目錄中文摘要 英文摘要.1 緒論11.1課題背景11.1.1太陽能的特點11.1.2太陽能利用基本方式21.1.3我國太陽能資源及利用情況21.2課題意義31.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4主要內(nèi)容41.5論文結(jié)構(gòu)42系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計52.1太陽運動規(guī)律52.1.1太陽與地球的位置關(guān)系52.1.2相關(guān)角度的計算62.2跟蹤控制方式的比較72.2.1視日運動運動軌跡跟蹤72.2.2光電跟蹤82.2.3視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合82.3系統(tǒng)工作原理圖83太陽跟蹤及驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計9

8、3.1硬件總體設(shè)計方案93.2傳感器結(jié)構(gòu)及信號采集處理電路93.2.1光電池的特性參數(shù)93.2.2光電池的型號103.3跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計103.3.1單片機c8051f020的簡介103.3.2電源電路113.3.3外部時鐘電路113.3.4復(fù)位電路123.4 c8051f020的adc0子系統(tǒng)133.5開關(guān)量輸入電路143.6步進(jìn)電機驅(qū)動與控制模塊153.6.1步進(jìn)電機簡述153.6.2步進(jìn)電機控制系統(tǒng)153.6.3串并行控制163.6.4步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動控制163.6.5步進(jìn)電機加減速控制173.6.6步進(jìn)電機驅(qū)動電路183.6.7步進(jìn)電機型號203.7傳動部分204結(jié)論22參考文獻(xiàn)2

9、3致謝24學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)聲明25學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明26附錄 硬件原理圖.271 緒論1.1課題背景1.1.1太陽能的特點能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。幾十年來，能源問題一直是舉世矚目的重大問題之一。目前世界消耗的主要能源是由吸收太陽能的植物經(jīng)億萬年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等，這些都屬于不可再生資源。據(jù)權(quán)威人士估計，世界上已經(jīng)探明的石油儲量僅可開采40多年；天然氣可開采70年左右；煤的儲量較豐富，可開采200年。地球上的資源是有限的，礦物質(zhì)燃料在數(shù)量上也是有限的并以不斷增長的速度在消耗。能源短缺，礦物燃料減少和污染增加，彼此互相關(guān)聯(lián)，威脅著人類的正常生活和持續(xù)發(fā)展

10、。常規(guī)能源逐漸枯竭，形勢危機不容低估，所以尋找和開發(fā)新能源是一項刻不容緩的任務(wù)。目前許多國家就開展了這方面的工作。在眾多可再生清潔能源中，太陽能就是理想的替代能源。其主要有以下優(yōu)點有：儲量的“無限性”。太陽每秒鐘放射的能量大約是161023kw，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約18921013千億噸，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。存在的普遍性。雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻，但相對于其它能源來說，對于地球上絕大

11、多數(shù)地區(qū)而言太陽能具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。利用的清潔性。太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染是人類理想的替代能源。利用的經(jīng)濟(jì)性?？梢詮膬蓚€方面看太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽能利用已具經(jīng)濟(jì)性。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性將會更明顯。太陽能雖然具有上面所說的許多優(yōu)點，并且其中有些優(yōu)點還是它所特有的。但是，它也不可避免地存在一些缺點，致使它未能迅速的大面積推廣應(yīng)用

12、。其主要有以下缺點：強度弱。雖然到達(dá)地球大氣上界和到達(dá)地球表面的太陽能總量都十分巨大，但它的強度卻是相當(dāng)弱的。也就是說，在單位時間內(nèi)投射到單位面積上的太陽能是相當(dāng)少的。從到達(dá)地球大氣上界的太陽能來說，太陽常數(shù)的值就表明了這個強度的大小。即在地球大氣層外每平方米垂直于太陽光線的面積上按收到的太陽輻射功率只有1353瓦，而垂直投射到地球表面每平方米面積上的太陽輻射功率就只有135347%=640瓦。太陽能的另一個弱點就是它的不穩(wěn)定性。同一個地點在同一天內(nèi)，日出和日落時的太陽輻射強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如正午前后。而在同一個地點的不同季節(jié)里，冬季的太陽輻射強度顯然又遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上夏季。一個原因是，由于太陽的高度角不同

13、，因此對同一個水平面的人射角自然不同。而在單位水平面上所接收到的太陽輻射能，除了與太陽輻射強度本身成正比外，還與太陽高度角的正弦成正比，或者說與太陽輻射的入射角的余弦成正比。顯然，當(dāng)太陽高度角越大，或者說太陽輻射入射角越小，也就是說越接近于正射時地面上同一水平面內(nèi)所接收到的太陽能就越多。間歇牲。到達(dá)地面的太陽直接輻射能，隨晝夜交替的變化。這就使大多數(shù)太陽能設(shè)備在夜間無法工作。為克服夜間沒有太陽直接輻射、散射輻射也很微弱所造成的困難，就需要研究和配備儲能設(shè)備，以便在晴天時把太陽能收集并存儲起來，供夜晚或陰雨天便用。1.1.2太陽能利用基本方式太陽輻射能實際上是地球上最主要的能量源泉。自然界中的燃

14、料能、風(fēng)能、水能等皆來源于太陽能。人類直接利用太陽能、已有上千年的歷史，其而利用的途徑主要有以下幾種：光熱轉(zhuǎn)換。它是靠吸收太陽輻射的光能直接轉(zhuǎn)換為熱能的。這種途徑雖最古老，但發(fā)展的最成熟、普及性最廣、工業(yè)化程度很高。光熱轉(zhuǎn)換提供的熱能一般溫度都較低，小于或等于100。較高一些的也只有幾百攝氏度。顯然，它的能源應(yīng)用難度較低，適合于直接利用。光電轉(zhuǎn)換。將太陽輻射的光能根據(jù)“光電轉(zhuǎn)換”原理把光能變成電能再加以利用，常稱“光伏轉(zhuǎn)換”。這是近幾十年才發(fā)明和發(fā)展起來的。由于電能的位品相當(dāng)高，所以它的應(yīng)用領(lǐng)域最寬、范圍最廣、工業(yè)化程度最高、發(fā)展最快且前景十分樂觀。光化學(xué)轉(zhuǎn)換。通過光化學(xué)作用轉(zhuǎn)換成電能或制氫。

15、它也是利用太陽能的一個途徑。二三十年前有不少人對此做了許多研究。近來報道不多。目前仍處于研究、開發(fā)階段。光生物轉(zhuǎn)換。通過光合作用收集與儲存太陽能。近來在這方面的研究有所增加，人們期盼出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。1.1.3我國太陽能資源及利用情況中國地處北半球，幅員遼闊，絕大部分地區(qū)位于北緯45以南。中國擁有豐富的太陽輻射能資源，在大約600萬km2的國土上，太陽能的年輻射總量超過16.3102kwhm2a(新的規(guī)定不再使用kcal“千卡”這個單位，可選用kj或kwh)；約相當(dāng)于1.2104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。全國年日照小時數(shù)在2000 h以上。太陽能年輻射總量超過1630kwhm2a的地區(qū)，約占全國總面積的2/

16、3。各個地區(qū)全年總輻射量的分布大體上在9302330kwhm2a之間。但由于受地理緯度和氣候等的限制，各地分布不均。1.2課題意義由于太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽能設(shè)備，如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能電池等等，但對太陽能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太陽能設(shè)備而言，如何最大限度的提高太陽能的利用率，仍為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。解決這一問題應(yīng)從兩個方面入手，一是提高太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高設(shè)備的能量接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決

17、。提高太陽能利用率的途徑通常有跟蹤和聚焦兩種方式。跟蹤指是太陽能利用裝置始終垂直于太陽輻射光線，即入射角度為零。香港大學(xué)建筑系的kpcheng和scmhui教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關(guān)系，理論分析表明對太陽光線運動的跟蹤與非跟蹤，太陽能設(shè)備能量的接收率相差37.7%，可見精確的跟蹤太陽可使太陽能設(shè)備的能量利用率大大提高，拓寬了太陽能的利用領(lǐng)域。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，國外對于太陽光線自動跟蹤裝置或稱為太陽跟蹤器的研究有，1994年在德國北部，太陽能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽能跟蹤裝置8。美國blackace，在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而

18、南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器對太陽能的熱接收率提高了15%。1998年美國加州成功的研究了atm兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量,使熱收率進(jìn)一步提高；joel.h.goodman研制了活動太陽能方位跟蹤裝置，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺使太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個方位跟蹤器具有大直徑的軌跡，通風(fēng)窗體是白晝光照鼓膜結(jié)構(gòu)窗體，窗體上面是圓頂結(jié)構(gòu)，成排的太陽能收集器可以從東到西跟蹤太陽，以提高夏季能量的獲取率。2002年2月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大

19、大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過日照溫度的變化實現(xiàn)了單軸被動式太陽跟蹤。2006年2月,acciona太陽能公司建立的被稱為西班牙最大的太陽能電站設(shè)施開始投入使用,整個設(shè)施由400個太陽跟蹤托盤，14400個電池板組成。這些太陽跟蹤托盤設(shè)計結(jié)構(gòu)為全年每天根據(jù)太陽不同的位置跟蹤陽光,與通常固定的平面系統(tǒng)相比，這種托盤設(shè)計可以增加35%的能源產(chǎn)出量。在歐美國家現(xiàn)在有較成熟的主動式全方位太陽跟蹤技術(shù)及產(chǎn)品。中國早在1958年就開始了光伏電池的研究，于1971年首次成功用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上，并于1973年開始將光伏電池應(yīng)用于地面，由于受到價格和

20、產(chǎn)量的限制，市場發(fā)展緩慢。在“六五”和“七五”期間，國家開始對光伏產(chǎn)業(yè)給予支持，促使光伏工業(yè)有了一定發(fā)展。2002年，國家計委啟動“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”，通過光伏和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)700多個無電鄉(xiāng)的用電問題，光伏電池用量達(dá)到15.5mwp。該項目大大刺激了國內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)建起了幾條光伏電池封裝線，2002年的年產(chǎn)量達(dá)到了20mwp。截止到2005年底，中國太陽電池組件的生產(chǎn)能力己經(jīng)達(dá)到400mwp，當(dāng)年產(chǎn)量達(dá)到140mwp，絕大部分太陽電池組件出口歐洲，2005年國內(nèi)安裝量只有5mwp，2006年為10mwp，國內(nèi)光伏電池累計使用量達(dá)到80mwp。1.4主要內(nèi)容因光伏電池的輸

21、出特性受外界因素影響較大，如何對光伏系統(tǒng)進(jìn)行有效控制使其能夠工作在最佳的狀態(tài)，有效的利用太陽能，從而能夠產(chǎn)生更多的電能，是一個非常重要的課題。主要研究內(nèi)容為：了解太陽能利用的相關(guān)背景知識。研究太陽跟蹤控制系統(tǒng)的相關(guān)資料、技術(shù)要求。研究和設(shè)計高太陽跟蹤控制系統(tǒng)方案。設(shè)計和畫出太陽能光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)硬件原理圖。1.5論文結(jié)構(gòu)本文同過幾部分進(jìn)行敘述：1、緒論，介紹了本課題的研究內(nèi)容、意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；2、系統(tǒng)工作原理和總體設(shè)計；3、太陽追蹤和跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計；4、總結(jié)本課題。2系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計2.1太陽運動規(guī)律2.1.1太陽與地球的位置關(guān)系地球每天圍繞通過它本身南極和北極的一個假想

22、軸地軸自西向東自傳一周，每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為24時，所以地球每小時自轉(zhuǎn)15度。在自轉(zhuǎn)的同時。地球圍繞太陽在一個橢圓形軌道上公轉(zhuǎn)，每公轉(zhuǎn)一周為一個太陽年、它等于365天5小時48分。即365241天，因此每四年須閏一日。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運行的軌道面(黃道面)的法線傾斜成23.27度的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極，這也是太陽赤緯角的最大值。在地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的一年中有四個特殊的日期，這就是受地球傾斜運動影響最大的冬至和夏至以及不受地球傾斜運動影響的春分和秋分。在北半球，春分大約是3月21日、夏至是6月22日，秋分是9月23日，而冬至是12月21日。夏至

23、的白天最長而冬至的黑夜最長；春分和秋分的晝夜各12個小時。在設(shè)計太陽能應(yīng)用系統(tǒng)時，不可避免地都會涉及到地球和太陽的位置關(guān)系，如太陽高度角、方位角等問題。地平坐標(biāo)系以地平圈為基本圈，天頂為基本點，南點為原點的坐標(biāo)系叫做地平坐標(biāo)系，如圖2.1所示。通過天頂和太陽（任一天體）x作一大圓，叫做地平經(jīng)圈；地平交地平面于m點；從原點s沿地平圈順時針方向計量，弧sm為方位角s(地平經(jīng)度)；弧xm為高度角（地平緯度），向上為正，向下為負(fù)?；x稱為天頂距，自z起計量，用z表示。顯然z=90-。圖2.1地平坐標(biāo)系 圖2.2時角坐標(biāo)系 時角坐標(biāo)系以天赤道為基本圈，北天極為基本點，天赤道和子午圈在南點附近的交點為原

24、點的坐標(biāo)系為時角坐標(biāo)系或第一赤道坐標(biāo)系，如圖2.2所示。通過北天極和太陽x作一個大圓，叫做時圈；時圈交天赤道于t點；從原點q沿天赤道順時針方向計量，弧qt為時角，以度、分，秒單位來表示，也可以用時，分，秒為單位來表示；弧xt為赤緯角，以度、分，秒單位來表示；從天赤道算起，向上為正，向下為負(fù)。當(dāng)天體作周日運動時，天體的赤緯不隨周日運動而變化，但天體的時角卻從0均勻地增加到360。2.1.2相關(guān)角度的計算在太陽能的地面應(yīng)用中，絕大部分的采光組件或陣列的安裝形式并非水平，而是以與地平面成一定夾角的傾斜形式安裝。所以有必要分析傾斜面在特定時間 及地點下的太陽入射計算。有關(guān)角的定義假如太陽能采光組件的傾

25、斜角度和方位角已經(jīng)確定，要計算入射在采光組件表面上的太陽直射輻射的能量，就必須定義一些角度。太陽光線入射角：太陽光線和采光組件表面法線之間的夾角，稱為太陽光線的入射角。太陽光線可以分為兩個分量，一個垂直于采光面，一個平行與采光面，只有前者的輻射能北采光面所截取。由此可見，實際使用時應(yīng)該是入射角越小越好，這也就是所說的跟蹤。太陽高度角和太陽方位角s:從地面某一觀測點向太陽中心作一條射線，該射線在地面上有一投影線，這兩條線的夾角叫做太陽的高度角。該射線與地面法線的夾角叫太陽天頂角z.。其中+z=90。太陽光線在地面上的投影線與正南方的夾角s，為太陽的方位角。并規(guī)定，向西為正，向東為負(fù)。采光組件的方

26、位角：采光組件表面法線在地面上有個投影，此投影線與正南方的夾角為采光組件的方位角。采光組件的傾斜角：采光組件平面與水平面的夾角稱為采光組件的傾斜角度。以上角度如圖2.3所示。圖2.3傾斜面有關(guān)幾何角度角度之間的關(guān)系和有關(guān)公式采光組件所獲得的太陽輻射量主要取決于太陽入射角，而是太陽赤緯角、太陽時角、地理緯度、采光組件傾斜角、采光組件方位角和的函數(shù)，它們的具體關(guān)系是:(2.1)其中太陽赤緯角可由cooper方程式(2.2)近似計算：n：一年中的天數(shù)，如：在春分，n=81，則=0。 （2.2）=(t-12)15 （2.3）時角計算公式見式(2.3)，t為當(dāng)?shù)貢r間，按小時計算。地球自轉(zhuǎn)一周為360，相

27、應(yīng)的時間為24h，每1h地球自轉(zhuǎn)的角度定義為太陽時角，則3602415，正午時角為零其他時辰時角的數(shù)值等于離正午的時間(h)乘以15。上午時角為負(fù)值，下午時角為正值，例如，上午10時和下午2時的時角分別為-30及30。從式（2-1），（2-2），（2-3）可看出，當(dāng)，確定后，采光組件傾角和方位角的值決定了直接日射入角，因此只要控制采光組件使其傾角和方位角有合適的值，就可以保證太陽光線入射角為0，從而最大限度地收集太陽能。故我們可以根據(jù)不同地區(qū)的情況確定一個合適的太陽能陣列的固定的安裝角，從而能最大效率利用太陽能。2.2跟蹤控制方式的比較目前國內(nèi)外跟蹤太陽的方法可以分為三種：視日運動軌跡跟蹤光電

28、跟蹤視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合?，F(xiàn)就這三種跟蹤方案做一個簡要的介紹和比較。2.2.1視日運動運動軌跡跟蹤 無論是采用時角坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽運行的位置變化都是可以預(yù)測的，通過在數(shù)學(xué)上對太陽軌跡的預(yù)測可完成對日跟蹤。 該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復(fù)雜，計算量的增大會增加控制系統(tǒng)的成本。而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值做比較，因而為了達(dá)到高精度跟蹤的要求，不僅對機械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切。工程生產(chǎn)中必須要求機械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高。初始化安裝時，儀器的中心南北線與觀測點的地理南北線要求重合。同時，還要通過儀器底部的水

29、平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點處于地面水平面內(nèi)。2.2.2光電跟蹤把兩塊完全相同的太陽能電池板按照一定的角度連接成“人”字型,它們既用作光電轉(zhuǎn)化的電池,也起光敏器件的作用。太陽光垂直照射地面時,兩塊電池板上得到的太陽光的能流密度完全相等,產(chǎn)生的光電流大小相等,此時控制它們方位的電動機不工作。入射太陽光與地面的夾角改變時,如果甲電池板得到太陽光的能流密度大于乙得到的能流密度,則甲電池板產(chǎn)生的光電流強度就大于乙電池板的光電流強度,利用這一信號驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動,使得電池板與太陽光的夾角同光垂直于地面時完全相同。其優(yōu)點為調(diào)節(jié)較為精確,電路也比較簡單。2.2.3視日運動軌跡跟蹤和光

30、電跟蹤相結(jié)合在視日運動軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個高精度傳感器。當(dāng)跟蹤裝置開始運行時，用兩片高精度傳感器初始定位。在運行當(dāng)中，以程序控制為主，傳感器瞬時測量作反饋，對程序進(jìn)行累積誤差修正。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽能發(fā)電裝置。但一計算過程十分復(fù)雜，高精度傳感器成本也很高，對于需要降低成本的小型太陽能利用裝置來講，該種跟蹤方式并不十分適用。2.3系統(tǒng)工作原理圖本系統(tǒng)主要由傳感器，單片機控制器，步進(jìn)電機，傳動裝置等組成，系統(tǒng)工作原理圖如圖2.4所示。電源電路c8051f 020電機驅(qū)動電路水平方向電機電機驅(qū)動電路垂

31、直方向電機光電池板信號采集處理電路行程開關(guān)外部時鐘電路圖2.4系統(tǒng)工作原理圖3太陽跟蹤及驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件總體設(shè)計方案太陽跟蹤與驅(qū)動控制器以單片機c8051f020為核心建立應(yīng)用系統(tǒng)。光電傳感器輸出的誤差信號經(jīng)過調(diào)理輸入到ad,為跟蹤提供依據(jù)。當(dāng)跟蹤裝置轉(zhuǎn)到極限位置時，為了保護(hù)設(shè)備同時為第二天跟蹤做好準(zhǔn)備和避免電纜纏繞，需返回初始位置?？梢圆捎孟尬婚_關(guān)來復(fù)位，當(dāng)機械設(shè)備轉(zhuǎn)到極限位置時，限位開關(guān)向單片機系統(tǒng)發(fā)送個脈沖，單片機響應(yīng)此操作，進(jìn)行中斷處理，跟蹤裝置歸位。3.2傳感器結(jié)構(gòu)及信號采集處理電路傳感器主要是由4片性能參數(shù)一致的光電池組成，其中兩個在東西方向成“人”字形，檢測東西方向

32、光線變化，即調(diào)整方位角，另兩個在南北方向成“人”字形，檢測南北方向光線變化，即調(diào)整俯仰角。由于光電池的信號可能比較微弱或信號差比較小，故先經(jīng)運算放大后輸入單片機，在單片機內(nèi)進(jìn)行比較再由執(zhí)行機構(gòu)動作。信號采集處理電路如圖3.1。東西或南北兩塊光電池的電壓接入u1、u0。圖3.1 信號采集電路為了精確測量數(shù)十ma范圍的光電池電流，運算放大器的偏置電流應(yīng)該不大于數(shù)毫安。本文中選用lm324,它的偏置電流是na數(shù)量級，lm324是一種4集成運算放大器，由于價廉且使用方便，被廣泛應(yīng)用于控制和一般信號放大處理之中。光電轉(zhuǎn)換電路可以使用集成運算放大器。圖給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，運放采用lm324，在圖中

33、所示條件下，令rf=r3，r1=r2，則電路放大倍數(shù)如式（3.1）所示放大倍數(shù)=rf/r1 （3.1） 其中若取r1=r2=100k，r3=rf=1m，則電路放大倍數(shù)為10。3.2.1光電池的特性參數(shù)光電池的主要功能是在不加偏置的情況下能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。按用途光電池可分為太陽能光電池和測量光電池兩大類。太陽能光電池主要用作電源，由干它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、能直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，因而不僅成為航天工業(yè)的重要電源，還被廣泛地應(yīng)用干人們的日常生活中。測量光電池的生要功能是作為光電探測用，對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長，它被廣泛地應(yīng)用在光

34、度、色度、光學(xué)精密計量和測試中。光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。所謂光生伏特效應(yīng)就是在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件，具有較大面積的結(jié)，當(dāng)光照射在結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。根據(jù)半導(dǎo)體的材料不同，光電池可分為硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。光電池的開路電壓是指當(dāng)光電池外接電阻為無窮大時，該電阻上所測得的電壓即為開路電壓。開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系。短路電流是指

35、把光電池結(jié)的兩端通過外導(dǎo)線短接，形成流過外電路的電流，該電流稱為光電池的輸出短路電流，其大小與光強成正比。光電池的光譜特性決定于材料。硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。3.2.2光電池的型號根據(jù)硅光電池的特點和工作的需要程度，本文選用2cr43硅光電池。2cr43光電池：面積1010mm2;開路電壓550mv;短路電流23ma；輸出電流22.5ma；轉(zhuǎn)換效率10-12%。3.3跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.3.1單片機c8051f020的簡介c8051f020器

36、件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級mcu芯片，具有64個數(shù)字i/o引腳。下面列出了一些主要特性：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的cip-51內(nèi)核（可達(dá)25mips）。全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；片內(nèi)看門狗定時器。真正12位、100 ksps的8通道adc，帶pga和模擬多路開關(guān)。真正8位500 ksps的adc，帶pga和8通道模擬多路開關(guān)。兩個12位dac，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。64k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的flash存儲器。4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)ram?？蓪ぶ?4k字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口。硬件實現(xiàn)的spi、smbus/i2c和兩個uart串行接口。5個通用的16

37、位定時器；具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列。3.3.2電源電路電源模塊需要向c8051f020供3v,為lm324和ta8435h的邏輯電壓供5v,還要為ta8435h的功率電壓提供24v，以及為a/d轉(zhuǎn)化提供2.5v的基準(zhǔn)電壓。電源模塊電路圖見圖3.3。 利用78m05將外部輸入的12v變換成5v,同時as1117將5v變?yōu)?.3v。選用mc1403,為ad轉(zhuǎn)化提供基準(zhǔn)電壓（也可以利用c8051f020片上自帶的內(nèi)部基準(zhǔn)）采用芯片max618eee將12v的輸入提升到24v。圖3.3 電源電路max618芯片輸出電壓的大小由r7和r8的阻值決定。三者之間符合如下關(guān)系：vout

38、=vfb(1+r7/r8),其中vfb般為1.5;電感值最佳值的選取應(yīng)符合式l=vout/7105。經(jīng)計算選取r7=450k，r8=30k,l=34uh。3.3.3外部時鐘電路由于光電跟蹤控制系統(tǒng)存在一定的缺陷，例如早上陰天的話不能夠跟蹤到太陽光，會造成跟蹤系統(tǒng)在跟蹤式觸碰行程開關(guān)，造成強制歸位，引起誤操作。故在系統(tǒng)中加入一個外部時鐘電路，使系統(tǒng)能夠識別時間。在一定時間內(nèi)太陽只會出現(xiàn)在某一角度范圍內(nèi)，故跟蹤控制系統(tǒng)只要在這一范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動跟蹤即可。我們選擇dallas公司生產(chǎn)的串行實時時鐘芯片ds1302，它雖然沒有采取光電隔離，但由于讀寫靠時序控制，且具有寫保護(hù)位，抗干擾效果好，同時體積小，連線

39、少，外圍只有一32.768khz晶振，使用靈活。ds1302實時時鐘，可對秒、分、時、日、周、月以及帶閏年補償?shù)哪赀M(jìn)行計數(shù)，具有318ram，可供保存有用數(shù)據(jù)。用于時鐘或ram數(shù)據(jù)的讀/寫具有單字節(jié)或多字節(jié)(也稱脈沖方式)數(shù)據(jù)傳送方式。采用雙電源(主電源和備用電源)供電。ds1302慢速充電時鐘芯片包括實時時鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)ram，經(jīng)過一個簡單的串行接口與單片機通信。實時時鐘/日歷提供秒、分、時、日、月和年等信息，對小于31天的月末的日期進(jìn)行調(diào)整，還包括閏年的校正功能。時鐘的運行可采用24小時或帶上午和下午的12小時格式。ds1302與單片機的通信僅需三根線即sclk（串行時鐘線）、i

40、/o（數(shù)據(jù)線）、rst（復(fù)位線）。數(shù)據(jù)可以按每次一個字節(jié)或多達(dá)31個字節(jié)的形式傳送到時鐘ram或從中送出。ds1302主要引腳有：x1，x2連接32.768khz晶振。gnd：電源地。rst：復(fù)位，用于對芯片操作。i/o：數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。sclk：串行時鐘輸入vcc1，vcc2：后備電源和主電源。電路圖如圖3.4所示。圖3.4外部時鐘電路3.3.4復(fù)位電路外部/rst引腳提供了使用外部電路強制mcu進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段。在/rst引腳上加一個低電平有效信號將導(dǎo)致mcu進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。最好能提供一個外部上拉和（或）對/rst引腳去耦以防止強噪聲引起復(fù)位。在低有效的/rst信號撤出后，mcu將保持

41、在復(fù)位狀態(tài)至少12個時鐘周期。從外部復(fù)位狀態(tài)退出后，pinrsf標(biāo)志（rstsrc.0）被置位。外部復(fù)位電路如圖3.4所示。圖3.4復(fù)位電路3.4 c8051f020的adc0子系統(tǒng)圖3.5 c8051f020的adc0子系統(tǒng)c8051f020/1的adc0子系統(tǒng)包括一個9通道的可編程模擬多路選擇器（amux0），一個可編程增益放大器（pga0）和一個100ksps、 12位分辨率的逐次逼近寄存器型adc，其轉(zhuǎn)換時鐘來源于系統(tǒng)時鐘分頻，分頻值保存在寄存器adc0cf的adcsc位。c8051f020的adc0子系統(tǒng)功能圖如圖3.5所示。adc中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。amux0、

42、pga0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過對特殊功能寄存器的操作來控制。adc0內(nèi)部提供一個由1.2v、15ppm/c的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和一個兩倍增益的輸出緩沖放大器。只有當(dāng)adc0控制寄存器中的ad0en位被置1時adc0子系統(tǒng)（adc0、跟蹤保持器和pga0）才被允許工作。當(dāng)ad0en位為0時，ad0c子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。可以將amux輸入對編程為工作在差分或單端方式。這就允許用戶對每個通道選擇最佳的測量技術(shù)，甚至可以在測量過程中改變方式。在系統(tǒng)復(fù)位amux的默認(rèn)方式為單端輸入。adc0cn有4種轉(zhuǎn)換啟動方式，由adc0cn中的adc0啟動轉(zhuǎn)換方式位（ad0cm1，ad0cm

43、0）的狀態(tài)決定。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有：向adc0cn的ad0busy位寫1；定時器3溢出（即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換）；外部adc轉(zhuǎn)換啟動信號的上升沿，cnvstr；定時器2溢出（即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換）；ad0busy位在轉(zhuǎn)換期間被置1，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復(fù)0。ad0busy位的下降沿觸發(fā)一個中斷（當(dāng)被允許時）并將中斷標(biāo)志ad0int（adc0cn.5）置1。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被保存在寄存器：adc0h和adc0l。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在寄存器對adc0h:adc0l中的存儲方式可以是左對齊或右對齊，由adc0cn寄存器中ad0ljst位的編程狀態(tài)絕定。3.5開關(guān)量輸入電路為了是跟蹤平臺在方位角方向上夜間歸位，安裝一個行程開關(guān)（限位開關(guān)），用于

44、控制機械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。每當(dāng)方位軸轉(zhuǎn)向正西方向的時候，便會撞擊行程開關(guān)，將此機械信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到單片機，單片機根據(jù)此信號發(fā)出回轉(zhuǎn)180度指令，是系統(tǒng)在方位角方向回到東方，等待第二天太陽升起。在高度角方向上不存在夜間歸位的問題。因為高度角在中午的時候最大，早晚的高度角相差不大。本跟蹤系統(tǒng)方位角轉(zhuǎn)動范圍是90，高度角是090。行程開關(guān)的連接電路圖如3.6所示，s1表示行程開關(guān)，它處在常開狀態(tài)。本系統(tǒng)采用光電隔離藕合器實現(xiàn)行程開關(guān)和單片機電路的電氣互連。使用光耦主要是基于以下考慮：響應(yīng)速度加快。電磁繼電器響應(yīng)延遲時間要幾毫秒，而光電隔離藕合器的響應(yīng)延遲時間只有左右?？垢蓴_能力加強，穩(wěn)定

45、性得到提高。光電隔離藕合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地，之間的分布電容極小，而絕緣電阻卻很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電隔離耦合器饋送到另一邊去，從而被有效的抑制了。圖3.6 限位開關(guān)連接電路行程開關(guān)s1處于常開狀態(tài)，機械裝置的方位軸在正常的工作范圍內(nèi)時，發(fā)光二極管不發(fā)光，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，因而輸入單片機/int0端口的是高電平；當(dāng)機械裝置的方位軸轉(zhuǎn)到極限狀態(tài)時，行程開關(guān)s1的機械觸頭動作，使常開狀態(tài)的行程開關(guān)閉合，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，從而使得三級管導(dǎo)通，/int0變?yōu)榈碗娖?。可以看出，方位軸在正常的工作范圍到極限位置時，單片機/int0端口會接受到一個負(fù)脈

46、沖。正好把c8051f020的外部中斷0（/int0）設(shè)置成下降沿觸發(fā)輸入，并且中斷優(yōu)先級設(shè)置成高級。每當(dāng)單片機/int0口撲捉到下降沿，系統(tǒng)便立刻響應(yīng)最高級外部中斷，調(diào)用中斷處理程序，使跟蹤平臺向東方，回歸初始位置。一般將光耦輸入設(shè)為5ma，則用12v減去二極管壓降再除以5ma即為r78阻值，即r78約為2k。r80為一上拉電阻，阻值在1k-100k都可。3.6步進(jìn)電機驅(qū)動與控制模塊3.6.1步進(jìn)電機簡述步進(jìn)電機是純粹的數(shù)字控制電機，它是一個將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移（或直線位移）的執(zhí)行機械，即給定一個脈沖信號，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)動一個角度。用戶可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的

47、目的。步進(jìn)電機有如下特點：1）在不失步的前提下步進(jìn)電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，不存在累積誤差，具有良好的跟隨性。2）由步進(jìn)電機與驅(qū)動器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，即非常簡單、廉價，又非?？煽俊Ｍ瑫r，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3）步進(jìn)電機的動態(tài)響應(yīng)快、易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。4）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，步進(jìn)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機床、機器人、自動化儀表等領(lǐng)域。不僅在開環(huán)伺服系統(tǒng)，而且在閉環(huán)以及半閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機

48、的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在強調(diào)速度控制、位置控制的伺服系統(tǒng)，例如數(shù)控設(shè)備中的刀具快速定位以及輪廓的定位跟蹤系統(tǒng)。3.6.2步進(jìn)電機控制系統(tǒng)步進(jìn)電機的驅(qū)動控制器主要是由脈沖發(fā)生器，脈沖分配器和功率放大器等環(huán)節(jié)組成。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生某些頻段連續(xù)變化的脈沖信號。步進(jìn)電動機繞組是按一定通電方式工作的，為實現(xiàn)繞組輪流通電，需將控制脈沖按規(guī)定的通電方式分配到步進(jìn)電動機的每相繞組。這種分配既可以用硬件來實現(xiàn)也可以用軟件來完成。軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過單片機（dsp及其它控制芯片）向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖。軟件法在電動機運行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的時間，可能使單片

49、機無法同時進(jìn)行其他工作，所以，硬件法更常用。所謂硬件法實際上是用脈沖分配器芯片，來進(jìn)行通電換相和轉(zhuǎn)向控制。經(jīng)脈沖分配器輸出的脈沖能保證步進(jìn)電動機繞組按規(guī)定順序通電，但輸出的脈沖電流太小，其驅(qū)動功率很小，而步進(jìn)電動機繞組通常需要相當(dāng)大的功率，包含一定的電流和電壓才能驅(qū)動。所以分配器出來的脈沖還需進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動步進(jìn)電動機。步進(jìn)電動機常用的驅(qū)動電路主要有：1）單電壓限流型驅(qū)動電路、2）雙電壓驅(qū)動電路、3）斬波驅(qū)動電路。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在有很多廠家生產(chǎn)出專門的用于步進(jìn)電機控制的脈沖分配芯片，配合用于功率放大的驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)步進(jìn)電機的驅(qū)動。市場上也有很多將硬件脈沖分配與驅(qū)動電路

50、集成在一起的芯片，這為系統(tǒng)設(shè)計帶來了很大的方便。采用開環(huán)控制并具有一定的精度是步進(jìn)電機的一大特點。理論上說，閉環(huán)控制比開環(huán)控制可靠，但步進(jìn)電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)價格較高，還容易引起持續(xù)的機械震蕩。如果要獲得優(yōu)良的動態(tài)性能，不如選用其他直流或交流伺服系統(tǒng)。因此，步進(jìn)電機大部分還是采用開環(huán)控制的。3.6.3串并行控制采用單片機對步進(jìn)電機進(jìn)行控制，有串行控制和并行控制兩種方法。1）串行控制 具有串行控制功能的單片機系統(tǒng)與步進(jìn)電機驅(qū)動器之間只需兩條控制線，一條用來發(fā)出時鐘脈沖串，另一條用來發(fā)出方向電平。這兩個信號都是送入步進(jìn)電機驅(qū)動器的環(huán)形脈沖分配器的輸入端，所以在這種控制系統(tǒng)中，驅(qū)動器中必須含有脈沖分配

51、器，對電動機各相勵磁的分配及轉(zhuǎn)換順序都由環(huán)形分配器來完成，見圖3.7。由于單片機系統(tǒng)與驅(qū)動器之間只有兩條控制線，使系統(tǒng)構(gòu)成簡單。系統(tǒng)從cp脈沖控制線按電動機旋轉(zhuǎn)速度的要求發(fā)出相應(yīng)周期間隔的脈沖，即可使電動機旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要電動機恒速運行時，就發(fā)出恒定周期的脈沖串；當(dāng)需要加減速運行時，就發(fā)出周期遞減活周期遞增的脈沖串；當(dāng)需要鎖定狀態(tài)時，只要停止發(fā)脈沖串就可以了。由此可以方便地對電動機轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。單 片 機p1.0p1.1cp脈沖方向信號環(huán) 形 分 配 器功 率 放 大 器步 進(jìn) 電 機圖3.7串行控制示意圖控制線可以實現(xiàn)對電機方向的控制，如為低電平：“0”時，環(huán)形分配器按正方向進(jìn)行脈沖分配，電機正

52、向轉(zhuǎn)動；而為高電平“1”時，環(huán)形分配器按反方向進(jìn)行脈沖分配，電動機反向轉(zhuǎn)動。2）并行控制用單片機系統(tǒng)接口的數(shù)條數(shù)據(jù)線直接去控制步進(jìn)電機各相驅(qū)動線路的方法稱為并行控制。很顯然，在電動機驅(qū)動器內(nèi)部不包含有環(huán)形分配器，而環(huán)形分配器的功能必須由單片機系統(tǒng)來完成。3.6.4步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動控制步進(jìn)電機的細(xì)分驅(qū)動：步進(jìn)電機各相繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍輪流通電的。繞組通電的過程非常簡單，即通電-斷電反復(fù)進(jìn)行。電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān)，。當(dāng)通電相電流不馬上升到位，而斷電相電流并不立即降為0時，他們所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有一個新的平衡位置，這個新的平衡位置是在原來的步距角范圍內(nèi)。也就是說，

53、如果繞組中電流的波形不再是一個近似方波，而是一個分成n個階級的近似階梯波，則電流每升或降一個臺階時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過n個小步時，實際上相當(dāng)于轉(zhuǎn)過一個步距角。這種將一個步距角細(xì)分成若干小步的驅(qū)動方法，使實際的步距角更小了，可以大大提高對執(zhí)行機構(gòu)的控制精度。同時，可以減少震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動。3.6.5步進(jìn)電機加減速控制步進(jìn)電動機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)從起點點到終點點移動時，要經(jīng)歷升速、恒速和減速過程。如果啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限啟動頻率，步進(jìn)電動機要發(fā)生失步現(xiàn)象，因此會造成不能正常啟動。如果到終點時突然停下來，由于慣性作用，步進(jìn)電動機會發(fā)生過沖現(xiàn)象，會造

54、成位置精度降低。如果非常緩慢的升降速，步進(jìn)電動機雖然不會產(chǎn)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機構(gòu)的工作效率。所以，對步進(jìn)電動機的加減速有嚴(yán)格的要求，那就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度移動到指定位置。因此，在步進(jìn)電機的點位控制過程中，運行速度一般都要經(jīng)過一個加速恒速減速的過程。如圖3.8所示。升速的起始速度應(yīng)等于或略小于系統(tǒng)的極限啟動頻率（速度），而不是從零開始。升速的規(guī)律一般有兩種選擇，一是按照直線規(guī)律升速，二是按照指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時加速度恒定，因此要求電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒定值。從電動機本身的特性來看，在轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)矩基本上可以認(rèn)為恒定。但實際上電動機轉(zhuǎn)速

55、升高時，由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減少，因此輸出轉(zhuǎn)矩將有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速，加速度是逐漸下降的，接近電機輸出轉(zhuǎn)矩隨速度變化的規(guī)律。圖3.8加減速運行曲線用單片機對步進(jìn)電機進(jìn)行加減速控制，實際上就是改變輸出時鐘脈沖cp的間隔。升速時使脈沖串逐漸加密、減速時逐漸稀疏。單片機采用定時中斷方式來控制電機變速時，實際上就是不斷改變定時器裝載值的大小。一般用離散辦法來逼近理想的升速曲線。為了減少每步計算轉(zhuǎn)載值的時間，系統(tǒng)設(shè)計時把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的中，系統(tǒng)運行時用查表法查出所需的裝載值，從而大為減少占用運算的時間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。3.6.6步進(jìn)電機驅(qū)動電路本文選用的ta8435芯片來驅(qū)動步進(jìn)電機。ta8435h是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機驅(qū)動專用芯片，外接電路簡單，工作可靠。該芯片具有以下特點：工作電壓范圍寬10v40v；輸出電流平均可達(dá)1.5a和2.5a峰值；具有整步、半步、1/4細(xì)分、1/8細(xì)分運行方式可供選擇；采用脈寬調(diào)制式斬波