太陽(yáng)能光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)-硬件部分本科學(xué)位論文

西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：太陽(yáng)能光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)——硬件部分系（部）：電子信息系專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化2011年05月

西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：太陽(yáng)能光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)——硬件部分系（部）：電子信息系專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化2011年05月PAGEI西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)院（系）電信學(xué)院專(zhuān)業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班070307姓名學(xué)號(hào)B070307071.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：太陽(yáng)能光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)——硬件部分2.題目背景和意義：隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展及資源的匱乏，目前人們對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等綠色潔凈能源的渴求日趨強(qiáng)烈。在計(jì)算機(jī)、光電子、電力電子等制造及應(yīng)用技術(shù)日趨成熟的今天，此亦成為廣大科學(xué)工作者關(guān)注及研究的熱點(diǎn)。本設(shè)計(jì)基于典型的光電傳感器檢測(cè)、放大等環(huán)節(jié)，借助于計(jì)算機(jī)處理及控制，通過(guò)電力電子及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)光電池陣列對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)最佳跟蹤，從而獲得最大電能輸出。3.設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）：自主設(shè)計(jì)一個(gè)典型單片機(jī)系統(tǒng)，含以下部分及功能：典型51內(nèi)核的單片機(jī)系統(tǒng)（推薦采用Silabs公司的C8051F系列）。光電傳感器檢測(cè)、放大等環(huán)節(jié)。10-12位的光電池陣列朝向（電壓）信號(hào)檢測(cè)（推薦內(nèi)置結(jié)構(gòu)）。電機(jī)隨動(dòng)跟蹤驅(qū)動(dòng)電路（PWM直流調(diào)速或步進(jìn)控制）。常規(guī)可靠性設(shè)計(jì)。4.設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時(shí)間、設(shè)計(jì)地點(diǎn)）：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作10年10月20日起至11年5月28日止畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行地點(diǎn)：未央校區(qū)教D樓217室作為畢業(yè)設(shè)計(jì)，應(yīng)完成以下工作：熟練掌握專(zhuān)業(yè)電工、電子（模、數(shù)）技術(shù)。掌握光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理等專(zhuān)業(yè)技術(shù)。熟練掌握MCS-51系列單片機(jī)工作原理及應(yīng)用技術(shù)。（3月上旬前）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。借助PROTEL技術(shù)，繪出系統(tǒng)SCH、PCB圖。（3月下旬前）搭出系統(tǒng)硬件電路，在完成系統(tǒng)通電調(diào)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試。（4月下旬前）寫(xiě)出畢業(yè)論文（電子版）。（5月上旬前）5.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作量要求：論文（字?jǐn)?shù)）：2-3萬(wàn)字外文翻譯（字?jǐn)?shù)）：5000字以上①實(shí)驗(yàn)（時(shí)數(shù)）*或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）：20天②圖紙（幅面和張數(shù)）*：SCH、PCB圖（A4圖幅4份以上）③其他要求：參考文獻(xiàn)（篇數(shù)）：15篇以上（含3篇以上外文）指導(dǎo)教師簽名：年月日學(xué)生簽名：年月日系（教研室）主任審批：年月日說(shuō)明：1本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入附件冊(cè)，一份教師自留。2帶*項(xiàng)可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選填。畢I-2畢I-2太陽(yáng)能光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)——硬件部分摘要隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展及資源的匱乏，目前人們對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等綠色潔凈能源的渴求日趨強(qiáng)烈。在計(jì)算機(jī)、光電子、電力電子等制造及應(yīng)用技術(shù)日趨成熟的今天，此亦成為廣大科學(xué)工作者關(guān)注及研究的熱點(diǎn)。在太陽(yáng)能利用方面，理論分析表明:跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電裝置與定點(diǎn)式太陽(yáng)能發(fā)電裝置相比，其能量的接收率可提高35%，而目前太陽(yáng)能利用轉(zhuǎn)化率約為10％～20％。因此，在對(duì)目前國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)跟蹤器原理研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種按仰角（太陽(yáng)高度）和方位角（太陽(yáng)方位）分別控制調(diào)節(jié)的太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)。通過(guò)采用MCU計(jì)算發(fā)出脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的自動(dòng)跟蹤，使跟蹤裝置始終處于與發(fā)光源垂直的最佳位置。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉且跟蹤精度高，可廣泛用于西部等偏遠(yuǎn)地區(qū)的能源供應(yīng)系統(tǒng)——太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本課題設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤與控制系統(tǒng)主要由四大部分構(gòu)成：傳感器、控制器、機(jī)械跟蹤平臺(tái)、通信模塊。傳感器由獨(dú)立的四片光電池組成，用于大范圍跟蹤太陽(yáng)光；通信模塊則采用RS-485串行協(xié)議通信；控制器硬件以單片機(jī)C8051F330為核心，完成了控制器的硬件電路設(shè)計(jì)和制作；系統(tǒng)的硬件電路包括模擬輸入電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電源電路等。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；自動(dòng)跟蹤；傳感器；單片機(jī)；RS-485；步進(jìn)電機(jī)Solarphotovoltaicenergysourcestrackingcontrolsystem——ThehardwarepartAbstractWiththedevelopmentofmodernsocietyandthelackofresources.Peopleonsolar,windandothergreencleanenergydemandarebecomingintense.Intoday,computer,optical-electronic,powerelectronicsandothermanufacturingandapplicationtechnologyisbecomingmature,thisalsoattracttheattentionofscientificworkersandhasbecomeahottopic.Inthesolarenergyutilization,analysisindicatedshowsthatreceivingrateofpointingdeviceisloweras35%thanthetrackingdevice,andinallcurrentdeviceconversionrateroughlyis10%~20%.Therefore,byanalyzingtheprincipleofthesolartrackingdevicesinnationandoversea,asolartrackingsystemwhichitselevationandazimuthisadjustedseparatelywasdesignedinthisdissertation.TheMCUwasusedtocontroltherotationangleandcontrolthestepmotorbysendingoffthepulse.So,thesystemcancontrolthetrackingdevicetobetheoptimalplacewhichislightedbysunintheday.Thesystemhassimplestructure,lowcostandhightrackingprecision.Itcanbewidelyusedinthewestandtheremoteareas’senergysupplysystems-solarpowersystem,andithascertainpracticalvalue.Inthepaper,thedesignedsolartrackinganddrivecontrolsystemaremainlycomposedoffourmajorcomponents:sensors,controllers,andmechanicaltrackingplatformandcommunicationmodule.Thesensorismainlycomposedoffourphotocellswhichcouldachievelarge-scaletrackingthesun.RS-485isusedinthecommunicationmodule.C8051F330isusedasthecoreinthecontroller.Hardwarecircuitdesignandproductionareaccomplished.Thesystemhardwarecircuitsarecomposedofanaloginputcircuit,themotordrivecircuit,powercircuitandsoon.Keywords:Solar;tracking;sensor;microcontroller;RS-485;steppingmotor摘要 IIIAbstract IV1緒論 11.1課題背景 11.1.1發(fā)展太陽(yáng)能的背景 11.1.2國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀 21.1.3太陽(yáng)能利用的基本方式 41.2課題研究的目的和意義 51.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 51.4課題的主要類(lèi)容 61.5論文結(jié)構(gòu) 62系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì) 72.1太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 72.1.1太陽(yáng)與地球的位置關(guān)系 72.1.2相關(guān)角度的計(jì)算 82.2跟蹤方式的比較 102.2.1視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 102.2.2光電跟蹤 102.2.3視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合 102.3跟蹤方式的選著 112.4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 112.4.1系統(tǒng)框圖 112.4.2系統(tǒng)工作原理 113太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 133.1硬件總體設(shè)計(jì)方案 133.2傳感器結(jié)構(gòu)及信號(hào)采集電路 133.2.1光電池的特性參數(shù) 143.2.2光電池的型號(hào) 143.3跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 143.3.1單片機(jī)的選型 143.3.2電源電路 163.3.3外部時(shí)鐘電路 173.3.4復(fù)位電路 183.4C8051F330的ADC0子系統(tǒng) 183.5開(kāi)關(guān)量輸入電路 193.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊 203.6.1步進(jìn)電機(jī)概述 203.6.2步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)及工作原理 213.6.3步進(jìn)電機(jī)的選著 233.6.4步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 233.6.5串并行控制 233.6.6步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制 243.6.7步進(jìn)電機(jī)加減速控制 253.6.8步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 253.7傳動(dòng)部分 283.8通信模塊 283.8.1RS-485 283.8.2RS-485芯片的選著及其電路設(shè)計(jì) 294結(jié)論 31致謝 32參考文獻(xiàn) 33附件 371緒論P(yáng)AGE11緒論1.1課題背景1.1.1發(fā)展太陽(yáng)能的背景能源是人類(lèi)生存發(fā)展必須具有的基本資源。從古至今人類(lèi)獲得能源的途徑，可分為地上能源、地下能源與天上能源等三個(gè)層面或者說(shuō)成是三個(gè)階段。地上能源主要是植物能源(柴、草)，還有水能、風(fēng)能等，在人類(lèi)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)階段主要是植物能時(shí)代，或稱(chēng)地上能時(shí)代。到了現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)階段，主要是煤石能源(煤炭、石油、還有天然氣、地?zé)崮艿?，可稱(chēng)為煤石能時(shí)代，或地下能時(shí)代。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)對(duì)能源的消耗以日俱增。能源短缺已成為人類(lèi)社會(huì)面臨的一個(gè)非常重大的挑戰(zhàn)，作為世界主要能源的石油，其價(jià)格居高不下，前期每桶原油最高單價(jià)已突破100美元。雖然人類(lèi)的科學(xué)技術(shù)正在高速發(fā)展，但面對(duì)石油這些不可再生性的資源，必須在其耗盡之前尋找到替代能源，否則未來(lái)世界將會(huì)因此不斷爆發(fā)能源危機(jī)。資料表明，按照現(xiàn)在已經(jīng)探明的儲(chǔ)量及開(kāi)采速度，到21世紀(jì)80年代，石油、天然氣資源將枯竭。到22世紀(jì)20年代，煤資源也將被耗盡。即使是以鈾為燃料的核電拋開(kāi)價(jià)格、政治、發(fā)生危險(xiǎn)泄露的因素不談，也存在資源短缺的間題，已探明儲(chǔ)量的鈾礦資源也將在2030年前開(kāi)采完[1]。從我國(guó)的能源利用狀況來(lái)看，自上世紀(jì)70年代初開(kāi)始，我國(guó)已經(jīng)經(jīng)歷了三次大的能源危機(jī)：1970-1984年間持續(xù)的能源供應(yīng)緊張局面使全國(guó)約25%的企業(yè)開(kāi)工不足；1988年再次出現(xiàn)類(lèi)似情況，農(nóng)業(yè)用電缺口超過(guò)60%，推動(dòng)煤炭?jī)r(jià)格在當(dāng)年漲幅達(dá)到87%，成為1989年以后小煤窯遍地開(kāi)花的驅(qū)動(dòng)力；2000年以來(lái)伴隨著國(guó)際能源危機(jī)的逐步加深，我國(guó)能源供應(yīng)緊張，主要常規(guī)能源的價(jià)格漲幅已達(dá)103%，大量進(jìn)口石油引起國(guó)際社會(huì)的嚴(yán)重關(guān)切，能源已成為國(guó)家安全的重要影響因素。資料表明，作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)目前能源生產(chǎn)量?jī)H次于美國(guó)和俄羅斯，居世界第3位；基本能源消費(fèi)占世界總消費(fèi)量的10.4%，僅次于美國(guó)，居世界第2位，可見(jiàn)我國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。2005年一次能源消費(fèi)量為15.4億噸油當(dāng)量，到本世紀(jì)中葉我國(guó)全面達(dá)到小康水平時(shí)，一次能源的消費(fèi)量將達(dá)到30多億噸油當(dāng)量。然而2005年，世界人均一次能源消費(fèi)量為1.65噸油當(dāng)量，日本、美國(guó)分別為4.13噸和7.97噸油當(dāng)量，而中國(guó)僅為1.18噸油當(dāng)量，約為世界平均水平的3/4、日本的1/4、美國(guó)的1/7。預(yù)計(jì)到2010年，我國(guó)石油供需缺口1億噸，天然氣缺口400億立方米。而且，隨著中國(guó)的工業(yè)化和城市化進(jìn)程，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和民用建筑階段，能源需求量特別大，西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE4目前能源消費(fèi)總量已經(jīng)接近歐盟15國(guó)的總量。值得注意的是，過(guò)去二十多年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)保有量以年均2%的速度迅速增加，亞太能源研究中心的預(yù)測(cè)，2020年我國(guó)交通部門(mén)的用能比例將增長(zhǎng)到16%。與此同時(shí)，能源資源相對(duì)短缺又制約了我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能源技術(shù)相對(duì)落后影響了能源供給能力的提高。目前，國(guó)內(nèi)的能源生產(chǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，能源進(jìn)口量持續(xù)增加，能源對(duì)外依存度在7%左右，其中石油對(duì)外依存度在43%左右。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2020年前后，中國(guó)有可能成為世界第一大油品進(jìn)口國(guó)[1-3]。就我國(guó)實(shí)際情況來(lái)看，我國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，理論儲(chǔ)量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國(guó)大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米4千瓦時(shí)以上，西藏日輻射量最高達(dá)每平米7千瓦時(shí)。年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)。與同緯度的其它國(guó)家相比，與美國(guó)相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多，因而有巨大的開(kāi)發(fā)潛能。近20年來(lái)，中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期維持在全球市場(chǎng)1%左右的份額。2003、2004年中國(guó)太陽(yáng)電池組件的生產(chǎn)量有了大幅度增長(zhǎng)，2003年達(dá)1.2萬(wàn)千瓦，約占世界份額的2.2%，2004年達(dá)3.5萬(wàn)千瓦，約占3%。為解決我國(guó)的能源短缺問(wèn)題，太陽(yáng)能發(fā)電將在中國(guó)未來(lái)的電力供應(yīng)中扮演重要的角色。國(guó)務(wù)院參事、中國(guó)可再生能源協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)石定寰在上海召開(kāi)的“第二屆中歐國(guó)際太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”上預(yù)計(jì)，2010年中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)1GW，2015年預(yù)計(jì)達(dá)5GW，2O2O年達(dá)20GW。而2005年，全國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量?jī)H為6.5MWp，這就意味著在未來(lái)的幾年內(nèi)，中國(guó)太陽(yáng)能裝機(jī)容量的復(fù)合增長(zhǎng)率將會(huì)高達(dá)38%以上。根據(jù)電力科學(xué)院的預(yù)測(cè)，到2050年中國(guó)可再生能源發(fā)電將占到全國(guó)總電力裝機(jī)的25%，其中光伏發(fā)電占到5%。國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)主要應(yīng)用在通信和工業(yè)領(lǐng)域(約占36%)、農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)領(lǐng)域(約占51%)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(約占4%)以及太陽(yáng)能商品及其它(約占9%)[4-6]。由此可見(jiàn)，面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，根本出路在于盡快從采用煤石能轉(zhuǎn)而采用太陽(yáng)能，即從地下能時(shí)代轉(zhuǎn)向天上能時(shí)代，或稱(chēng)太陽(yáng)能時(shí)代。太陽(yáng)能比起煤石能具有眾多優(yōu)點(diǎn)，具有不斷再生性，能源分布范圍廣泛，安全，無(wú)污染，可謂取之不盡，用之不竭，能夠全面保護(hù)自然平衡與氣候溫度平衡，便于開(kāi)發(fā)與使用等。太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6×1012千瓦小時(shí)，相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。因此，太陽(yáng)能等可再生能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步及世界各國(guó)政府支持已使可再生能源行業(yè)爆發(fā)式發(fā)展。根據(jù)歐洲、日本等能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2020年，光伏發(fā)電將占到全球發(fā)電量的1％，2040年將占到全球發(fā)電量的21％，2050年左右，太陽(yáng)能將成為全球主力替代能源[7-8]。1.1.2國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀從國(guó)際上看，世界各國(guó)從能源供應(yīng)安全和清潔利用的角度出發(fā)，把太陽(yáng)能的商業(yè)化開(kāi)發(fā)和利用作為重要的發(fā)展趨勢(shì)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)可以說(shuō)是世界上增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。歐盟、日本和美國(guó)把2030年以后能源供應(yīng)安全的重點(diǎn)放在太陽(yáng)能等可再生能源方面。美國(guó)頒布一系列優(yōu)惠政策，2005年能源政策法規(guī)定，光伏系統(tǒng)投入費(fèi)用可免稅30%。據(jù)SEIA的統(tǒng)計(jì)，2005年美國(guó)太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)增長(zhǎng)達(dá)72%。美國(guó)新的太陽(yáng)能啟動(dòng)計(jì)劃對(duì)太陽(yáng)能項(xiàng)目研究的資助2006年達(dá)到6500萬(wàn)美元，2007年將達(dá)到1.48億美元，而對(duì)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的太陽(yáng)能研發(fā)資助達(dá)4500萬(wàn)美元，其研究目標(biāo)是到2015年使光伏能量可與其它電源相競(jìng)爭(zhēng)。日本政府于2007年年末宣布，要大力普及家庭太陽(yáng)能發(fā)電，計(jì)劃到2030年使家庭采用太陽(yáng)能發(fā)電的由現(xiàn)在的約40萬(wàn)戶擴(kuò)大到1400萬(wàn)戶，相當(dāng)于日本全國(guó)家庭總數(shù)的約30％，該項(xiàng)目標(biāo)已列入日本的“能源革新技術(shù)計(jì)劃”。日本政府決定將在2008年成立由國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家組成的國(guó)際研究機(jī)構(gòu)，專(zhuān)門(mén)從事低成本新型太陽(yáng)能板的研制開(kāi)發(fā)，并在年度預(yù)算中列入相關(guān)經(jīng)費(fèi)20億日元。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，2006年包括企業(yè)在內(nèi)，日本的太陽(yáng)能發(fā)電容量為171萬(wàn)千瓦。目前日本住宅用太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的價(jià)格在200萬(wàn)日元左右，包括發(fā)電成本在內(nèi)，太陽(yáng)能發(fā)電的低價(jià)格化是普及太陽(yáng)能發(fā)電的一大課題。因此，日本政府提出將開(kāi)發(fā)使能源效率比現(xiàn)在提高1-2倍的新型太陽(yáng)能板，使發(fā)電成本大體上與火力發(fā)電相當(dāng)，到2030年其成本由現(xiàn)在的每千瓦46日元降低到7日元。日本政府的目標(biāo)是，在2030年之前要將住宅用太陽(yáng)能電力容量(現(xiàn)在為130萬(wàn)千瓦)擴(kuò)大到30倍。德國(guó)是一個(gè)能源緊缺的國(guó)家，能源供應(yīng)在很大程度上依賴進(jìn)口。為擺脫對(duì)進(jìn)口和傳統(tǒng)能源的依賴，德國(guó)近年把能源政策重點(diǎn)放在節(jié)約傳統(tǒng)能源和發(fā)展新型能源兩個(gè)方面，以期實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的可持續(xù)發(fā)展。德國(guó)對(duì)可再生能源的利用通過(guò)立法、政府大量補(bǔ)貼等措施，使德國(guó)成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國(guó)家。德國(guó)2005年太陽(yáng)能投資為37億歐元，與風(fēng)電和生物能一樣同屬發(fā)展最快的新能源之一。根據(jù)太陽(yáng)能協(xié)會(huì)BSW的數(shù)據(jù)，德國(guó)在2006年前3年中，太陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了5倍，增速比其它國(guó)家平均水平高一倍。全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠于2006年9月在德國(guó)南部巴伐利亞州投入使用，其發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)12兆瓦，能夠?yàn)?500多個(gè)家庭供電。該發(fā)電廠擁有1400多個(gè)可移動(dòng)太陽(yáng)能吸熱發(fā)電板，這些發(fā)電板能夠隨著太陽(yáng)的移動(dòng)而自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而最大限度吸收太陽(yáng)熱能。這項(xiàng)技術(shù)使這家發(fā)電廠的發(fā)電能力比普通太陽(yáng)能發(fā)電廠高出35％。雖然目前太陽(yáng)能占德國(guó)的能源供給不到1％，但到2020年將超過(guò)5%。此外，在節(jié)能建筑應(yīng)用太陽(yáng)能方面，歐美一些先進(jìn)國(guó)家，目前正在廣泛開(kāi)展應(yīng)用“光電玻璃幕墻制品”，這是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換硅片密封在雙層鋼化玻璃中，安全地實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的一種新型生態(tài)建材。比如美國(guó)的“光伏建筑計(jì)劃”、歐洲的“百萬(wàn)屋頂光伏計(jì)劃”、日本的“朝日計(jì)劃”以及我國(guó)已開(kāi)展的“光明工程”等。近幾年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家的“零能房屋”已有相當(dāng)發(fā)展水平，許多國(guó)家的政府（如美國(guó)、德國(guó)）還制定了太陽(yáng)能在國(guó)家總能源消耗中的所占比例應(yīng)超過(guò)20％的計(jì)劃，如德國(guó)實(shí)施的"綠電計(jì)劃"—10萬(wàn)家屋頂光伏發(fā)電計(jì)劃自1999年開(kāi)始實(shí)施，2003年該計(jì)劃順利完成。目前，光伏發(fā)電已向德國(guó)普通家庭推廣。日本自1992年啟動(dòng)了“新陽(yáng)光計(jì)劃”，同時(shí)頒布了新的凈電計(jì)量法，要求電力部門(mén)以商品價(jià)格購(gòu)買(mǎi)多余的光伏電量，并實(shí)行補(bǔ)貼政策。日本居民光伏屋頂系統(tǒng)最近5年平均年增長(zhǎng)率為96.7%[9-12]。我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究，到70年代開(kāi)展空間應(yīng)用和地面應(yīng)用，光伏產(chǎn)業(yè)初步形成實(shí)際上是從20世紀(jì)50年代中后期開(kāi)始，并在90年代以后才得到迅速發(fā)展。目前，隨著《中華人民共和國(guó)可再生能源法》的頒布和實(shí)施、京都議定書(shū)的簽定以及各項(xiàng)環(huán)保政策的出臺(tái)和對(duì)國(guó)際的承諾，為太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策的保障，給太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)帶來(lái)機(jī)遇。再加上西部的大開(kāi)發(fā)，原油價(jià)格的上漲，中國(guó)能源戰(zhàn)略的調(diào)整，以及政府加大對(duì)可再生能源發(fā)展的支持的力度，所有的這些都為中國(guó)太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)極大的機(jī)會(huì)。目前，我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國(guó)家和重要的太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)國(guó)。隨著無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司成功登陸納斯達(dá)克，國(guó)內(nèi)掀起一股進(jìn)軍光伏產(chǎn)業(yè)的熱潮。目前，我國(guó)的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)基地的省份主要集中于環(huán)渤海區(qū)域，長(zhǎng)三角區(qū)域的江蘇，華中華南地區(qū)的湖北以及廣東，多晶硅的生產(chǎn)基地則多分布于中西部地區(qū)，其中江蘇的光伏產(chǎn)業(yè)位居全國(guó)前列，以無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司為代表的企業(yè)已具備較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。據(jù)中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)孟憲淦介紹，我國(guó)是太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，我國(guó)有荒漠面積108萬(wàn)平方公里，大多分布在光照資源豐富的西部高原地區(qū)，一平方公里面積可安裝100兆瓦光伏陣列，每年能發(fā)電1.5億度。只要開(kāi)發(fā)利用1%的荒漠，就可以發(fā)出相當(dāng)于我國(guó)2003年全年的耗電量?？磥?lái)，在我國(guó)加快采用太陽(yáng)能是有很好的基礎(chǔ)的。據(jù)發(fā)展改革委能源局介紹，截至2006年年底，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器年生產(chǎn)能力達(dá)到1500萬(wàn)平方米，在用太陽(yáng)能熱水器總集熱面積達(dá)１億平方米，生產(chǎn)量和使用量均居世界第一。全國(guó)有1000多家太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)企業(yè)，年總產(chǎn)值近120億元，已形成較完整的產(chǎn)業(yè)體系，從業(yè)人數(shù)達(dá)20多萬(wàn)人。到2020年，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將達(dá)到180萬(wàn)千瓦，太陽(yáng)能熱水器總面積將達(dá)到３億平方米，太陽(yáng)能利用年替代能源6000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤[13-14]。1.1.3太陽(yáng)能利用的基本方式太陽(yáng)輻射能實(shí)際上是地球上最主要的能量源泉。自然界中的燃料能、風(fēng)能、水能等皆來(lái)源于太陽(yáng)能。人類(lèi)直接利用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(chēng)“光伏轉(zhuǎn)換”。這是近幾十年才發(fā)明和發(fā)展起來(lái)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(lè)觀。光化學(xué)轉(zhuǎn)換。通過(guò)光化學(xué)作用轉(zhuǎn)換成電能或制氫。它也是利用太陽(yáng)能的一個(gè)途徑。二三十年前有不少人對(duì)此做了許多研究。近來(lái)報(bào)道不多。目前仍處于研究、開(kāi)發(fā)階段。光生物轉(zhuǎn)換。通過(guò)光合作用收集與儲(chǔ)存太陽(yáng)能。近來(lái)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。1.2課題研究的目的和意義隨著現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求不斷增加，然而傳統(tǒng)能源資源又相對(duì)匱乏，另外大量使用化石燃料對(duì)環(huán)境危害較大。因此，采用新能源和可再生能源以逐漸減少和替代化石能源的使用，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、走可持續(xù)發(fā)展道路的重大措施。這對(duì)于世界尤其是我國(guó)是十分迫切的。太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽(yáng)能發(fā)電已成為未來(lái)全球解決能源危機(jī)的最具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的重要途徑。太陽(yáng)能的利用，有利于自然界的環(huán)境保護(hù)，因此如何更進(jìn)一步地提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置的效率，無(wú)論是從科技應(yīng)用的角度，還是從商業(yè)開(kāi)發(fā)的角度講都是極其重要的課題。然而，太陽(yáng)能強(qiáng)度和方向的不確定性及光照間歇性等特點(diǎn)，給太陽(yáng)能的收集帶來(lái)了一定難度。如何最大限度的提高太陽(yáng)能的利用率，仍為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。解決這一問(wèn)題應(yīng)從兩個(gè)方面入手，一是提高太陽(yáng)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。然而傳統(tǒng)的固定式太陽(yáng)能采集系統(tǒng)沒(méi)有充分利用太陽(yáng)的能量，吸收效率相對(duì)較低。據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，相同條件下，采用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備比固定式太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量要提高35％[15-16]。因此，太陽(yáng)位置自動(dòng)追蹤技術(shù)的研究，對(duì)提高太陽(yáng)能的吸收效率，高效、合理地利用太陽(yáng)能具有重要的研究?jī)r(jià)值。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析國(guó)外對(duì)太陽(yáng)跟蹤的研究歷來(lái)比較重視。比如美國(guó)Blackace，在1997年研制了單軸跟蹤器，這種跟蹤裝置根據(jù)赤道坐標(biāo)系下太陽(yáng)運(yùn)行的原理完成東西方向的自動(dòng)跟蹤，但南北方向通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率提高了15%。1998年美國(guó)加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，使熱接收率進(jìn)一步提高。Joel.H.Goodman研制了活動(dòng)太陽(yáng)能方位跟蹤裝置，該裝置通過(guò)大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽(yáng)能接收器可從東到西跟蹤太陽(yáng)。2002年2月美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。1994年在德國(guó)北部，太陽(yáng)能廚房投入使用，該廚房也采用單軸太陽(yáng)能跟蹤裝置。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(guò)日照溫度的變化實(shí)現(xiàn)了單軸被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤功能。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)不少專(zhuān)家學(xué)者也相繼開(kāi)展了這方面的研究。1992年推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，1994年《太陽(yáng)能》雜志介紹了單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單向跟蹤，國(guó)家氣象局計(jì)量站在1990年研制了FST型全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽(yáng)輻射觀測(cè)。就現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)跟蹤的研究情況來(lái)看，由于受太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)成本的影響，普遍采用半自動(dòng)單軸跟蹤方式。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏轉(zhuǎn)換效率的提高，太陽(yáng)跟蹤裝置的研究會(huì)朝著全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤的方向發(fā)展。全自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)裝置是根據(jù)地平坐標(biāo)、雙軸跟蹤原理，采用光、機(jī)、電一體化技術(shù)，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)弱的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全自動(dòng)跟蹤，能做到同步無(wú)偏差地跟蹤太陽(yáng)，大大提高了太陽(yáng)能的接收效率。1.4課題的主要類(lèi)容因光伏電池的輸出特性受外界因素影響較大，如何對(duì)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(yáng)能，從而能夠產(chǎn)生更多的電能，是一個(gè)非常重要的課題。本文所介紹的太陽(yáng)跟蹤裝置采用了新的跟蹤策略，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括：①了解太陽(yáng)能利用的相關(guān)背景知識(shí)。②研究太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的相關(guān)資料、技術(shù)要求。③研究和設(shè)計(jì)出太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)方案。④設(shè)計(jì)和畫(huà)出太陽(yáng)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)本文分為以下幾個(gè)部分：1、緒論，介紹了本課題的研究?jī)?nèi)容、意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；2、系統(tǒng)工作原理和總體設(shè)計(jì)；3、太陽(yáng)追蹤和跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；4、總結(jié)本課題。2系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)PAGE72系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)2.1太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律2.1.1太陽(yáng)與地球的位置關(guān)系地球每天圍繞通過(guò)它本身南極和北極的一個(gè)假想軸——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(shí)，所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15度。在自轉(zhuǎn)的同時(shí)。地球圍繞太陽(yáng)在一個(gè)橢圓形軌道上公轉(zhuǎn)，每公轉(zhuǎn)一周為一個(gè)太陽(yáng)年、它等于365天5小時(shí)48分。即365．241天，因此每四年須閏一日。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)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(shí)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(yáng)赤緯角的最大值。在地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的一年中有四個(gè)特殊的日期，這就是受地球傾斜運(yùn)動(dòng)影響最大的冬至和夏至以及不受地球傾斜運(yùn)動(dòng)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。夏至的白天最長(zhǎng)而冬至的黑夜最長(zhǎng)；春分和秋分的晝夜各12個(gè)小時(shí)。在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，不可避免地都會(huì)涉及到地球和太陽(yáng)的位置關(guān)系，如太陽(yáng)高度角、方位角等問(wèn)題。a.地平坐標(biāo)系以地平圈為基本圈，天頂為基本點(diǎn)，南點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系叫做地平坐標(biāo)系，如圖2.1所示。通過(guò)天頂和太陽(yáng)（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(diǎn)；從原點(diǎn)S沿地平圈順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量，弧SM為方位角γs(地平經(jīng)度)；弧XM為高度角α（地平緯度），向上為正，向下為負(fù)?；X稱(chēng)為天頂距，自Z起計(jì)量，用Z表示。顯然Z=90°-α。圖2.1地平坐標(biāo)系圖2.2時(shí)角坐標(biāo)系西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE11b.時(shí)角坐標(biāo)系以天赤道為基本圈，北天極為基本點(diǎn)，天赤道和子午圈在南點(diǎn)附近的交點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系為時(shí)角坐標(biāo)系或第一赤道坐標(biāo)系，如圖2.2所示。通過(guò)北天極和太陽(yáng)X作一個(gè)大圓，叫做時(shí)圈；時(shí)圈交天赤道于T點(diǎn)；從原點(diǎn)Q沿天赤道順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量，弧QT為時(shí)角ω，ω以度、分，秒單位來(lái)表示，也可以用時(shí)，分，為單位來(lái)表示；弧XT為赤緯角δ，δ以度、分，秒單位來(lái)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(yùn)動(dòng)時(shí)，天體的赤緯δ不隨周日運(yùn)動(dòng)而變化，但天體的時(shí)角ω卻從0°均勻地增加到360°秒。2.1.2相關(guān)角度的計(jì)算在太陽(yáng)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(shí)間及地點(diǎn)下的太陽(yáng)入射計(jì)算。a.有關(guān)角的定義假如太陽(yáng)能采光組件的傾斜角度和方位角已經(jīng)確定，要計(jì)算入射在采光組件表面上的太陽(yáng)直射輻射的能量，就必須定義一些角度。太陽(yáng)光線入射角θ：太陽(yáng)光線和采光組件表面法線之間的夾角，稱(chēng)為太陽(yáng)光線的入射角。太陽(yáng)光線可以分為兩個(gè)分量，一個(gè)垂直于采光面，一個(gè)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(jiàn)，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該是入射角θ越小越好，這也就是所說(shuō)的跟蹤。太陽(yáng)高度角α和太陽(yáng)方位角γs:從地面某一觀測(cè)點(diǎn)向太陽(yáng)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α叫做太陽(yáng)的高度角。該射線與地面法線的夾角叫太陽(yáng)天頂角θz.。其中α+θz=90°。太陽(yáng)光線在地面上的投影線與正南方的夾角γs，為太陽(yáng)的方位角。并規(guī)定，向西為正，向東為負(fù)。采光組件的方位角γ：采光組件表面法線在地面上有個(gè)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β：采光組件平面與水平面的夾角稱(chēng)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b.角度之間的關(guān)系和有關(guān)公式采光組件所獲得的太陽(yáng)輻射量主要取決于太陽(yáng)入射角θ，而θ是太陽(yáng)赤緯角δ、太陽(yáng)時(shí)角ω、地理緯度φ、采光組件傾斜角β、采光組件方位角γ和的函數(shù)，它們的具體關(guān)系是:(2.1)其中太陽(yáng)赤緯角δ可由Cooper方程式(2.2)近似計(jì)算：n：一年中的天數(shù)，如：在春分，n=81，則δ=0。（2.2）ω=(t-12)×15°（2.3）時(shí)角計(jì)算公式見(jiàn)式(2.3)，T為當(dāng)?shù)貢r(shí)間，按小時(shí)計(jì)算。地球自轉(zhuǎn)一周為360°，相應(yīng)的時(shí)間為24h，每1h地球自轉(zhuǎn)的角度定義為太陽(yáng)時(shí)角ω，則ω＝360°／24＝15°，正午時(shí)角為零．其它時(shí)辰時(shí)角的數(shù)值等于離正午的時(shí)間(h)乘以15。上午時(shí)角為負(fù)值，下午時(shí)角為正值，例如，上午10時(shí)和下午2時(shí)的時(shí)角分別為-30°及+30°。從式（2-1），（2-2），（2-3）可看出，當(dāng)δ，ω，φ確定后，采光組件傾角β和方位角γ的值決定了直接日射入角θ，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(yáng)光線入射角θ為0，從而最大限度地收集太陽(yáng)能。故我們可以根據(jù)不同地區(qū)的情況確定一個(gè)合適的太陽(yáng)能陣列的固定的安裝角，從而能最大效率利用太陽(yáng)能。2.2跟蹤方式的比較目前國(guó)內(nèi)外跟蹤太陽(yáng)的主要方法可以分為三種：①視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤②光電跟蹤③視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。現(xiàn)就這三種跟蹤方案做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹和比較。2.2.1視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，即計(jì)算機(jī)先根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律計(jì)算出一天內(nèi)某時(shí)刻太陽(yáng)的位置角度，然后運(yùn)行控制程序使跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)完成跟蹤。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。單軸跟蹤一般采用:①傾斜布置東西跟蹤;②焦線南北水平布置,東西跟蹤；③焦線東西水平布置,南北跟蹤。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向或東西向跟蹤。工作原理基本相似。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與太陽(yáng)能電池板垂直，收集太陽(yáng)能的效果并不理想[17][18]。如果能夠在太陽(yáng)高度和赤緯角的變化上都能夠跟蹤太陽(yáng)就可以獲得最多的太陽(yáng)能，全跟蹤即雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計(jì)的。雙軸跟蹤又可以分為兩種方式:極軸式全跟蹤和高度角一方位角式全跟蹤。在雙軸跟蹤中極軸式全跟蹤采用赤道坐標(biāo)系，高度角—方位角式全跟蹤采用地平坐標(biāo)[19][20]。2.2.2光電跟蹤目前，國(guó)內(nèi)常用的光電跟蹤有重力式、電磁式和電動(dòng)式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器如硅光電管。在這些裝置中，光電管的安裝靠近采光板，調(diào)整采光板的位置使采光板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)、硅光電池處于陰影區(qū)；當(dāng)太陽(yáng)西移時(shí)采光板的陰影偏移，光電管受到陽(yáng)光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整角度使跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)完成跟蹤。光電跟蹤靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便；但受天氣的影響很大，如果在稍長(zhǎng)時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽(yáng)的情況，太陽(yáng)光線往往不能照到硅光電管上，導(dǎo)致跟蹤裝置無(wú)法對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作[12]。2.2.3視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合光電跟蹤方法容易受外界天氣、雜光的干擾。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤在計(jì)算太陽(yáng)角度的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差，從而影響跟蹤精度，并且跟蹤裝置的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精密程度也會(huì)影響到裝置的跟蹤精度。但是，將視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合就能克服兩者的缺點(diǎn)。在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個(gè)高精度傳感器。當(dāng)跟蹤裝置開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，用兩片高精度傳感器初始定位。在運(yùn)行當(dāng)中，以過(guò)程控制為主，傳感器瞬時(shí)測(cè)量作反饋，對(duì)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(guò)程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽(yáng)能發(fā)電裝置。但計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，高精度傳感器成本也很高，對(duì)于需要降低成本的小型太陽(yáng)能利用裝置來(lái)講，該種跟蹤方式并不十分適用。2.3跟蹤方式的選著綜合2.2的幾種跟蹤方式以及結(jié)合本課題的要求，我們選著光電加時(shí)鐘跟蹤方式，簡(jiǎn)略敘述如下：正常情況下，由光電傳感器反饋信息進(jìn)而對(duì)太陽(yáng)能電池陣列進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其能與太陽(yáng)光垂直，保持對(duì)太陽(yáng)能的最大利用。如果是陰天等不正常情況下我們就用軟件啟動(dòng)時(shí)鐘跟蹤優(yōu)先，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)節(jié)較為精確,電路也比較簡(jiǎn)單。（這在2.4.2有詳細(xì)敘述）2.4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.4.1系統(tǒng)框圖總體方案設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)主要由傳感器，單片機(jī)控制器，步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)裝置，通信口等組成，系統(tǒng)工作原理圖如圖2.4所示。單單片機(jī)(A/D)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路垂直方向電機(jī)水平方向電機(jī)光電池陣列通信口當(dāng)前時(shí)鐘電路電源電路光源跟蹤信號(hào)前置電路限位檢測(cè)電路圖2.4系統(tǒng)工作原理圖2.4.2系統(tǒng)工作原理正常情況下：光電池陣列接受光照后，光電傳感器輸出信號(hào)（電壓差）經(jīng)放大處理等（光源跟蹤信號(hào)前置電路）輸入單片機(jī)，單片機(jī)處理后發(fā)出信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)光電池陣列進(jìn)行水平和垂直方向的調(diào)節(jié)，以便保持同太陽(yáng)光垂直的角度，從而達(dá)到對(duì)太陽(yáng)光的最大利用，通過(guò)當(dāng)前時(shí)鐘可以很方便的在太陽(yáng)下山后（無(wú)光照時(shí)）控制光電池陣列回到初始位置，以便開(kāi)始新的一天的工作。非正常情況下：如果是陰天，光電傳感器檢測(cè)到的兩電壓信號(hào)相等，所以輸出的電壓差信號(hào)為零，這時(shí)可用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘優(yōu)先。單片機(jī)會(huì)結(jié)合當(dāng)前時(shí)鐘調(diào)節(jié)光電池陣列的角度，如果光電傳感器仍然檢測(cè)不到電壓差信號(hào)，則可判斷是陰天，系統(tǒng)停止連續(xù)跟蹤調(diào)節(jié)以節(jié)能；如果光電傳感器能檢測(cè)到電壓差信號(hào)，但是經(jīng)單片機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整后，光電傳感器再次檢測(cè)的信號(hào)與前一次相比沒(méi)有變化，則判斷光電池陣列是否觸到限位開(kāi)關(guān)，若是，單片機(jī)將結(jié)合當(dāng)前時(shí)鐘對(duì)光電池陣列的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，若不是，則說(shuō)明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這時(shí)將由通信口發(fā)出信號(hào)通知工作人員進(jìn)行維護(hù)。3太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)PAGE133太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1硬件總體設(shè)計(jì)方案太陽(yáng)跟蹤控制器以單片機(jī)為核心建立應(yīng)用系統(tǒng)。光電傳感器輸出的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理輸入到A/D,為跟蹤提供依據(jù)。當(dāng)跟蹤裝置轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，為了保護(hù)設(shè)備同時(shí)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_(kāi)關(guān)來(lái)復(fù)位，當(dāng)機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，限位開(kāi)關(guān)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送個(gè)脈沖，單片機(jī)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(hào)采集電路光電跟蹤傳感器主要是由4片性能參數(shù)一致的光電池組成，其中兩個(gè)在東西方向成“人”字形，檢測(cè)東西方向光線變化，即調(diào)整方位角；另兩個(gè)在南北方向成“人”字形，檢測(cè)南北方向光線變化，即調(diào)整俯仰角。由于光電跟蹤傳感器的輸出電壓很小，不利于直接比較，所以我們先將光電傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大處理后輸入單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行比較再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。信號(hào)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E1、E2。圖3.1信號(hào)采集電路為了精確測(cè)量數(shù)十mA范圍的光電池電流，運(yùn)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(jí)，LM324是一種4集成運(yùn)算放大器，由于價(jià)廉且使用方便，被廣泛應(yīng)用于控制和一般信號(hào)放大處理之中。光電轉(zhuǎn)換電路可以使用集成運(yùn)算放大器。圖給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，運(yùn)放采用LM324，在圖中所示條件下，電路放大倍數(shù)如式（3.1）所示:[27]放大倍數(shù)=1+RF12/R11(3.1)西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE293.2.1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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。按用途光電池可分為太陽(yáng)能光電池和測(cè)量光電池兩大類(lèi)。太陽(yáng)能光電池主要用作電源，由干它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)、能直接將太陽(yáng)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(cè)量光電池的生要功能是作為光電探測(cè)用，對(duì)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(zhǎng)，它被廣泛地應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)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(dòng)勢(shì)的效應(yīng)[21]。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱(chēng)為太陽(yáng)能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源組件，具有較大面積的結(jié)，當(dāng)光照射在結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。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(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。光電池的開(kāi)路電壓是指當(dāng)光電池外接電阻為無(wú)窮大時(shí)，該電阻上所測(cè)得的電壓即為開(kāi)路電壓。開(kāi)路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系。短路電流是指把光電池結(jié)的兩端通過(guò)外導(dǎo)線短接，形成流過(guò)外電路的電流，該電流稱(chēng)為光電池的輸出短路電流，其大小與光強(qiáng)成正比。光電池的光譜特性決定于材料。硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm~1100nm，峰值波長(zhǎng)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(hào)根據(jù)硅光電池的特點(diǎn)和工作的需要程度，本文選用2CR43硅光電池。2CR43光電池：面積10×10mm2;開(kāi)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)的硬件設(shè)計(jì)3.3.1單片機(jī)的選型在本文的主要控制器件-單片機(jī)的選型方面，由于考慮到本系統(tǒng)要用到A/D轉(zhuǎn)換，所以我們選著了Silicon公司的80C51F330。C8051F330器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，其自帶A/D轉(zhuǎn)換，就不需要外擴(kuò)A/D，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3.2。圖3.280C51F330芯片結(jié)構(gòu)圖下面列出了其一些主要特性：⑴高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）⑵全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）⑶真正10位200ksps的16通道單端/差分ADC，帶模擬多路器⑷10位電流輸出DAC⑸高精度可編程的25MHz內(nèi)部振蕩器⑹8KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器⑺768字節(jié)片內(nèi)RAM⑻硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/I2C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口⑼4個(gè)通用的16位定時(shí)器⑽具有3個(gè)捕捉/比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）⑾片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器⑿片內(nèi)電壓比較器⒀17個(gè)端口I/O（容許5V輸入）3.3.2電源電路電源模塊需要向80C51F330提供3V的電源電壓，向外部時(shí)鐘提供5V的電源電壓，向通信模塊RS-485提供5V的電壓，向限位開(kāi)關(guān)、復(fù)位電路提供3V的邏輯電壓，以及向控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器PMM8713提供5V的電源電壓，向步進(jìn)電機(jī)及其功率放大驅(qū)動(dòng)電路提供24V的電壓。綜上所述本系統(tǒng)的電源電壓共需要以下3個(gè)等級(jí)的電源電壓：3V、5V、24V。將輸入的12V電壓轉(zhuǎn)換到5V我們選用MC78M05三端穩(wěn)壓芯片，將5V轉(zhuǎn)換到3V我們選用AS1117三端穩(wěn)壓芯片，在將12V轉(zhuǎn)換到24V時(shí)我們沒(méi)有用MC78M05而是選用了轉(zhuǎn)換效率更高的MAX618EEE芯片。電源電壓模塊圖見(jiàn)圖3.3.圖3.3電源電壓MAX618芯片輸出電壓的大小由R31和R32的阻值決定。三者之間符合如下關(guān)系：Vout=Vfb(1+R31/R32),其中Vfb一般為1.5V;電感值最佳值的選取應(yīng)符合式L=Vout/7×105。經(jīng)計(jì)算選取R31=150K，R32=10K,L=34uH。3.3.3外部時(shí)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(yáng)光，會(huì)造成跟蹤系統(tǒng)在跟蹤時(shí)觸碰行程開(kāi)關(guān)，造成強(qiáng)制歸位，引起誤操作。故在系統(tǒng)中加入一個(gè)外部時(shí)鐘電路，使系統(tǒng)能夠識(shí)別時(shí)間。在一定時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)只會(huì)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(dòng)跟蹤即可。經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們確定單片機(jī)每隔2.4分鐘給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)脈沖，也就是說(shuō)間隔2.4分鐘單片機(jī)才從外部時(shí)鐘采集一次數(shù)據(jù)。所以我們并不需要采用高速的并行時(shí)鐘，而采用一般的串行時(shí)鐘就可以滿足要求了，這樣可以節(jié)省單片機(jī)的I/O口以備他用。在時(shí)鐘芯片的選著上，我們選擇DALLAS公司生產(chǎn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯DS1302，為I2C協(xié)議，它雖然沒(méi)有采取光電隔離，但由于讀寫(xiě)靠時(shí)序控制，且具有寫(xiě)保護(hù)位，抗干擾效果好，同時(shí)體積小，連線少，外圍只有一32.768KHz晶振，使用靈活。DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、月以及帶閏年補(bǔ)償?shù)哪赀M(jìn)行計(jì)數(shù)，具有31×8RAM，可供保存有用數(shù)據(jù)。用于時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)具有單字節(jié)或多字節(jié)(也稱(chēng)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(shí)鐘芯片包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷提供秒、分、時(shí)、日、月和年等信息，對(duì)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(shí)鐘的運(yùn)行可采用24小時(shí)或帶上午和下午的12小時(shí)格式。DS1302與單片機(jī)的通信僅需三根線即SCLK（串行時(shí)鐘線）、I/O（數(shù)據(jù)線）、RST（復(fù)位線）。數(shù)據(jù)可以按每次一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的形式傳送到時(shí)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(duì)芯片操作。I/O：數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。SCLK：串行時(shí)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(shí)鐘電路3.3.4復(fù)位電路外部復(fù)位。外部/RST引腳提供了使用外部電路強(qiáng)制MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的方法。在/RST引腳上加一個(gè)低電平有效信號(hào)將導(dǎo)致MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。最好能提供一個(gè)外部上拉和（或）對(duì)/RST引腳去耦以防止強(qiáng)噪聲引起復(fù)位。從外部復(fù)位狀態(tài)退出后，PINRSF標(biāo)志（RSTSRC.0）被置“1”。外部復(fù)位電路如圖3.5所示。上電復(fù)位。在上電期間，器件保持在復(fù)位狀態(tài)，/RST引腳被驅(qū)動(dòng)到低電平，直到VDD上升到超過(guò)VRST電平。從復(fù)位開(kāi)始到退出復(fù)位狀態(tài)要經(jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)；該延時(shí)隨著VDD上升時(shí)間的增大而減小（VDD上升時(shí)間被定義為VDD從0V上升到VRST的時(shí)間）。最大的VDD上升時(shí)間為1ms；上升時(shí)間超過(guò)該最大值時(shí)可能導(dǎo)致器件在VDD達(dá)到VRST電平之前退出復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)上升時(shí)間小于1ms時(shí)，上電復(fù)位延時(shí)通常小于0.3ms。圖3.5復(fù)位電路3.4C8051F330的ADC0圖3.6C8051F330的ADC0子系統(tǒng)C8051F330的ADC0子系統(tǒng)集成了兩個(gè)16通道模擬多路選擇器（合稱(chēng)AMUX0）和一個(gè)200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。AMUX0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測(cè)器都可用軟件通過(guò)特殊功能寄存器來(lái)配置（見(jiàn)圖3.6）。ADC0可以工作在單端方式或差分方式，可以被配置為用于測(cè)量P0~P1、溫度傳感器輸出或VDD（相對(duì)于P0~P1或GND）。只有當(dāng)ADC控制寄存器（ADC0CN）中的AD0EN位被置‘1’時(shí)ADC0子系統(tǒng)才被使能。當(dāng)AD0EN位為‘0’時(shí)，C8051F330的ADC0子系統(tǒng)有6種A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，由ADC0CN中的ADC0轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式位（AD0CM2-0）的狀態(tài)決定采用哪一種方式。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有：⑴寫(xiě)‘1’到ADC0CN的AD0BUSY位⑵定時(shí)器0溢出（即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換）⑶定時(shí)器2溢出⑷定時(shí)器1溢出⑸CNVSTR輸入信號(hào)（P0.6）的上升沿⑹定時(shí)器3溢出向AD0BUSY寫(xiě)‘1’方式提供了用軟件控制ADC0轉(zhuǎn)換的能力。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)中斷（當(dāng)被允許時(shí)）并置位ADC0CN中的中斷標(biāo)志（AD0INT）。3.5開(kāi)關(guān)量輸入電路為了使跟蹤平臺(tái)在方位角方向上夜間歸位，安裝一個(gè)行程開(kāi)關(guān)（限位開(kāi)關(guān)），用于控制機(jī)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（太陽(yáng)下山）的時(shí)候，便會(huì)撞擊行程開(kāi)關(guān)，將此機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)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(yáng)升起。在高度角方向上不存在夜間歸位的問(wèn)題。因?yàn)楦叨冉窃谥形绲臅r(shí)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(dòng)范圍是±90度，高度角是0度-90度。行程開(kāi)關(guān)的連接電路圖如3.6所示，S81表示行程開(kāi)關(guān)，它處在常開(kāi)狀態(tài)。R71為一上拉電阻，阻值為10K到100K。圖3.7限位開(kāi)關(guān)電路3.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊3.6.1步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制組件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角[22]。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：⑴在不失步的前提下步進(jìn)電機(jī)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。⑵由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，即非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常可靠。同時(shí)，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)。⑶步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。⑷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(dòng)負(fù)載。作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行組件，步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。不僅在開(kāi)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(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，尤其是在強(qiáng)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(jī)的分類(lèi)及工作原理步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)、單相步進(jìn)電機(jī)、平面步進(jìn)電機(jī)等多種類(lèi)型。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步距角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步距角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相，三相和五相：兩相步距角一般為1.8度，三相步距角一般為1.2度而五相步距角一般為0.72度。.下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的工作原理。相數(shù)即產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。結(jié)構(gòu)。電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3て，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖見(jiàn)圖3.7。圖3.8反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖旋轉(zhuǎn)。如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò)1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊。A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。力矩。電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)(磁通量中)當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度產(chǎn)生力F與(d中/de)成正比。其磁通量中二Br?S(Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積)，F(xiàn)與L?D?Br成正比，(L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑)，Br=N?I/R(N?I勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)(電流乘匝數(shù))R為磁阻)，力矩=力*半徑，力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機(jī)有效體積越大勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。永磁式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)具有軸向勵(lì)磁源和徑向勵(lì)磁源這一特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看，它的定轉(zhuǎn)子上開(kāi)了很多齒槽，這與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似。磁路內(nèi)含有永久磁鋼，這與永磁式步進(jìn)電機(jī)相似。從性能上看，它可以做成像反應(yīng)式一樣的小步距角，也具有永磁式的控制功率小的優(yōu)點(diǎn)。步距角即對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，用e表示。0=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù))，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為0=360/(50*4)=l.8度(俗稱(chēng)整步)，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為e=360度/(50*8)=0.9度(俗稱(chēng)半步)。3.6.3步進(jìn)電機(jī)的選著綜合以上類(lèi)容，我們選著混合式步進(jìn)電機(jī)，但是又考慮到兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有振動(dòng)以及噪聲的缺點(diǎn)，所以我們選著步距角更小的三相混合式步進(jìn)電機(jī)，并采用三相六拍的工作方式，這樣步距角會(huì)更小，這就很好的解決了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)缺點(diǎn)。本課題選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為：573S15型。其基本參數(shù)為：步距角1.2°，相數(shù)為3相，額定電壓18V-50V，相電感1.35mH，相電流5.2A，相電阻0.9Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量480g.cm2。3.6.4步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組是按一定通電方式工作的，為實(shí)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(dòng)機(jī)的每相繞組。這種分配既可以用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)也可以用軟件來(lái)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(guò)單片機(jī)（DSP及其它控制芯片）向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。軟件法在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的時(shí)間，可能使單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他工作，所以，硬件法更常用。所謂硬件法實(shí)際上是用脈沖分配器芯片，來(lái)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(dòng)機(jī)繞組按規(guī)定順序通電，但輸出的脈沖電流太小，其驅(qū)動(dòng)功率很小，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)。所以分配器出來(lái)的脈沖還需進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)電路主要有：（1）單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路、（2）雙電壓驅(qū)動(dòng)電路、（3）斬波驅(qū)動(dòng)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(zhuān)門(mén)的用于步進(jìn)電機(jī)控制的脈沖分配芯片，配合用于功率放大的驅(qū)動(dòng)電路就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。市場(chǎng)上也有很多將硬件脈沖分配與驅(qū)動(dòng)電路集成在一起的芯片，這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便。采用開(kāi)環(huán)控制并具有一定的精度是步進(jìn)電機(jī)的一大特點(diǎn)。理論上說(shuō)，閉環(huán)控制比開(kāi)環(huán)控制可靠，但步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)價(jià)格較高，還容易引起持續(xù)的機(jī)械震蕩。如果要獲得優(yōu)良的動(dòng)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(jī)大部分還是采用開(kāi)環(huán)控制的。3.6.5串并行控制采用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，有串行控制和并行控制兩種方法。串行控制。具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間只需兩條控制線，一條用來(lái)發(fā)出時(shí)鐘脈沖串，另一條用來(lái)發(fā)出方向電平。這兩個(gè)信號(hào)都是送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器中必須含有脈沖分配器，對(duì)電動(dòng)機(jī)各相勵(lì)磁的分配及轉(zhuǎn)換順序都由環(huán)形分配器來(lái)完成，見(jiàn)圖3.9由于單片機(jī)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器之間只有兩條控制線，使系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單。系統(tǒng)從CP脈沖控制線按電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)，就發(fā)出恒定周期的脈沖串；當(dāng)需要加減速運(yùn)行時(shí)，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(shí)，只要停止發(fā)脈沖串就可以了。由此可以方便地對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)功率放大電路電源脈沖分配器單片機(jī)脈沖方向信號(hào)圖3.9串行控制示意圖控制線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)方向的控制，如為低電平：“0”時(shí)，環(huán)形分配器按正方向進(jìn)行脈沖分配，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；而為高電平“1”時(shí)，環(huán)形分配器按反方向進(jìn)行脈沖分配，電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。并行控制。用單片機(jī)系統(tǒng)接口的數(shù)條數(shù)據(jù)線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路的方法稱(chēng)為并行控制。很顯然，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)系統(tǒng)來(lái)完成。3.6.6步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)：步進(jìn)電機(jī)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(guò)程非常簡(jiǎn)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(shí)，他們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置，這個(gè)新的平衡位置是在原來(lái)的步距角范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，如果繞組中電流的波形不再是一個(gè)近似方波，而是一個(gè)分成N個(gè)階級(jí)的近似階梯波，則電流每升或降一個(gè)臺(tái)階時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過(guò)N個(gè)小步時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法，使實(shí)際的步距角更小了，可以大大提高對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。同時(shí)，可以減少震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。3.6.7步進(jìn)電機(jī)加減速控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從起點(diǎn)點(diǎn)到終點(diǎn)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，要經(jīng)歷升速、恒速和減速過(guò)程。如果啟動(dòng)時(shí)一次將速度升到給定速度，由于啟動(dòng)頻率超過(guò)極限啟動(dòng)頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要發(fā)生失步現(xiàn)象，因此會(huì)造成不能正常啟動(dòng)。如果到終點(diǎn)時(shí)突然停下來(lái)，由于慣性作用，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象，會(huì)造成位置精度降低。如果非常緩慢的升降速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)雖然不會(huì)產(chǎn)生失步和過(guò)沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。所以，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速有嚴(yán)格的要求，那就是保證在不失步和過(guò)沖的前提下，用最快的速度移動(dòng)到指定位置。因此，在步進(jìn)電機(jī)的點(diǎn)位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度一般都要經(jīng)過(guò)一個(gè)加速—恒速—減速的過(guò)程。如圖3.10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(dòng)頻率（速度），而不是從零開(kāi)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(shí)加速度恒定，因此要求電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒定值。從電動(dòng)機(jī)本身的特性來(lái)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(shí)際上電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨速度變化的規(guī)律。圖3.10加減速運(yùn)行曲線用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出時(shí)鐘脈沖CP的間隔。升速時(shí)使脈沖串逐漸加密、減速時(shí)逐漸稀疏。單片機(jī)采用定時(shí)中斷方式來(lái)控制電機(jī)變速時(shí)，實(shí)際上就是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。一般用離散辦法來(lái)逼近理想的升速曲線。為了減少每步計(jì)算轉(zhuǎn)載值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的中，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)用查表法查出所需的裝載值，從而大為減少占用運(yùn)算的時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。3.6.8步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本文的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是采用脈沖分配芯片PMM8713和功率放大管搭的，這樣簡(jiǎn)單實(shí)用。PMM8713是由日本Sanyo(三洋)電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)控制用脈沖分配(又稱(chēng)邏輯轉(zhuǎn)換器),為雙列直插式16腳單片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制,又可以用于4相控制。勵(lì)磁有1相、2相和1-2相3種方式,通過(guò)電路設(shè)計(jì)可任選其中的一種激勵(lì)方式。此外,PMM8713還具有單時(shí)鐘或雙時(shí)鐘工作方式,帶有正反轉(zhuǎn)控制功能以及初始化復(fù)位功能,其內(nèi)部有時(shí)鐘選通、激勵(lì)方式控制、可逆環(huán)形計(jì)數(shù)、激勵(lì)方式判斷等電路。因?yàn)镻MM8713所有輸入端均采用施密特整形電路,因此抗干擾能力強(qiáng)。輸出電流大于20mA。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖見(jiàn)3.11。圖3.11步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路PMM8713的功能表:輸入輸出勵(lì)磁方式ΦCEAEBCUCDCKU/DCOEMΦ1Φ2Φ3Φ4三相單-雙勵(lì)磁011ΧΧΧΧ-11010三相雙勵(lì)磁000ΧΧΧΧ-11010三相單勵(lì)磁001or10ΧΧΧΧ-01000四相單-雙勵(lì)磁111ΧΧΧΧ-11001四相雙勵(lì)磁100ΧΧΧΧ-11001四相單勵(lì)101or10ΧΧΧΧ-01000Χ：Don’tCare;-:不定表3.1PMM8713的功能表a.PMM8713的端口接線由于我們采用三相步進(jìn)電機(jī)，并且采用三相六拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA。所以脈沖分配芯片PMM8713的EA、EB管腳接高電平，BA、D管腳接低電平，R管腳是復(fù)位端，VCC、GND分別接電源和地，由于我們采用單片機(jī)輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，并不需要脈沖發(fā)生器，所以CU（UP計(jì)時(shí)脈沖）、CD（DOWN計(jì)時(shí)脈沖）都接地。CK(計(jì)時(shí)脈沖)、U/D(0:DOWN1:UP)都接入單片機(jī)端口，A、B、C三管腳接入步進(jìn)電機(jī)。b.驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理80C51F330單片機(jī)輸出的步進(jìn)脈沖和方向信號(hào)接入CK、U/D端口經(jīng)脈沖分配器PMM8713輸出后,通過(guò)U51~U53組成的三路光電耦合器輸出的脈沖作為三相步進(jìn)電機(jī)各相的控制信號(hào)，三相步進(jìn)電機(jī)的功率輸出級(jí)為了獲得足夠的驅(qū)動(dòng)功率,光電耦合器輸出的脈沖經(jīng)Q51～Q53場(chǎng)效應(yīng)管組成的三相前置功率放大,循環(huán)輸出A、AB、B、BC、C、CA三相六拍c.相關(guān)器件的選著光電耦合器。使用光電耦合器主要是基于以下考慮：①響應(yīng)速度加快。光電隔離藕合器的響應(yīng)延遲時(shí)間很短。②抗干擾能力加強(qiáng)，穩(wěn)定性得到提高。光電隔離藕合器的輸入回路與輸出回路之間沒(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)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(guò)光電隔離耦合器饋送到另一邊去，從而被有效的抑制了。所以采用光電耦合器輸出通道有效提高了抗干擾能力。本文所采用的6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其輸入電流為5mA，所以我們要在PMM8713與6N137之間串聯(lián)一個(gè)電阻，阻值為0.7K。功率放大器件。對(duì)于普通三極管，由于普通三極管的驅(qū)動(dòng)電流Ib=Ic/β,一般都在100mA以上，而PMM8713的輸出電流才幾十毫安，根本無(wú)法驅(qū)動(dòng)三極管；對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管（mos管），