【正文】 轉(zhuǎn)動(dòng)角度與且只與上一時(shí)刻的位置呈時(shí)間函數(shù)關(guān)系。并且由于要求跟蹤精度優(yōu)于? ，所以對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)必須予以精確的控制，這樣就決定了選用步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)較佳的方案。選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須根據(jù)實(shí)現(xiàn)跟蹤所需要的扭矩來(lái)計(jì)算電機(jī)功率。首先計(jì)算末端傳動(dòng)軸所受的實(shí)際扭矩，再根據(jù)減速倍數(shù)和傳動(dòng)效率估算出所需電機(jī)的扭矩。步進(jìn)電機(jī)的步矩角在太陽(yáng)跟蹤中是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，步距角與減速倍數(shù)的比值決定了理論上的最高控制精度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了電機(jī)與減速器的體積、綜合成本等因素。 程序在控制機(jī)械機(jī)構(gòu)的同時(shí)，確定機(jī)械機(jī)構(gòu)的基準(zhǔn)位置是十分必要的。在系統(tǒng) 運(yùn)行過(guò)程中，偶爾掉電是可能的，導(dǎo)致系統(tǒng)在加電時(shí)無(wú)法確定當(dāng)前的機(jī)械位置，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤 。另外，日落后系統(tǒng)也需按原路線返回到基準(zhǔn)位置，以避免電纜的纏繞和減少機(jī)械加工精度而產(chǎn)生的累積誤差，所以系統(tǒng)本太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng) 9 身要求有一個(gè)確定的基準(zhǔn)位置。同時(shí)，為了避免故障狀態(tài)造成儀器的連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)而損壞儀器，設(shè)計(jì)了極限位置限制裝置。整個(gè)定位系統(tǒng)由定位盤、限位開關(guān)、光電開關(guān)組成。在全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤裝置上安裝遮光裝置的目的是為了測(cè)量太陽(yáng)的散射輻射，它是借助于該遮光裝置把太陽(yáng)直接輻射從傳感器上遮去。 1． 4 本課題主要研究的內(nèi)容及意義 太陽(yáng)跟蹤 裝置的研究是提高太陽(yáng)能利用率的一種重要途徑。研究精確的太陽(yáng)跟蹤裝置，可使接收器的熱接受率大大提高，進(jìn)而提高太陽(yáng)能裝置的利用率，拓寬太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。本文所介紹的控制系統(tǒng)采用 AT89C52單片機(jī)作為控制芯片，十分適用于太陽(yáng)跟蹤裝置，表現(xiàn)在 :主要控制參數(shù)通過(guò)設(shè)置寄存器變量來(lái)實(shí)現(xiàn)，修改方便 。成本低廉，性能與相對(duì)簡(jiǎn)單的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)匹配 。數(shù)字化的控制系統(tǒng)，可以達(dá)到較高的精度，并有可能通過(guò)串行通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和模塊化處理 ?？商幚矶鄠€(gè)中斷，系統(tǒng)運(yùn)行后可能出現(xiàn)以前沒(méi)有考慮到的特殊情況，相應(yīng)的擴(kuò)充對(duì)策十分簡(jiǎn)單。 本課題的主要 研究?jī)?nèi)容： ，提出合理的控制策略。 ，并分析系統(tǒng)的軟硬件需求。 ，選擇合適的控制執(zhí)行部件即步進(jìn)電機(jī)。 ，選取恰當(dāng)?shù)膫鞲衅?，編制控制程序，?shí)現(xiàn)精確跟蹤。 太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng) 10 2 太陽(yáng)跟蹤裝置的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)基于單片機(jī)太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)的設(shè)計(jì)，機(jī)械部件設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下要求： a、機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行很大范圍的跟蹤。因此，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行程應(yīng)滿足跟蹤范 圍的要求，并要避免極限位置鎖死； b、為了降低成木，控制系統(tǒng)采用普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)跟蹤平臺(tái)。所以，要選擇合理結(jié)構(gòu)，工作能耗小能超過(guò)給定值； c、在滿足以上性能的同時(shí)，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和加土土藝，進(jìn)一步提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。 木文提出的跟蹤平臺(tái)的適用范圍非常廣泛，其中很多太陽(yáng)能利用的場(chǎng)合例如：太陽(yáng)能屋頂發(fā)電、聚光 —光纖傳輸型照明、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能空調(diào)等，太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤平臺(tái)都是在固定地點(diǎn)安裝運(yùn)行的。與此同時(shí)，也有一些使用情況要求跟蹤平臺(tái)安裝在移動(dòng)載體上，如衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池板、移動(dòng)車船上的太陽(yáng)能發(fā)電裝置。 2． 1立柱 轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤平臺(tái) 根據(jù)跟蹤平臺(tái)適用場(chǎng)合 (太陽(yáng)能屋頂發(fā)電、聚光 —光纖傳輸型照明、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能空調(diào)等 )的需求，木論文設(shè)計(jì)了立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤平臺(tái)。立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)適用于固定地點(diǎn)安裝 (能夠滿足聚光器對(duì)結(jié)構(gòu)的需求 )，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)大范圍雙向自動(dòng)跟蹤。 2． 1． 1跟蹤范圍要求 跟蹤平臺(tái)在固定地點(diǎn)安裝運(yùn)行，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)范圍是固定的：在早晨和傍晚太陽(yáng)光線很弱，一般這個(gè)時(shí)候不進(jìn)行采光工作，有效的太陽(yáng)方位角 (從東至西 )變化范圍大約為士 75 ；在赤道地區(qū)，太陽(yáng)全年視高度變化大約為士 。為了便于分析說(shuō)明，現(xiàn)以北緯 30 的武漢為跟蹤平臺(tái)安裝地點(diǎn)，太陽(yáng)方位角的變化范圍為士 75 ，太陽(yáng)高度角的變化為 47 （ ： ），如圖 。立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤平臺(tái)的跟蹤范圍應(yīng)該大于或等于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)范圍。 太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng) 11 高度角跟蹤 方位角跟蹤 圖 (徐州市 )跟蹤平臺(tái)的跟蹤運(yùn)動(dòng)范圍 2． 1． 2傳動(dòng)方案的選擇 跟蹤平臺(tái)是固定地點(diǎn)安裝，跟蹤范圍是固定的，范圍相對(duì)較小 (在上一節(jié)已經(jīng)加以討論 )。要使跟蹤平臺(tái)適用于聚光器，跟蹤平臺(tái)的機(jī)械部件就光能遮擋聚光器會(huì)聚的光線。所以對(duì)于跟蹤平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，除了一定的跟蹤范圍、動(dòng)作準(zhǔn)確、效率高、能耗低、工作可靠等基本要求以外，最重要的要求是 :成本低、性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)小應(yīng)遮擋光線。在眾多傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，齒輪傳動(dòng)以及螺旋傳動(dòng)都屬于最簡(jiǎn)單的、應(yīng)用最為廣泛、性價(jià)比最高的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。特別是利用齒輪傳動(dòng)，能在使用功率較小的普通電機(jī)的同時(shí)傳遞足夠大的動(dòng)力，并且使用功率較小的電機(jī)降低了其能源成本和制造成木。所以，采用齒輪傳動(dòng)或者螺旋傳動(dòng)對(duì)于降低系統(tǒng)成本、提高性價(jià)比十分重要，比較適合固 定場(chǎng)合的運(yùn)行需求。 太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng) 12 （ 1） （ 2） 輸入軸； 輸出軸； 小齒輪； 大齒輪； 底座； 罩殼 螺桿； 支架； 接收器 圖 傳動(dòng)方案比較示意圖 圖 。方案 (1)傳動(dòng)原理：輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，山于大齒輪固定，小齒輪對(duì)大齒輪作行星運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)罩殼、輸出軸實(shí)現(xiàn)繞主軸軸心線的轉(zhuǎn)動(dòng)。方案 (2)傳動(dòng)原理：輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪自轉(zhuǎn)，螺母固定在大齒輪上，從而帶動(dòng)螺桿相對(duì)于螺母作直線運(yùn)動(dòng)；根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的原理，這一直線運(yùn)動(dòng)可以看作桿件的伸縮運(yùn)動(dòng)，它帶動(dòng)接收器轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤。 這兩個(gè)方案的成木都較低，在成本相同的情況下，要選擇性能優(yōu)良、性價(jià)比高的方案。從跟蹤范圍方而考慮。方案 (1)的輸出軸可以旋轉(zhuǎn)任意角度，跟蹤范圍較大。而方案 (2)受連桿機(jī)構(gòu)極限位置的限制，跟蹤范圍較小。 從結(jié)構(gòu)方而考慮。 方案 (1)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；傳動(dòng)部件受到了一定的保護(hù)，機(jī)構(gòu)的壽命相對(duì)提高。而方案 (2)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、松散；由于螺桿的行程較大，小利于進(jìn)行保護(hù)，螺桿裸露在外壽命大大降低。 從能耗方而考慮。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)知，方案 (1)的電機(jī)工作電流始終保持在 300：400 mA左右。而方案 (2)的工作電流一般在 2A，到達(dá)極限位置附一近達(dá)到 3A,工作電流較大，能耗較高。 綜上所述，齒輪傳動(dòng)相對(duì)于其它傳動(dòng)結(jié)構(gòu)性價(jià)比高 ,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以傳遞較大力、可靠性高，很適合固定的安裝場(chǎng)合的應(yīng)用。所以選擇方案 (1)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng) 13 作為跟蹤平臺(tái)的傳動(dòng)方案。 2． 1． 3立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤平臺(tái) 根據(jù)圖 ，在固定地點(diǎn)安裝情況下，太陽(yáng)高度角變化范圍較小，所以直接用微型減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)跟蹤平臺(tái)就能滿足跟蹤的需要，以此提高平臺(tái)的性價(jià)比 :太陽(yáng)方位角的跟蹤選擇齒輪傳動(dòng)方案?？紤]到光能遮擋會(huì)聚光線，設(shè)計(jì)出的立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤平臺(tái)的傳動(dòng)示意圖如圖 (具體的實(shí)物圖見(jiàn)附一錄2)。立軸山滾動(dòng)軸承支承于底座上，立軸可在底座中轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪固定于底座的上端而，支架、罩殼安裝固定于立軸上，微型減速器電機(jī) 1安裝于罩殼上，小齒輪安裝在微型減速器電機(jī) 1輸出軸上，并與大齒輪嚙合，微型電機(jī) 1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小齒輪對(duì) 大齒輪作行星運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)罩殼、主軸、支架實(shí)現(xiàn)繞主軸軸心線的轉(zhuǎn)動(dòng)。接收器邊框上一對(duì)同心軸安裝于支架兩同心孔內(nèi)，微型減速器電機(jī) 2與接收器軸相連，微型電機(jī) 2旋轉(zhuǎn)時(shí)， 微型減速電機(jī) 1； 立軸； 小齒輪； 大齒輪； 底座； 罩殼 支架； 微型減速電機(jī) 2； 接收器 圖 立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤平臺(tái)傳動(dòng) 示意圖 驅(qū)動(dòng)接收器繞軸心線轉(zhuǎn)動(dòng)。支架的轉(zhuǎn)動(dòng)和接收器的轉(zhuǎn)動(dòng)的合成實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在大范圍對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。 立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤平臺(tái)對(duì)太陽(yáng)從早到晚變化的跟蹤主要是由微型減速電機(jī) 1驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，主軸可以任意旋轉(zhuǎn)任何角度。但是在實(shí)際的工作中，山于微型減速電機(jī)要接到系統(tǒng)電源 (常為固定安裝 )，微型減速電機(jī) 1繞轉(zhuǎn)角度過(guò)大太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng) 14 就會(huì)產(chǎn)生電線纏繞的現(xiàn)象，所以實(shí)際的工作角度 (方位角的跟蹤 ) ,跟蹤太陽(yáng)視高度 變化運(yùn)動(dòng)主要山微型減速電機(jī) 2驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，接收器理論上可以旋轉(zhuǎn)任何角度。但同樣是因?yàn)榻泳€問(wèn)題，還有防止接收器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這一工作角度 (高度角的跟蹤 ) 。參考前而分析的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的范圍 (圖 )可知，該跟蹤平臺(tái)能夠?qū)μ?yáng)進(jìn)行完全跟蹤。 選擇機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料，主要考慮成本問(wèn)題，在成本較低的材料中選擇性能較好的材料。立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤平臺(tái)的機(jī)械執(zhí)行部件選材如下：基本的結(jié)構(gòu)件選擇 45鋼，降低成木 ；齒輪選擇塑料齒輪，大批量生產(chǎn)降低成木；對(duì)于接收器的框架選擇 Q235板材彎折而成，提高剛性。選擇材料之后，要制訂合理的材料處理方式來(lái)提高機(jī)械部分的性能和壽命。跟蹤平臺(tái)的材料處理方法 :表而噴塑。 2． 2齒圈傳動(dòng)式跟蹤平臺(tái) 木文研發(fā)的齒圈傳動(dòng)式跟蹤平臺(tái)既適用于固定安裝的場(chǎng)合，又適用于安裝在中低速運(yùn)動(dòng)的載體上 (太陽(yáng)能車、船 )，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)大范圍雙向自動(dòng)跟蹤。 2． 2． 1跟蹤范圍要求 齒圈傳動(dòng)式跟蹤平臺(tái)在固定地點(diǎn)安裝運(yùn)行時(shí)，其跟蹤范圍要求與 所述相同，故此省略。當(dāng)跟蹤平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)載體上運(yùn)行時(shí)，載體的運(yùn) 動(dòng)是小確定的，可能朝各個(gè)方向行駛，相對(duì)于跟蹤平臺(tái)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)變得更加復(fù)雜，變化范圍也小是固定的了，特別有時(shí)載體可能繞圈行駛，太陽(yáng)的變化范圍將會(huì)增大幾倍。所以，跟蹤平臺(tái)的跟蹤范圍應(yīng)該設(shè)置的較大，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的任何情況。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中就已經(jīng)考慮到這一問(wèn)題，在此為跟蹤平臺(tái)設(shè)定了一個(gè)跟蹤范圍一一兩個(gè)跟蹤方向的跟蹤范圍都較大，如圖 示。通過(guò)對(duì)跟蹤平臺(tái)的極限位置進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)調(diào)整跟蹤。 太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng) 15 方位角跟蹤 高度角跟蹤 圖 (徐州地區(qū) )跟蹤平臺(tái)的跟蹤范圍 2． 2． 2傳動(dòng)方案的選擇 齒圈傳動(dòng)式跟蹤平臺(tái)主要適用于太陽(yáng)車、太陽(yáng)船，跟蹤平臺(tái)的載體一般是太陽(yáng)能電池板，必須特別考慮結(jié)構(gòu)對(duì)會(huì)聚光線的影響，但電池板面積比較大，要考慮跟蹤平臺(tái)在輸入功 率較小的情況下帶動(dòng)較大的電池板工作。所以跟蹤平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要滿足較大的跟蹤范圍、較大的輸出力量、性價(jià)比高等要求。綜合各種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)以及蝸輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比都較大，能在使用功率較小的普通電機(jī)的同時(shí)傳遞足夠大的動(dòng)力，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。所以，齒輪傳動(dòng)或者蝸輪傳動(dòng)，比較適合在中低速運(yùn)動(dòng)載體上運(yùn)行的需求。從跟蹤范圍方而看，齒輪傳動(dòng)和蝸輪傳動(dòng)都能滿足設(shè)計(jì)需求。從輸出力量看，只要傳動(dòng)比一致，輸出的力量也沒(méi)有很大區(qū)別。在性能相同的情況下，要選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好的傳動(dòng)方案。齒輪、齒圈的加工成本相對(duì)于蝸桿、蝸輪的成木低，所以選擇齒 輪傳動(dòng)作為跟蹤平臺(tái)的傳動(dòng)方案。 2． 2． 3齒圈傳動(dòng)式跟蹤平臺(tái) 考慮到太陽(yáng)能電池板較大，帶動(dòng)電池板所需力量較大，所以跟蹤平臺(tái)在兩個(gè)跟蹤方向的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)都選擇齒輪、齒圈傳動(dòng)。設(shè)計(jì)出的齒圈傳動(dòng)式跟蹤平臺(tái)的傳動(dòng)示意如圖 。齒圈 轉(zhuǎn)動(dòng)架及接收器連接成一體，主軸為十家軸，長(zhǎng)軸軸頸安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)架的支承孔中，可以轉(zhuǎn)動(dòng)。短軸軸頸插入立柱的支承孔內(nèi)，也可以轉(zhuǎn)動(dòng)。微型減速器電機(jī) 1安裝于立柱側(cè)而，通過(guò)小齒輪 1與齒圈 1嚙合，微型電機(jī) 1旋轉(zhuǎn)可以驅(qū)動(dòng)齒圈 長(zhǎng)軸、接收器繞短軸中心轉(zhuǎn)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng) 16 動(dòng)。微型減速器電機(jī) 2安裝于懸壁上，懸臂固定 于長(zhǎng)軸的一端。微型減速器電機(jī) 2轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)小齒輪 2可以驅(qū)動(dòng)齒圈 轉(zhuǎn)動(dòng)架、接收器繞長(zhǎng)軸軸心線轉(zhuǎn)。微型減速器電機(jī) 1和微型減速器電機(jī) 2可以分別驅(qū)動(dòng)接收器在兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)雙軸大范圍的自動(dòng)跟蹤。 微型減速電機(jī) 1； 小齒輪； 齒圈 1； 短軸； 長(zhǎng)軸； 轉(zhuǎn)動(dòng)架微型減速電機(jī) 2； 小齒輪； 齒圈 2； 接收器； 1懸臂； 1立柱 圖 平臺(tái)傳動(dòng)示意圖 齒圈傳動(dòng)式跟蹤平臺(tái)對(duì)于太陽(yáng)從早到晚變化的跟蹤主要是山微型減速電機(jī) 1驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)，主軸和接收器可以旋轉(zhuǎn)的角度 (方位角跟蹤角度 ) 。跟蹤太陽(yáng)視高度變化運(yùn)動(dòng)主要山微型減速電機(jī) 2驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，考慮到接線問(wèn)題，轉(zhuǎn)動(dòng)架和接收器的運(yùn)動(dòng)角度 (高度角跟蹤角度 ) 。參考前面對(duì)跟蹤平臺(tái)跟蹤范圍的要求 (圖 )可知，無(wú)論是在固定地點(diǎn)運(yùn)行，還是在運(yùn)動(dòng)載體上運(yùn)行，齒圈傳動(dòng)式跟蹤平臺(tái)能夠?qū)μ?yáng)進(jìn)行完全跟蹤。 2． 3陀螺儀式跟蹤平臺(tái) 要滿足高速移動(dòng)的太陽(yáng)能車船和西北地區(qū)的太陽(yáng)能使用的需求，必須設(shè)計(jì)一種跟蹤平臺(tái)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，既能在風(fēng)力較大的固定安裝場(chǎng)合上作運(yùn)行，又能滿足在高速運(yùn)動(dòng)載體上運(yùn)行的需求。因此，本文設(shè)計(jì)了陀螺儀式跟蹤平臺(tái)。 2． 3． 1跟蹤范圍要求 太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng) 17 陀螺儀式跟蹤平臺(tái)其跟蹤范圍與在 臺(tái)的跟蹤范圍 相同，故在此省略。 2． 3． 2傳動(dòng)方案的選擇 陀螺儀式跟蹤平臺(tái)要求既能在風(fēng)力較大的固定場(chǎng)合運(yùn)行，又能在高速運(yùn)動(dòng)的載體上運(yùn)行。在高速運(yùn)動(dòng)的載體上工作，會(huì)遇到很大的逆向風(fēng)，如果采用防風(fēng)性能一般的跟蹤平臺(tái)，極有可能平臺(tái)被吹動(dòng)或者翻轉(zhuǎn)，無(wú)法正常工作。在這種情況下，必須采用防風(fēng)性能高的跟蹤平臺(tái)。風(fēng)力較大的地區(qū)，即使平臺(tái)固定地點(diǎn)安裝運(yùn)行，也必須具備良好的防風(fēng)性。所以要求跟蹤平臺(tái)的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)有較好的防風(fēng)