【文章內(nèi)容簡介】 性。蝸桿傳動和螺旋傳動具有簡單、應(yīng)用廣泛、性價比高等特點(diǎn)，特別是它們具有自鎖性能。如果跟蹤平臺采用蝸桿傳動或者 螺旋傳動，遇到逆風(fēng)情況，山于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠自鎖，跟蹤平臺并不會被風(fēng)吹動甚至翻轉(zhuǎn)，能夠正常工作。采用蝸桿傳動或者螺旋傳動結(jié)構(gòu)，比較適合較大跟蹤范圍、防風(fēng)性場合的需求。 圖 ．方案 (1)傳動原理 :輸入軸轉(zhuǎn)動時，蝸桿帶動蝸輪及輸出軸旋轉(zhuǎn)。方案 (2)傳動原理 :輸入軸轉(zhuǎn)動時，小齒輪帶動大齒輪以及螺桿旋轉(zhuǎn)，從而帶動螺母以及連桿的一端作上下直線運(yùn)動 :根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的原理，此運(yùn)動帶動接收器轉(zhuǎn)動跟蹤。 （ 1） （ 2） 輸入軸； 輸出軸； 蝸桿； 蝸輪； 殼體； 小齒輪； 大齒輪； 螺母； 螺桿； 連桿； 1接收器； 1支架 圖 太陽跟蹤系統(tǒng) 18 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，為實現(xiàn)較大跟蹤范圍提供了可能。而方案 (2)受連桿機(jī)構(gòu)極限位置的限制，要滿足較 大跟蹤范圍的要求，就必須把平臺結(jié)構(gòu)增大，這會使系統(tǒng)成本和能耗增加很多。 從防風(fēng)性方而考慮。方案 (1)的在自鎖的同時結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)剛性提高，長期逆風(fēng)工作結(jié)構(gòu)變形較小，可靠性高。方案 (2)的結(jié)構(gòu)松散，長期逆風(fēng)工作結(jié)構(gòu)變形相對大，對工作效果產(chǎn)生影響、可靠性低。 從結(jié)構(gòu)方而考慮。方案 (1)的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；傳動部件在傳動箱內(nèi)受到了良好的保護(hù)，機(jī)構(gòu)的壽命提高。而方案 (2)的結(jié)構(gòu)較大、復(fù)雜、松散，結(jié)構(gòu)剛性會降低很多，要提高剛性需要加固結(jié)構(gòu)或者使用剛性好的材料，這些都會使成本增加。而且松散的結(jié)構(gòu)不利于螺桿 的保護(hù)，螺桿裸露在外壽命大大降低。 綜上所述，蝸桿傳動防風(fēng)性能好、跟蹤范圍大、性價比高、可靠性高。所以，選擇方案 (1)作為跟蹤平臺的傳動方案。 2． 3． 3 陀螺儀式跟蹤平臺 微型減速電機(jī) 1； 傳動箱 1； 蝸桿 1； 渦輪 1； 環(huán)形支架 微型減速電機(jī) 2； 傳動箱 2； 蝸桿 2； 蝸輪 2； 1接收器 圖 陀螺儀式跟 蹤平臺傳動示意圖 太陽跟蹤系統(tǒng) 19 由于防風(fēng)性的要求，跟蹤平臺在兩個方向的傳動結(jié)構(gòu)都選擇蝸桿傳動。設(shè)計出的陀螺儀式跟蹤平臺示意圖如圖 ：傳動箱 1和傳動箱 2均為蝸輪蝸桿減速器，分別安裝在固定支架和環(huán)形支架上。微型減速器電機(jī) 1和微型減速器電機(jī) 2分別通過傳動箱 1和傳動箱 2輸出動力給環(huán)形支架和接收器。 陀螺儀跟蹤平臺的工作原理如下：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏移時，控制部分發(fā)出信號給微型減速器電機(jī) 2驅(qū)動以及微型減速器電機(jī) 1，微型減速器電機(jī) 1和微型減速器電機(jī) 2分別通過傳動箱 1和傳動箱 2驅(qū)動環(huán)形支架和接收器轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對太陽方位角和高 度角大范圍跟蹤。 陀螺儀式跟蹤平臺的兩個方向的跟蹤目標(biāo)是山安裝方向而定，現(xiàn)假設(shè)傳動箱 1的輸出軸南北朝向安裝。對于太陽方位角的跟蹤運(yùn)動，主要由微型減速電機(jī) 1驅(qū)動來實現(xiàn)，考慮到接線問題，環(huán)形支架轉(zhuǎn)動的角度 (方位角跟蹤角度 ) 跟蹤太陽視高度變化運(yùn)動主要由微型減速電機(jī) 2驅(qū)動實現(xiàn)，考慮到接線問題，以及防止接收器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，接收器轉(zhuǎn)動的角度 (高度角跟蹤角度 ) 。參考前面對跟蹤范圍 (圖 )的要求可知，陀螺儀式跟蹤平臺能夠?qū)μ栠M(jìn)行完全跟蹤。 本章根據(jù)不同太陽能利用場合的需要，提出了三種跟蹤平臺機(jī)械執(zhí)行部件。探討了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化選擇，機(jī)構(gòu)的工作原理、性能特點(diǎn)、材料選擇、成本等方面的情況。通過闡述，進(jìn)一步證實了太陽自動跟蹤平臺的優(yōu)越性。 太陽跟蹤系統(tǒng) 20 3 控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 3． 1 控制系統(tǒng)的選取 伺服系統(tǒng)屬于自 動控制系統(tǒng)中的一種，能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)，稱為自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)是由多個部分組成，它們在系統(tǒng)中分別起著不同的作用。在自動控制中，有一些重要的概念，這些概念對于理解系統(tǒng)的意義和功能是十分重要的。 對象，也稱被控對象。它是一個設(shè)備或是多種部件組合成一個整體或物體，其作用是要執(zhí)行某種特定的動作或功能；任何被控的設(shè)備，物體都稱為對象。 過程。在自動控制系統(tǒng)中，任何被控的動力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)稱為過程。過程在自動控制系統(tǒng)中被稱為對象。 系統(tǒng)。由一系列部件組合在一起，能 完成一定功能或任務(wù)的一個整體，稱為系統(tǒng)。系統(tǒng)在自動控制系統(tǒng)中有時也稱對象。 控制器。接收控制指令或信號，并對對象執(zhí)行控制的部件稱控制器。控制器是自動控制系統(tǒng)的核心，各種控制理論和技術(shù)是通過控制器作用而實施的。 反饋。在自動控制系統(tǒng)中，把系統(tǒng)的輸出信號進(jìn)行采樣，并把結(jié)果送回到系統(tǒng)的輸入端去，這一過程稱為反饋。如果把輸入信號和輸出信號進(jìn)行相加，這一過程稱為正反饋；如果把輸入信號和輸出信號進(jìn)行相減，這一過程稱為負(fù)反饋。 檢測。在自動控制系統(tǒng)中，為了監(jiān)視系統(tǒng)的輸出結(jié)果是否符合控制要求，需要對 輸出系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行測量，這種測量過程也稱檢測。測量系統(tǒng)叔叔狀態(tài)的器件也稱傳感器。 擾動。使自動控制系統(tǒng)的輸出結(jié)果產(chǎn)生偏差的信號稱為擾動信號，有時也稱干擾信號。擾動信號是在自動控制系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的，稱為內(nèi)擾動，否則稱為外擾動。這都是控制系統(tǒng)所不期望的。對已知擾動要加以消除和校正。對無法預(yù)知的擾動采取反饋控制的方法加以抑制或消除。 伺服系統(tǒng)用來控制被控對象的轉(zhuǎn)角 (或位移 )，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。它的基本要求是輸出量迅速而精確地跟隨輸入量的變化，因此又稱為隨動系統(tǒng) (或跟蹤 系統(tǒng) )。隨著電子電力技術(shù)的發(fā)太陽跟蹤系統(tǒng) 21 展，伺服系統(tǒng)越來越成為機(jī)械設(shè)備的核心組成部分之一。 伺服系統(tǒng)分類方法很多，一般可按驅(qū)動方式、控制原理及被控量性質(zhì)來分類。伺服系統(tǒng)驅(qū)動方式有電氣驅(qū)動伺服、氣壓驅(qū)動伺服及油壓驅(qū)動伺服三大類。本控制系統(tǒng)的元件是由電氣元件組成，因此本控制系統(tǒng)為電氣伺服系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)按控制原理可分開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。按被控量性質(zhì)分有速度伺服控制、位置伺服控制及力矩伺服控制等多種。而開環(huán)控制和閉環(huán)控制是自動控制系統(tǒng)的兩種最基本的形式，下面將分別進(jìn)行介紹。 3． 1． 1 開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制 是指控制裝置與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用的控制過程。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)的被控量 (或輸出量 )，不對系統(tǒng)的控制量發(fā)生影響。目前用于國民經(jīng)濟(jì)各部門的一些自動化裝置，如自動車床、自動洗衣機(jī)、自動售貨機(jī)、產(chǎn)品自動生產(chǎn)線等，一般都是開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的示意框圖如圖 。 控制裝置輸入信號被控對象輸出量干擾 圖 開環(huán)控制框圖 在開環(huán)控制中，對于系統(tǒng)的每一個輸入信號，必有一個與之對應(yīng)的工作狀態(tài)和輸出量。系統(tǒng)的精度取決于元、器件的精度和特性調(diào)整的精度。當(dāng)系統(tǒng)的擾動影響不大，并且控制精度要求不高時，可采用開環(huán)控制方式。 開環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、調(diào)整和維修比較方便、工作可靠，主要用于精度、速度要求不高的場合。如簡易數(shù)控機(jī)床、小型工作臺、線切割機(jī)、繪圖儀、雕刻機(jī)等。 典型的 開環(huán)伺服系統(tǒng)是使用步進(jìn)電動機(jī)的伺服系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)如下圖所示，脈沖分配器根據(jù)輸入脈沖和方向指令信號，輸出合適順序太陽跟蹤系統(tǒng) 22 的脈沖序列，然后通過功率驅(qū)動器 (亦稱為脈沖功率放大器 )，一次提供足夠的脈沖電流給電機(jī)的各個相繞組，使其按給定的方向和速度產(chǎn)生不進(jìn)運(yùn)動。 輸入脈沖方向指令脈沖分配器功率驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角電源 圖 典型開環(huán)控制系統(tǒng) 3． 1． 2 閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制是指控制裝置與被控對象之間既有正向作用，又有反饋?zhàn)饔玫目刂七^程。閉環(huán)控制是自然界中一切生物控制自身運(yùn)動的基本規(guī)律，也是現(xiàn)代自動控制的基本的理論，它可以實現(xiàn)復(fù)雜而準(zhǔn)確的控制。 人本身就是一個具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。例如，人可以用手準(zhǔn)確地去拿放在桌上的書、筆等物。這個出現(xiàn)于日常生活中的習(xí)以為常的現(xiàn)象，正好體現(xiàn)了閉環(huán)控制的原理。當(dāng)人去拿書時，大腦送出一個信號令手執(zhí)行任務(wù)。這時，眼睛連續(xù) 觀測手的位置，并將這個信息送入大腦 。然后，由大腦判斷手對書的偏差，并根據(jù)其大小發(fā)出命令控制手臂移動，使偏差減小。只要這個偏差存在，上述過程就要反復(fù)進(jìn)行。一旦手拿到書，偏差減小為零，人便完成了用手拿書的控制過程。在此，手是被控對象，手的位置即為被控量，控制目的是使手的位置與書的位置一致，控制作用是通過眼睛、大腦和手臂來實現(xiàn)的。人作為一個閉環(huán)控制系統(tǒng)可用圖 。 輸入信號（書位置）眼睛 大腦 手臂、手（手位置）輸出量 圖 通常將檢測出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號比較的過程稱為反饋。若反饋信號與輸入信號相減，則稱為負(fù)反饋，反之，若相加，太陽跟蹤系統(tǒng) 23 則稱為正反饋。輸入信號與反饋信號之差，稱為偏差信號。偏差信號作用于控制器上，使系統(tǒng)的輸出量趨向于給定的數(shù)值。閉環(huán)控制的實質(zhì)，就是利用負(fù)反饋的作用來減小系統(tǒng)的誤差，因此閉環(huán)控制又稱為反饋 控制，其示意框圖如圖 。 輸入量 偏差量 控制器控制量 被控對象輸出量測量元件 圖 閉環(huán)控制框圖 反饋控制是一種基本的控制規(guī)律，它具有自動修正被控量偏離給定的作用，因而可以抑制擾動所引起的誤差，達(dá)到自動控制的目的。 3． 2 單片機(jī)的控制系統(tǒng) 單片機(jī)的一個廣泛應(yīng)用領(lǐng)域就是過程控制。這包括生產(chǎn)過程中的控制過程，例如化工過程、冶金過程、軋鋼過程、機(jī)械加工過程、塑料成型過程等，以及其他各種各樣的控制過程。 單片機(jī)在過程控制中應(yīng)用的特點(diǎn)是以控制理論為基礎(chǔ)的系統(tǒng)自動化控制。所以一般有較明確的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，有較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)算法和較復(fù)雜的響應(yīng)過程。這主要是因為在過程控制中對速度、時間、精度有嚴(yán)格的要求。特別是對過渡過程要求是十分嚴(yán)格的。 單片機(jī)在過程控制中，通常是對一個過程的直接數(shù)字控制，也即是 DDC控制，很少涉及管理。其原因在于單片機(jī)的內(nèi)存容量 、速度、字長都不適應(yīng)于管理目的?，F(xiàn)代計算機(jī)控制系統(tǒng)中最基本的控制是 DDC控制，然后才是監(jiān)視控制，管理等層次。各種層次往往采用不同結(jié)構(gòu)的計算機(jī)。在 DDC控制中適宜采用單片機(jī)，而在監(jiān)視及管理中，則適宜采用微型機(jī)系統(tǒng)、微型機(jī)網(wǎng)絡(luò)或小型計算機(jī)甚至中型計算機(jī)等。 單片機(jī)在 DDC控制中有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。它體積小，可以做成體積極小的控制器用于一些體積不大的設(shè)備和空間有限的生產(chǎn)過程、控制過程。在現(xiàn)代化的汽車中就有不少單片機(jī)的控制器，包括點(diǎn)火控制、節(jié)油控制等。單片機(jī)還有溫度范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，故在強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場的工業(yè)環(huán) 境中太陽跟蹤系統(tǒng) 24 有良好的工作性能，在溫度變化范圍大的惡劣條件下仍能可靠工作 。在鋼鐵工業(yè)的冶煉、軋鋼過程中普遍應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行過程控制；除此之外，石油化工、化肥、塑料、機(jī)械制造、紡織、制糖等生產(chǎn)過程也大量應(yīng)用了單片機(jī)。而在航天航空、軍事裝置、航海、交通設(shè)備中，單片機(jī)的應(yīng)用也越來越多。過程控制應(yīng)用單片機(jī)已成為了一種不可抗拒的趨勢。 單片機(jī)在過程控制中的應(yīng)用是一種十分重要的領(lǐng)域，也是單片機(jī)應(yīng)用得最多的一個領(lǐng)域之一。 本跟蹤裝置屬于典型的伺服系統(tǒng)，需要控制的對象是雙軸太陽跟蹤器，被控制的量是跟蹤器的轉(zhuǎn)角位置，執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)， 反饋元件是傳感器，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)及傳感器的反饋信號都是在單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制下完成的。 3． 3基于單片機(jī)機(jī)構(gòu)的太陽跟蹤器控制方式 3． 3． 1控制系統(tǒng)工作原理 本課題主要是研究一種能夠跟蹤太陽運(yùn)動的機(jī)械裝置的控制部分，通過控制機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對太陽方位角和赤緯角進(jìn)行跟蹤，以達(dá)到最大利用太陽能的目的。該控制系統(tǒng)的原理是： 按照跟蹤機(jī)構(gòu)在不同時刻不同地理位置處的運(yùn)動角臺的位姿，然后通過機(jī)構(gòu)約束條件導(dǎo)出位姿的反解，求得機(jī)構(gòu)的輸入角度。通過單片機(jī)發(fā)出脈沖指令及方向指令來控制電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和方向，實時地跟 蹤太陽。同時根據(jù)光敏傳感器的反饋信號來及時的調(diào)整跟蹤器運(yùn)轉(zhuǎn)的速度和方向以及通過該反饋信號控制部件決定何時對該跟蹤裝置實行制動，其控制框圖如圖 3. 5所示： 驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī) 跟蹤器A/ D轉(zhuǎn) 換器 信號處理 傳感器單片機(jī) 圖 控制框圖 由圖可見該控制系統(tǒng)構(gòu)成了一個由 單片機(jī)為中心控制元件閉環(huán)系統(tǒng)。此太陽跟蹤器具體工作過程敘述如下： 該系統(tǒng)的控制對象是雙軸太陽跟蹤器，被控制的量是跟蹤器的轉(zhuǎn)角位太陽跟蹤系統(tǒng) 25 置。跟蹤裝置要實現(xiàn)對太陽方位角和高度角兩個方向的跟蹤，所以應(yīng)該明確這兩個方向上運(yùn)動的范圍。以徐州市為例，徐州所在的緯度約為 39? ，根據(jù)公式，可以算出在夏至日時，日出時間為 7點(diǎn) 38分，日落時間為 17點(diǎn) 38分，所以最長的光照時間為 10小時。因此可以算出太陽的方位 角為 到之間。由此可以初步確定跟蹤日出日落的角度最大范圍為 180度，跟蹤太陽高度角變化的范圍是 35度。采用的是主動式跟蹤，即預(yù)先算好某一時刻對應(yīng)的太陽角位置機(jī)構(gòu)所應(yīng)該輸入的角度，編入程序中。當(dāng)在正常天氣情況下有陽光