【文章內容簡介】 效跟蹤，提高系統(tǒng)的發(fā)電 效率 。 蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 13 3 轉向機構 的設計 轉向機構的整體設計 轉向機構的設計是為實現(xiàn)對太陽的全自動跟蹤，使太陽能板自動準確的跟蹤太陽運動， 這 就必須使太陽能板裝置具有跟蹤功能。在實際的運行過程中，太陽的運動是一個沿著方位方向和高度方向兩個方向的非線性運動，因此，需要兩個步進電機分別進行控制。這兩個步進電動機的作用是驅動跟蹤裝置可以沿方位方向和高度方向轉動，從而帶動驅動裝置沿這兩個方向運動。這樣，跟蹤裝置就可以在步進電動機的帶動下在整個太陽運動過程中光線始終垂直于太陽能板，保證了太陽能的有效利用。 本設計中通過 用兩個步進電機驅動 東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的跟蹤 ， 達到使太陽能電池板能夠始終正對太陽照射角，從而達到提高太陽能利用率的目的。同時， 此跟蹤系統(tǒng)的設計還必須本著造價低廉、可靠性高、結構簡潔的原則進行。機械轉向機構在結構上要做到結構緊湊、布局合理，選件不能過大臃腫，在同等條件下，盡量選用小型的構件。 通過 對目前多種太陽能采集裝置的機械結構的收集和對比 ，再在幾種比較合 適的結構的基礎上進行一些修改以更加符合本設計的要求，最終得到的結構如圖 31所示。此結構在東西向和南北向都有很大的轉動空間，并且結構簡單，耗材較少，比較適合小型的太陽能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)。 如圖 31，本機械轉向機構基本組成主要有：底座、下層平臺、上層平臺、步進 電機、減速裝置、電池板固定框架等。 在轉向機構的組成中，底座主要由普通的鋼材加工而成，便于拆卸和移動。驅動電機選用的是步進電機，此種電機性能可靠，對于角度量轉向控制精確。連軸器選用的是普遍使用的彈性聯(lián)軸器，耐沖擊，經久耐用。由于研發(fā)要求系統(tǒng)要結構緊湊，電機選取的為小型步進電機，輸出扭矩達不到轉向要求，因此要選用減速機構來提升輸出扭矩，在本光伏系統(tǒng)中，選取的是小型渦輪蝸桿 及直齒圓柱齒輪 減速機構 。并且 ，太陽的角度控制要求精確，要合理的選取渦輪蝸桿減速機構的傳動比 。電池板固定架用來對太陽能電池板進行固定，要求設計合 理，穩(wěn)定。 在介紹步進電機電路設計之前，先討論一下步進電機的特性。 蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 14 1下平臺； 2底座； 11減速箱； 4主軸； 5轉臺； 6支承軸； 7軸銷； 8電池板支架； 9螺釘 ； 10凸輪推桿 ； 12滾子 。 圖 31 機械轉向機構整體設計圖 步進電機 步進電機的概述 步進電動機是一種將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的控制電機。在數 字控制系統(tǒng)中，步進電動機作為執(zhí)行元件，每輸入一個脈沖，電動機就轉動一個 角度或前進一步。因此，步進電動機又稱為脈沖電動機。步進電動機在任何一個 方向的任意機械位置都可以啟動和停止，并且，它的轉子按照每一個輸入步進指 令以準確的角度運動和停止。這種精確的角度運動可隨每一個輸入步進指令重復， 從而使其轉子可在任一方向上精確定位。步進電動機具有結構簡單、維護方便、 精確度高、調速范圍大、起動、制動反應靈敏等特點。而且如果停機后某些相仍 保持通電狀態(tài)，則步進電動機還具有自鎖能力。步進電動機的轉速決定于電脈沖 頻率，并與頻率同步，由于具有這些優(yōu)點，步進電動機廣泛應用于數字控制系統(tǒng) 中。 從廣義上講，步進電動機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型，電 磁式 步進電機最為常見。電磁式步進電機一般又分為反應式步進電機 (VR)、永磁 式步進電機 (PM)和混合式步進電機 (HB)三種。反應式步進電機的轉子是由軟磁材 料制成的，轉子中沒有繞組，它結構簡單成本低，步距角可以很小，但動態(tài)性能 較差。永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源，它 蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 15 輸出轉距大，動態(tài)性能好，但步距角一般很大?；旌鲜讲竭M電機則是綜合了反應 式和永磁式兩者的優(yōu)點，即不僅定子和轉子上開了很多小槽，同時其磁路內含有 永久磁鋼，這使得混合式步進電機不僅可以像反應式步進電機那樣小步距的轉動， 也具有永磁式控制功率小動態(tài)性能好的特點。步進電機的相數是指產生不同對極 N、 S 磁場的激磁線圈對數，常見的步進電機有兩相、四相和五相。步進電機的運行拍數指完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數。步進電機的步距角指對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移 。 步進電機的選擇 選擇步進電機時首先要知道機械和時間二個方面的要素。機械要素是指負載轉矩 Tt和負載慣量 J。時間要素是指加速時間 和 (即從 開始加速到 )，運行時間 t。在 節(jié)中介紹了跟蹤裝置的機械執(zhí)行機構。在實際應用中，考慮到步進電機驅動的細分功能，我們在俯仰軸與電機 19 的輸出軸之間采用了減速 比為1:80 裝置。在方位軸與電機 18 之間采用了減速比為 1:64 的減速裝置。 然后要計算需要的運行轉矩。電動機帶載運行所需要的轉矩為 : T Ti Ta 式中 ： T 一需要的運行轉矩， kg m。 Ti一負載轉矩， kg m。 Ta一慣性體的加速轉矩， kg m。 ①負載轉矩由實測得到或用相關計算式估算。 ②慣性體的加速轉矩可按下式計算。 T＝ 驅動物體的慣量 步距角 電機希望的脈沖頻率 加速時間 在設計中，考慮到裝置的摩擦很小，采光板的質量相對轉動架很小，且在后面利用求圓柱體的慣量公式近似估算轉動架的慣量時已有很大的冗余，因此設定Ti ，采光板的慣量為 0?？刂葡到y(tǒng)對步進電機的轉速要求不高，因此設定輸入電機的脈沖頻率為 100HZ，加速時間為 秒。在參考了步進電機廠家的相關資料后，決定選用細分后步距角為 176。 的步進電機。方位角帶動的轉動架采用鐵（ ρ kg m ? ）作為原材料，轉動架為一長方形的框架 (圖 32)，采用厚 2cm的鐵板，兩側壁、底 部寬為 10cm，框架底部長 40cm，兩壁高 20cm，蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 16 其慣量經計算圓柱體的慣量公式近似計算得 : J π ρl(D D ) ≈ kg m 折算到電機 18 輸出軸上的慣量為： J J ≈ kg m 電機 18 輸出軸上的加速轉矩為 : Ta 176。 ≈ kg m ≈ m 由于電機 18 和電機 19 的輸入脈沖信號頻率和加速時間一致，因此采用相同的方法可以估算出。 電機 19 輸出軸上的慣量為 : J ≈ kg m 電機 19 輸出軸的加速轉矩為： Ta ≈ kg m ≈ m 因此電機 18 和電機 19 帶載運行所需要的轉矩分別為 m和 m。在查閱了步進電機生產廠家的產品參數資料后，并且考慮到首次設計的裝置，所選用的電機和驅動器的特性，通常留有 倍的余量。所以本系統(tǒng)選用 56BYG250D024 56BYG250C0241 兩相 混合式 步進電機。表 31 列出兩電機的相關主要參 數 。 表 31 步進電機主要參數 型號 相數 步距角 （ 176。 ） 相電流 （ A） 保持 轉矩（ m） 轉動慣量 （ g m ） 重量 (kg) 外形尺寸 （ mm） 56BYG250D0241 2 460 1 56BYG250C0241 2 260 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)方位角部分的設計 下 圖 32為太陽能自動跟蹤系統(tǒng)跟蹤方位角的機械部分的設計的俯視圖。跟蹤方位角即東西方向的跟蹤，在減速箱體 3內安裝由電機 1齒輪 12和 1蝸輪1蝸桿 17構成的 傳動機構 。齒輪 13固定在連接軸 14中部，連接軸通過軸承安裝在減速箱體上，蝸輪 16固定在主軸 4上 ，主軸 的中部 通過軸承安裝 一個 減速箱體 ，主軸的下端固定在支座 2上，支柱 6的下端固定在 上平臺 上，支柱 6的上端通過銷軸 7與電池板 支 架連接。電機 18通過齒輪 1 13帶動蝸桿 17轉動，并帶動減蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 17 速箱體、電池板支架轉動，完成東西方向的跟蹤。 A — A1 11 21 31 41 51 61 71 8 1 13齒輪； 14連接軸； 16蝸輪； 17蝸桿； 18步進 電機 圖 33 跟蹤系統(tǒng)跟蹤方位角減速箱中設計的俯視圖 電動機 轉速的計算 太陽從早上六點開始升起，到晚上六點下山，中間十二個小時為日照時間。但考慮到對太陽能的利用率問題，太陽從上午 8:00到下午 16:00為日照強度高時段，所以為充分利用太陽能，從早上 6:00到 8:00使步進電機空載，不加任何脈沖頻率；從 8:00到 16:00設定輸入電機的脈沖頻率為 100HZ；從 16:00到 18:00電動機繼續(xù)空載。查閱 《機電控制技術》 知步進電機轉速與脈沖頻率的關系為 n ? m n 步進電機的功率為 nT 式中： n 轉速，單位 r/min； f 脈沖頻率，單位 HZ； 步距角，單位176。； 電機功率，單位 w； T 轉矩，單位 N m 蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 18 齒輪的設計計算 (1) 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數 ○ 1 按傳動方案，選用 直齒 圓柱齒輪。 ○ 2 工作機的速度不大，故選用 7級精度（ GB1009588）。 ○ 3 材料選擇。由 《機械設計》 (第八版第十章 )選擇小齒輪材料為40Cr(調質 )，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45鋼（調質），硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。 ○ 4 選小齒輪齒數為 ,大齒輪齒數 取 。 (2) 按齒面接觸強度計算 由 《機械 設計 》 (第八版第十章 )計算公式進行計算，即 t √ T ○ 1 確定公式內的各計算數值 1) 試選載荷系數 t 。 2) 計算小齒輪傳遞的轉矩 T n n mm 3) 由 《機械設計》 (第八版第十章 )選取齒寬系數 。 4) 由 《機械設計》 (第八版第十章 )查得材料的彈性影響系數 。 5) 由 《機械設計》 (第八版第十章 )按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 i i 。 6) 由 《機械設計》 (第八版第十章 )算應力循環(huán)次數 n 7) 由 《機械設計》 (第八版第十章 )取接觸疲勞壽命系數 ； 。 8) 計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為 1%，安全系數 S=1，由 《機械設計》 (第八版第十章 )得 i 蚌埠學院本科畢業(yè)設計（論文） 19 i ○ 2 計算 1) 試算小齒輪分度圓直徑 t，代入 [ ]中較小的值。 t √ T = √ ( ) mm mm 2) 計算圓周速度 v。 V= 30/(60 )=3) 計算齒寬 b。 b= t=1 mm mm 4) 計算齒寬與齒高之比 。 模數 mt mm 齒高 h== mm 5) 計算載荷系數。 根據 v=,7級精度，由 《機械設計》 (第八版第十章 )查得載荷系數 直齒輪， ； 由 《機械設計》 (第八版第十章 )查得使用系數 ； 由 《機械設計》 (第八版第十章 )使用插值法查得 7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時， 。由