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XXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘要
隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，太陽能等新能源的開發(fā)、利用越來越受到社會(huì)的關(guān)注，太陽能是一種理想的清潔綠色能源，但轉(zhuǎn)換和利用率不高，造成了太陽能利用的局限性很大。如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換和利用率、降低發(fā)電系統(tǒng)建造成本是研究太陽能發(fā)電系統(tǒng)的兩大難題。本系統(tǒng)基于三菱PLC等自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉且精度高的太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，以提高太陽能的利用率。
本設(shè)計(jì)嘗試設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)跟蹤太陽光照射角度的雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)以提高太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)化率。該系統(tǒng)是以PLC為核心，以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙軸跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終垂直于太陽入射光線，從而提高太陽能的吸收效率。
由于時(shí)間及作者目前的知識(shí)限制，跟蹤系統(tǒng)只是進(jìn)行粗略的角度跟蹤，有較大誤差，今后如有機(jī)會(huì)再進(jìn)行改進(jìn)。
關(guān)鍵詞 太陽能；跟蹤；光敏傳感器；PLC；伺服電機(jī)
Abstract
With the energy and environmental problems are increasingly serious, the development, utilization of solar energy and other new energy more and more attention from the society, the solar energy is an ideal clean green energy, but the conversion and utilization rate is not high, resulting in the use of solar energy is of great limitations. How to improve the solar energy conversion and utilization rate, reduce the construction cost of the system is the two generation of solar power generation system. The system of Mitsubishi PLC automation products to design a simple structure, low cost and high precision automatic tracking system based on the solar energy, to improve the utilization of solar energy.
As with conventional energy based energy structure with the consumption of resources will be more and more adapt to the needs of sustainable development, including solar energy, renewable resources will be more and more people's attention. Using the clean solar energy, photovoltaic power generation technology in semiconductor photovoltaic effect as the foundation has a very broad application prospects.
The design try to design an automatic tracking solar light irradiation angle biaxial to enhance the solar light - electricity conversion of automatic tracking system. The core of the system is PLC, and the servo motor driven two-axis tracking system, make the solar panels perpendicular to the incident rays of the sun, so as to improve the absorption efficiency of solar energy.
Because of the time and the limitations of current knowledge, tracking system is rough angle tracking, there is a big error, such as a chance to improve in the future.
Keywords ：solar; tracking; sensor; PLC; servo motor
III
目 錄
摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1能源與環(huán)保 1
1.2 系統(tǒng)研究背景 2
1.2.1系統(tǒng)研究目的 2
1.2.2系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 3
1.3 論文的研究?jī)?nèi)容 4
第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的比較與確認(rèn) 5
2.1跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分比較選擇 5
2.1.1立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器 5
2.1.2陀螺儀式跟蹤器 6
2.1.3齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器 6
2.1.4本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案 8
第三章 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)控制方案的論證 9
3.1追蹤方案論證 9
3.1.1視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤 9
3.1.2光電軌跡追蹤 11
3.1.3追蹤方案 11
3.2機(jī)械傳動(dòng)方案論證 11
3.3控制器論證 12
3.4操作界面論證 13
3.5 驅(qū)動(dòng)控制方案論證 13
3.6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)論證 13
3.7 本章小結(jié) 13
第四章 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 14
4.1傳感器 14
4.1.1太陽位置傳感器設(shè)計(jì) 14
5.2伺服驅(qū)動(dòng)器 17
4.2.1伺服驅(qū)動(dòng)器原理 18
4.2.2伺服放大器連接與設(shè)置 19
4.3 伺服電機(jī)連接 21
4.4 PLC和I/O擴(kuò)展模塊的選型 22
4.4.1 機(jī)型的選擇 22
4.5 PLCI/0的分配 22
4.6 系統(tǒng)電氣控制接線圖設(shè)計(jì) 23
第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 25
5.1 PLC的程序設(shè)計(jì)環(huán)境 25
5.1.1 PLC公司的編程軟件 25
5.1.2 三菱的GX Developer 編程軟件簡(jiǎn)介 25
5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 26
5.2.1 程序設(shè)計(jì)方法及語言 26
結(jié)論 28
致謝 29
參考文獻(xiàn) 30
第一章 緒論
1.1能源與環(huán)保
隨著時(shí)代的前進(jìn)，人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度日益增加，但是與此同時(shí)人類社會(huì)的負(fù)擔(dān)和責(zé)任也隨之增加。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展得越快，人類對(duì)能源的需求就越大，利用能源時(shí)可能對(duì)環(huán)境造成較大程度的破壞。目前世界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。正是由于上述原因，世界能源問題日益嚴(yán)峻，表現(xiàn)在如下方面：
世界上大部分國(guó)家能源供應(yīng)不足，據(jù)統(tǒng)計(jì)近10 年內(nèi)化石燃料(煤、石油與天然氣等)能量消耗增加了近20倍，預(yù)計(jì)今后十年化石燃料的用量將翻一番，但全球己探明的石油儲(chǔ)量只能用到2050年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。
由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量，局部地區(qū)形成酸雨，嚴(yán)重污染水土。
化石能源的利用產(chǎn)生大量的溫室氣體而導(dǎo)致溫室效應(yīng)，引起全球氣候變化。這一問題己提到全球的議事日程，有關(guān)國(guó)際組織己召開多次會(huì)議，限制各國(guó)COZ等溫室氣體的排放量。能源問題關(guān)系到經(jīng)濟(jì)是否能夠可持續(xù)發(fā)展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的極大關(guān)注?，F(xiàn)在人們常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。占人們能源消費(fèi)的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。據(jù)有關(guān)資料顯示:石油儲(chǔ)量的綜合估算，可支配的化學(xué)能源的極限大約為1180一1510億噸，以1995年世界石油的年開采量32億噸計(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在2050年左右宣告枯竭;天然氣儲(chǔ)備估計(jì)在13180~152900兆立方米，年開采量維持在2300兆立方米，將在57一65年內(nèi)枯竭;煤的儲(chǔ)量約為5600億噸，1995年煤炭開采量為3億噸，可以供應(yīng)169年;鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據(jù)1993年世界能源委員會(huì)的估計(jì)可維持到21世紀(jì)30年代中期，核聚變?cè)?050年前沒有實(shí)現(xiàn)的希望。能源短缺的形勢(shì)很嚴(yán)峻，當(dāng)前世界多數(shù)國(guó)家對(duì)能源問題都很重視。新能源技術(shù)及節(jié)能技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。太陽能、綠色生物能、燃料電池、海洋能等新能源的研究與應(yīng)用為人們描繪出希望。其中太陽能應(yīng)用技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在全世界蓬勃發(fā)展，使人們?cè)谀茉次C(jī)的焦慮中，感到不少欣慰。
1.2 系統(tǒng)研究背景
?? 太陽能是已知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術(shù)的普及，如何提高太陽能利用裝置的效率，始終是人們關(guān)心的話題，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為解決這一問題提供了新途徑，從而大大提高了太陽能的利用效率。
太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢(shì)已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最具發(fā)展前景的新能源之一。光伏（PV）發(fā)電技術(shù)在國(guó)外已得到深入研究和推廣,我國(guó)在技術(shù)上也已基本成熟，并已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問題，這對(duì)太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。根據(jù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，采用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35 %左右。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)能自動(dòng)追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，是非常有價(jià)值的研究課題。
1.2.1系統(tǒng)研究目的
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(duì)太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前，提高太陽能利用率的研究主要集中在兩方面：一方面是提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，另一方面是提高太陽能的集熱率；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【1】。無論哪種太陽能利用設(shè)備，如果它的采光裝置能自動(dòng)追蹤太陽并始終保持與太陽光垂直，它就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能。太陽能電池發(fā)電原理：利用光伏發(fā)電，即通過一對(duì)有光響應(yīng)的器件將光能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角器件將光能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角器件將光能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角有關(guān)，當(dāng)太陽光線與太陽電池板平面垂直時(shí)轉(zhuǎn)換率最高。采用自動(dòng)追光系統(tǒng)轉(zhuǎn)換率可提高40%。
因此在這樣一個(gè)大前提下，我們需要制作一套全自動(dòng)太陽能追光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了最大限度地使用太陽能，相信在不久的將來，它可以真正用到實(shí)處，用到人們的日常生活中去
1.2.2系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
太陽輻照追蹤裝置要對(duì)應(yīng)于晝夜、陰晴更替。太陽落山時(shí)，追蹤裝置朝向西邊，然后停止工作，并能夠復(fù)位；當(dāng)遇到烏云遮住太陽時(shí)，追蹤裝置傳感單元無法反應(yīng)出太陽光線的變化，當(dāng)烏云過后太陽可能偏離較大的角度，這種情況下就要求追蹤裝置傳感探測(cè)單元能夠在較大的范圍內(nèi)反應(yīng)出太陽光線的變化。
現(xiàn)有用于太陽觀測(cè)科學(xué)研究的太陽追蹤裝置雖然追蹤準(zhǔn)確但是價(jià)格太昂貴，如國(guó)家氣象計(jì)量站研制的FST型全自動(dòng)太陽跟蹤器采用傳感器定位和太陽運(yùn)行軌跡定位相結(jié)合的設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了赤道架型太陽跟蹤器的缺點(diǎn)，具有全自動(dòng)、全天候、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)【2】 。這種大型精密儀器由于價(jià)格昂貴，通用性和性價(jià)比不高。
普通民用太陽追蹤裝置比如1997年美國(guó)Blackace研制的單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的白動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率僅提高了15% 。1998年美國(guó)加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，該裝置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，使熱接收率進(jìn)一步提高。JoeI.H.Goodman研制了活動(dòng)太陽能方位跟蹤裝置，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個(gè)方位跟蹤器具有人直徑的軌跡，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為、到西跟蹤太陽，以提高夏天季節(jié)里能量的獲取率。2002年2月美國(guó)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(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，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。【3】這些普通民用太陽追蹤裝置，普遍存在的問題是精度差。
市場(chǎng)急需一種追蹤范圍廣、精度高，原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便使用的太陽追蹤裝置，并盡快將一技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，從而推動(dòng)太陽能的普及利用，拓寬太陽能的利用領(lǐng)域。【4】
1.3 論文的研究?jī)?nèi)容
本文所介紹的太陽跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括:
(l)分析太陽運(yùn)行規(guī)律，比較國(guó)內(nèi)外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略。
(2)分析傳感器工作原理，分析該傳感器大范圍、高精度跟蹤的可行性。
(4)選取控制方案，分析系統(tǒng)的硬件需求，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)。
(5)設(shè)計(jì)控制方案，伺服電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路。
第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的比較與確認(rèn)
2.1跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分比較選擇
根據(jù)分析以前的跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分的問題，以及成本等各個(gè)方面考慮，有以下幾種跟蹤器。
2.1.1立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器
圖2-1立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器
跟蹤器的結(jié)構(gòu)[19]：大齒輪固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面(主軸相對(duì)于底座可以轉(zhuǎn)動(dòng))，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接馬達(dá)1的輸出軸。馬達(dá)1固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上，轉(zhuǎn)動(dòng)架以及支架固定安裝在主軸上，接收器、馬達(dá)2安裝在支架上面(接收器相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)2的輸出軸連接在接收器上。
跟蹤器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏移的時(shí)候，控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于大齒輪固定。使得小齒輪自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，因此帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)架以及固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上的主軸、支架以及接收器轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)接收器相對(duì)與支架轉(zhuǎn)動(dòng)，通過馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽方位角和高度角的跟蹤。系統(tǒng)特點(diǎn)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。對(duì)于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳動(dòng)，能在使用功率較小的馬達(dá)的同時(shí)傳遞足夠大的動(dòng)力，使用功率較小的馬達(dá)降低了其能源成本和制造成本。整個(gè)跟蹤器的結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較高。傳動(dòng)裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)架下。受到了較好的保護(hù)，提高了傳動(dòng)裝置的壽命。
2.1.2陀螺儀式跟蹤器
圖2-2陀螺儀式跟蹤器
跟蹤器的結(jié)構(gòu)[20]：傳動(dòng)箱1固定安裝在支架上，馬達(dá)1安裝在傳動(dòng)箱1上，傳動(dòng)箱1的內(nèi)部是由蝸桿、蝸輪組成的運(yùn)動(dòng)副，馬達(dá)1的輸出軸連接蝸桿，環(huán)形支架安裝在支架上面(環(huán)形支架相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，傳動(dòng)箱1的輸出軸連接環(huán)形支架，傳動(dòng)箱2固定安裝在環(huán)形支架上，馬達(dá)2安裝在傳動(dòng)箱2上，傳動(dòng)箱2內(nèi)也是由蝸桿、蝸輪組成的運(yùn)動(dòng)副。馬達(dá)2的輸出軸連接蝸桿，接收器安裝在環(huán)形支架上面(接收器相對(duì)于環(huán)形支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，傳動(dòng)箱2的輸出軸連接接收器。
該跟蹤器可以選擇不同朝向安裝，當(dāng)按照上圖的朝向進(jìn)行安裝時(shí)，跟蹤器跟蹤的實(shí)現(xiàn)原理如下：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏移時(shí)，控制部分發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)傳動(dòng)箱2中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再輸出帶動(dòng)接收器相對(duì)于環(huán)形支架轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽由東向西的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)控制部分也發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)由馬達(dá)1帶動(dòng)傳動(dòng)箱1中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再輸出帶動(dòng)環(huán)形支架和接收器轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽南北方向的運(yùn)動(dòng)，由此來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的兩個(gè)方向的跟蹤。
系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)于兩個(gè)方向的跟蹤，都利用蝸桿、蝸輪副傳動(dòng)，在緊湊的結(jié)構(gòu)下得到很大的傳動(dòng)比，能使用功率很小的馬達(dá)同時(shí)傳遞足夠的動(dòng)力，使用功率小的馬達(dá)降低了其能源成本和制造成本；蝸桿、蝸輪副的自鎖性能好，能防風(fēng)防雨。結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)空間大。傳動(dòng)裝置設(shè)置在傳動(dòng)箱內(nèi)，受到了較好的保護(hù)，提高了裝置的壽命。
2.1.3齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器
機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)[21]：馬達(dá)1固定在支架上，馬達(dá)1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與齒圈1嚙合。齒圈1連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達(dá)2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈2嚙合，齒圈2連接著轉(zhuǎn)動(dòng)架，轉(zhuǎn)動(dòng)架安裝在主軸上(轉(zhuǎn)動(dòng)架相對(duì)于主軸可以轉(zhuǎn)動(dòng))。
機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏離時(shí)?？刂撇糠职l(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)齒圈1和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)小齒輪2。小齒輪2帶動(dòng)齒圈2和轉(zhuǎn)動(dòng)架轉(zhuǎn)動(dòng)，通過馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽方位角和高度角的跟蹤。
圖2-3齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤器
系統(tǒng)特點(diǎn)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。兩個(gè)方向的跟蹤都利用齒輪副傳遞動(dòng)力，能在使用功率較小的馬達(dá)的同時(shí)傳遞足夠大的動(dòng)力，使用功率較小的馬達(dá)降低了其能源成本和制造成本；由于使用半個(gè)齒圈，能在緊湊的結(jié)構(gòu)下得到較的傳動(dòng)比。結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)空間大。
2.1.4本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案
圖2-4本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案
機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：馬達(dá)1固定在支架上，馬達(dá)1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與大齒輪嚙合。把齒輪連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達(dá)2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈嚙合，齒圈連接著太陽能板，轉(zhuǎn)動(dòng)架安裝在主軸上。
機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏離時(shí)?？刂撇糠职l(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)小齒輪2。小齒輪2帶動(dòng)齒圈和太陽能板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽方位角和高度角的跟蹤。
第三章 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)控制方案的論證
3.1追蹤方案論證
眾所周知 ，地球每天為圍繞通過它本身南極和北極的“地軸”自西向東自轉(zhuǎn)一周。每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為24h，所以地球每個(gè)小時(shí)自轉(zhuǎn)15°。
地球除了自轉(zhuǎn)外，還繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道(黃道)上運(yùn)行，稱為“公轉(zhuǎn)”，其周期為一年。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面(黃道面)法線傾斜成23°27′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。因此，地球處于運(yùn)行軌道不同位置時(shí)，陽光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的變化。
假設(shè)觀察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對(duì)太陽在天球上的周年視運(yùn)動(dòng)情況做如下描述。
每年的春分日(3月12日)，太陽從赤道以南到達(dá)赤道(太陽的赤緯占=0°)，地球北半球的天文春季開始。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。太陽在正午的高度等于90°- (為觀察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?。春分過后，太陽的生落點(diǎn)逐日移向北方，白晝時(shí)間增長(zhǎng)，黑夜時(shí)間縮短，正午時(shí)太陽的高度逐日增加。
夏至日(6月2日)，太陽正午高度達(dá)到最大值90°-+23°27′，白晝最長(zhǎng)，這時(shí)候地球北半球天文夏季開始。夏至過后，太陽正午高度逐日降低，同時(shí)白晝縮短，太陽的升落又趨向正東和正西。
秋分日(9月23日)，太陽又從赤道以北到達(dá)赤道(太陽的赤緯=0°)，地球北半球的天文秋季開始。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽多出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。
秋分過后，太陽的生落點(diǎn)逐日移向南方，白晝時(shí)間縮短，黑夜時(shí)間增長(zhǎng)，正午時(shí)候太陽的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太陽正午高度達(dá)最小值90°--23°27′，黑夜最長(zhǎng)，這時(shí)地球北半球天文冬季開始。冬至過后，太陽正午高度逐日升高，同時(shí)白晝?cè)鲩L(zhǎng)，太陽的升落又趨向正東和正西，直到春分日(3月21日)太陽從赤道以南到達(dá)赤道。
3.1.1視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率與太陽高度角、大氣透明度、海拔高度、日照時(shí)數(shù)、太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率等有關(guān)。但是相對(duì)于某一固定地點(diǎn)來說，每天太陽東升西落，方位每時(shí)每刻都不樣；即使是同一地點(diǎn)不同日期的同一時(shí)刻也會(huì)因?yàn)樘柍嗑暯堑淖兓鹛柛叨鹊牟煌?。太陽能發(fā)電系統(tǒng)要求電池組件始終盡可能最大限度垂直太陽入射光線，太陽追蹤系統(tǒng)的工作狀況對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率有很重大的影，?，F(xiàn)有太陽輻照追蹤方式根據(jù)追蹤原理的不同可分為兩類:視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式和光電追蹤方式【5】。
太陽位置每天都在變化，但其運(yùn)行規(guī)律是確定、可以計(jì)算的，視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式就是通過計(jì)算太陽每一時(shí)刻的位置來控制機(jī)械完成追蹤。一些簡(jiǎn)單的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)采用此追蹤方式，即只在方位角上對(duì)太陽進(jìn)行追蹤，使光伏發(fā)電效率增高，但是太陽高度角變化所帶來的效率損失也是很大的。
一、太陽高度角計(jì)算
1、一般時(shí)間
太陽高度角隨著地方時(shí)和太陽的赤緯的變化而變化。太陽赤緯（與太陽直射點(diǎn)緯度相等）以δ表示，觀測(cè)地地理緯度用φ表示（太陽赤緯與地理緯度都是北緯為正，南緯為負(fù)），地方時(shí)(時(shí)角)以t表示，有太陽高度角的計(jì)算公式：
（3-1）
2、正午時(shí)間
日升日落，同一地點(diǎn)一天內(nèi)太陽高度角是不斷變化的。日出日落時(shí)角度都為0， 正午時(shí)太陽高度角最大，時(shí)角為0，以上公式可以簡(jiǎn)化為：
(3-2)
由兩角和與差的三角函數(shù)公式，可得
對(duì)于太陽位于天頂以北的地區(qū)而言，； （3-3）
對(duì)于太陽位于天頂以南的地區(qū)而言，； （3-4）
二者合并，因?yàn)闊o論是還是，都是為了求當(dāng)?shù)鼐暥扰c太陽直射緯度之差，不會(huì)是負(fù)的，因此都等于它的絕對(duì)值，所以正午太陽高度角計(jì)算公式：
【6】 （3-5）
根據(jù)太陽高度角的計(jì)算，確定太陽能集熱裝置的俯仰角，可以預(yù)設(shè)太陽能集熱裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡，這種方式最大的缺點(diǎn)就是不能精確追蹤太陽，不能隨環(huán)境的變化而變化。
3.1.2光電軌跡追蹤
光電追蹤是使用光電傳感器作為探測(cè)組件，實(shí)時(shí)探測(cè)太陽位置并將信號(hào)送達(dá)PLC、單片機(jī)等控制核心進(jìn)行處理后來完成對(duì)太陽位置的探測(cè)和追蹤。當(dāng)太陽位置變化時(shí)，這些傳感器組件會(huì)得到不同的輸出結(jié)果，根據(jù)這樣的變化情況就可以知道太陽的變化情況或者知道太陽具體的偏差位置。一些太陽能追蹤系統(tǒng)直接使用太陽能接收器作為傳感組件，比如太陽能電池板。這類追蹤系統(tǒng)的工作原理是先給定一個(gè)方向讓轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如果太陽能電池板上的輸出增高，說明太陽在這這個(gè)方向上，則相應(yīng)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去；反之如果輸出降低，說明太陽在相反方向，則控制相應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。這類系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但是穩(wěn)定性差、追蹤精度低、追蹤回應(yīng)慢。其它的追蹤系統(tǒng)一般采用單獨(dú)的光電傳感器來檢測(cè)太陽位置，這些傳感器采用不同的光感組件，有光電二極管、光電三極管、光電池、光敏電阻等?！?】
光電追蹤方式的優(yōu)點(diǎn)很多，在國(guó)內(nèi)外受到高度的關(guān)注。一方面，這種追蹤方式屬于死循環(huán)控制方式，可以時(shí)刻檢測(cè)太陽位置，對(duì)系統(tǒng)的初始安裝精度要求較低，不會(huì)受到累積誤差的影響；【8】 另一方面，這種傳感器信號(hào)少，運(yùn)算簡(jiǎn)單。
光電追蹤方式也存在著致命的缺點(diǎn)，就是追蹤的穩(wěn)定性問題。這種回饋式的工作方式較容易受到干擾光的影響，并且受天氣的影響也較大，如何克服這樣的問題就成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較多的領(lǐng)域。傳感器的性能對(duì)追蹤系統(tǒng)的影響較大，如何設(shè)計(jì)一個(gè)即能準(zhǔn)確和精確反應(yīng)太陽位置又能克服干擾的太陽位置光電傳感器就成為一個(gè)關(guān)鍵問題【9】。
3.1.3追蹤方案
視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式和光電追蹤方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此實(shí)際運(yùn)用中有很多系統(tǒng)都是綜合采用了兩種方式來工作，取各自的優(yōu)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效率工作。但是這種方式成本較高，不適合小型光伏電站的發(fā)展；另外這種系統(tǒng)操作復(fù)雜，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤追蹤問題。
考慮到視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤屬于開環(huán)控制，累計(jì)誤差無法消除，加入回饋系統(tǒng)后更為復(fù)雜成本更高，本系統(tǒng)選擇光電追蹤方式，采用9個(gè)信號(hào)控制，四個(gè)方位角檢測(cè)信號(hào)，一個(gè)陰晴天檢測(cè)信號(hào)，兩個(gè)水平方位極限角，兩個(gè)俯仰方位極限角。鑒于光電追蹤控制方式存在的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)將令設(shè)計(jì)一種傳感器來滿足需要，并完成相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。
3.2機(jī)械傳動(dòng)方案論證
目前國(guó)內(nèi)外普遍使用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有兩種，一種是單軸追蹤機(jī)構(gòu)，另外一種是雙軸追蹤機(jī)構(gòu)。單軸追蹤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相較于固定不動(dòng)的太陽能接受器件而言，能夠一定程度上的提高系統(tǒng)接收光能效率，但是效果并不理想。為了完成精確追蹤，必須使用兩個(gè)電機(jī)分別在東西水平方向和太陽高度俯仰角兩個(gè)不同方向上同時(shí)動(dòng)作，即雙軸追蹤方式。【10】本系統(tǒng)采用雙軸追蹤方式追蹤太陽，分為東西水平方向和俯仰角控制，水平方向最大限位角度為180度，俯仰角度最大90度，在一天當(dāng)中，機(jī)械系統(tǒng)要隨時(shí)跟著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，這就要求系統(tǒng)的速度要慢。水平方向上如果采用1:1的齒輪傳動(dòng)，那么電機(jī)只能轉(zhuǎn)半圈，裝置就轉(zhuǎn)180度，這樣相對(duì)難控制且精度不高。本系統(tǒng)電機(jī)和機(jī)械裝置之間的配合采用渦輪蝸桿傳動(dòng)，傳動(dòng)比30:1，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)30圈，裝置才轉(zhuǎn)1圈，這樣保證了整個(gè)系統(tǒng)的精度。俯仰角度的控制是通過伺服電機(jī)來調(diào)整，同樣要求低速，采用同樣的方法，用渦輪蝸桿減速器，減速比30:1。由于伺服電機(jī)本身非常精確，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上采用同步帶輪，使用同步帶輪可以減少在傳動(dòng)過程中的誤差。
3.3控制器論證
控制器能夠?qū)崿F(xiàn)裝置自動(dòng)運(yùn)算并控制系統(tǒng)工作的功能，常見的控制器有工控機(jī)、單片機(jī)、FPGA、PLC（可編程邏輯控制器），由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)可能位于世界任意位置，系統(tǒng)對(duì)控制器本身的適應(yīng)能力提出了很大的要求。
工控機(jī)(Industrial Personal Computer)即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種增強(qiáng)型的可以適合工業(yè)環(huán)境的個(gè)人計(jì)算機(jī)。相對(duì)于普通計(jì)算機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)有:防磁、防塵、防沖擊，含有抗干擾能力強(qiáng)的專用電源，可以持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的工作，有PCI和ISA插槽等。但是它也有一些缺點(diǎn)，比如數(shù)據(jù)處理能力差、存儲(chǔ)選擇性差和價(jià)格較高等【9】。
FPGA (Field-Programmable Gate Array)即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，能解決定制電路的不足又能克服以前可編程器件門電路的缺點(diǎn)。FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一?！?1】
單片機(jī)，又被稱為微控制器(Microcontroller )。單片機(jī)的應(yīng)用非常普遍，價(jià)格也較為便宜；單片機(jī)制作的主控板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高，不易擴(kuò)展，對(duì)環(huán)境依賴性強(qiáng),開發(fā)周期長(zhǎng)。一個(gè)采用單片機(jī)制作的主控板不經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際驗(yàn)證很難形成一個(gè)真正的產(chǎn)品?！?2】
PLC是經(jīng)過幾十年實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)過的控制器，其抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，便于維護(hù)，開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)，控制程序可變、使用方便功能強(qiáng)、適應(yīng)面廣、編程簡(jiǎn)單，容易掌握；但成本相對(duì)單片機(jī)要高。
綜合上述分析，本系統(tǒng)選用三菱FX3U-48MR PLC作控制器。
3.4操作界面論證
在傳統(tǒng)工業(yè)控制和生產(chǎn)社會(huì)實(shí)踐當(dāng)中用于控制的主要是按鈕元件，按鈕元件控制有很多優(yōu)越性，但是占用一定的空間。GOT即圖形操作終端，用GOT操作比較傳統(tǒng)的低壓電器輸入而言，觸摸屏操作簡(jiǎn)單方便，可以有很多畫面組成，一個(gè)畫面又可以有很多按鈕，不僅節(jié)約了安裝空間，而且又使整個(gè)系統(tǒng)美觀。同時(shí)，GOT有很強(qiáng)的人機(jī)互動(dòng)，可以監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，減少控制電路的規(guī)模。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的三菱GOT1045 QSBD-C的圖形操作終端。
3.5 驅(qū)動(dòng)控制方案論證
由于太陽在東西水平方向上運(yùn)行軌跡的速度與季節(jié)、地點(diǎn)有較大關(guān)系，因此系統(tǒng)在水平方向應(yīng)能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，且轉(zhuǎn)速不能隨電壓和負(fù)載的變化而變化，只能通過改變頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，本系統(tǒng)采用三菱FR-A7NC變頻器。垂直方向控制采用三菱MRJ3-10A伺服放大器。
3.6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)論證
東西水平方向上，機(jī)械系統(tǒng)的基本要求是能夠隨太陽東升西落的過程轉(zhuǎn)動(dòng)180度，此過程歷經(jīng)大約10小時(shí)，這一過程就必須要求電機(jī)能夠低速運(yùn)行，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=60f/p(f:電源頻率p:磁極對(duì)數(shù))，磁極對(duì)數(shù)一般不能變動(dòng)，本文選用小型90TYD-L三相低速同步電機(jī)。垂直方向上不但要求電機(jī)能低速運(yùn)行，還希望能進(jìn)行相對(duì)精確的位置控制，因此系統(tǒng)選擇三菱KP-13型伺服電機(jī)。
3.7 本章小結(jié)
本章對(duì)太陽能電池組件輻照追蹤控制系統(tǒng)的方案進(jìn)行了論證，經(jīng)過論證最終確定光電追蹤、PLC控制、水平、垂直方向伺服放大器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的方案。
第四章 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.1傳感器
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)?！?3】
4.1.1太陽位置傳感器設(shè)計(jì)
一、光敏元件選擇
光傳感器是最常見的傳感器之一，是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，光傳感器可以直接檢測(cè)光的變化，作為探測(cè)元件組成其他傳感器又可以對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，如直徑、速度、位移等，只需要將這些非電量變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。光傳感器有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)。目前光傳感器是使用最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動(dòng)控制和檢測(cè)技術(shù)中占有非常重要的地位。
光傳感器利用半導(dǎo)體的光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)或者光電效應(yīng)為原理制成的傳感器。光敏電阻器利用的是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器。主要用于光的測(cè)量、光的控制、和光電轉(zhuǎn)換。該類電阻器的特點(diǎn)是入射光越強(qiáng)，電阻值就越小，入射光越弱，電阻值就越大?？紤]到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，滿足相對(duì)精確的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)采用光敏電阻作為檢測(cè)光強(qiáng)弱的傳感器元件。
二、電路設(shè)計(jì)
太陽位置光電傳感器是光電追蹤方式中很重要的一個(gè)部件，其探測(cè)可靠性決定了系統(tǒng)的追蹤準(zhǔn)確性，繼而影響系統(tǒng)的發(fā)電效率。它對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的重要性不可忽視。
光電追蹤的核心部件就是光電傳感器，其可達(dá)到的精度直接影響追蹤系統(tǒng)的追蹤精度，而其追蹤精度高低是直接影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的因素之一。但是一般傳感器在保證了高精度情況下往往忽略了追蹤范圍因素，導(dǎo)致傳感器經(jīng)常出現(xiàn)因追蹤范圍小而搜索不到太陽的情況。而一些改進(jìn)技術(shù)雖然提高了傳感器的追蹤范圍，但是仍然不能使人滿意。所以，保證光電傳感器在追蹤范圍、追蹤精度等方面同時(shí)達(dá)到要求成為影響光電追蹤技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
鑒于各種傳感器的特點(diǎn)，為了得到精度較高的追蹤系統(tǒng)，如圖4-1所示原理圖所示是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的傳感器，R1、R2為1KΩ電阻，R5為10KΩ電阻，R4為可調(diào)電阻，阻值為0-10KΩ，R5為1K電阻,三極管8050的集電極接中間繼電器的線圈。當(dāng)有光照射達(dá)到光敏電阻，阻值發(fā)生減小，一旦比可調(diào)電阻預(yù)設(shè)的阻值小，經(jīng)過放大器讓三級(jí)管導(dǎo)通，中間繼電器的線圈通電，常開觸頭吸合，以此來給PLC信號(hào)。
圖 4-1 LM358電路內(nèi)部電路圖
LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，內(nèi)部電路如圖4-2所示：2，4號(hào)腳接地，8號(hào)管腳接5V電源，輸入輸出用1、2、3號(hào)管腳或接5、6、7號(hào)管腳。
圖 4-2 LM358電路內(nèi)部電路圖
三、 安裝
光電傳感器安放的位置和方法直接影響傳感器的檢測(cè)精度，因?yàn)楣饷綦娮枋屈c(diǎn)元件，所以接受光能的范圍比較廣，如果直接暴露在陽光下會(huì)降低整個(gè)太陽追蹤系統(tǒng)的精度，所以本文設(shè)計(jì)采用在光敏電阻外部安裝遮光套，根據(jù)安裝不同地方作具體的調(diào)整。四個(gè)傳感器分別安裝于太陽能電池板的四周，如圖4-3所示，還有一個(gè)陰晴天檢測(cè)傳感器安裝于支架上，五個(gè)傳感器比較電路集成在一塊印制電路板上，安裝于太陽能電池板的后面，并作避雨處理。五個(gè)傳感器比較電路共公用一個(gè)5V電源，五個(gè)24V電源的負(fù)極直接焊在一起，電源的正極連接中間繼電器的線圈，線圈的另一端接到電路板上五個(gè)三極管的集電極，實(shí)物圖如圖5-4所示。
圖4-3 傳感器的安裝
圖4-4 傳感器電路
5.2伺服驅(qū)動(dòng)器
伺服驅(qū)動(dòng)器又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。
圖4-6伺服驅(qū)動(dòng)器各個(gè)部分名稱
伺服放大器正面的顯示部分（5為7段LED）?？梢赃M(jìn)行狀態(tài)的顯示，參數(shù)的設(shè)定等，可再運(yùn)行前設(shè)定參數(shù)、診斷異常時(shí)的故障、確認(rèn)外部程序、確認(rèn)運(yùn)行器件狀態(tài)。每按一次“MODE”、“UP”、“DOWN”按鍵進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定.
4.2.1伺服驅(qū)動(dòng)器原理
目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心， 可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路,在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路,以減小啟動(dòng)過程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡(jiǎn)單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?
隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動(dòng)器使用、伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器維修都是伺服驅(qū)動(dòng)器在當(dāng)今比較重要的技術(shù)課題，越來越多工控技術(shù)服務(wù)商對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了技術(shù)深層次研究。
4.2.2伺服放大器連接與設(shè)置
伺服放大器頂部和控制柜內(nèi)壁要留出較大空隙，并安裝風(fēng)扇使控制柜內(nèi)部溫度不要超過規(guī)定條件。伺服放大器密集安裝時(shí)，考慮安裝的公差，與相鄰的伺服放大器之間要留出1mm的間隙。此時(shí)，請(qǐng)?jiān)?-45攝氏度，實(shí)際負(fù)載在75%以下使用。
伺服放大器與外部設(shè)備連接 ：
圖4-7 伺服驅(qū)動(dòng)器的接線
伺服放大器也叫伺服控制器，是控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制器。本系統(tǒng)采用MR-J3-10A，MR-J3系列伺服放大器配有USB通用接口可方便和PC機(jī)的通訊,通訊速度快，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的能力非常強(qiáng)。
伺服放大器連接參看表4-1。
表 4-1伺服放大器端子接線
伺服器端子編號(hào)
功能
PLC端子
10
PP
YO+
11
PG
Y0-
35
NP
Y4+
36
NG
Y4-
20
DICOM
24V
46
DOCOM
0+
15
SAN
47DOCOM
42
EMQ
43
LSD
44
LSN
34
LG
46 DOCOM
49
RD
接X07
4.3 伺服電機(jī)連接
伺服電機(jī)有兩根外置電纜線，一根是電源線，將電源線連接到伺服放大器的另外一根是鏈接伺服放大器的編碼線CN3；編碼線連接到伺服放大器的CN2接口。
4.4 PLC和I/O擴(kuò)展模塊的選型
選擇能滿足本電池包裝送料裝置控制要求的適當(dāng)型號(hào)的PLC是應(yīng)用設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步，合理選擇PLC，對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要作用。PLC的選擇包括機(jī)型，容量，I/O模塊的選擇等幾個(gè)方面。
4.4.1 機(jī)型的選擇
本系統(tǒng)選取的是三菱公司生產(chǎn)的小型整體式可編程控制器FX3U-32MT-001系列，輸入端子選擇16點(diǎn), 輸出端子選擇16點(diǎn)，滿足控制要求。三菱FX3U-32MT-001的CPU單元規(guī)格是:輸入16點(diǎn),輸出16點(diǎn),輸入、輸出為晶體管型形式,電源AC220V。
4.5 PLCI/0的分配
分配輸入/輸出點(diǎn)信號(hào)、輸出點(diǎn)與輸出控制是一一對(duì)應(yīng)的。分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點(diǎn)號(hào)，分配給每一個(gè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，即進(jìn)行編號(hào)。FX2N型PLC的輸入/輸出通道號(hào)采用自由配置、固定通道方式。輸入輸出繼電器可自由選擇，與輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的即為輸入繼電器，與輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的即為輸出繼電器。包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)輸入輸出接口如表4-2所示。
輸入
輸出
名稱
接口
名稱
接口
啟動(dòng)
X0
上下伺服電機(jī)脈沖輸出
Y0
停止
X1
左右伺服電機(jī)脈沖輸出
Y1
急停
X2
上下電機(jī)脈沖方向
Y2
上光照傳感器
X3
左右電機(jī)脈沖方向
Y3
下光照傳感器
X4
上下伺服啟動(dòng)
Y4
左光照傳感器
X5
左右伺服啟動(dòng)
Y5
右光照傳感器
X6
上極限位置
X7
下極限位置
X10
左極限位置
X11
右極限位置
X12
上下裝置原點(diǎn)傳感器
X13
左右裝置原點(diǎn)傳感器
X14
表4-2 I/O接口分配
4.6 系統(tǒng)電氣控制接線圖設(shè)計(jì)
系統(tǒng)供電電源采用兩相線制上機(jī)供電。供電電源等級(jí)為AC220V±5％，50Hz。其中QF給整個(gè)系統(tǒng)提供電源，電機(jī)的主回路包括熱繼電器等安全回路。整機(jī)的接地保護(hù)與系統(tǒng)的接地保護(hù)網(wǎng)相聯(lián)接。電氣控制主電路圖見5-8。PLC的接線圖如圖5-9所示。
圖4-8 主接線圖
圖4-9 PLC接線圖
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第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
5.1 PLC的程序設(shè)計(jì)環(huán)境
PLC的編程主要是通過編程器或用PLC生產(chǎn)廠家提供的編程軟件來完成的。每個(gè)PLC公司都有自己的編程器，一般比較小，而且比較輕，適合在現(xiàn)場(chǎng)使用。但是這種編程器只能使用助記符語言對(duì)PLC進(jìn)行編程，而且由于屏幕較小，每次只能顯示一、兩行程序，難于對(duì)程序從整體上分析。PLC公司提供的編程軟件則能使用梯形圖、助記符或功能圖語言等進(jìn)行編程。通過編程軟件，不僅能從宏觀上對(duì)程序進(jìn)行編輯和分析，而且還能對(duì)程序的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視。
5.1.1 PLC公司的編程軟件
編程軟件的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，它是開發(fā)、應(yīng)用、維護(hù)PLC不可缺少的工具。編程軟件一般由PLC生產(chǎn)廠家提供，各家用各家，不通用，而且多是商品化的。這些軟件一般功能都差不多，大體上有以下幾種功能。
(1) 脫機(jī)編程: 可用梯形圖語言或助記符語言編程。這兩者可相互轉(zhuǎn)換。另外，程序還可加注解。
(2) 文件管理: 對(duì)所編程序可存儲(chǔ)為磁盤文件，還可建立數(shù)據(jù)庫文件以及與PLC工作相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。
(3) 文件的上傳與下載: 程序文件、數(shù)據(jù)文件等可在計(jì)算機(jī)與PLC建立起通信聯(lián)系后下載給PLC，也可從PLC中上傳，將PLC的程序、數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中，然后計(jì)算機(jī)在對(duì)其做相應(yīng)管理。
(4) 監(jiān)控運(yùn)行: PLC與計(jì)算機(jī)建立通信后，計(jì)算機(jī)可監(jiān)視PLC的工作，觀察任何工作位的狀態(tài)，可讀所有的數(shù)據(jù)，可強(qiáng)置某些工作位處于ON或OFF狀態(tài)，還可修改一些參數(shù)。
(5) 在線更改。監(jiān)視運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)程序存在問題，有兩種解決的辦法。⑴ 脫機(jī)更改。即先回到脫機(jī)狀態(tài)修改程序，然后再聯(lián)機(jī)，重新把程序下載到PLC。⑵ 在線更改。在問題不太多，又是允許的情況下可在線更改程序。這種邊運(yùn)行、邊監(jiān)視、邊更改的方式，既不耽誤PLC的工作，可直接地發(fā)現(xiàn)與排除故障，是較為方便的調(diào)試與完善程序的方法。
(6) 其他功能。編程軟件還有一些其他功能。如可用來進(jìn)行只讀存儲(chǔ)器的程序?qū)懭搿Ｓ械倪€可進(jìn)行對(duì)PLC作組網(wǎng)參數(shù)的設(shè)定等。
5.1.2 三菱的GX Developer 編程軟件簡(jiǎn)介
進(jìn)入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜單中，單擊“新建”菜單項(xiàng)，選擇創(chuàng)建一個(gè)新文件。在【設(shè)備名稱】中填寫設(shè)備名稱，設(shè)備類型選擇PLC的類型，然后單擊設(shè)定按鈕選擇CPU的類型，單擊確定后，即可進(jìn)入梯形圖編程界面，開始編程，如圖5-1所示界面。
圖5-1 編程界面
程序編寫完成后，下一步就可進(jìn)行編譯、鏈接和調(diào)試了。如果編譯沒有錯(cuò)誤，就可以進(jìn)行在線運(yùn)行。在編譯過程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤要進(jìn)行修改時(shí)，我們既可以在梯形圖編程下修改，也可在助記符方式下修改。編譯完成，沒有語法錯(cuò)誤，可加載程序到PLC，進(jìn)行在線運(yùn)行。
5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
5.2.1 程序設(shè)計(jì)方法及語言
工程設(shè)計(jì)中，可編程控制器應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)大體上有三種方法，也是使用最多的方法。這些方法的應(yīng)用，也因不同設(shè)計(jì)人員有著不同的技術(shù)水平和習(xí)慣存在著差異。下面介紹一下常用的幾種應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，以便對(duì)下面的設(shè)計(jì)更有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，也使讀者更加明白可編程控制器的設(shè)計(jì)方法和技巧。
1、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法
經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法也叫湊試法。在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合。這種方法對(duì)于一些簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較湊效的，可以收到快速、簡(jiǎn)單的效果。但是它沒有一個(gè)普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意性，最后得到的結(jié)果也不是唯一的，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)的多少有關(guān)。
經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的具體步驟如下：
（1）確定輸入/輸出電器；
（2）確定輸入和輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)、選擇PLC機(jī)型、進(jìn)行I/O分配；
（3）做出系統(tǒng)動(dòng)作工程流程圖；
（4）選擇PLC指令并編寫程序；
（5）編寫其它控制控制要求的程序；
（6）將各個(gè)環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來，即得到一個(gè)滿足控制要求的程序。
2. 邏輯設(shè)計(jì)法
工業(yè)電氣控制線路中，有很多是通過繼電器等電器組件來實(shí)現(xiàn)的。而繼電器、交流接觸器的觸點(diǎn)都只有兩種狀態(tài)即：斷開和閉合，因此用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)電氣控制線路是完全可以的。該方法法是根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的邏輯設(shè)計(jì)法進(jìn)行PLC程序的設(shè)計(jì)，它使用邏輯表達(dá)式描述問題。在得出邏輯表達(dá)式后，根據(jù)邏輯表達(dá)式畫出梯形圖。因此用邏輯設(shè)計(jì)法也可以適用于PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。
順序控制法
對(duì)那些按動(dòng)作的先后順序進(jìn)行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行編程。順序控制法規(guī)律性很強(qiáng)，雖然編程相當(dāng)長(zhǎng)，但程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性。在用順序控制設(shè)計(jì)法編程時(shí)，功能圖是很重要的工具。功能圖能夠清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件。
功能圖由流程步、有向線段、轉(zhuǎn)移和動(dòng)作組成，在使用時(shí)它有一些使用規(guī)則，具體如下：
（1）步與步之間必須用轉(zhuǎn)移隔開；
（2）轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)移之間必須用步隔開；
（3）轉(zhuǎn)移和步之間用有向線段連接，正常畫順序功能圖的方向是從上向下或則從左向右。按照正常順序畫圖時(shí)，有向線段可以不加箭頭，否則必須加箭頭。
（4）一個(gè)順序功能圖中至少有一個(gè)初始步。
可編程控制器設(shè)計(jì)語言也有多種形式，因其在繼電器的基礎(chǔ)上研制而成，所以大部分都是以開關(guān)量為主的控制方式。很多表達(dá)形式也都是電氣符號(hào)的沿用，或直接使用。這樣，PLC的語言就有所不同。梯形圖語言是設(shè)計(jì)中使用最多的，還有流程圖，語句表，這些都為程序的閱讀提供了不同形式的方法，適合電氣方面的工程人員閱讀，也適合電子方面的工程人員進(jìn)行參考使用。
結(jié)論
本文主要完成以下幾點(diǎn)內(nèi)容
（1）詳細(xì)分析了國(guó)內(nèi)外目前的太陽追蹤方式，比較之后，選擇了以PLC為控制核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，由于光電檢測(cè)追蹤模式和太陽角度追蹤都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，經(jīng)過比較用光電檢測(cè)追蹤模式。
（2）選擇三菱PLC，通過比較選擇了光敏電阻作為光電傳感器，用4個(gè)光敏傳感器，實(shí)現(xiàn)判斷太陽所在位置的功能，這樣可以大大簡(jiǎn)化電路。
由于本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求比較高，而且課題研究的時(shí)間倉促，以及本人能力有限，因此還有很多地方存在著不足之處：
（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性需要加強(qiáng)：復(fù)位電路有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不能自動(dòng)復(fù)位的情況，盡管這種情況不常發(fā)生，但是一旦發(fā)生就影響系統(tǒng)的運(yùn)行。
（2）在功能上需要更加完善：本系統(tǒng)沒有設(shè)置報(bào)警裝置，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)不能做出報(bào)警動(dòng)作，這樣也會(huì)影響系統(tǒng)的追蹤質(zhì)量。
（3）在機(jī)械裝置方面也存在問題：機(jī)械裝置能夠帶動(dòng)太陽板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是有限的，這樣也制約了追蹤的時(shí)間段。
（4）陰天情況下不能準(zhǔn)確追蹤的問題。
致謝
經(jīng)過幾個(gè)月的查資料、整理材料、設(shè)計(jì)和寫論文，今天終于可以順利的完成論文的最后的謝辭了，想了很久，要寫下這一段謝詞，表示可以進(jìn)行畢業(yè)答辯了，自己想想求學(xué)期間的點(diǎn)點(diǎn)滴歷歷涌上心頭，時(shí)光匆匆飛逝，四年多的努力與付出，隨著論文的完成，終于讓學(xué)生在大學(xué)的生活，得以劃下了完美的句點(diǎn)。
設(shè)計(jì)得以完成，要感謝的人實(shí)在太多了，首先要感謝XXX老師，因?yàn)檎撐氖窃赬老師的悉心指導(dǎo)下完成的。本設(shè)計(jì)從選題到完成，每一步都是在張老師的指導(dǎo)下完成的，傾注了X老師大量的心血。
X老師指引我的設(shè)計(jì)的方向和架構(gòu)，指正出其中誤謬之處，使我有了思考的方向，他的循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，他的嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)，將一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣。X老師要指導(dǎo)很多同學(xué)的設(shè)計(jì)，加上本來就有的教學(xué)任務(wù)，工作量之大可想而知，但在一次次的教導(dǎo)中，使我在設(shè)計(jì)之外明白了做學(xué)問所應(yīng)有的態(tài)度。
在此，謹(jǐn)向X老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！謝謝張老師在我設(shè)計(jì)的過程中給與我的極大地幫助。
同時(shí)，設(shè)計(jì)的順利完成，離不開其它各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心和幫助。在整個(gè)的設(shè)計(jì)中，各位老師、同學(xué)和朋友積極的幫助我查資料和提供有利于論文寫作的建議和意見，在他們的幫助下，設(shè)計(jì)得以不斷的完善，最終幫助我完整的寫完了整個(gè)論文。
另外，要感謝在大學(xué)期間所有傳授我知識(shí)的老師，是你們的悉心教導(dǎo)使我有了良好的專業(yè)課知識(shí)，這也是設(shè)計(jì)得以完成的基礎(chǔ)。
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