CN101399508A - 太阳自动跟踪系统手动控制装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳自动跟踪系统手动控制装置，由定时器电路(1)、手动方向控制电路(2)、自动手动信号切换电路(3)、步进电机驱动器(4)、步进电机(5)及传动机构(6)组成。定时器电路(1)生成步进电机的脉冲控制信号，经手动方向控制电路(2)进行方向选择，电机驱动器(4)根据接收到的手动控制信号，为步进电机(5)提供驱动电流，控制步进电机(5)转动，步进电机(5)的转轴与传动机构(6)中的变速齿轮相连，变速齿轮旋转拖动传动机构(6)转动，最终带动太阳光伏阵列转动。本发明在自动跟踪系统的自动控制功能失效时，可对跟踪系统进行姿态调整，或在安装调试过程中灵活地转动太阳光伏阵列，使其到达指定的位置。

Description

太阳自动跟踪系统手动控制装置

技术领域

本发明涉及太阳自动跟踪系统，特别涉及太阳自动跟踪系统手动控制装置。

背景技术

随着能源和环境问题的日益突出，可再生能源的开发与利用逐渐引起了世人的重视。太阳能以其清洁、分布范围广、利用方便等特点成为发展较快的可再生能源。太阳能光伏发电是太阳能利用的主要形式之一，但是由于目前太阳能电池板的价格昂贵，导致光伏发电的成本居高不下，因此制约了太阳能光伏发电产业的发展。因此如何提高太阳能的利用效率，降低太阳能利用成本成为目前人们研究的热点。对太阳进行跟踪，保证太阳入射光线始终垂直入射，提高太阳光照辐射量，是提高太阳利用率简单而有效措施之一。

对于太阳自动跟踪系统，尤其是大容量太阳自动跟踪系统，具有完备的系统保护功能是其能否可靠工作并迈向实用化的前提，太阳自动跟踪系统手动控制装置的设计，一方面使太阳自动跟踪系统的控制方式更为灵活，方便了系统的安装与调试，另一方面由于手动控制装置结构简单、为纯硬件设计，相对与自动控制装置来说，具有更高的可靠性。

中国专利200510034899.X“太阳光跟踪系统”及02222766.0“微功耗定时太阳跟踪装置”提出的太阳自动跟踪系统，主要注重于自动功能的实现，未考虑手动控制功能。中国专利88221402.0“时钟式太阳跟踪装置”虽然设计了手动控制功能，但是它的手动功能是通过纯机械的方式来实现的，需要手动旋转跟踪机构，既费力又费时，尤其对于大容量的太阳跟踪系统，常常需要较大的转动力矩才能使其旋转，此种手动方式就显得笨拙而缺乏实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对以往太阳自动跟踪系统在手动控制方面的不足，提出一种电动式手动控制装置，本发明手动控制装置仍然以电能作为动力源，具有操作简单，工作可靠等特点。它能够在自动跟踪系统的自动控制功能失效时，对跟踪系统进行姿态调整；或者是在安装调试的过程中灵活地转动太阳光伏阵列，使其到达指定的位置，加速安装调试进程。

本发明解决技术问题采用的技术方案是：太阳自动跟踪系统手动控制装置由手动方向控制电路、定时器电路、自动手动信号切换电路、步进电机驱动器、步进电机及传动机构组成。首先太阳自动跟踪系统调到手动工作挡时，自动手动信号切换电路切换到手动控制方式，由定时器电路产生步进电机控制信号，此信号经过手动方向控制电路进行方向设定，然后将此信号发送到步进电机驱动器，步进电机驱动器根据接收到的手动控制信号，为步进电机提供驱动电流，控制步进电机转动，步进电机的转轴与减速机构的变速齿轮相连，减速机构拖动旋转机构，最终带动太阳光伏阵列转动。

所说的手动方向选择电路主要包括“东向”、“西向”、“上仰”、“下俯”四个按键开关以及方向选择继电器，四个按键开关均为无自锁按键开关，“东向”按键和“西向”按键串联，并与+5V电源、方向控制继电器的控制线圈串联，“东向”按键和“西向”按键的两对触点之间交叉连接，实现了按键之间的互锁，“上仰”按键和“下俯”按键的连接方式与“东向”按键和“西向”按键之间的连接方式相似。下面以“东向”按键和“西向”按键为例说明其信号传输方式，两个按键在默认状态下，其a+触点和a-触点是导通的，当被按下时，b+触点和b-触点是导通的。当“东向”按键按下时，控制信号经“东向”按键的b+触点和b-触点及“西向”按键的a+触点和a-触点传递给电机驱动器，实现东向旋转功能；当“西向”按键按下时，控制信号经“东向”按键的a触点和“西向”按键的b触点传递给方向控制继电器RY6，使继电器RY6吸合，另外一组电机控制信号传递给步进电机驱动器，实现了西向旋转功能。

所说的定时器电路为以555定时器为核心的定时器电路，它所产生的矩形波可以手动调节其频率及占空比，并作为电机控制的信号发生源。

所说的自动手动信号选择继电器为双刀双掷继电器，其控制线圈的控制电压为直流+5V，它的公共端与定时器电路的矩形波输出口相连。

所说的步进电机为三相混合式步进电机。

所说的传动机构包括减速器或者变速齿轮、蜗轮蜗杆或者是电动推杆，它们与旋转机构相连，旋转机构直接转动光伏阵列。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

其一、在自动跟踪系统自动控制功能出现故障时，通过手动控制功能仍能够调整光伏阵列姿态，避免因软件受干扰而导致的系统失控情况的出现。

其二、手动控制装置中不包含软件控制，其控制方式较自动跟踪控制更为简单，工作可靠性高。

其三、与纯机械式手动控制相比，本发明所描述的一种电控式手动控制装置更为省力与快捷，这一特点极大地方便了跟踪系统的安装与调试，缩短了系统安装调试所用的时间。

其四，本发明所描述的手动控制装置增加了按键互锁功能，可以有效地避免误操作；增加了限位互锁功能，能有效地防止跟踪系统旋转越位。

附图说明

图1手动控制信号生成电路原理图之一；

图2手动控制信号生成电路原理图之二；

图3手动控制装置系统组成示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图3所示，本发明主要由定时器电路1、手动方向控制电路2、自动手动信号切换电路3、步进电机驱动器4、步进电机5及传动机构6组成。定时器电路1生成步进电机的脉冲控制信号，经由手动方向控制电路2进行方向选择，电机驱动器4根据接收到的手动控制信号，为步进电机5提供驱动电流，控制步进电机5转动，步进电机5的转轴与传动机构6中的变速齿轮相连，变速齿轮旋转拖动整个传动机构转动，最终带动太阳光伏阵列转动。

本发明的定时器电路1如图1中a部分所示，由555定时器、可变电阻器WR1、可变电阻器WR2、电容C1和电容C2组成。555定时器是电机控制信号的发生源，生成用于步进电机控制的矩形波信号，555定时器的1脚接地，2脚与6脚之间短接，并与1脚之间并联电容C2；3脚为矩形脉冲波输出端，4脚、8脚接+5V电源，5脚与地之间连接有电容C1，6脚和7脚之间串联有电位器WR2，7脚和8脚之间串联电位器WR1，3脚为定时器电路的输出端口。

本发明的手动方向控制电路2如图1中b部分所示，主要由继电器RY2、RY3及RY6，按键AN1和按键AN2组成。继电器RY2的触点3和继电器RY6的触点1同时与555定时器的3脚相连，继电器RY2的触点1、继电器RY3的触点1及继电器RY6的触点2都与+5V电源相连，继电器RY2的触点2接二极管D1的阳极，继电器RY3的触点3接二极管D2的阳极，二极管D1的阴极和二极管D2的阴极连接在一起，作为限位状态信号输出端，记为XWS。按键AN1、按键AN2均为无自锁按键，继电器RY2的触点4接按键AN1的触点K1a+，继电器RY3的触点2接按键AN1的触点K1b+，按键AN1的触点K1a-接按键AN2的触点K2b+，按键AN1的触点K1b-接按键AN2的触点K2a+，按键AN2的触点K2a-接继电器RY6的控制线圈接口端子RY6B，按键AN2的触点K2b-接信号端子SMCB，继电器RY6的触点3接信号端子SMCC，继电器RY6的触点4接信号端子SFX。

本发明的自动手动信号切换电路3如图2所示，信号端子SDW与继电器RY8的控制线圈相连，控制线圈的另一端接地。信号端子SMCB和SMCC并联在一起，并连接到继电器RY8的触点1上，继电器RY8的触点2与信号端子ZMC相连，电阻R3串联在继电器RY8的触点3与三极管N8的基极之间。信号端口SFX与继电器RY8的触点4相连，信号端子ZFX与继电器RY8的触点5相连，电阻R1串联在继电器RY8的触点6和三极管N7的基极之间。三极管N7、N8的发射极都与地相连，电阻R2并联在三极管N7的基极与发射极之间，电阻R4并联在三极管N8的基极与发射极之间，三极管N7的集电极通过上拉电阻R5与+5V电源相连，同时与信号端子FX-相连。三极管N8的集电极通过上拉电阻R6与+5V电源相连，同时与信号端子MC-相连。

本发明工作过程如下：

当自动跟踪系统由自动跟踪控制状态转换到手动控制状态后，图2中的SDW为高电平，继电器RY8吸合，电阻R1左端由自动控制方向信号ZFX切换到手动控制方向信号SFX，电阻R3左端由自动控制脉冲信号ZMC切换到手动控制脉冲信号SMC。

手动控制的电机驱动信号由555定时器电路产生，555定时器外围电路的设计如图1所示，U1的1脚接地，2脚经过电容C2接地，3脚为电机控制信号输出端，输出频率和占空比可调的方波，4脚接+5V电源，5脚经过电容C1接地，6脚与2脚相连，并与7脚之间通过变阻器WR2相连，7脚与8脚通过变阻器WR1相连，8脚接电源+5V。此555定时器电路所发出的电机控制信号的占空比和频率可以通过调节变阻器WR1和WR2来进行改变。

如图1所示，按键AN1和AN2为无自锁按键，当无手动操作时，按键AN1和AN2处于图1所示状态，触点K1a+和K1a-连通，触点K2a+和K2a-连通，触点K2b+和K2b-断开，电机控制信号MC在K2处被阻断。当东向旋转控制按键AN2按下时，触点K2a+和K2a-断开，触点K2b+和K2b-连通，脉冲信号MC经触点K1a+、K1a-、K2b+、K2b-及电阻R3传递到三极管N8的基极，经三极管N8放大后，转换为驱动控制信号。驱动控制信号输出接线端子MC-与步进电机驱动器相连，控制步进电机驱动器，发出三相驱动信号，最终控制步进电机转动。步进电机的转动方向控制是通过给电机驱动器的方向控制引脚发出一个电平指令来完成的，当此引脚为高电平时，步进电机向顺时针方向旋转，此引脚为低电平时，步进电机向逆时针方向旋转。按键AN2按下时，步进电机方向控制信号为低电平，三极管N7的基极被拉低为低电平，三极管N7不导通，电机方向控制信号端子FX-上拉为+5V高电平，因此步进电机将按顺时针方向旋转，此时光伏阵列将向东旋转。当西向旋转控制按键AN1按下时，触点K1a+和K1a-断开，触点K1b+和K1b-连通，触点K2a+和K2a-连通，触点K2b+和K2b-断开，+5V高电平信号经触点K1a+、K1a-、K2b+、K2b-后为继电器RY6控制线圈供电，继电器RY6吸合，电机控制信号和+5V高电平信号经继电器RY6分别与信1号端子SMCC和信号端子SFX相连，+5V高电平信号经电阻R1、R2分压后驱动三极管N7，使其导通，因此电机方向控制信号端子FX-输出低电平，步进电机将向逆时针方向旋转，光伏阵列将向西旋转。信号端子SMCC输出的电机控制信号经电阻R3传递到三极管N8的基极，经三极管N8放大后，控制步进电机驱动器，发出三相驱动信号，最终控制步进电机转动。

互锁功能的实现。本发明的互锁功能包含两部分，一是按键间的互锁，另一个是指方向限位互锁。按键间的互锁是指东向转动按键和西向转动按键同时按下时，电机驱动器不会同时接收到东向旋转和西向旋转两个矛盾的控制信号，而是阻断电机控制信号，步进电机不动作，这一功能的实现是通过图1中按键AN1和AN2所组成的电路实现的，当按键AN1和AN2同时被按下时，触点K1a+和K1a-断开，电机控制信号被阻断，触点K2a+和K2a-断开，继电器RY6控制信号被阻断，继电器RY6处于常开状态，由信号端子MC连通过来的电机控制信号被继电器RY6阻断，按键互锁功能实现。

限位互锁功能的实现，当东向限位开关被触发时，继电器RY2线圈通电，继电器RY2的触点3与触点4间断开，电机控制信号被继电器RY2阻断，即光伏阵列向东旋转的控制信号被阻断，光伏阵列向东旋转的动作被停止，此时向西转动的功能不受任何影响；当西向限位开关被触发时，继电器RY3线圈通电，继电器RY3由触点2切换到触点3，继电器RY6的控制信号被阻断，继电器RY6不动作，光伏阵列向西旋转的控制信号被阻断，光伏阵列向西旋转的动作被停止，此时向东转动的功能不受任何影响。限位开关动作时，伴随着继电器RY2和RY3的相应动作，+5V高电平信号通过二极管D1或D2，传递到信号端子XWS，信号端子XWS与太阳自动跟踪系统自动控制单元中的微控制器相连，其输出的电平信号作为限位报警信号，与太阳自动跟踪系统自动控制单元配合实现限位报警功能。

Claims (5)

1、一种太阳自动跟踪系统手动控制装置，其特征在于，由定时器电路(1)、手动方向控制电路(2)、自动手动信号切换电路(3)、步进电机驱动器(4)、步进电机(5)及传动机构(6)组成；定时器电路(1)生成步进电机的脉冲控制信号，经由手动方向控制电路(2)进行方向选择，电机驱动器(4)根据接收到的手动控制信号，为步进电机(5)提供驱动电流，控制步进电机(5)转动，步进电机(5)的转轴与传动机构(6)中的变速齿轮相连，变速齿轮旋转拖动传动机构(6)转动，最终带动太阳光伏阵列转动。

2、根据权利要求1所述的太阳自动跟踪系统手动控制装置，其特征在于，定时器电路(1)中，555定时器生成用于步进电机控制的矩形波信号，555定时器的1脚接地，2脚与6脚之间短接，并与1脚之间并联电容C2；3脚为矩形脉冲波输出端，4脚、8脚接+5V电源，5脚与地之间连接有电容C1，6脚和7脚之间串联有电位器WR2，7脚和8脚之间串联电位器WR1。

3、根据权利要求1所述的太阳自动跟踪系统手动控制装置，其特征在于，手动方向控制电路(2)主要由继电器RY2、RY3及RY6，按键AN1和按键AN2组成；继电器RY2的触点3和继电器RY6的触点1同时与555定时器的3脚相连，继电器RY2的触点1、继电器RY3的触点1及继电器RY6的触点2都与+5V电源相连，继电器RY2的触点2接二极管D1的阳极，继电器RY3的触点3接二极管D2的阳极，二极管D1的阴极和二极管D2的阴极连接在一起，作为限位状态信号输出端XWS；按键AN1、按键AN2均为无自锁按键，继电器RY2的触点4接按键AN1的触点K1a+，继电器RY3的触点2接按键AN1的触点K1b+，按键AN1的触点K1a-接按键AN2的触点K2b+，按键AN1的触点K1b-接按键AN2的触点K2a+，按键AN2的触点K2a-接继电器RY6的控制线圈接口端子RY6B，按键AN2的触点K2b-接信号端子SMCB，继电器RY6的触点3接信号端子SMCC，继电器RY6的触点4接信号端子SFX。

4、根据权利要求3所述的太阳自动跟踪系统手动控制装置，其特征在于，当按键AN1和AN2同时被按下时，触点K1a+和K1a-断开，电机控制信号被阻断，触点K2a+和K2a-断开，继电器RY6控制信号被阻断，继电器RY6处于常开状态，由信号端子MC连通过来的电机控制信号被继电器RY6阻断，实现按键互锁；

当东向限位开关被触发时，继电器RY2线圈通电，继电器RY2的触点3与触点4断开，电机控制信号被继电器RY2阻断，即光伏阵列向东旋转的控制信号被阻断，光伏阵列向东旋转的动作被停止，此时向西转动的功能不受任何影响；当西向限位开关被触发时，继电器RY3线圈通电，继电器RY3由触点2切换到触点3，继电器RY6的控制信号被阻断，继电器RY6不动作，光伏阵列向西旋转的控制信号被阻断，光伏阵列向西旋转的动作被停止，此时向东转动的功能不受任何影响，实现限位互锁。

5、根据权利要求1所述的太阳自动跟踪系统手动控制装置，其特征在于，自动手动信号切换电路(3)中，信号端子SDW与继电器RY8的控制线圈相连，控制线圈的另一端接地；信号端子SMCB和信号端子SMCC并联在一起，并连接到继电器RY8的触点1上，继电器RY8的触点2与信号端子ZMC相连，电阻R3串联在继电器RY8的触点3与三极管N8的基极之间；信号端口SFX与继电器RY8的触点4相连，信号端子ZFX与继电器RY8的触点5相连，电阻R1串联在继电器RY8的触点6和三极管N7的基极之间；三极管N7、N8的发射极都与地相连，电阻R2并联在三极管N7的基极与发射极之间，电阻R4并联在三极管N8的基极与发射极之间，三极管N7的集电极通过上拉电阻R5与+5V电源相连，同时与信号端子FX-相连；三极管N8的集电极通过上拉电阻R6与+5V电源相连，同时与信号端子MC-相连。

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