CN102707735B - 高精度向日自动跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度向日自动跟踪方法，为了提高测量精度，该方法首先在系统安装后，进行误差校正，消除系统固有误差；根据快速控制算法依据位置测量传感器的线性工作区间，实现对装置的快速控制；采用智能增益调整算法对信号增益自动调整，提高系统测量精度，在测量信号较弱时，提高装置控制精度；并将测量数据实时输入到液晶显示屏和串口，方便用户现场观察和远程观察。本发明提出的高精度向日自动跟踪方法使系统控制精度可以提高到0.018°，提高太阳能发电设备工作效率。

Description

高精度向日自动跟踪方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，更进一步涉及太阳能发电技术中基于位置敏感探测器(Position Sensitive Detectors)的高精度向日自动跟踪方法。本发明通过计算机精确测量位置敏感探测器与太阳光之间偏差角度，实现设备对太阳的自动跟踪，提高了太阳能发电设备对太阳的跟踪精度，从而提高发电系统工作效率。

背景技术

目前，已有的向日跟踪控制方法主要分为两类：第一类是基于时间的视日运动轨迹跟踪方法，根据太阳的高度角和方位角随时间的变化规律控制对太阳的跟踪，据此调节太阳能接收板与太阳间的角度；第二类是光电跟踪技术利用光敏传感器，如硅光二级管，在硅光管的周围安装遮光板，阳光斜射到控制设备时，其中有的硅光二级管被遮光板遮挡，其硅光二级管的电流将减小；通过检测几个不同位置上硅光二级管的电流变化来检测设备是否对准太阳。

这两种方法都有一定的不足，跟踪的精度一般都在0.2°～0.5°，这种精度水平就意味着太阳能光斑不能垂直照射到光伏电池上，会有部分光能被反射出去，使得太阳能资源不能充分地转换成电能，大大影响到系统的发电效率。在第三代太阳能发电技术HCPV(Hihg Concentrated Photovoltaic，高倍聚光光伏发电技术)中，由于光能被汇聚在一个很小的光斑上，这种光斑位置的细微偏差将会严重影响到系统发电效率。在加工和安装时，位置敏感探测器的中心点与光伏发电电池的中心点会存在误差，不消除设备存在的固有误差，很难提高系统的控制精度。

台州立发电子有限公司申请的专利“主动式太阳能跟踪方法及装置”(专利号ZL20091010808.6，公开号CN101609311A)公开了一种太阳跟踪方法及装置，此装置包括带光面的太阳能设备、太阳能设备姿态调整装置、当前时间获取装置、控制高度角和方向角的马达控制装置，通过地球绕太阳运行的轨迹函数，以及当前时间计算出太阳光在此刻照射到地球上某一地点的高度角和方位角，并据此计算出设备对太阳的跟踪方位；该方法仅根据时间和地点计算太阳光入射到当前设备的入射角度，并将其转换为控制信号，调整当前设备的姿态，使之与太阳入射光线成预定的夹角。该专利技术存在的不足是，由于该方法在初始安装时对位置的定位准确性要求很高，位置是否准确、系统控制部件机械误差等因素，都很大程度上影响跟踪的精度，会严重影响系统发电效率。

深圳市南山区桃源中学的专利技术“太阳方向自动跟踪控制器”(专利号ZL200920135557.0，授权公告号CN201392479Y)公开一种太阳方向自动跟踪控制器，包括机械部分、电子控制部分和动力装置三部分，此装置在其电池板的上部固定一块绝缘板，绝缘板中央焊接的“十”字型遮光板将绝缘板分成四个区域，在遮光板结构下面四个区域分别放置一个硅光电池，只要该电池板没有垂直太阳光线，十字遮光板结构下面的四个部分就会形成二到三个阴影区域，四个硅光电池的电压就不同，与硅光电池连接的模数转换芯片根据硅光电池的电压不同输出高低电平，通过控制电机的转动使电池板对准太阳。该专利技术存在的不足是，这种方法靠硅光电池被遮挡的强度来测量阳光的角度变化，由于阳光光强的变化范围很大，在阳光较弱时不同硅光电池之间的差异就很小，导致系统测量精度很低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种高精度向日自动跟踪方法，使系统控制精度可以提高到0.018°。这样，可以大大地提高太阳能发电设备工作效率。

本发明的具体思路是：以高性能嵌入式处理器为核心，选用高性能的位置敏感探测器检测阳光的入射角度；采用自适应步进长度计算方法，确保系统快速达到最佳控制状态；采用中心点修正方法修正系统加工、装配误差；采用信号动态放大方法，确保系统调整精度。

为实现上述目的，本发明高精度向日自动跟踪方法，通过中央处理器、位置敏感探测器、双轴控制、实时跟踪显示、远程通讯的功能模块实现跟踪；其具体步骤如下：

(1)系统初始化

1a)选取外部时钟为基准，做为定时和串口通信的时间同步信号，完成中央处理器系统时钟初始化；

1b)端口初始化，往对应的输入/输出端口传送低电平或高电平，完成中央处理器中相关端口的初始化及输入、输出方式的设定；

1c)液晶显示初始化，往液晶显示芯片的相关端口传送低电平或高电平，完成液晶显示器的工作方式设定以及初始设置；

1d)串口初始化，对与串口相关的寄存器设置，完成串口工作方式设定；

1e)模拟/数字控制器初始化，对模拟/数字控制寄存器写入初始值，完成采集信号的方式，增益的初始倍数设定；

1f)实时钟初始化，对实时钟芯片的特定寄存器写入初值，完成实时时钟显示方式设定；

1g)定时器初始化，对定时器写入初始值，设定定时器的初始值和工作方式；

(2)系统参数设置

2a)日期设置，设定出厂时间，并保存到实时钟模块中；

2b)参数设置，通过控制器测量位置敏感探测器与向日自动跟踪装置之间平行度，得到该装置的高度角偏差和方位角偏差，做为高度角和方位角偏差修正值，以该误差修正值修正向日自动跟踪装置在加工、装配过程中带来的高度角和方位角的固有误差；

(3)检测太阳方位

3a)向日自动跟踪装置在其外部上、下、左、右的位置分别放置4个光敏传感器，将每个光敏传感器分别检测得到的电压值，经过模拟/数字转换器转换成数字量，将左、右两侧光敏传感器对应的数字量的差值作为X轴方向的对日偏差值，将上、下两侧光敏传感器对应的数字量的差值作为Y轴方向的对日偏差值，以此确定向日自动跟踪装置与太阳光线角度偏差的粗调值；

3b)向日自动跟踪装置利用内部放置的1个位置敏感探测器，通过3a)控制，使太阳光成像于该位置敏感探测器上，形成一个光斑，位置敏感探测器会产生阻抗电流，该电流经过放大电路转换成电压值，通过模拟/数字转换器转换成数字量，控制器根据该电压值采用定位控制算法计算出太阳光与向日自动跟踪装置的精确位置偏差值，以便用于实现对向日自动跟踪装置的精确控制；

3c)将向日自动跟踪装置与太阳光线角度偏差的粗调值与精确位置偏差值输出到液晶显示屏；

3d)将向日自动跟踪装置与太阳光线角度偏差的粗调值与精确位置偏差值输出到串口，发送到远程终端，便于实现远程监控和集群控制；

(4)判断是否调节方位角和高度角

将步骤(3)中检测的当前位置坐标与设定的阈值门限相比较，以判定判断坐标差值是否大于设定门限值，若坐标差值的x方向数值大于设定值，则转至步骤5a)，否则，若坐标差值的y方向数值大于设定值，则转至步骤5b)，否则转至步骤(3)；

(5)调节方位角、高度角

5a)将步骤(4)中检测到的坐标差值的x方向数值经过变换，得到水平方向的步进电机调节的步数，控制向日自动跟踪装置做x方向(方位角)调节控制；

5b)将步骤(4)中检测到的坐标差值的y方向数值经过变换，得到垂直方向的步进电机调节的步数，控制向日自动跟踪装置做y方向(高度角)调节控制。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，本发明采用自适应步进长度跟踪方一法，计算出位置敏感探测器上光斑坐标位置与步进电机调整步长之间的对应关系，保证经过一个测量-控制周期，光斑立即调整到中心位置，确保系统快速达到控制最终状态。克服了现有发明在控制过程的时间过长，既浪费电力，又使得光伏电池发电的效率降低的缺点，使本发明具有应用到自适应的快速定位跟踪系统上的优点。

第二，本发明采用中心点修正方法，修正系统在加工、装配时带来的系统误差，克服了现有技术在加工和安装设备时存在误差而导致控制精度差的缺点，使得本发明具有提高控制精度的优点。

第三，本发明采用信号动态放大方法，调节光斑在位置传感器中心位置时的信号，克服了现有技术在位置传感器中心位置时的信号小时而导致的跟踪精度差的缺点，使得本发明具有了系统测量精度高的优点。

附图说明

图1为本发明的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明的软件流程做进一步描述。

步骤1，系统初始化

在系统正常工作前，必须对每个器件进行初始化，包括：系统时钟初始化、端口初始化、液晶显示器初始化、串口初始化、模拟/数据控制寄存器初始化、实时钟初始化、定时器初始化。

系统时钟选取外部时钟作为基准，外部晶振大小为11.0592MHZ；端口初始化时设置有关lO端口的输入输出方式，打开中央处理器内部的交叉开关和弱上拉电阻，设置P1、P2、P3、P5-P7口为输出、P4口输入且为漏极开路方式、配置外部存储器接口、外部存储器时序控制。

液晶显示器初始化，确定液晶显示器的管脚与中央处理器连接方式，以及工作的触发信号。包括：控制液晶显示器相应控制端进入液晶显示器初始化状态，液晶字体选择位为8*8；背光选择位为关背光；复位信号为产生一个上升沿，完成对液晶显示器的初始化。

串口初始化设定，包括：关闭定时器中断、关闭定时器中断优先权、选取方式一，选择标准的异步、全双工通信，一个起始位，8个数据位和一个停止位，可变波特率。

模拟/数据控制寄存器初始化，确定采集信号的方式，设定增益的初始倍数。中央处理器内部的是12位模拟/数据转换器，有9个输入通道，可以通过编程控制增益放大倍数，放大倍数可以从0.5到16以2的整数次幂递增。

实时钟初始化，DS12887实时钟芯片包括4个控制寄存器，可以在任何时候读写。设置寄存器A，用于检测芯片是否正在更新操作，以及开启晶体振荡器并保证时钟运行；设置寄存器B，用于设定显示格式为24小时制，十进制方式；其他两个寄存器保持为默认方式。

步骤2，系统设置

本发明系统在正常工作前要对时间以及系统修正参数进行设置，这样才能根据不同的外部条件，进行可调节的设置，从而提高控制精度。

时间设置，用于设定系统的当前时间，包括年、月、日、时、分、秒。通过按键可以增加或减少数值，并切换到不同的设置选项。

系统误差修正值参数设置，设定系统误差修正值。采用系统误差修正算法，修正系统在加工、装配中带来的系统测量误差，提高系统的工作效率，由于位置敏感探测器本身的中心点与光伏发电电池的中心点在加工、安装时会产生误差，在对设备的精确控制中，这个误差会影响很大；则应该按下式分别对X₀’和Y₀’进行修正：

X₀’＝(X₀-ξx)

Y₀’＝(Y₀-ξy)

其中，X₀’、Y₀’为光电池的实际中心点坐标，X₀、Y₀为传感器的圆点坐标，ξx，ξy分别为传感器的中心点与光伏电池的实际安装位置在X、Y轴上的误差。

经过上式系统误差修正后，系统将以光伏发电电池的实际中心点坐标为圆点进行调整，修正了系统在加工、安装中产生的误差。该修正过程在系统安装时做一次即可。

自动步进长度调整方法参数设定，为了提高跟踪精度，要求系统连续跟踪，并使调整一次到位，避免多次搜索最优结果；因此，本设计采用自适应步长调整算法，计算光斑的位移与电机调整步长的关系，保证在每次调整中一次到位。

自适应步进调整算法如下：首先将光斑调整到位置敏感探测器的中心点，让传感器沿X轴正向走5000步得到此时传感器信号U_x+；让光斑重新回到中心点，让传感器沿X轴负向走5000步得到此时传感器信号U_x-，因此，可得到电机沿X轴走一步的步长值U_Stepx为：

U_Stepx＝(U_x++U_x-)/10000

同理可得到电机沿Y轴走一步的步长值U_Stepy为：

U_Stepy＝(U_y++U_y-)/10000

其中，U_Stepx和U_Stepy分别表示电机沿X轴走一步的步长值和电机沿Y轴走一步的步长值，U_x+、U_x-、U_y+和U_y-分别表示X轴正向传感器信号、X轴负向传感器信号、Y轴正向传感器信号和Y轴负向传感器信号。

步骤3，检测太阳方位角

向日自动跟踪装置在其外部上、下、左、右的位置分别放置4个光敏传感器，将每个光敏传感器分别检测得到的电压值，经过模拟/数字寄存器转换成数字量，将右侧光敏传感器对应的数字量减去左侧光敏传感器的对应数字量作为X方向的坐标，将下侧光敏传感器对应的数字量减去上侧光敏传感器的对应数字量作为Y方向的坐标，确定太阳的粗略位置坐标为(X，Y)。

向日自动跟踪装置内部放置的1个位置敏感探测器的4个象限部分，当光束成像于位置敏感探测器的4个象限部分上时，形成一个光斑，获得阻抗电流，阻抗电流经过放大电路转换成电压值，经过模拟/数字寄存器转换成数字量，根据下式定位算法计算出光斑中心的精确位置坐标。

$\mathrm{\Δx}=k\frac{V_I+V_{\mathrm{IV}}-V_{\mathrm{II}}-V_{\mathrm{II}}}{V_I+V_{\mathrm{II}}+V_{\mathrm{III}}+V_{\mathrm{IV}}}$

$\mathrm{\Δy}=k\frac{V_I+V_{\mathrm{II}}-V_{\mathrm{II}}-V_{\mathrm{IV}}}{V_I+V_{\mathrm{II}}+V_{\mathrm{III}}+V_{\mathrm{IV}}}$

其中，Δx，Δy分别表示光斑距离中心的x方向和y方向的偏移距离；V_I、V_II、V_III、V_IV分别表示位置敏感探测器四个象限输出的电流信号经过放大电路转换成电压信号，再经过模拟/数字寄存器转换成的数字量。

将上述的数字量输入到液晶显示屏，显示给用户当前的接收器的位置偏差情况，方便用户及时的了解问题所在，从而及时的调节参数以及高度角和方位角。显示界面包括：粗调以及细调的四个象限的电压值、校正X方向和Y方向的电压值、放大倍数。其中，粗调的四个象限电压值是为了监测设备的粗略位置；细调的四个象限电压值是为了监测设备的精确位置；校正X方向和Y方向的电压值，是为了观察在X方向和Y方向校正的数值；放大倍数是提高光斑越靠近中心点时传感器的输出信号，提高系统测量精度；

将上述的数字量通过串口，实时的传送到远程终端的监控界面。每次串口发送10个数据，其中，一个代表起始位0xAA，8个数据位，一个代表停止位，由于每次发送只能发送8个数据位，而模拟/数字转换后的数据位12位，故采用发送两次，最后在终端机上的程序中进行整合，得到12位完整数据，最后将接受到的数据进行分析。

步骤4，判断是否调节方位角和高度角

将步骤3中检测的当前位置坐标减去前一次的位置坐标，得到坐标差值，判断坐标差值是否大于设定值，若坐标差值的x方向数值大于设定值，则转至步骤5，否则，执行步骤3；若坐标差值的y方向数值大于设定值，则转至步骤5，否则转至步骤3。

步骤5，调节方位角、高度角

将步骤4中检测到的坐标差值的x方向数值，做为水平方向的步进电机调节方向角的步数；将步骤4中检测到的坐标差值的y方向数值，做为垂直方向的步进电机调节高度角的步数。

Claims (5)

1.一种高精度向日自动跟踪方法，通过中央处理器、位置敏感探测器、双轴控制、实时跟踪、显示、远程通讯模块实现跟踪；其具体步骤如下：

(1)系统初始化

1a)选取外部时钟为基准，做为定时和串口通信的时间同步信号，完成中央处理器系统时钟初始化；

1b)端口初始化，往对应的输入/输出端口传送低电平或高电平，完成中央处理器中相关端口的初始化及输入、输出方式的设定；

1c)液晶显示初始化，往液晶显示芯片的相关端口传送低电平或高电平，完成液晶显示器的工作方式设定以及初始设置；

1d)串口初始化，对与串口相关的寄存器设置，完成串口工作方式设定；

1e)模拟/数字控制器初始化，对模拟/数字控制寄存器写入初始值，完成采集信号的方式，增益的初始倍数设定；

1f)实时钟初始化，对实时钟芯片的特定寄存器写入初值，完成实时钟显示方式设定；

1g)定时器初始化，对定时器写入初始值，设定定时器的初始值和工作方式；

(2)系统参数设置

2a)日期设置，设定出厂时间，并保存到实时钟模块中；

2b)参数设置，通过中央处理器测量位置敏感探测器与向日自动跟踪装置之间平行度，得到该装置的高度角偏差和方位角偏差，做为高度角和方位角偏差修正值，以该偏差修正值修正向日自动跟踪装置在加工、装配过程中带来的高度角和方位角的固有误差；

(3)检测太阳方位

3a)向日自动跟踪装置在其外部上、下、左、右的位置分别放置4个光敏传感器，将每个光敏传感器分别检测得到的电压值，经过模拟/数字转换器转换成数字量，将左、右两侧光敏传感器对应的数字量的差值作为x轴方向的对日偏差值，将上、下两侧光敏传感器对应的数字量的差值作为y轴方向的对日偏差值，以此确定向日自动跟踪装置与太阳光线角度偏差的粗调值；

3b)向日自动跟踪装置利用内部放置的1个位置敏感探测器，通过3a)控制，使太阳光成像于该位置敏感探测器上，形成一个光斑；x方向坐标表示方位角，y方向坐标表示高度角；位置敏感探测器产生阻抗电流，该电流经过放大电路转换成电压值，通过模拟/数字转换器转换成数字量，中央处理器根据该电压值采用定位控制算法计算出光斑中心的精确位置坐标，即太阳光与向日自动跟踪装置的位置偏差值，据此实现对向日自动跟踪装置的精确控制；

3c)将向日自动跟踪装置与太阳光线角度偏差的粗调值与精确位置偏差值输出到液晶显示屏；

3d)将向日自动跟踪装置与太阳光线角度偏差的粗调值与精确位置偏差值输出到串口，发送到远程终端，便于实现远程监控和集群控制；

(4)判断是否调节方位角和高度角

将步骤(3)中检测的当前位置坐标与设定的阈值门限相比较，判断坐标差值是否大于设定的阈值门限，若坐标差值的x方向数值大于阈值门限，则转至步骤5a)；若坐标差值的y方向数值大于阈值门限，则转至步骤5b)；如果x、y方向均不需调节，转至步骤(3)；

(5)调节方位角、高度角

5a)将步骤(4)中检测到的坐标差值的x方向数值经过变换，得到水平方向的步进电机调节的步数，控制向日自动跟踪装置做x方向调节控制；

5b)将步骤(4)中检测到的坐标差值的y方向数值经过变换，得到垂直方向的步进电机调节的步数，控制向日自动跟踪装置做y方向调节控制。

2.根据权利要求1所述的高精度向日自动跟踪方法，其特征在于，步骤1d)中所述的串口传送参数包括波特率，数据位数，串口工作模式，定时器工作模式。

3.根据权利要求1所述的高精度向日自动跟踪方法，其特征在于，步骤2a)中所述的出厂时间包括年、月、日、时、分、秒。

4.根据权利要求1所述的高精度向日自动跟踪方法，其特征在于，步骤3b)中所述的定位控制算法为：

$\mathrm{\Δx}=k\frac{V_I+V_{\mathrm{IV}}-V_{\mathrm{II}}-V_{\mathrm{III}}}{V_I+V_{\mathrm{II}}+V_{\mathrm{III}}+V_{\mathrm{IV}}}$

$\mathrm{\Δy}=k\frac{V_I+V_{\mathrm{II}}-V_{\mathrm{III}}-V_{\mathrm{IV}}}{V_I+V_{\mathrm{II}}+V_{\mathrm{III}}+V_{\mathrm{IV}}}$

其中，Δx，Δy分别表示光斑距离中心的x方向和y方向的偏移距离；V_I、V_II、V_III、V_IV分别表示位置敏感探测器四个象限输出的电流信号经过放大电路转换成电压信号，再经过模拟/数字寄存器转换成的数字量。

5.根据权利要求1所述的高精度向日自动跟踪方法，其特征在于，步骤(4)中所述的阈值门限是为了防止细调过度调节而设定的，其大小为100～200步进电机的步数。