CN103105853A - 一种数字智能化跟踪控制器系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种数字智能化跟踪控制器系统的方法：高精度太阳能跟踪控制器采用软件算法控制和传感器检测精确控制综合来实现。软件算法控制根据天体运行规律，实时计算出太阳的位置，使跟踪器定位到一定的范围。传感器检测控制在该范围内搜索检测太阳光的最强点，提高太阳能的利用率。软件算法控制可以提高系统的抗干扰能力。由于外界自然环境复杂多变，天空中飞起的树叶或生活垃圾，以及云层的运动都会对传感器检测造成干扰，使跟踪器产生很大的跟踪误差。所以采用这种高精度太阳能跟踪控制器可以提高跟踪的精度和抗干扰能力。软件算法控制主要通过读取当前时间，由DSP根据相关的算法计算出太阳能电池板要旋转的水平角和俯仰角。传感器检测控制由四象限传感器、信号放大电路、绝对值电路、比较电路等组成。

Description

一种数字智能化跟踪控制器系统的方法

技术领域

本发明涉及太阳能跟踪控制系统中的软件计算方法，此方法通过太阳的偏移计算出太阳能的电池板的方向。

背景技术

太阳能跟踪控制器是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳能电池板能垂直照射的机械动力装置，能够显著提高太阳能光伏器件的发电利用率。由于转和自转，每一个固定地点在一年四季每天每时每刻，太阳的照射角度都有不同，要提高太阳能的利用率，必须保证太阳能电池板能够根据太阳位置的不同而转动。目前，通用的太阳能跟踪控制器是根据经度和纬度的不同，按照天体运行的规律来计算每时刻太阳所在高度角和方向角。天体运行的计算需要运用到大量的浮点、三角、反三角等复杂的运算，要保证计算的精度，普通的单片机需要耗费大量的时间，不能实时的计算。另外，由于蒙气差(大气折射)的存在，蒙气差随着大气密度、温度和压力等条件的变化而变化，不可能很精确的实现太阳跟踪。现在市场上也有采用硬件检测电路来实现的太阳能跟踪器，其采用光电池作为传感器，来实现太阳跟踪。这种跟踪器的精度要靠高精度的传感器，精密的实验电路来保证；并且抗干扰性差，容易跟错目标。

发明内容

针对现有的太阳能跟踪控制器存在这些缺点，本发明目的就是设计了一种新型的高精度太阳能跟踪控制器中的软件算法。此主要通过读取当前时间，由DSP根据相关的算法计算出太阳能电池板要旋转的水平角和俯仰角。传感器检测控制由四象限传感器、信号放大电路、绝对值电路、比较电路等组成。具体的步骤如下：太阳高度角和方位角的计算，根据公式计算出太阳高度和方位的值，根据计算的高度角和方位角计算太阳能电池板要转动的水平角和俯仰角的范围，控制电机转动。

一种数字智能化跟踪控制器系统的方法：包括了太阳高度角和方位角的计算公式，具体公式如下：

(1)太阳高度角的计算公式：

sinα＝sinφsinδ+cosφcosδcosω

式中，α为太阳高度角，φ为当地的地理纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角。太阳高度角α指的是地球上某点的切平面与某时刻此点和太阳连线的夹角。太阳赤纬角δ是太阳光线与地球赤道的夹角，以北为正。一年内，太阳赤纬角在±23。271之间变动。要确定某一天的太阳赤纬角，可以利用下面的公式来进行近似的计算：δ＝23.45sin(284+DAY/365*360°)式中：：DAY为从1月1日起，到该天的天数。太阳时角ω：当地太阳时。地球一天24小时自转360°，每个小时的自转角为15°。当地正午时的时角0°，上午为负，下午为正。例如，上午10时，ω＝-30°，下午3时，ω＝30°。

(2)太阳方位角的计算公式：

A＝arctan(sin(ω)/cos(ω)sinφ-tan(δ)cos(ω))

其中αφδ含义同上。

A为太阳方位角：指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角其具体步骤如下：

由于太阳高度角和方位角的实时计算需要耗费大量的时钟周期，为了提高计算的速度和精度，采用小数点定标法和IQmath函数库。TI公司的IQmath函数库为C/C++程序员收集了高度优化和准确的数学函数库并精确的在DSPTMS320C28X芯片上将浮点算法转换成固定点算法的运算代码。使用IQmath函数库可以提高密集的实时计算的精度和速度。

IQmath函数库采用Q格式来表示数的定标。为了方便解释，以16位的DSP为例。假定小数点(图5中实心圆点表示)位于第0点的右侧时，为Q0；当把小数点定位于第15位的右侧时，为Q15。浮点数和定点数的转换公式如下：浮点数Xf转换为定点数Xq时，

Xq＝(int)(Xf*2^-Q)

定点数Xq转换为浮点数Xf时，

Xf＝(float)(Xq*2^-Q)

可知当小数点定标到0时，表示的范围最大，为-32768≤X≤32767，但表示的精度最低，为1。当小数点定标到15时，表示的范围最小，为-1≤X≤1，但表示的精度最高，可达到0.0003。

为了使用TI公司提供的IQmath函数库，需要：

(1)在文件中包含IQmath.h文件；

(2)将代码与IQmath.h连接；

(3)在程序存储器中用正确的CMD文件放置IQmath代码；

(4)由于IQmath表包含IQmath函数查询表，存储在DSP的BOOTROM中，因此该段在CMD文件中必须设置为NOLOAD类型，这样可以不用将该段载入目标板中。

IQmath CMD可以如下写：

下面以来说明IQmath函数库如何使用。处理器芯片选32位的DSP tms320f28027，该处理器的频率为40MHz。假设PI＝3.14159，由精度和范围选用IQ24和IQ15两种格式进行计算。以下为C语言描述：

通过在CCS3.3上进行仿真运行：浮点运算约为4709个时钟周期，24位定标运算约为126个时钟周期，16位定标运算约为127个时钟周期。采用定标比浮点运算快了约37.4倍，定标运算时钟周期是相等的。计算得到f＝0.3213938，IQ24_f＝0.3213937，IQ15_f＝0.3213501，可见，要提高计算精度，尽可能选用较高的Q格式。通过大量的实验可以证明，在运用IQmath函数库可以使计算的速度提高8～40倍，可以在保证计算精度的前提下，实时的计算，来控制电机到指定的位置。

Claims (2)

1.一种数字智能化跟踪控制器系统的方法：其特征是主要通过读取当前时间，由DSP根据相关的算法计算出太阳能电池板要旋转的水平角和俯仰角。传感器检测控制由四象限传感器、信号放大电路、绝对值电路、比较电路等组成。具体的步骤如下：太阳高度角和方位角的计算，根据公式计算出太阳高度和方位的值，根据计算的高度角和方位角计算太阳能电池板要转动的水平角和俯仰角的范围，控制电机转动。

(1)太阳高度角的计算公式：

sinα＝sinφsinδ+cosφcosδcosω

式中，α为太阳高度角，φ为当地的地理纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角。太阳高度角α指的是地球上某点的切平面与某时刻此点和太阳连线的夹角。太阳赤纬角δ是太阳光线与地球赤道的夹角，以北为正。一年内，太阳赤纬角在±23。271之间变动。要确定某一天的太阳赤纬角，可以利用下面的公式来进行近似的计算：δ＝23.45sin(284+DAY/365*360°)式中：：DAY为从1月1日起，到该天的天数。太阳时角ω：当地太阳时。地球一天24小时自转360°，每个小时的自转角为15°。当地正午时的时角0°，上午为负，下午为正。

(2)太阳方位角的计算公式：

A＝arctan(sin(ω)/cos(ω)sinφ-tan(δ)cos(ω))

其中αφδ含义同上。

A为太阳方位角：指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角

2.根据权利要求1所述太阳能跟踪控制器系统的方法、其特征是根据太阳根据天体运行的规律，由地方时，地理纬度，地理经度等求得每时刻太阳高度角和方位角。其次根据计算的高度角和方位角计算太阳能电池板要转动的水平角和俯仰角的范围，控制电机转动。