CN103529862B - 分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了太阳能自动跟踪控制装置设计技术领域中的一种分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置及其控制方法。装置包括支撑传动机构、电机、电机驱动模块、主控制器、太阳倾角输入模块和光伏电池板角度输出模块，主控制器包括角度控制模块、速度控制模块和比例系数整定模块；方法包括获取光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角，利用角度控制模块、速度控制模块和比例系数整定模块组成的三闭环控制结构，生成控制电机转动的指令。本发明显著提高光伏电池板角度控制的动态响应速度和稳态精度，提高了光伏系统的发电效率。

Description

分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置及其控制方法

技术领域

本发明属于太阳能自动跟踪控制装置设计技术领域，尤其涉及一种分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置及其控制方法。

背景技术

光伏发电具有无污染、无噪声、取之不尽、用之不竭等优点，且除阳光外无需其它生产材料，是一种具有广阔前景的绿色能源，在未来的供电系统中将占有重要的地位。

光伏电池的输出功率与光照强度有关，并且光照强度在一定程度上直接制约着太阳能电池板的发电效率。为了提高效率，光伏发电系统中通常会采用具备太阳能跟踪功能的控制装置。目前光伏电池板跟踪装置部分采用伺服电机作为执行机构，成本较高；部分太阳能跟踪装置通过光控传感器获取光伏电池板的跟踪角度设定值，这种方式容易受外界环境影响，存在精度不高的缺点；部分跟踪控制装置在反馈信号和电机输出信号的接线顺序上有要求，缺乏智能性；部分跟踪装置的输入输出模拟信号没有实现真正意义上的“隔离”，容易受外界信号电磁干扰；部分跟踪装置没有向更高一级的计算机控制系统提供通信接口，因而不具备组网功能。

此外，现有的光伏电池板跟踪系统多数采用控制器参数固定的双闭环或单闭环控制结构，存在控制器参数整定困难、控制精度和动态响应特性不好的问题，因而影响光伏系统的发电效率。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置及其控制方法，用于解决现有的太阳能自动跟踪控制装置存在的不足。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置，其特征是所述装置包括支撑传动机构、电机、电机驱动模块、主控制器、太阳倾角输入模块和光伏电池板角度输出模块；

所述光伏电池板安装在支撑传动机构上；

所述支撑传动机构包括角度传感器、光电编码器和减速箱；

所述角度传感器与主控制器相连；

所述光电编码器分别与减速箱和主控制器相连；

所述减速箱与电机相连；

所述电机驱动模块分别与主控制器和电机相连；

所述太阳倾角输入模块与主控制器相连；

所述光伏电池板角度输出模块与主控制器相连；

所述角度传感器用于测量光伏电池板的角度并将测量得到的光伏电池板的角度发送至主控制器；

所述光电编码器用于测量光伏电池板的速度并将测量得到的光伏电池板的速度发送至主控制器；

所述减速箱用于根据电机转动速度控制支撑传动机构转动；

所述太阳倾角输入模块用于获取当前时刻的太阳倾角并将所述当前时刻的太阳倾角发送至主控制器；

所述主控制器用于接收光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角，并将光伏电池板的角度发送至光伏电池板角度输出模块，然后根据光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角生成控制电机转动的指令并将所述控制电机转动的指令发送至电机驱动模块；

所述主控制器包括角度控制模块、速度控制模块和比例系数整定模块；

所述角度控制模块分别与角度传感器、太阳倾角输入模块、速度控制模块和比例系数整定模块相连；

所述速度控制模块分别与角度控制模块、光电编码器、比例系数整定模块和电机驱动模块相连；

所述比例系数整定模块分别与角度控制模块和速度控制模块相连；

所述角度控制模块用于接收光伏电池板的角度和当前时刻的太阳倾角，根据所述光伏电池板的角度和当前时刻的太阳倾角计算速度设定值，并将所述速度设定值发送至速度控制模块和比例系数整定模块；

所述速度控制模块用于接收速度设定值、光伏电池板的速度和整定比例系数，并将光伏电池板的速度发送至比例系数整定模块，再根据速度设定值、光伏电池板的速度和整定比例系数生成控制电机转动的指令，然后将控制电机转动的指令发送到电机驱动模块；

所述比例系数整定模块用于接收速度设定值和光伏电池板的速度，根据速度设定值和光伏电池板的速度计算整定比例系数并将所述整定比例系数发送至速度控制模块；

所述光伏电池板角度输出模块用于接收主控制器发送的当前时刻的太阳倾角并输出；

所述电机驱动模块用于接收主控制器发送的控制电机转动的指令并根据所述控制电机转动的指令驱动电机转动。

所述太阳倾角输入模块包括实时角度计算器、计算机输入接口单元和电流电压隔离器；

所述实时角度计算器和计算机输入单元分别与电流电压隔离器相连；

所述电流电压隔离器与主控制器相连；

所述实时角度计算器用于计算当前时刻的太阳倾角并将计算结果转换为电流信号后发送至电流电压隔离器；

所述计算机输入单元用于输入当前时刻的太阳倾角并将输入值转换为电流信号后发送至电流电压隔离器；

所述电流电压隔离器用于将电流信号转换为电压信号后发送至主控制器。

所述光伏电池板角度输出模块包括顺序相连的PWM调压器、电压电流隔离器和485总线接口；

所述PWM调压器用于将主控制器发送的当前时刻的太阳倾角转换为电压信号，并将所述电压信号发送至电压电流隔离器；

所述电压电流隔离器用于将所述电压信号转换为电流信号并发送至485总线接口。

所述装置包括辅助模块，所述辅助模块包括存储单元、无线通信单元、数字量输入单元和液晶显示单元；

所述存储单元、无线通信单元、数字量输入单元和液晶显示单元分别与主控制器相连。

所述电机驱动模块包括第一功率管、第一功率管驱动单元、第二功率管、第二功率管驱动单元、第三功率管、第三功率管驱动单元、第四功率管和第四功率管驱动单元；

所述第一功率管的漏极与第二功率管的漏极相连；

所述第一功率管的源极与第三功率管的漏极相连；

所述第二功率管的源极与第四功率管的漏极相连；

所述第三功率管的源极与第四功率管的源极相连后接地；

所述第一功率管驱动单元分别与主控制器和第一功率管的栅极相连；

所述第二功率管驱动单元分别与主控制器和第二功率管的栅极相连；

所述第三功率管驱动单元分别与主控制器和第三功率管的栅极相连；

所述第四功率管驱动单元分别与主控制器和第四功率管的栅极相连；

所述电机的一端和第一功率管的源极与第三功率管的漏极连接的公共点相连；

所述电机的另一端和第二功率管的源极与第四功率管的漏极连接的公共点相连。

所述装置包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器；

所述第一温度传感器安装在第一功率管的扇热器上；

所述第二温度传感器安装在第二功率管的扇热器上；

所述第三温度传感器安装在第三功率管的扇热器上；

所述第四温度传感器安装在第四功率管的扇热器上；

所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器分别与主控制器相连；

所述第一温度传感器用于测量第一功率管的扇热器的温度并发送至主控制器；

所述第二温度传感器用于测量第二功率管的扇热器的温度并发送至主控制器；

所述第三温度传感器用于测量第三功率管的扇热器的温度并发送至主控制器；

所述第四温度传感器用于测量第四功率管的扇热器的温度并发送至主控制器。

所述装置包括电流传感器，所述电流传感器分别与电机和主控制器相连；

所述电流传感器用于测量电机的工作电流并将测得的电机的工作电流发送至主控制器。

一种分布式网络化的光伏电池板智能跟踪控制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：获取光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角；

步骤2：根据由当前时刻的太阳倾角产生的检测信号和由光伏电池板的角度/光伏电池板的速度产生的反馈信号判定启动条件，当主控制器接收到检测信号并且检测信号满足：

A）检测信号的值在检测信号设定区间内；

B)检测信号的值在检测信号设定区间内持续第一设定时长；同时主控制器接收到反馈信号且反馈信号满足：

C）反馈信号的值在反馈信号设定区间内；

D）反馈信号的值在反馈信号设定区间内持续第一设定时长；

则判定满足启动条件，继续执行步骤3；否则，判定不满足启动条件，返回步骤1；

步骤3：根据光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角计算速度生成控制电机转动的指令；

步骤4：根据电机工作电流和功率管温度判定电机驱动模块工作条件；

当电机工作电流大于电机额定电流且持续第二设定时长时，判定电机处于过电流工作状态；否则，判定电机处于正常工作状态；

当任意一个功率管温度大于设定温度且持续第三设定时长时，判定功率管处于过温状态；否则，判定功率管处于正常工作状态；

当电机处于正常工作状态并且功率管处于正常工作状态时，执行步骤5；否则，停止电机驱动模块并返回步骤3；

步骤5：根据控制电机转动的指令驱动电机转动。

所述根据光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角计算速度生成控制电机转动的指令包括：

步骤A：根据光伏电池板的角度和当前时刻的太阳倾角计算速度设定值；

其中，速度设定值的计算公式为u(k)=Δu(k)+u(k-1)；

u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；

Δu(k)为第k次采样时刻的速度设定值增量且Δu(k)=K_p1Δe(k)+K_i1e(k)；

K_p1为第一比例系数；

K_i1为第一积分系数；

e(k)为当前时刻的太阳倾角和第k次采样时刻光伏电池板的角度的偏差值且e(k)=A_ref-A(k)；

A_ref为当前时刻的太阳倾角；

A(k)为第k次采样时刻的光伏电池板的角度；

Δe(k)为当前时刻的太阳倾角和第k次采样时刻的光伏电池板的角度的偏差值的增量且Δe(k)=e(k)-e(k-1)；

步骤B：根据速度设定值、光伏电池板的速度和整定比例系数生成控制电机转动的指令；

其中，生成控制电机转动的指令采用公式

v_k为第k次采样时刻的控制电机转动的指令；

K_p2为第k次采样时刻的整定比例系数；

K_i2为第二积分系数；

ee(k)为第k次采样时刻的速度设定值和光伏电池板的速度的偏差值且ee(k)=u(k)-v(k)；

u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；

v(k)为第k次采样时刻的光伏电池板的速度；

步骤C：根据速度设定值和光伏电池板的速度计算整定比例系数；

其中，整定比例系数的计算公式为u₃(k)=K_p3eee(k)；

u₃(k)为第k次采样时刻的整定比例系数；

K_p3为第二比例系数；

eee(k)为第k次采样时刻角度控制死区值和速度设定值的偏差值且eee(k)=e_deadzone-ee(k)；

e_deadzone为角度控制死区值；

ee(k)为第k次采样时刻的速度设定值和光伏电池板的速度的偏差值且ee(k)=u(k)-v(k)；

u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；

v(k)为第k次采样时刻的光伏电池板的速度。

本发明提高了光伏电池板角度控制的响应速度和精度，进而提高了光伏电池板的发电效率。

附图说明

图1是分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置的结构示意图；

图2是分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置的整体结构图；

图3是控制电机的4个功率管工作时序图；

图4是分布式网络化的光伏电池板控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置的结构示意图。如图1所示，本发明提供的分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置的基本结构包括：支撑传动机构、电机、电机驱动模块、主控制器、太阳倾角输入模块和光伏电池板角度输出模块，支撑传动机构包括角度传感器、光电编码器和减速箱。各个组成部分的连接关系是：光伏电池板安装在支撑传动机构上，角度传感器与主控制器相连，光电编码器分别与减速箱和主控制器相连，减速箱与电机相连，电机驱动模块分别与主控制器和电机相连，太阳倾角输入模块与主控制器相连，光伏电池板角度输出模块与主控制器相连。

支撑传动机构是连接电机和光伏电池板的部件，也就是说电机通过支撑传动机构带动光伏电池板转动。由于光伏电池板固定在支撑传动机构上，因此支撑传动机构的角度代表着光伏电池板的角度，支撑传动机构的运动速度代表着光伏电池板的速度。

角度传感器用于测量光伏电池板的角度并将测量得到的光伏电池板的角度发送至主控制器。由于支撑传动机构包括角度传感器，而角度传感器通过测量支撑传动机构的角度，获得光伏电池板的角度。在本实施例中，角度传感器采用电位器FCP22E，通过判断电位器输出的电压，就可以知道电位器的转动位置，因为不同的电压对应不同的角度值。

光电编码器用于测量光伏电池板的速度并将测量得到的光伏电池板的速度发送至主控制器。光电编码器采用欧姆龙E6B2-CWZ6C/1000P/R编码器，用于根据减速箱中的齿轮的转动圈数输出脉冲，主控制器通过读取单位时间内脉冲的个数，也就知道了齿轮转动的圈数，进而可以算得减速箱中的齿轮转速，并进一步得到光伏电池板的速度。

太阳倾角输入模块用于获取当前时刻的太阳倾角并将当前时刻的太阳倾角发送至主控制器。

主控制器采用Microchip公司的16位数字信号控制器dsPIC33FJ64GS610，为本装置提供I/O模块、ADC功能、PWM功能和SCI通信功能。主控制器用于接收光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角，并将光伏电池板的角度发送至光伏电池板角度输出模块，然后根据光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角生成控制电机转动的指令并将控制电机转动的指令发送至电机驱动模块。

优选地，主控制器包括角度控制模块、速度控制模块和比例系数整定模块。角度控制模块分别与角度传感器、太阳倾角输入模块、速度控制模块和比例系数整定模块相连，速度控制模块分别与角度控制模块、光电编码器、比例系数整定模块和电机驱动模块相连，比例系数整定模块分别与角度控制模块和速度控制模块相连。

角度控制模块用于接收光伏电池板的角度和当前时刻的太阳倾角，根据光伏电池板的角度和当前时刻的太阳倾角计算速度设定值，并将计算得到的速度设定值发送至速度控制模块和比例系数整定模块。

速度控制模块用于接收速度设定值、光伏电池板的速度和整定比例系数，并将光伏电池板的速度发送至比例系数整定模块，再根据速度设定值、光伏电池板的速度和整定比例系数生成控制电机转动的指令，然后将控制电机转动的指令发送到电机驱动模块。

比例系数整定模块用于接收速度设定值和光伏电池板的速度，根据速度设定值和光伏电池板的速度计算整定比例系数并将计算得到的整定比例系数发送至速度控制模块。

电机驱动模块用于接收主控制器发送的控制电机转动的指令并根据控制电机转动的指令驱动电机转动。

光伏电池板角度输出模块用于接收主控制器发送的光伏电池板的角度并输出。

图2是分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置的整体结构图。如图2所示，太阳倾角输入模块包括实时角度计算器、计算机输入接口单元和电流电压隔离器。其中，实时角度计算器和计算机输入单元分别与电流电压隔离器相连，电流电压隔离器与主控制器相连。

实时角度计算器由GPS模块和实时时钟组成，分别用于获取当前GPS坐标和当前时标，然后利用天文学方法算出当前时刻的太阳倾角。GPS模块的型号为UBLOX-NEO-6M-0-001，实时时钟芯片为DS1302。实时角度计算器通过当地的经纬度，海拔高度以及当前时间，可以算出太阳的倾角（位置），也就算出了太阳能电池板的转角和俯角给多大合适，然后将这个信息转化为4-20毫安的电流信号（4毫安对应最小角度，20毫安对应最大角度）。由于主控制器不能直接读取电流信号，所以需要通过电流电压隔离器将4-20毫安的电流信号转化为0.6-3V的电压信号，这样一来主控制器就可以通过AD端口读取太阳倾角信息了。

由于本发明为网络化的光伏电池板智能跟踪装置，因此计算机输入单元提供了一个网络接口，供用户通过计算机输入当前时刻的太阳倾角值。该输入值也会转换为电流信号。

电流电压隔离器用于将电流信号转换为电压信号后发送至主控制器。

在图2中，光伏电池板角度输出模块包括顺序相连的PWM调压器、电压电流隔离器和485总线接口。由于主控制器获得的当前时刻的太阳倾角为电压信号，因此PWM调压器通过改变主控制器的脉宽的PWM占空比，就可以产生0.6-3V的电压信号。本实施例中，电压电流隔离转换器采用模拟光耦芯片HCNR201。PWM调压器输出的0.6_-3V电压通过电压电流隔离转换器转化为标准的4-20mA工业电流信号，再将电流信号转化为RS485信号就可以将光伏电池板的位置反馈到组网控制时用的主控制计算机上。

在图2中，本发明提供的装置还包括辅助模块，辅助模块包括存储单元、无线通信单元、数字量输入单元和液晶显示单元。存储单元、无线通信单元、数字量输入单元和液晶显示单元分别与主控制器相连。

存储单元采用EEPROM，其型号为AT24C256。存储单元用于储存特殊情况下的数据，即当系统突然掉电后，主控制器会将掉电时光伏电池板位置的信息存储到EEPROM中，以便通电后，电池板的位置从上次掉电的位置开始转动。

无线通信单元采用蓝牙模块，用于系统参数调整和开发者调试程序使用。由于主控制器的电路板都是安装在装置中的，所以调整参数不方便，而蓝牙模块可以无线传输数据的，因此对于一些设备，不用打开外壳就可以调整参数。

数字量输入单元为美国CTS四位拨码开关、日本ALPS轻触开关和E12数字编码器，用于参数调整时参数量的增减的，拨码开关主要用于为用户提供功能选择，通过拨码开关选择伺服控制器自带的不同功能。

液晶显示单元采用液晶显示器LCD12864，用于用户使用主控制器时参数的调整，这样调整起来会方便很多，将调整的参数显示在LCD上，直观方便。

在图2给出的实施例中，电机驱动模块包括第一功率管、第一功率管驱动单元、第二功率管、第二功率管驱动单元、第三功率管、第三功率管驱动单元、第四功率管和第四功率管驱动单元。

第一功率管Q1的漏极D与第二功率管Q2的漏极D相连，第一功率管Q1的源极S与第三功率管Q3的漏极D相连，第二功率管Q2的源极S与第四功率管Q4的漏极D相连，第三功率管Q3的源极S与第四功率管Q4的源极S相连后接地，第一功率管驱动单元分别与主控制器和第一功率管Q1的栅极G相连，第二功率管驱动单元分别与主控制器和第二功率管Q2的栅极G相连，第三功率管驱动单元分别与主控制器和第三功率管Q3的栅极G相连，第四功率管驱动单元分别与主控制器和第四功率管Q4的栅极G相连，电机的一端和第一功率管Q1的源极S与第三功率管Q3的漏极D连接的公共点相连，电机的另一端和第二功率管Q2的源极S与第四功率管Q4的漏极D连接的公共点相连。

第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3和第四功率管Q4采用IR公司的大功率管IRFP460APbF。在本发明中，控制电机转动的指令实际就是通过控制4个功率管的开关状态和PWM占空比，控制电机的正转反转与转动速度。图3是控制电机的4个功率管工作时序图，其中，左上管表示第一功率管Q1，右上管表示第二功率管Q2，左下管表示第三功率管Q3，右下管表示第四功率管Q4。如图3所示，通过功率管控制电机的正转反转与转动速度具体为：第一功率管Q1驱动信号为PWM信号，第四功率管Q4驱动信号为高电平，第二功率管Q2和第三功率管Q3均关闭，电机正转。第三功率管Q3驱动信号为PWM信号，第二功率管Q2驱动信号为高电平，第一功率管Q1和第四功率管Q4均关闭，此时电机反转。PWM信号的占空比越大，电机的速度越大，反之越小。

第一功率管驱动单元、第二功率管驱动单元、第三功率管驱动单元和第四功率管驱动单元使用栅极驱动器IR2117，是一种IGBT或者MOSFET驱动芯片。主控制器输出的PWM信号为0与3.3V的逻辑电平，不足以驱动发明中的大功率MOSFET，因此需要驱动芯片来提高驱动电压和驱动电流，从而完成功率管的开关。功率管驱动单元的脉冲是用来驱动功率管的，使功率管快速导通与关断，进而完成电机速度的控制以及电机正反转控制。电机的速度与这些脉冲也就是PWM的占空比成正相关关系。

本发明提供的装置还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器。第一温度传感器安装在第一功率管的扇热器上，第二温度传感器安装在第二功率管的扇热器上，第三温度传感器安装在第三功率管的扇热器上，第四温度传感器安装在第四功率管的扇热器上。第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器分别与主控制器相连。

所有温度传感器都采用Dallas公司生产的DS18B20，温度传感器用于监控功率管表面的温度，保证功率管的安全稳定工作。第一温度传感器用于测量第一功率管的扇热器的温度并发送至主控制器，第二温度传感器用于测量第二功率管的扇热器的温度并发送至主控制器，第三温度传感器用于测量第三功率管的扇热器的温度并发送至主控制器，第四温度传感器用于测量第四功率管的扇热器的温度并发送至主控制器。

如图2所示，本发明提供的装置还包括电流传感器，电流传感器串联在电机与电机驱动模块组成的回路中，并且电流传感器与主控制器相连，用于测量电机的工作电流并将测得的电机的工作电流发送至主控制器。

图4是分布式网络化的光伏电池板控制方法流程图，如图4所示，分布式网络化的光伏电池板控制方法包括：

步骤101：获取光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角。

光伏电池板的角度和光伏电池板的速度分别通过角度传感器和光电编码器获取，当前时刻的太阳倾角通过实时角度计算器计算或者通过计算机输入给定。

步骤102：根据由当前时刻的太阳倾角产生的检测信号和由光伏电池板的角度/光伏电池板的速度产生的反馈信号判定启动条件。

如前所述，太阳倾角输入模块向主控制器提供的当前时刻的太阳倾角是一个4-20mA的电流信号，该电流信号就是由当前时刻的太阳倾角产生的检测信号，记为I_ComStrat。

如果主控制器收到检测信号I_ComStrat，并且I_ComStartMin≤I_ComStrat≤I_ComStartMax，其中[I_ComStartMin,I_ComStartMax]为检测信号设定区间，在本实施例中，I_ComStartMin=3.3mA，I_ComStartMax=22mA。同时检测信号I_ComStartMin≤I_ComStrat≤I_ComStartMax的持续第一设定时长Δt₁=300ms，则认为装置收到了有效的当前时刻的太阳倾角。此时，将检测信号标志位置1，即I_ComStartFlag=1。若I_ComStartFlag=1，则进行下述反馈信号的检测；否则，进入检测信号丢失模式，返回步骤101。

当角度传感器/光电编码器将光伏电池板的角度/光伏电池板的速度发送至主控制器时，主控制器会产生电压信号，该电压信号即为由光伏电池板的角度/光伏电池板的速度产生的反馈信号V_FbStart。

当I_ComstartFlag=1时，如果主控制器收到反馈信号V_FbStart，并且V_FbStartMin≤V_FbStart≤V_FbStartMax，其中[V_FbStartMin,V_FbStartMax]为反馈信号设定区间。在本实施例中，V_FbStartMin=0.5V，V_FbStartMax=3.3V。同时反馈信号V_FbStartMin≤V_FbStart≤V_FbStartMax的持续第一设定时长Δt₁=300ms，则认为装置收到了有效的光伏电池板的角度/光伏电池板的速度。此时，将反馈信号标志位置1，即F_VbStartFlag=1。

只有当I_ComStartFlag=1且F_VbStartFlag=1时，执行下述步骤103；否则，返回步骤101。

步骤103：根据光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角计算速度生成控制电机转动的指令。具体包括如下子步骤：

步骤A：根据光伏电池板的角度和当前时刻的太阳倾角计算速度设定值。速度设定值的计算公式为：

u(k)=Δu(k)+u(k-1)（1）

公式（1）中，u(k)为第k次采样时刻的速度设定值，Δu(k)为第k次采样时刻的速度设定值增量且

Δu(k)=K_p1Δe(k)+K_i1e(k)（2）

公式（2）中K_p1为第一比例系数，K_i1为第一积分系数。在本实施例中，取K_p1=0.825，K_i1=0.06。e(k)为第k次采样时刻的太阳倾角和光伏电池板的角度的偏差值且

e(k)=A_ref-A(k)（3）

公式（3）中，A_ref为当前时刻的太阳倾角，A(k)为第k次采样时刻的光伏电池板的角度，Δe(k)为当前时刻的太阳倾角和第k次采样时刻的光伏电池板的角度的偏差值的增量且Δe(k)=e(k)-e(k-1)。

步骤B：根据速度设定值、光伏电池板的速度和整定比例系数生成控制电机转动的指令。生成控制电机转动的指令采用公式

$v_k=K_{p2}\mathrm{ee}\left(k\right)+K_{i2}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ee}\left(j\right)---\left(4\right)$

公式（4）中，v_k为第k次采样时刻的控制电机转动的指令，K_p2为第k次采样时刻的整定比例系数，K_i2为第二积分系数。在初始时，取K_p2=0.387，K_i2=0.08。之后，整定比例系数K_p2由步骤303计算的整定比例系数给出。ee(k)为第k次采样时刻的速度设定值和光伏电池板的速度的偏差值且

ee(k)=u(k)-v(k)（5）

公式（5）中，u(k)为第k次采样时刻的速度设定值，v(k)为第k次采样时刻的光伏电池板的速度。

v_k代表功率管的占空比，即该输出值v_k就是功率管的占空比，通过调节功率管Q1-Q4的占空比实现调节电机的速度。

步骤C：根据速度设定值计算整定比例系数。整定比例系数的计算公式为

u₃(k)=K_p3eee(k)（6）

公式（6）中，u₃(k)为第k次采样时刻的整定比例系数，K_p3为第二比例系数，eee(k)为第k次采样时刻角度控制死区值和速度设定值的偏差值且

eee(k)=e_deadzone-ee(k)（7）

公式（7）中，e_deadzone为角度控制死区值，ee(k)为第k次采样时刻的速度设定值和光伏电池板的速度的偏差值且ee(k)=u(k)-v(k)，u(k)为第k次采样时刻的速度设定值，v(k)为第k次采样时刻的光伏电池板的速度。

当计算出第k次采样时刻的整定比例系数u₃(k)后，将其作为下一采样时刻的整定比例系数K_p2，生成下一采样时刻的控制电机转动的指令。

步骤104：根据电机工作电流和功率管温度判定电机驱动模块工作条件。

当检测到装置中电机工作电流满足条件I_motor>I_motormax（I_motormax为电机额定电流），并且时间持续第二设定时长Δt2时，判定电机处于过电流工作状态(OVERCURRENT_MODE)。本实施例中取I_motormax=3.0V,Δt2=2S。否则，判定电机处于正常工作状态（RUN_MODE）。如果电机处于过电流工作状态，当装置中电机工作电流满足条件I_motor<I_motormax，并且时间持续Δt3以上，实施例中Δt3=500ms，电机恢复正常工作状态（RUN_MODE）。

当检测到装置中任意一个功率管温度满足条件temp>temp_max（temp_max为设定温度），本实施例中取temp_max=105℃，判定功率管处于过温状态（OVERCURRENT_MODE）；否则，判定功率管处于正常工作状态。当功率管处于过温状态时，如果装置中所有功率管工作温度满足条件temp<temp_max，并且持续第三设定试时长Δt4以上，实施例中Δt4=200ms，功率管恢复正常工作状态。

当电机处于正常工作状态并且功率管处于正常工作状态时，执行步骤5；否则，停止电机驱动模块并返回步骤103。

步骤105：根据控制电机转动的指令驱动电机转动。

本发明：

1、集成实时角度计算器，该装置的角度设定值既可以通过本装置集成的实时角度计算器计算给定，也可以选择由更高一级的计算机控制系统给定。

2、角度设定值来源可选择，同时提供485总线形式和4～20mA电流形式的反馈信号，当本装置的角度设定值由更高一级的计算机主控制器给定时，本装置作为分布式网络化的模块，通过级联可以组成单轴到多轴的多自由度角度控制系统，模块通过自身集成的485总线向更高一级的计算机主控制器提供模块角度的反馈信号，实现计算机系统主控制器对模块的集中控制功能。

3、指令输入和远送反馈输出模拟信号采用模拟光耦隔离器，实现了本装置与其它装置在电气连接上的完全隔离，抗干扰性显著提高。

4、具有工作电流和输入指令信号、角度反馈信号等实时监控功能，装置工作安全性显著提高。

5、具有掉电时角度信号存储记忆功能，通过将角度反馈信号存储在EEPROM中实现装置的安全稳定运行。

6、具有远程调整参数的功能，通过装置本身集成的蓝牙4.0设备可以实现远距离的参数调整，也可以选择装置电路板上的数字开关进行参数调整，方便性显著提高。

7、在角度控制算法上采用由角度控制外环（角度控制模块）、速度控制内1环（速度控制模块）和速度控制内2环（比例系数整定模块）组成的三闭环控制方法。其中通过速度控制内2环（比例系数整定模块）实现了速度控制内1环（速度控制模块）控制器比例系数的自整定，大大提高了装置角度控制的响应速度和定位精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种分布式网络化的光伏电池板智能跟踪装置，其特征是所述装置包括支撑传动机构、电机、电机驱动模块、主控制器、太阳倾角输入模块和光伏电池板角度输出模块；

所述光伏电池板安装在支撑传动机构上；

所述支撑传动机构包括角度传感器、光电编码器和减速箱；

所述角度传感器与主控制器相连；

所述光电编码器分别与减速箱和主控制器相连；

所述减速箱与电机相连；

所述电机驱动模块分别与主控制器和电机相连；

所述太阳倾角输入模块与主控制器相连；

所述光伏电池板角度输出模块与主控制器相连；

所述角度传感器用于测量光伏电池板的角度并将测量得到的光伏电池板的角度发送至主控制器；

所述光电编码器用于测量光伏电池板的速度并将测量得到的光伏电池板的速度发送至主控制器；

所述减速箱用于根据电机转动速度控制支撑传动机构转动；

所述太阳倾角输入模块用于获取当前时刻的太阳倾角并将所述当前时刻的太阳倾角发送至主控制器；

所述主控制器用于接收光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角，并将光伏电池板的角度发送至光伏电池板角度输出模块，然后根据光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角生成控制电机转动的指令并将所述控制电机转动的指令发送至电机驱动模块；

所述主控制器包括角度控制模块、速度控制模块和比例系数整定模块；

所述角度控制模块分别与角度传感器、太阳倾角输入模块、速度控制模块和比例系数整定模块相连；

所述速度控制模块分别与角度控制模块、光电编码器、比例系数整定模块和电机驱动模块相连；

所述比例系数整定模块分别与角度控制模块和速度控制模块相连；

所述角度控制模块用于接收光伏电池板的角度和当前时刻的太阳倾角，根据所述光伏电池板的角度和当前时刻的太阳倾角计算速度设定值，并将所述速度设定值发送至速度控制模块和比例系数整定模块；

所述速度控制模块用于接收速度设定值、光伏电池板的速度和整定比例系数，并将光伏电池板的速度发送至比例系数整定模块，再根据速度设定值、光伏电池板的速度和整定比例系数生成控制电机转动的指令，然后将控制电机转动的指令发送到电机驱动模块；

所述比例系数整定模块用于接收速度设定值和光伏电池板的速度，根据速度设定值和光伏电池板的速度计算整定比例系数并将所述整定比例系数发送至速度控制模块；

所述光伏电池板角度输出模块用于接收主控制器发送的当前时刻的太阳倾角并输出；

所述电机驱动模块用于接收主控制器发送的控制电机转动的指令并根据所述控制电机转动的指令驱动电机转动；

所述太阳倾角输入模块包括实时角度计算器、计算机输入接口单元和电流电压隔离器；

所述实时角度计算器和计算机输入单元分别与电流电压隔离器相连；

所述电流电压隔离器与主控制器相连；

所述实时角度计算器用于计算当前时刻的太阳倾角并将计算结果转换为电流信号后发送至电流电压隔离器；

所述计算机输入单元用于输入当前时刻的太阳倾角并将输入值转换为电流信号后发送至电流电压隔离器；

所述电流电压隔离器用于将电流信号转换为电压信号后发送至主控制器；

所述光伏电池板角度输出模块包括顺序相连的PWM调压器、电压电流隔离器和485总线接口；

所述PWM调压器用于将主控制器发送的当前时刻的太阳倾角转换为电压信号，并将所述电压信号发送至电压电流隔离器；

所述电压电流隔离器用于将所述电压信号转换为电流信号并发送至485总线接口；

所述装置包括辅助模块，所述辅助模块包括存储单元、无线通信单元、数字量输入单元和液晶显示单元；

所述存储单元、无线通信单元、数字量输入单元和液晶显示单元分别与主控制器相连；

所述电机驱动模块包括第一功率管、第一功率管驱动单元、第二功率管、第二功率管驱动单元、第三功率管、第三功率管驱动单元、第四功率管和第四功率管驱动单元；

所述第一功率管的漏极与第二功率管的漏极相连；

所述第一功率管的源极与第三功率管的漏极相连；

所述第二功率管的源极与第四功率管的漏极相连；

所述第三功率管的源极与第四功率管的源极相连后接地；

所述第一功率管驱动单元分别与主控制器和第一功率管的栅极相连；

所述第二功率管驱动单元分别与主控制器和第二功率管的栅极相连；

所述第三功率管驱动单元分别与主控制器和第三功率管的栅极相连；

所述第四功率管驱动单元分别与主控制器和第四功率管的栅极相连；

所述电机的一端和第一功率管的源极与第三功率管的漏极连接的公共点相连；

所述电机的另一端和第二功率管的源极与第四功率管的漏极连接的公共点相连；

所述装置包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器；

所述第一温度传感器安装在第一功率管的扇热器上；

所述第二温度传感器安装在第二功率管的扇热器上；

所述第三温度传感器安装在第三功率管的扇热器上；

所述第四温度传感器安装在第四功率管的扇热器上；

所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器分别与主控制器相连；

所述第一温度传感器用于测量第一功率管的扇热器的温度并发送至主控制器；

所述第二温度传感器用于测量第二功率管的扇热器的温度并发送至主控制器；

所述第三温度传感器用于测量第三功率管的扇热器的温度并发送至主控制器；

所述第四温度传感器用于测量第四功率管的扇热器的温度并发送至主控制器；

所述装置包括电流传感器，所述电流传感器分别与电机和主控制器相连；

所述电流传感器用于测量电机的工作电流并将测得的电机的工作电流发送至主控制器。

2.一种基于权利要求1所述的装置的分布式网络化的光伏电池板智能跟踪控制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：获取光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角；

步骤2：根据由当前时刻的太阳倾角产生的检测信号和由光伏电池板的角度/光伏电池板的速度产生的反馈信号判定启动条件，当主控制器接收到检测信号并且检测信号满足：

A)检测信号的值在检测信号设定区间内；

B)检测信号的值在检测信号设定区间内持续第一设定时长；

同时主控制器接收到反馈信号且反馈信号满足：

C)反馈信号的值在反馈信号设定区间内；

D)反馈信号的值在反馈信号设定区间内持续第一设定时长；

则判定满足启动条件，继续执行步骤3；否则，判定不满足启动条件，返回步骤1；

步骤3：根据光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角计算速度生成控制电机转动的指令；

步骤4：根据电机工作电流和功率管温度判定电机驱动模块工作条件；

当电机工作电流大于电机额定电流且持续第二设定时长时，判定电机处于过电流工作状态；否则，判定电机处于正常工作状态；

当任意一个功率管温度大于设定温度且持续第三设定时长时，判定功率管处于过温状态；否则，判定功率管处于正常工作状态；

当电机处于正常工作状态并且功率管处于正常工作状态时，执行步骤5；否则，停止电机驱动模块并返回步骤3；

步骤5：根据控制电机转动的指令驱动电机转动。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述根据光伏电池板的角度、光伏电池板的速度和当前时刻的太阳倾角计算速度生成控制电机转动的指令包括：

步骤A：根据光伏电池板的角度和当前时刻的太阳倾角计算速度设定值；

其中，速度设定值的计算公式为u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；

u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；

Δu(k)为第k次采样时刻的速度设定值增量且Δu(k)＝K_p1Δe(k)+K_i1e(k)；

K_p1为第一比例系数；

K_i1为第一积分系数；

e(k)为当前时刻的太阳倾角和第k次采样时刻光伏电池板的角度的偏差值且e(k)＝A_ref-A(k)；

A_ref为当前时刻的太阳倾角；

A(k)为第k次采样时刻的光伏电池板的角度；

Δe(k)为当前时刻的太阳倾角和第k次采样时刻的光伏电池板的角度的偏差值的增量且Δe(k)＝e(k)-e(k-1)；

步骤B：根据速度设定值、光伏电池板的速度和整定比例系数生成控制电机转动的指令；

其中，生成控制电机转动的指令采用公式

v_k为第k次采样时刻的控制电机转动的指令；

K_p2为第k次采样时刻的整定比例系数；

K_i2为第二积分系数；

ee(k)为第k次采样时刻的速度设定值和光伏电池板的速度的偏差值且ee(k)＝u(k)-v(k)；

u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；

v(k)为第k次采样时刻的光伏电池板的速度；

步骤C：根据速度设定值和光伏电池板的速度计算整定比例系数；

其中，整定比例系数的计算公式为u₃(k)＝K_p3eee(k)；

u₃(k)为第k次采样时刻的整定比例系数；

K_p3为第二比例系数；

eee(k)为第k次采样时刻角度控制死区值和速度设定值的偏差值且eee(k)＝e_deadzone-ee(k)；

e_deadzone为角度控制死区值；

ee(k)为第k次采样时刻的速度设定值和光伏电池板的速度的偏差值且ee(k)＝u(k)-v(k)；

u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；

v(k)为第k次采样时刻的光伏电池板的速度。