CN1838014A - 用简单编码器提高普通直流电机驱动精度和可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用简单的编码器提高直流电机驱动精度和可靠性的方法，这种方法旨在于使用低成本的元件显著的提高带动减速箱的普通直流电机的驱动精度和可靠性，实现类似伺服电机的控制能力，进而大幅度降低了高精度单轴或双轴太阳跟踪装置的制造成本，提高太阳跟踪器和在光伏发电，光热发电方面的竞争力。这种方法包括了使用简单的编码器，把它安装在太阳跟踪装置里的减速箱的其中一个减速级输入端的旋转轴上，编码器输出讯号至驱动电机的控制器，控制器计算轴转动的角度和圈数，用微控制器或CPU计算出启动或停止电机的时间，以高精度的时间控制代替其他伺服电机的电压控制，最终实现提高驱动系统的驱动精度和可靠性的目的。

Description

用简单编码器提高普通直流电机驱动精度和可靠性的方法

                                  技术领域

本发明涉及太阳跟踪装置的直流电机驱动和控制。其应用包括小型独立及大型联网光伏发电，太阳能热发电和太阳灶方面。

                                  背景技术

在高效率的，主要是聚光型太阳能采集应用中，例如太阳能光伏发电，太阳能热发电，太阳能聚光高温炉，采用单轴，准单轴或双轴的跟踪装置是需要的。德国的ZSW(29次IEEE光伏专家会议，2002年5月)作了长年比较实验和测量，其结论指出：一个带跟踪的平板式光伏电池一年的发电量要比不带跟踪同样的平板式光伏电池(电池板法线朝南，与地平线构成的角度为当地的纬度)多出25％-30％。然而，传统的高精度的太阳跟踪装置多采用光编码器，伺服电机或步进电机和带有电脑的控制系统，成本高。在高科技应用比如太阳炉方面，这种成本是可以接受的。然而，在光伏发电方面，成本核算非常苛刻，因此建造商都大幅度增加每个跟踪单元所带动的采光面积，例如澳大利亚公司Solar Systems Pty的SS20光伏发电跟踪单元的采光面积是130m²，美国公司Amonix Corp的25KW光伏发电跟踪单元的采光面积是182m²，资料参考David Faiman的报告《大面积聚光器》(2^nd Workshop on″The path toultra-high efficient photovoltaics″，JRC Ispra，Italy 2002年10月3-4日)，以降低跟踪装置的成本比重。然而制造庞大的采光面积是需要更高的制造工艺和更大的设备，同时在机械结构设计上也更复杂，比如要慎重考虑抗风能力和重力变形方面。故此，中等采光面积，低成本跟踪装置和使用多个独立单元是太阳能发电工业里很有前景的发展方向。

问题的关键在于电机和控制器的选用；如果使用普通的直流电机来作太阳跟踪器的主驱动，用简单便宜的编码器代替昂贵的高精度光编码器，用简易的单板计算机或微控器取代电脑，制造成本则可大幅度降低。此方案存在一个技术难题，既普通直流电机的转动速度并非是固定的，其速度是输入电压及机械负载的函数。由于这是直流电机的特性，因此普遍上普通低价的直流电机都不在定位驱动方面(例如太阳跟踪)使用。

                                  发明内容

本发明提出一种方法来克服这个在以上背景技术中所叙述的技术难点，使低价的普遍直流电机适合于在太阳跟踪器的驱动上使用，并能够使该跟踪器实现高精度和高可靠性的驱动。

本发明通过下述的技术方案实现：本发明适合用于慢速驱动，特别是太阳能跟踪的驱动。把直流电机安装在驱动装置的减速箱的输入端，在减速箱内的其中一根旋转轴上安装一个经济简单的编码器。一旦该轴旋转到某个或某几个已知的位置或点上时，该编码器就会被激发，输出电讯号。编码器的输出端通过电线连接到驱动控制器上。驱动控制器处理编码器的信号，并实时作出启动或停止直流电机的决定。技术方案如图1所示。

图1所示的方法，提供了可以让直流电机在特定的位置上停顿的能力，直流电机的驱动可靠性大大提高了；由于编码器不安装在驱动装置的输出端，而是安装在减速器的其中一个减速级，低分辨率的编码器已经足够提供驱动控制器实现高精度驱动的控制能力。在此情况，该控制器所能保证的，可靠的，减速器输出端的最小的定位转角是Dr，其计算法如下：

假设图1中编码器4每圈能分辨出N个位置，既有N个激发点，那么图1中转轴甲的最小的，控制器2可以保证的转动角度是Δθ，由以下公式给出：

图1中的第二级减速5的减速倍数是G₂，第三级减速6的减速倍数是G₃，减速器的输出端15的转角ρ的最小的，控制器2可以保证的转动角度是Δρ，由以下公式给出：

编码器信号11的发生次数和该转轴甲13的位置的关系是：每发出两次的信号代表了转轴甲13转了一个Δθ，输出端15转了一个Δρ。

编码器4可以按应用的需要和合适性安装在其它部位如转轴乙14或输入端12等。如果使用其他级数的减速箱也可以此类推。本方案适合用于慢速的直流电机或带有微型减速箱的直流电机。如果直流电机速度太快而影响该电机的停走控制，则可把编码器安装在更后面的减速级的轴上。

驱动器的最小的驱动角度为Δρ，驱动精度取决于减速箱的减速倍数，如公式(2)说明。由于太阳跟踪器多采用高减速比的减速箱，故此方法可以使因为驱动精度不准确而不适合用于驱动太阳跟踪器的普通直流电机，达到了跟踪太阳所需的精度。举例：假设使用非常简单且便宜的编码器，分辨率为每圈4个点，既N＝4；减速箱有两个减速级，总减速倍数为54×54＝2916，编码器安装在第一减速级的输入端，从公式(2)，可求得最小的驱动角度为Δρ＝0.03°，精度大大足够用于太阳跟踪器了。

本发明只用了简单的编码器，逻辑线路和微控器；相对于传统的跟踪装置，比如使用高精度光编码器，伺服电机或步进电机和电脑，成本是显著的降低了。本发明提出的技术方案，就整体功能而言就是用简单便宜的元件把直流电机改进成一个高精度的步进电机，不同的是该直流电机不会出现丢步现象。

                                附图说明

图1是实行本方法发明的技术方案示意图

图中：直流电机1  控制器2  第一级减速3  编码器4  第二级减速5  第三级减速6机械负载7  减速器8  θ9  ρ10编码器信号11  输入端12  转轴甲13  转轴乙14  输出端15

图2是控制器功能示意图

图中：计数器16  PIC/CPU/微控器17  电机驱动线路18  输出到直流机19编码器信号11  控制器2

图3是PIC/CPU/微控器17的基本驱动程序流动图

                              具体实施方案

下面结合图1，图2，图3对用简单编码器提高普通直流电机驱动精度和可靠性的方法作进一步描述：

图1中的直流电机1的电源线或控制线接到控制器2，由控制器2决定直流电机1的启动或停止。直流电机1的输出轴连接到减速器8的输入端12。减速器的输出端15连接到机械负载7。图一中的减速器8是一个有三个减速级的减速器。编码器4安装在连接第一级减速3和第二级减速5的转轴13上。转轴13的旋转角度是θ，输出端的旋转角度是ρ。编码器4的输出信号11，则通过电线或数据线连接到控制器2上。

图2中的控制器2上置有计数器16，用以纪录编码器4发出的信号的次数。在控制器2上安置了一个PIC/CPU/微控器17，功能是按程序读取计数器15所记录的实时数据和通过电机驱动线路17控制直流电机1的启动和停止。PIC/CPU/微控器17也负责起始化计数器16。

基本的控制程序如图3所示。进入程序后，PIC/CPU/微控器17启动计数器16，然后等待需要执行驱动的时刻。在有驱动需要时，PIC/CPU/微控器17首先计算出驱动的角度ρ，接着把ρ转换成相对的编码器信号发生次数x，x由以下公式求出：

$x=\mathrm{int}\left[\frac{\mathrm{\ρM}}{\mathrm{\Δ\θ}}\right]+1---\left(3\right)$

接着PIC/CPU/微控器17便启动电机转动，重复输入计数器16实时纪录的编码器信号的发生次数A，然后以它对比x，一直到当A≥x时即令电机停止，重新启动计数器16。接着PIC/CPU/微控器17等待下一次需要执行驱动的时刻。时间的信号是由石英振荡器产生，达到了一般石英手表的精确度，从而满足了精确跟踪太阳的目的。

Claims (5)

1.一种用简单的编码器来提高直流电机驱动精度和可靠性的方法，用于近速跟踪特别是太阳跟踪器，其方法是在使用直流电动机的太阳跟踪器的驱动装置里安装编码器，编码器的输出端连接到一个控制直流电机转动的控制器上，控制器的逻辑系统根据该编码器输出的讯号判断并发出使该电机转动或停止的指令，从而达到了提高直流电机驱动精度和可靠性的目的。

2.根据权利要求1所述的提高直流电机驱动精度和可靠性的方法，其特征在于，所使用的编码器是安装在驱动装置里的减速箱内的其中一个减速级的转轴上，减速箱的输出轴除外。

3.根据权利要求2所述的安装机械编码器的减速级转轴，其特征在于，在为了达到该驱动装置的最高驱动精度潜能，该减速级的转轴必须是从减速箱输入端数起的第一减速级或第二减速级的输入端的转轴。

4.根据权利要求1所述的控制器，它包括了CPU或PIC或微控器，其特征在于，该CPU或PIC或微控器应用通过计数器或直接纪录权利要求1所述的编码器所发出的讯号的发生次数，用于制定权利要求1所述的电机应该转动或者停止。

5.根据权利要求4所述的编码器所发出的讯号的发生次数的应用，其特征在于在没有改变驱动方向的条件下，每两个讯号的发生代表了根据权利要求2所述的安装机械编码器的减速级转轴已经旋转了一个该编码器所能分辨得最小的转角度。

Images