高精度太阳能跟踪控制器设计与实现_关继文

and azimuth control the range of the pitch and horizontal angle of the solar tracker .Sensor measurement and control is a sophisticated four-
quadrant sensor detection circuit to achieve in the software algorithm discussed above ,accurate tracking of the sun the strongest signal,
高太阳光能的利用率。
关 键 词：太阳能跟踪器；四象限传感器；高度角；方位角；算法
Abstract: Due to the existing solar tracking controller having defect of poor anti-interference and large tracking error ,this paper
（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。
太阳赤纬角 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± ２ ３ 。２ ７ １ 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：
式中：ＤＡＹ 为从１ 月１ 日起，到该天的天数，例如２ 月２２ 日，ＤＡＹ＝３１＋２２＝５３。
太阳时角 ：当地太阳时。地球一天２４ 小时自转３６０。， 每个小时的自转角为１ ５ 。。当地正午时的时角０ 。，上午为 负，下午为正。例如，上午１０ 时， ＝－３０。，下午３ 时， ＝３０。。
太阳高度角的计算公式：
高精度太阳能跟踪控制器设计与实现 关继文，等
３．２．２ 信号放大处理电路 信号放大处理电路主要由信号放大电路，绝对值电
路，比较电路，滤波电路等组成。 由于滤波和比较电路相对简单，本文主要介绍信号
放大电路和绝对值电路的设计。 信号放大电路（如图３ 所示）： 由于光电池传感器出来
定点数Xq 转换为浮点数 Xf 时，
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Ｔ Ｉ 公司提供的Ｉ Ｑ ｍ ａ ｔ ｈ 函数库，需要：
的信号比较小，放大电路采用差动放大，其双端输入 － 单 端输出，具有共模抑制比高的特点。其中Ｒ １ ＝ Ｒ ３ ，Ｒ ４ ＝ Ｒ ５ ， Ｒ ６ ＝ Ｒ ７；可计算出放大的倍数：
式中， 为太阳高度角， 为当地的地理纬度， 为太 阳赤纬角， 为太阳时角。
太阳高度角 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。
and greater utilization of solar energy.
Key words: Solar tracker ; Four-quadrant sensor ; Altitude ; Azimuth ; Algorithm
中图分类号：T P 2 7 3 . 5
文献标识码：B
文章编号：1 0 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 0 1 0 ) 0 3 - 0 0 2 3 - 0 3
图２ 四象限传感器布局
２４
图４ 精密有源绝对值电路
３ ． ３ 提高算法计算速度和精度分析 由于太阳高度角和方位角的实时计算需要耗费大量
《自动化与仪器仪表》２０１０ 年第 ３ 期（总第 １４９ 期）
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Ｄ Ｓ Ｐ Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｃ ２ ８ Ｘ 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［ ６ ］ 。
ＩＱｍａｔｈ
：ｌｏａｄ＝ＲＡＭＨ０，ＰＡＧＥ＝０
｝
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
Ｉ Ｑ １ ５ 两种格式进行计算。以下为 Ｃ 语言描述：
ｆｌｏａｔ ｆ，ＩＱ２４＿ｆ，ＩＱ１５＿ｆ；
ｆ＝ｓｉｎ（２０＊ＰＩ／１８０） ｃｏｓ（２０＊ＰＩ／１８０）； ＩＱ２４＿ｆ＝＿ＩＱ２４ｔｏＦ（＿ＩＱ２４ｍｐｙ（＿ＩＱ２４ｓｉｎ（＿ＩＱ２４（２０＊ＰＩ／ １８０）），＿ＩＱ２４ｃｏｓ（＿ＩＱ２４（２０＊ＰＩ／１８０））））； ＩＱ１５＿ｆ＝＿ＩＱ１５ｔｏＦ（＿ＩＱ１５ｍｐｙ（＿ＩＱ１５ｓｉｎ（＿ＩＱ１５（２０＊ＰＩ／ １８０）），＿ＩＱ１５ｃｏｓ（＿ＩＱ１５（２０＊ＰＩ／１８０））））； 通过在 ＣＣＳ３．３ 上进行仿真运行：浮点运算约为 ４７０９ 个时 钟周期，２ ４ 位定标运算约为１ ２ ６ 个时钟周期，１ ６ 位定标运 算约为１ ２ ７ 个时钟周期。采用定标比浮点运算快了约３ ７ ． ４ 倍，定标运算时钟周期是相等的。计算得到 ｆ ＝ ０ ． ３ ２ １ ３ ９ ３ ８ ， 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Ｉ Ｑ ｍ ａ ｔ ｈ 函数库可 以使计算的速度提高８ ～４ ０ 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。 ３．４ 电机控制实现 太 阳 能 跟 踪 控 制 器 采 用 步 进 电 机 作 为 驱 动 机 构 。步 进电机是一种将电脉冲信号转变成相应的角位移或直线 位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲信号时，便转 过一个固定角度。与其它类型电机相比具有容易开环精确 控制，无积累误差等优点。太阳能跟踪控制器有两个自由 度，两个步进电机分别控制着太阳能电池板在水平和垂直 的两个自由度上转动。太阳能跟踪控制器依靠水平方向的 转动实现太阳方位角的跟踪，垂直方向的转动实现太阳高 度角的跟踪。
摘 要：针对目前采用传感器检测实现的太阳能跟踪控制器抗干扰性差，跟踪误差大的缺点，介绍了采用软
件算法和传感器检测控制结合的高精度太阳能跟踪控制器设计与实现的方法。软件算法是根据天体的运行规律来
计算太阳的高度角和方位角，控制太阳能跟踪器的水平角和俯仰角的范围。传感器检测控制是由精密的四象限传
感器检测电路来实现，在软件算法计算的水平角和俯仰角移动的范围内搜索，精确的跟踪太阳光信号的最强点，提
ＩＱｍａｔｈ ＣＭＤ 可以如下写：
ＭＥＭＯＲＹ
｛
ＰＡＧＥ ０：
ＢＯＯＴＲＯＭ（ＲＷ）：ｏｒｉｇｉｎ＝０ｘ３ｆｆ０００，ｌｅｎｇｔｈ＝０ｘ０００ｆｃ０
ＲＡＭＨ０（ＲＷ） ：ｏｒｉｇｉｎ＝０ｘ３ｆ８０００，ｌｅｎｇｔｈ＝０ｘ００２０００
｝
ＳＥＣＴＩＯＮＳ
｛
ＩＱｍａｔｈＴａｂｌｅｓ ：ｌｏａｄ＝ＢＯＯＴＲＯＭ，ｔｙｐｅ＝ＮＯＬＯＡＤ，ＰＡＧＥ＝０
Ｉ Ｑ ｍ ａ ｔ ｈ 函数库采用Ｑ 格式来表示数的定标。为了方便 解释，以１ ６ 位的Ｄ Ｓ Ｐ 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 Ｑ ０；当把小数点定位于第１ ５ 位的右侧时，为 Ｑ １ ５ 。如图 ５ 所示。
图５ Ｑ０和Ｑ１５的图示
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，
精密有源绝对值电路（如图４ 所示）： 这是一种经过改 进的绝对值电路，失真比较低，适合小信号处理。其工作 原理是：输入Ｖ３＞０ 时，运放Ｕ３５／１－１Ａ 的输入小于０，Ｕ３５／１－ １Ｂ 的输出大于０ ，二极管Ｄ ２ 导通，Ｄ １ 两端加上了方向电压 而被强制关段，Ｕ３５／１－１Ｂ 即是电压跟随器，则Ｖ４＝Ｖ３。当Ｖ３ ＜０ 时，Ｕ３５／１－１Ａ 的输出大于０，Ｕ３５／１－１Ｂ 的输出小于０，二 极管Ｄ１ 导通，Ｄ２ 两端加上了反向电压而被关断，Ｕ３５／１－１Ａ 作为反向电路，使得 Ｖ ４ ＝ － Ｖ ３ ，所以 Ｖ ４ ＝ ｜ Ｖ ３
其中： ， ， 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［ ３ ］ 。 ３ ． ２ 四象限传感器检测电路设计 四象限传感器检测有两部分组成：四象限传感器，信 号放大处理电路。 ３．２．１ 四象限传感器 四个光电池传感器分别放置在采集板的上下左右四 个不同位置，接收来自不同角度的入射光，如图 ２ 所示。当 上下两个光电池传感器接受到的光强度差值小于某个极 小量时，控制器不发出让电机动作的命令，当两个信号强 度超过一定的范围时，可以控制电机转动，电机的转动速 度也可由光强的差值大小来确定，从而使采光面板在竖直 方向上正对着太阳光。左右两个光电池传感器用来控制另 一个电机，使采光板在水平方向上正对着太阳光。从而实 现了由太阳光控制电机的目的。通过两个电机的控制，可 以让采光面板始终正对着太阳，实现最大化利用光能［ ４ ］ 。
《自动化与仪器仪表》２０１０ 年第 ３ 期（总第 １４９ 期）
高精度太阳能跟踪控制器设计与实现
关继文１ ，２ ，３ ，孔令成１ ，３ ，张志华１ ，３ （１ 中国科学院合肥智能机械研究所 安徽合肥，２３００３１ ）
（２ 中国科学技术大学自动化系 安徽合肥，２３００２７） （３ 常州机械电子工程研究所 江苏常州，２１３１６４）
太阳能跟踪控制系统框图如图 １ 所示。软件算法控制 主要通过读取当前时间，由Ｄ Ｓ Ｐ 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。