基于DSP的高精度太阳能跟踪控制器设计与实现

【摘要】： 太阳能作为一种环保，绿色的新能源，目前全世界都在积极对太阳能的开发利用进行广泛的研究。在我国，以太阳能为主的新能源的开发利用已成为国家可持续发展战略的重要内容。通过理论分析，可以得到：自动跟踪式太阳能发电装置与定点式太阳能发电装置相比，可以使太阳能的接收率提高35%，可是目前太阳能利用的转换率仅为10％～20％。鉴于此，本文结合太阳能跟踪控制的基本原理，设计了一种基于DSP的高精度太阳能跟踪控制器。 在分析研究国内外太阳能跟踪控制系统基本原理的基础上，本文设计了一种新型的基于DSP的高精度太阳能跟踪控制器，其具有两个自由度，可以实现对太阳高度角和方位角的跟踪。该跟踪控制器采用DSP作为控制芯片，SPS0606作为光电池传感器，由步进电机作为执行机构控制太阳能板对太阳位置的跟踪，使太阳能跟踪装置始终正对着太阳位置。该跟踪控制器可以提高跟踪太阳的精度，还具有较强的抗干扰性和鲁棒性。 本文的主要工作如下： （1）设计太阳能跟踪控制器机械结构，该结构具有两个自由度，即水平方向转动自由度和竖直方向转动自由度。该机械结构的运动由两个步进电机来驱动，完成对太阳高度角和方向角的跟踪。 （2）设计太阳能跟踪控制系统硬件系统。硬件系统主要包括两个方面：检测电路系统，控制电路系统。检测电路系统主要完成四象限光电池传感器信号的滤波，放大，比较等，把采集的太阳能信号传递给控制电路。控制电路是完成整个系统的控制部分，其根据DSP计算的控制信号，控制步进电机实现对太阳高度角和方位角的控制。 （3）设计系统软件的算法。系统主要的算法包括太阳能跟踪控制器运动控制方程的实现和基于DSP的数字滤波器的实现。太阳能跟踪控制器运动控制方程依照太阳的运行规律来计算太阳的运行轨迹，即太阳视日运动轨迹。基于DSP的数字滤波器的设计是根据DSP芯片的特点，结合MALTAB仿真软件设计出针对采样信号的软件滤波器。 （4）完成太阳能跟踪控制系统的软件设计。以CCS3.3为设计平台，根据各软件功能模块来设计相应的软件。主要的功能模块为：主程序模块，太阳跟踪角度计算模块，信号采集模块，步进电机控制模块以及其它相关的功能模块的设计。经过实际测试和检验，本文设计的高精度太阳跟踪控制器系统具有结构简单、运行平稳、跟踪精度高、抗干扰性强等特点。 【关键词】：DSP跟踪 太阳高度角 太阳方向角 步进电机 四象限光电池
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP273;TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-12
• 插图目录12-14
• 表格目录14-15
• 第1章绪论15-22
• 1.1 引言15-19
• 1.1.1 太阳能利用的背景15-16
• 1.1.2 太阳能跟踪控制器的发展状况16-19
• 1.2 研究的目的和意义19-20
• 1.3 本文主要研究内容20-21
• 1.3.1 机械结构部分20
• 1.3.2 硬件控制系统设计20
• 1.3.2.1 四象限传感器检测系统20
• 1.3.2.2 基于DSP 的控制系统20
• 1.3.3 软件控制系统设计20-21
• 1.4 本文结构21-22
• 第2章 太阳能跟踪控制器机械结构22-27
• 2.1 概述22
• 2.2 太阳能跟踪控制器机械结构22-26
• 2.2.1 水平旋转自由度方向结构23-24
• 2.2.2 竖直旋转自由度方向结构24-25
• 2.2.3 传感器装置25-26
• 2.3 太阳能跟踪控制器机械结构的工作原理26-27
• 第3章 系统硬件设计27-40
• 3.1 概述27
• 3.2 检测系统电路设计27-32
• 3.2.1 四象限传感器27-29
• 3.2.1.1 光电池传感器的选型27-28
• 3.2.1.2 四象限传感器的布局28-29
• 3.2.2 检测电路设计29-32
• 3.2.2.1 信号放大电路29-30
• 3.2.2.2 精密有源绝对值电路30
• 3.2.2.3 比较电路30-31
• 3.2.2.4 有源滤波电路31-32
• 3.3 控制系统电路设计32-37
• 3.3.1 DSP 的选型32-33
• 3.3.2 电源管理33-36
• 3.3.3 时钟电路36-37
• 3.4 步进电机控制37-40
• 3.4.1 步进电机37-38
• 3.4.2 步进电机驱动器38-40
• 第4章 太阳能跟踪控制器算法设计40-56
• 4.1 概述40
• 4.2 太阳能跟踪运动控制40-43
• 4.3 数字滤波器设计43-53
• 4.3.1 数字滤波器的特点43-44
• 4.3.2 IIR 数字滤波器原理44-46
• 4.3.2.1 IIR 数字滤波器基本原理44-45
• 4.3.2.2 IIR 数字滤波器的稳定性45-46
• 4.3.3 IIR 数字滤波器设计46-50
• 4.3.3.1 模拟原型滤波器设计47-49
• 4.3.3.2 S 平面到Z 平面的映射49-50
• 4.3.4 MATLAB 仿真设计数字滤波器50-53
• 4.4 Q 格式53-56
• 第5章 系统软件设计56-75
• 5.1 概述56
• 5.2 DSP 系统开发嵌入式平台56-64
• 5.2.1 CCS 平台56
• 5.2.2 目标文件格式56-57
• 5.2.3 软件开发准备工作57-59
• 5.2.4 集成开发环境下的系统实现59-64
• 5.3 高精度太阳能跟踪控制软件设计64-67
• 5.3.1 控制系统框图64-65
• 5.3.2 系统流程图65-67
• 5.4 时钟芯片ISL1208 软件设计67-72
• 5.4.1 时钟芯片67
• 5.4.2 时钟芯片实现的I2C 协议67-70
• 5.4.2.12C 接口协议67-69
• 5.4.2.2 器件寻址69
• 5.4.2.3 写操作69-70
• 5.4.2.4 读操作70
• 5.4.3 程序流程70-72
• 5.5 数字滤波器软件实现72-75
• 第6章 实验与分析75-82
• 6.1 概述75
• 6.2 太阳能跟踪控制器实验与分析75-82
• 6.2.1 太阳能跟踪控制器75-77
• 6.2.2 调试试验结果77-82
• 6.2.2.1 单点跟踪测试结果78-79
• 6.2.2.2 连续跟踪测试结果79-82
• 第7章 总结与展望82-84
• 参考文献84-87
• 在读期间发表论文与科研情况87-88
• 致谢88

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