HarbinInstituteofTechnology課程名稱：自動控制元件院系：航天學院控制科學與工程系班級：設(shè)計者：指導教師：設(shè)計時間： 20年12月摘要能源是人類生存的基礎(chǔ)，當前，人類正面臨著石油和煤炭等礦物燃料枯竭的嚴重威脅，而太陽能作為一種新型能源具有儲量無限、普遍存在、利用清潔、使用經(jīng)濟等優(yōu)點，同時太陽能也存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點，這就使當前的一系列太陽能設(shè)備對太陽能的利用率不高。而太陽光線自動跟蹤裝置能有效地解決太陽能利用率不高的問題。本文對太陽能跟蹤系統(tǒng)進行了自動跟蹤系統(tǒng)控制部分設(shè)計和機械設(shè)計。第一，控制部分設(shè)計：主要包括傳感器部分、信號轉(zhuǎn)換電路、單片機系統(tǒng)和電機驅(qū)動電路等。系統(tǒng)采用光電檢測追蹤模式實現(xiàn)對太陽的跟蹤。傳感器采用光敏電阻，將九個完全相同的光敏電阻成九宮裝放置于一塊電池板上。當九個光敏電阻接收到的光強度不相同時，產(chǎn)生電流信號。電流通過信號轉(zhuǎn)換電路生成脈沖信號，然后脈沖信號通過運放比較電路將信號送給單片機。通過給單片機錄入程序使單片機驅(qū)動步進電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電池板對太陽的跟蹤。第二，機械部分設(shè)計：機械結(jié)構(gòu)主要包括底座、主軸、齒輪和齒圈等。通過以上原件實現(xiàn)了水平方向和垂直方向的跟蹤。當太陽光線發(fā)生偏離時，控制部分發(fā)出控制信號驅(qū)動步進電機1帶動小齒輪1轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水平方向跟蹤。同時控制信號驅(qū)動步進電機2帶動小齒輪2，小齒輪2帶動齒圈和太陽能板實現(xiàn)垂直方向轉(zhuǎn)動。關(guān)鍵詞太陽能；跟蹤；光敏電阻；單片機；步進電機1緒論 51.1課題來源 51.2課題背景 51.2.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展 51.3課題研究的目的 61.4研究課題的意義 61.5太陽能利用的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 71.6太陽追蹤系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 71.7論文的研究內(nèi)容 82太陽能自動跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計 92.1太陽運行的規(guī)律 92.2跟蹤方案的比較選擇 92.2.1視日運動軌跡跟蹤 92.2.2光電跟蹤 112.2.3系統(tǒng)跟蹤方式的選擇 123機械設(shè)計部分 123.1跟蹤器機械執(zhí)行部分比較選擇 123.1.1立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器 133.1.2陀螺儀式跟蹤器 143.1.3齒圈轉(zhuǎn)動式跟蹤器 143.2太陽能自動跟蹤系統(tǒng)機械設(shè)計方案 163.3第一齒輪轉(zhuǎn)動計算 173.4第二齒輪轉(zhuǎn)動計算 183.5抗風性分析 184電機選擇 194.1電機所需靜力矩計算 194.1.1電機1靜力矩 194.1.2電機2靜轉(zhuǎn)矩 204.2電機選擇 214.2.1電機的主要種類及其相應(yīng)特性及特點 214.2.2電機種類的選擇 244.3步進電動機介紹 264.3.1總述 264.3.2步進電機的主要特性 274.3.3步進電機型號的選擇 295傳感器的選擇 375.1光電傳感器 375.1.1光電探測器 375.1.2典型光敏電阻傳感器 395.1.3高精度光敏傳感器 415.1.4日晷式太陽傳感器 435.1.5五象限光電傳感器 435.1.6太陽敏感器 455.2光電傳感器的確定 465.3風速傳感器 476自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 486.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 486.2系統(tǒng)流程圖 496.2.1系統(tǒng)主流程圖 496.2.2風速測試子流程圖 496.2.3光照強度測試子流程圖 506.3系統(tǒng)控制圖 516.4外圍電路 517相關(guān)理論性能指標分析與計算： 537.1分辨率 537.2發(fā)電效率 537.3系統(tǒng)運轉(zhuǎn)角度 547.4電機負載啟動頻率 547.5成本分析及收益計算 558結(jié)論 558.1設(shè)計過程的概述 558.2展望 568.3感想及心得 561緒論1.1課題來源模擬生產(chǎn)實際課題:太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計。1.2課題背景 1.2.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展目前，人類生存主要依靠的能源是以石油、煤炭、天然氣為主的礦物燃料。眾所周知，這類礦物能源是不可再生能源，包括我國在內(nèi)的很多國家都在認真積極的探索新能源以及可再生能源的開發(fā)和利用。而在眾多新型能源中，太陽能作為一種清潔、可再生、利用成本低、安全的新型能源，在眾多新能源中脫穎而出。而就現(xiàn)階段的應(yīng)用來看，太陽能也是當之無愧的最有新型能源。1.2.2我國太陽能資源我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源。全國2/3地區(qū)日照小時數(shù)大于2200h/a，理論儲量折合標準煤達17×1011t/a。豐富區(qū)位于吐哈、柴達木、二連、銀額盆地；較豐富區(qū)位于塔里木、準噶爾、鄂爾多斯、松遼及渤海灣盆地。目前利用太陽光光能發(fā)電已成為主流，中國也在加緊研發(fā)光伏電池和如何降低成本等問題。1.2.3目前太陽能的開發(fā)和利用人類直接利用太陽能有三大技術(shù)領(lǐng)域，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學轉(zhuǎn)換，此外，還有儲能技術(shù)。太陽光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品很多，如熱水器、開水器、干燥器、采暖和制冷，溫室與太陽房，太陽灶和高溫爐，海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽能醫(yī)療器具。太陽能的光電轉(zhuǎn)換方面，現(xiàn)階段的太陽能電池板對太陽能的轉(zhuǎn)換率普遍達到了15%。太陽能的光化學轉(zhuǎn)換主要應(yīng)用與誰的分解，其主要包括三個途徑，即化學光電池，光助絡(luò)合催化，半導體催化。1.2.4太陽能的特點太陽能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有以下優(yōu)點：第一，太陽能是人類可以利用的最豐富的能源，據(jù)估計，在過去漫長的11億年中，太陽消耗了它本身能量的2%，可以說是取之不盡，用之不竭。

第二，太陽能的應(yīng)用范圍廣，地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發(fā)利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發(fā)達的農(nóng)村、海島和邊遠地區(qū)更具有利用的價值。

第三，太陽能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時，不會產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態(tài)平衡。第四，太陽能是一種廉價且安全的能源，太陽都能的開發(fā)條件低，而且應(yīng)用起來比較安全。

太陽能的利用有它的缺點：

第一，能流密度較低，日照較好的，地面上1平方米的面積所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相當大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。

第二，大氣影響較大，給使用帶來不少困難。第三，太陽能電池板的利用效率很低，這是由于現(xiàn)階段的技術(shù)水平?jīng)Q定，隨著科技的發(fā)展這個缺點會逐步解決。1.3課題研究的目的本課題靈感來源于向日葵，主要目的是研究出一種基于光電傳感器的太陽光線自動跟蹤裝置，該裝置能自動跟蹤太陽光線的運動，保證太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽光線垂直，提高設(shè)備對太陽能的利用率。1.4研究課題的意義解決了當下大部分太陽能發(fā)電裝置對太陽能應(yīng)用率不高的問題，解決了空間分布不斷變化的缺點。為太陽能的利用提出了更有效的方式方法，對于應(yīng)對能源危機提供了一定的幫助。1.5太陽能利用的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀日本是世界上太陽能開發(fā)利用第一大國，也是太陽能應(yīng)用技術(shù)強國。日本太陽熱能的利用，從1979年第二次石油危機后開始，1990年進入普及高峰。從2000年起，日本太陽能發(fā)電量一直居世界首位，2003年太陽能發(fā)電裝機容量約為86萬千瓦，占世界太陽能發(fā)電裝機容量的49.1%，并計劃到2010年達到482萬千瓦，增加約6倍。德國對太陽能資源的利用可追溯到20世紀70年代，1990年德國政府推出了“一千屋頂計劃”，至1997年已完成近萬套屋頂系統(tǒng)，每套容量1～5千瓦，累計安裝量已達3.3萬千瓦。截至2005年年底，德國共有670萬平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽能集熱器，每年可生產(chǎn)4700兆瓦的熱量。已用4%的德國家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽能，估計每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。目前，美國太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產(chǎn)體系。2005年，美國光伏發(fā)電總?cè)萘窟_到100萬千瓦，排在日本和德國之后，居世界第3位。意大利1998年開始實行“全國太陽能屋頂計劃”，將于2002年完成，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_5萬千瓦。印度也于1997年12月宣布，將在2002年前推廣150萬套太陽能屋頂系統(tǒng)。法國已經(jīng)批準了代號為“太陽神2006”的太陽能利用計劃，按照該計劃，到2006年，法國每年安裝太陽能熱水器的用戶達2萬家。我國由建設(shè)部制定的《建筑節(jié)能“九五”計劃和2010年規(guī)則》中已將太陽能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項目。目前我國太陽能熱水器的推廣普及十分迅速，1997年銷售面積近300萬平方米，數(shù)量居世界首位。在2000年和2020年的太陽能光電總?cè)萘繉⒎謩e達到6.6萬千瓦和30萬千瓦。在聯(lián)網(wǎng)陽光電站建設(shè)方面，計劃2020年前建成5座MW級陽光電站。由國家投資1700萬元修建的西藏第三座太陽能電站——安多光伏電站，總裝機容量100千瓦，于1998年12月建成發(fā)電。這也是世界海拔最高、中國裝機容量最大的太陽能電站?？傊?，大力發(fā)展太陽能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護環(huán)境的重要途徑。另外，據(jù)對世界一次能源替代趨勢的研究結(jié)果表明，到2050年后，核能將占第一位，太陽能占第二位，21世紀末，太陽能將取代核能占第一位，多以很多國家對太陽能的利用加強了重視。太陽能也必然會成為利用最廣泛的能源。1.6太陽追蹤系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在太陽能跟蹤方面，我國在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的透鏡，使效率進一步提高。2002年2月美國亞利桑那大學推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，太陽追蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)追蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據(jù)視日運動軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。1.7論文的研究內(nèi)容本文所介紹的太陽跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括:(l)分析太陽運行規(guī)律，比較國內(nèi)外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略。(2)機械部分也是實現(xiàn)追蹤目的的關(guān)鍵，主要是機械設(shè)計和計算，裝配圖及其零件圖。(3)分析傳感器工作原理，分析該傳感器大范圍、高精度跟蹤的可行性，還要設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路。(4)選取控制芯片，分析系統(tǒng)的硬件需求，設(shè)計控制系統(tǒng)。(5)設(shè)計控制方案，步進電動機以及驅(qū)動電路。2太陽能自動跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計2.1太陽運行的規(guī)律由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)導致了太陽位置相對于地面靜止物體的運動。這種變化是周期性和可以預測的。地球極軸和黃道天球極軸存在的一個27度的夾角，引起了太陽赤緯角在一年中的變化。冬至時這個角為23度27分，然后逐漸增大，到春分時變?yōu)?并繼續(xù)增大，夏至時赤緯角最大為23度27分，并開始減??；到秋分時赤緯角又變?yōu)?，并繼續(xù)減小，直到冬至，另一個變化周期開始。2.2跟蹤方案的比較選擇目前國內(nèi)外采用的跟蹤太陽的方法有很多，但不外乎三種方式:(1)視日運動軌跡跟蹤；(2)光電跟蹤；(3)視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。下面就這三種跟蹤方案做一個簡要的介紹和比較。2.2.1視日運動軌跡跟蹤不論是采用極軸坐標系統(tǒng)還是地平坐標系統(tǒng)，太陽運行的位置變化都是可以預測的，通過數(shù)學上對太陽軌跡的預測可完成對日跟蹤。太陽跟蹤裝置采用地平坐標系較為直觀方便，操作性強，但也存在軌跡坐標計算沒有具體公式可用的問題。而在赤道坐標系中赤緯角和時角在日地相對運動中任何時刻的具體值卻嚴格已知，同時赤道坐標系和地平坐標系都與地球運動密切相關(guān)，于是通過天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽和觀測者位置之間的關(guān)系。根據(jù)太陽軌跡算法的分析，太陽軌跡位置由觀測點的地理位置和標準時間來確定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性。在設(shè)定跟蹤地點和基準零點后，控制系統(tǒng)會按照太陽的地平坐標公式自動運算太陽的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動信號，實現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準零點。 參考目前世界通用的算法，涉及到赤緯角和時角的大致有二種算法:算法l，采用中國國家氣象局氣象輻射觀測方法；算法2，采用世界氣象組織氣象和觀測方法。由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復雜，計算量的增大會增加控制系統(tǒng)的成本。而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值做比較，因而為了達到高精度跟蹤的要求，不僅對機械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切。工程生產(chǎn)中必須要求機械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高。初始化安裝時，儀器的中心南北線與觀測點的地理南北線要求重合。同時，還要通過儀器底部的水平準直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點處于地面水平面內(nèi)。太陽在天球上的位置可由太陽高度角α和太陽方位角γ確定。太陽高度角α又稱為太陽高度或太陽俯仰角，是指太陽光線與地表水平面之間的夾角()，可由下式計算得出:式中:各角度單位均為度(°)。其中，ν為當?shù)鼐暥冉牵沪臑樘柍嗑暯?，春分和秋分時δ=0°，夏至時δ=23.5°，冬至時δ=-23.5°；ω為時角，是用角度表示的時間；n為1年中的日期序號，從1月1日開始，n=1，每往后加一天，即n=n+1。太陽方位角γ是指太陽光線在水平面上的投影和當?shù)刈游缇€的夾角，即: 式(1)~(3)中的赤緯角δ和時角ω的計算需要通過時間確定。由于太陽在一年中的時角運動很復雜，日常生活中的鐘表時間采用平均太陽時(簡稱平太陽時，)，即太陽沿著周年運動的平均速率。真太陽時(即太陽時，)與平太陽時之差即稱為時差，在工程計算中就會存在時差問題。因此，必須采用真太陽時，以達到實際計算中的精度要求。為了得到準確的真太陽時，可以根據(jù)定時標準來校正時差值，我國區(qū)域的時差e確定如下:式中:longitude為光伏發(fā)電地點的地理經(jīng)度，中國地區(qū)的北京標準時間的經(jīng)度為120°；t為北京時間。因為地球每24h自轉(zhuǎn)1圈，所以每15°為1h；且正午時，時角ω=0°，上午時ω>0°，下午時ω<0°，則ω可由下式計算得到，即:ω=15(12-) (7)當太陽在正南方向時，式(3)中的方位角γ=0°；正南以西時，γ>0°；正南以東時，γ<0°。為有效跟蹤太陽的位置，除了要計算出太陽的實時位置外，還需要知道具體某天的日出時角ω1和日落時角ω2。由于日出日落時，太陽高度角α=0°，因此，由式(1)可計算出:ω=arcos(-tanνtanδ) (8) 且根據(jù)時角ω(上午時ω>0°，下午時ω<0°)，得到日出時角的表達式為： ω1=arcos(-tanνtanδ) (9) ω2=arcos(-tanνtanδ) (10)計算出日出時角和日落時角后，由式(7)可得出日出時間和日落時間，即: 2.2.2光電跟蹤傳統(tǒng)的光電跟蹤是采用一級傳感器跟蹤方式，這種跟蹤系統(tǒng)，原則上由三大部件組成:位置檢測器、控制組件、跟蹤頭。其跟蹤系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。位置檢測器主要由性能經(jīng)過挑選的光敏傳感器組成，如四象限光電池、光敏電阻等?？刂平M件主要接受從位置檢測器來的微弱信號，經(jīng)放大后送到跟蹤頭，跟蹤頭實為跟蹤裝置的執(zhí)行元件。圖2-5跟蹤系統(tǒng)框圖2.2.3系統(tǒng)跟蹤方式的選擇由上述可以看出，第一類視日運動軌跡跟蹤方式的算法過程十分復雜，其計算量的增大會增加控制系統(tǒng)的成本，而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值做比較，因而為了達到高精度跟蹤的要求，不僅對機械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴格的要求，而且與儀器是否正確安裝的關(guān)系極為密切，該種方式在國內(nèi)應(yīng)用很少。第二類視日運動軌跡跟蹤方式應(yīng)用較多，但跟蹤精度不高。成本較低而跟蹤精度相對較高的是光電式跟蹤，如果將視日運動軌跡跟蹤與光電跟蹤兩者結(jié)合，各取其長處，可以獲得較滿意的跟蹤結(jié)果。開環(huán)的程序跟蹤存在許多局限性，主要是在開始運行前需要精確定位，出現(xiàn)誤差后不能自動調(diào)整等。因此使用程序跟蹤方法時，需要定期的人為調(diào)整跟蹤裝置的方向。而傳感器跟蹤也存在響應(yīng)慢、精度差、穩(wěn)定性差、某些情況下出現(xiàn)錯誤跟蹤等缺點。特別是多云天氣會試圖跟蹤云層邊緣的亮點，電機往復運行，造成了能源的浪費和部件的額外磨損。故可在視日運動軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加高精度角度傳感器。當跟蹤裝置開始運行時，用高精度角度傳感器初始定位，在運行當中，以閉環(huán)控制為主，程序控制為輔，角度傳感器瞬時測量作反饋，對程序進行累積誤差修正。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽能發(fā)電裝置。3機械設(shè)計部分3.1跟蹤器機械執(zhí)行部分比較選擇根據(jù)分析以前的跟蹤器機械執(zhí)行部分的問題，以及成本等各個方面考慮，有以下幾種跟蹤器。3.1.1立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器圖2-1立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器跟蹤器的結(jié)構(gòu)：大齒輪固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面(主軸相對于底座可以轉(zhuǎn)動)，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接馬達1的輸出軸。馬達1固定在轉(zhuǎn)動架上，轉(zhuǎn)動架以及支架固定安裝在主軸上，接收器、馬達2安裝在支架上面(接收器相對于支架可以轉(zhuǎn)動)，馬達2的輸出軸連接在接收器上。跟蹤器實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當太陽光線發(fā)生偏移的時候，控制部分發(fā)出控制信號驅(qū)動馬達1帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，由于大齒輪固定。使得小齒輪自轉(zhuǎn)的同時圍繞大齒輪轉(zhuǎn)動，因此帶動轉(zhuǎn)動架以及固定在轉(zhuǎn)動架上的主軸、支架以及接收器轉(zhuǎn)動；同時控制信號驅(qū)動馬達2帶動接收器相對與支架轉(zhuǎn)動，通過馬達1、馬達2的共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。系統(tǒng)特點：該跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，造價低。對于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳動，能在使用功率較小的馬達的同時傳遞足夠大的動力，使用功率較小的馬達降低了其能源成本和制造成本。整個跟蹤器的結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較高。傳動裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)動架下。受到了較好的保護，提高了傳動裝置的壽命。3.1.2陀螺儀式跟蹤器圖2-2陀螺儀式跟蹤器跟蹤器的結(jié)構(gòu)：傳動箱1固定安裝在支架上，馬達1安裝在傳動箱1上，傳動箱1的內(nèi)部是由蝸桿、蝸輪組成的運動副，馬達1的輸出軸連接蝸桿，環(huán)形支架安裝在支架上面(環(huán)形支架相對于支架可以轉(zhuǎn)動)，傳動箱1的輸出軸連接環(huán)形支架，傳動箱2固定安裝在環(huán)形支架上，馬達2安裝在傳動箱2上，傳動箱2內(nèi)也是由蝸桿、蝸輪組成的運動副。馬達2的輸出軸連接蝸桿，接收器安裝在環(huán)形支架上面(接收器相對于環(huán)形支架可以轉(zhuǎn)動)，傳動箱2的輸出軸連接接收器。該跟蹤器可以選擇不同朝向安裝，當按照上圖的朝向進行安裝時，跟蹤器跟蹤的實現(xiàn)原理如下：當太陽光線發(fā)生偏移時，控制部分發(fā)出信號驅(qū)動馬達2帶動傳動箱2中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動，再輸出帶動接收器相對于環(huán)形支架轉(zhuǎn)動，跟蹤太陽由東向西的運動；同時控制部分也發(fā)出信號驅(qū)動由馬達1帶動傳動箱1中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動，再輸出帶動環(huán)形支架和接收器轉(zhuǎn)動，跟蹤太陽南北方向的運動，由此來實現(xiàn)對太陽的兩個方向的跟蹤。系統(tǒng)優(yōu)點：該跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單。對于兩個方向的跟蹤，都利用蝸桿、蝸輪副傳動，在緊湊的結(jié)構(gòu)下得到很大的傳動比，能使用功率很小的馬達同時傳遞足夠的動力，使用功率小的馬達降低了其能源成本和制造成本；蝸桿、蝸輪副的自鎖性能好，能防風防雨。結(jié)構(gòu)緊湊，運動空間大。傳動裝置設(shè)置在傳動箱內(nèi)，受到了較好的保護，提高了裝置的壽命。3.1.3齒圈轉(zhuǎn)動式跟蹤器機構(gòu)結(jié)構(gòu)：馬達1固定在支架上，馬達1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與齒圈1嚙合。齒圈1連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對于支架可以轉(zhuǎn)動)，馬達2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈2嚙合，齒圈2連接著轉(zhuǎn)動架，轉(zhuǎn)動架安裝在主軸上(轉(zhuǎn)動架相對于主軸可以轉(zhuǎn)動)。機構(gòu)實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當太陽光線發(fā)生偏離時?？刂撇糠职l(fā)出控制信號驅(qū)動馬達1帶動小齒輪1轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動齒圈1和主軸轉(zhuǎn)動；同時控制信號驅(qū)動馬達2帶動小齒輪2。小齒輪2帶動齒圈2和轉(zhuǎn)動架轉(zhuǎn)動，通過馬達1、馬達2的共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。圖2-3齒圈轉(zhuǎn)動跟蹤器系統(tǒng)特點：該跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，造價低。兩個方向的跟蹤都利用齒輪副傳遞動力，能在使用功率較小的馬達的同時傳遞足夠大的動力，使用功率較小的馬達降低了其能源成本和制造成本；由于使用半個齒圈，能在緊湊的結(jié)構(gòu)下得到較大的傳動比。結(jié)構(gòu)緊湊，運動空間大。3.2太陽能自動跟蹤系統(tǒng)機械設(shè)計方案本課題的機械設(shè)計方案縱向本課題的機械設(shè)計方案橫向機構(gòu)結(jié)構(gòu)：步進電機1固定在支架上，步進電機1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與大齒輪嚙合。齒輪連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對于支架可以轉(zhuǎn)動)，步進電機2安裝在主軸前端的一塊板上，步進電機2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈嚙合，齒圈連接著太陽能板，轉(zhuǎn)動架安裝在主軸上。機構(gòu)實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當太陽光線發(fā)生偏離時?？刂撇糠职l(fā)出控制信號驅(qū)動步進電機1帶動小齒輪1轉(zhuǎn)動，小齒輪1帶動大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動；同時控制信號驅(qū)動步進電機2帶動小齒輪2，小齒輪2帶動齒圈和太陽能板轉(zhuǎn)動，通過步進電機1、步進電機2的共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。3.3第一齒輪轉(zhuǎn)動計算尺寸計算初選模數(shù)m=4mm，中心距a=260，轉(zhuǎn)動比i=5。一般齒輪齒數(shù)Z1=25，分度圓螺旋角=8到15度。初選齒輪齒數(shù)Z1=25，分度圓螺旋角=10度，則齒輪齒數(shù)Z2=iZ1=5×25=125。分度圓直徑：小齒輪直徑，取d1=100mm。大齒輪直徑，取d2=507.7mm。式（3.1）取齒寬系數(shù)=1.2b==1.2×100=120則取大齒輪寬度b2=120，小齒輪寬度b1=125。齒頂高式（3.2）齒根高式（3.3）齒高式（3.4）。3.4第二齒輪轉(zhuǎn)動計算尺寸計算初選模數(shù)m=3mm，轉(zhuǎn)動比i=4。一般Z1=25，=8到15度（為分度圓螺旋角）。初選Z1=30，=15度，則Z2=iZ1=4*30=120。分度圓直徑：小齒輪，取d1=125mm。大齒輪，取d2=500mm。取齒寬系數(shù)=1.2b==1.2×125=150則取大齒輪寬度b2=150，小齒輪寬度b1=155。齒頂高齒根高齒高3.5抗風性分析底座上螺釘校核危險截面面積式(3.50)螺釘應(yīng)力副式(3.51)選擇螺釘?shù)男阅艿燃?.6級則式(3.52)螺釘疲勞極限式(3.53)極限應(yīng)力幅式(3.54)許用應(yīng)力幅所以螺釘強度滿足條件。4電機選擇4.1電機所需靜力矩計算查相關(guān)系數(shù)得出以下結(jié)論:太陽板重12kg，梁1重51kg，電機齒輪2重4kg，縱軸10kg4.1.1電機1靜力矩 重力:力矩平衡: 其中() 故 4.1.2電機2靜轉(zhuǎn)矩重力:易得 其中綜合上述當4.2電機選擇4.2.1電機的主要種類及其相應(yīng)特性及特點直流電機原理:在電動機電刷兩端引入直流電壓，在電動機電刷兩端引入直流電壓，則電樞線圈中有電流通過，圈中有電流通過，載流導體在磁場中受電磁力的作用，力的作用，所以導體所受的電磁力對軸形成一個轉(zhuǎn)矩，稱為電磁轉(zhuǎn)矩，使電樞旋轉(zhuǎn)。通過換向器的作用在電樞線圈中產(chǎn)生的電流為交變電流，交變電流，使N、S極下的導體的電流方向不、極下的導體的電流方向不變，則電樞轉(zhuǎn)矩的方向不變。所以外加直流則電樞轉(zhuǎn)矩的方向不變。電能轉(zhuǎn)換為機械能提供給軸上的機械負載。如圖所示優(yōu)點:1.具有良好的線性控制特性，靜、動態(tài)控制性能好。2.調(diào)速范圍廣，易于無級調(diào)速、四象限運行。3.起動、制動轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動、停車缺點:1.電刷、換向器結(jié)構(gòu)限制了電機的最大功率、最高轉(zhuǎn)速；2.電刷、換向器結(jié)構(gòu)限制了電機的安全性、適用性3.電刷、換向器結(jié)構(gòu)導致電機應(yīng)用維護性差。4.電磁兼容性差。 異步電機原理：當三相異步電機接入三相交流電源時，三相定子繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生的三相磁動勢（定子旋轉(zhuǎn)磁動勢）并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導體有相對切割運動，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導體在磁場中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當電動機軸上帶機械負載時，便向外輸出機械能。以電壓為參變量，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s（或轉(zhuǎn)速n）的關(guān)系如下圖所示調(diào)速方法：1.變頻調(diào)速2.改變定子端電壓調(diào)速3.轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速4.串級調(diào)速5.矢量控制優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價格便宜，運行方便。缺點：功率因數(shù)滯后，輕載功率因數(shù)低，調(diào)速性能稍差。無刷直流電機原理：電樞靜止，磁極旋轉(zhuǎn)，且磁極為永久磁鐵。電樞繞組中電流的換向是借助于轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路來實現(xiàn)的，所以，無刷直流電動機一般都是由電動機，位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。優(yōu)點：1.電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低2.屬靜態(tài)電機，空載電流小；3.效率高；4.體積小。缺點：1.低速起動時有輕微振動；2.價格高，控制器要求高；3.易形成共振。步進電機原理:通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖 三相步進電機負載運行數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。.優(yōu)點：1．電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；2．電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當繞組激磁時）；3．無累積誤差故有較好的位置精度和運動的重復性； 4．優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；5．沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；6．響應(yīng)僅由脈沖確定，可開環(huán)控制，使電機的結(jié)構(gòu)簡單而且控制成本；7．僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。8．由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。缺點1．如果控制不當容易產(chǎn)生共振；2．難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。3．難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩4．在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。5．超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。低頻共振和低頻丟步曲線4.2.2電機種類的選擇考慮到“向日葵”的逐步的運行方式以及控制以及成本等問題，步進電機的特性更加符合設(shè)計要求。具體理由如下:I．運行方式“向日葵”運行方式為基本等距的微小步進，步進電機可以通過調(diào)整步距角從而調(diào)整電機的步距，雖然步距角和運動增量是固定的，但在太陽能系統(tǒng)中對運動精度要求并不苛刻，故其滿足要求。II.控制方式步進電機控制原理簡單，位移量和脈沖量成正比，且能直接實現(xiàn)數(shù)字控制，數(shù)字脈沖信號經(jīng)處理和功率放大后可直接控制步進電機，無需轉(zhuǎn)換。符合系統(tǒng)控制簡單易用的要求。III.機械結(jié)構(gòu)步進電機機械結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，適合“向日葵”長期戶外作業(yè)的要求。IV．價格價格方面由于步進電機不能直接接到普通的交直流電源上運行，必須配備驅(qū)動器，而驅(qū)動器價格相對較高，但步進電機相對耐用，故在價格方面的些許劣勢并不影響大體的選擇?！P(guān)于步進電機使用閉環(huán)控制的一些思考：很多人認為步進電機沒有閉環(huán)控制的必要，開環(huán)就能滿足要求，它本來就是開環(huán)控制的，只要不超過它的允許范圍內(nèi)使用就可以.但是我們并不同意這種說法，理由有以下幾點:1．步進系統(tǒng)便宜過伺服系統(tǒng)很多很多，眾所周知，為了便宜，在自動控制領(lǐng)域內(nèi)，步進系統(tǒng)還是占大多數(shù)，但步進系統(tǒng)潛在失步的可能性，且無法判斷是否已經(jīng)失步。雖然步進驅(qū)動器可以細分并產(chǎn)生微步，但微步主要是讓電流更平滑，電機振動性更好，微步雖然可以提高步進電機的準確性，但微步卻不可靠，這點限制了步進系統(tǒng)成為可滿足高精度要求和高風險要求的機器。添加閉環(huán)控制器后，步進系統(tǒng)精度并不比伺服差，僅是速度比不上伺服（但前文已經(jīng)分析，向日葵系統(tǒng)對速度的要求并不苛刻），定位精度可以超過伺服電機，因為伺服只是半閉環(huán)控制，免除了機械系統(tǒng)的誤差，所以定位精度可以超過伺服系統(tǒng).而價錢只是伺服的幾分之一。2．步進電機不能保證絕對的準確性，而且還不知道是否準確，因此在工作負載變化大或不確定性的工作條件下，比如當向日葵追蹤系統(tǒng)在運行時太陽板突然受到大風的干擾，力矩就會急劇增大.為了應(yīng)付這種可能性并且保證精度，現(xiàn)在唯一的辦法就是降低運行速度，以換取局部的安全.而其實絕大部份工作時間都不是在大阻力狀態(tài)下，因此嚴重的降低了系統(tǒng)使用的效率，而使用閉環(huán)控制器，便可以在這種情況下大幅提高機器的效率，我們不必為個別的阻力點的安全而降低整個過程和速度和效率.控制器會自動調(diào)整速度通過阻力點，阻力點過后又會自動恢復速度，并加速補償回丟失的脈沖，而且是一瞬間完成。3．不少的進口機電設(shè)備還有一些醫(yī)療機器上，步進電機后面帶有編碼器，以保證設(shè)備的精確性和安全性.國外步進電機后面帶編碼器已經(jīng)有標準產(chǎn)品.還有日本東方電機是全球有名的步進系統(tǒng)制造商，他們這幾年的著重推薦的步進系統(tǒng)的產(chǎn)品αstep系列，便是號稱不會失步的步進電機，一套電機加驅(qū)動器要2-3千RMB.由此可見閉環(huán)的步進系統(tǒng)將是發(fā)展的一種方向，不是每個有精度要求和安全要求的機器都一定要用伺服電機.由以上幾點可以看出步進電機的閉環(huán)控制是有自己存在的合理性和價值，當然這些只是針對有高要求但又不至于使用伺服的機器，不針對低要求的機器.它的作用是填補開環(huán)的步進電機和高性能的伺服電機的中間階段的空白，給人以更多的選擇。4.3步進電動機介紹4.3.1總述步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。按勵磁方式分類，步進電動機可分為3大類：(1)反應(yīng)式步進電動機又稱為磁阻式步進電動機。它的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。(2)永磁式步進電功機永磁式步進電動機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的。轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供給正負脈沖信號。又稱為脈沖電動機，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。移或直線位移，即給一個沖信。(3)混合式步進電動機混合式步進電動機也稱為感應(yīng)式步進電動機。它綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉(zhuǎn)矩，動態(tài)性能好，步距角小，是一種很有發(fā)展前途的步進電動機。4.3.2步進電機的主要特性1.步距角步距角指每給一個電脈沖信號電機轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度。步進電機的步距角是由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和電機的相數(shù)所決定。典型的混合式步進電機是四相200步的電機，步距角為1.9。選擇步進電機時，步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率換算到電機軸上，每個當量電機應(yīng)走多少角度。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。2.矩角特性矩角特性是指不改變各相繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時通以直流電流時，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。3.響應(yīng)頻率在某一頻率范圍內(nèi)步進電機可以任意運行而不會丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。通常用啟動頻率f作為衡量的指標。它是指在一定負載下直接啟動而不失步的極限頻率，稱為極限啟動頻率或突跳頻率。4.啟動矩頻特性在給定的驅(qū)動條件下，負載慣量一定時，啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為啟動矩頻特性，又稱牽入特性。5.運行矩頻特性在負載慣量不變時，運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為運行矩頻特性，又稱牽出特性。6.慣頻特性在負載力矩一定時，頻率和負載慣量之間的關(guān)系，稱為慣頻特性。慣頻特性分為啟動慣頻特性和運行慣頻特性。7.保持轉(zhuǎn)矩（HOLDINGTORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。8.定位轉(zhuǎn)矩（DETENTTORQUE）是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUE在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENTTORQUE。9.步進電機的另外一些特點：a.一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。b．步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。c．步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。d．步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。低頻共振時的轉(zhuǎn)子運動規(guī)律 低頻共振和低頻丟步4.3.3步進電機型號的選擇由于系統(tǒng)需要兩個步進電機，其二者所在位置和實現(xiàn)功能均不相同，故我們需分別對其進行選擇。1.步進電機１選擇估計步進電機1所需要的最大靜力矩不大于，，由于在前文最大靜力矩計算中已經(jīng)給出了足夠大的裕度，且負載轉(zhuǎn)動慣量，電機轉(zhuǎn)動慣量以及負載最大加速度較小，故我們在估算中將此項省略，又由步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇公式可知，當時，。經(jīng)查閱相關(guān)廠家產(chǎn)品資料，初選森創(chuàng)電機型號如下序號規(guī)格型號相數(shù)步距角(°)靜態(tài)相電流(A)相電阻(Ω)相電感(mH)保持轉(zhuǎn)矩(N·m)定位轉(zhuǎn)矩(N·m)轉(zhuǎn)動慣量(g·cm2)外形尺寸(mm)重量(Kg)156BYG250C-SASSBL-024120.9/1.82.41.24.01.040.0426056×56×540.6256BYG250B-BASSBL-024120.9/1.82.40.952.40.650.0318056×56×450.48357BYG350DL-SASSML-060130.6/1.260.431.641.50.0838057×57×771.1三臺電機的矩頻特性如圖序號1電機：序號2電機：序號3電機：電機選擇分析在保持轉(zhuǎn)矩均符合要求的情況下，我們做了如下分析I．相數(shù)（即步距角）三相電機相對兩相電機而言，步距角更小，可以提升系統(tǒng)的精度，但電機1用于使整個系統(tǒng)繞著地面坐標系的Z軸旋轉(zhuǎn)，且“向日葵”系統(tǒng)并不是高精度的系統(tǒng)，對精度要求不高，故三相電機在此方面沒有太大的優(yōu)勢。II．啟動轉(zhuǎn)矩上述電機啟動轉(zhuǎn)矩均能滿足要求。III．外形尺寸以及重量由表可知序號1電機相對序號3電機尺寸更小，重量更輕，不會給系統(tǒng)造成太大的負擔，故在此方面我們偏向于序號1電機。IV．相電阻以及相電感序號1電機的相電阻以及相電感均大于序號3電機，相對序號3電機而言，序號1電機會使發(fā)熱功率增加，造成一定的浪費，在此方面我們更偏向于選擇序號3電機。V．保持轉(zhuǎn)矩序號2電機保持轉(zhuǎn)矩無法滿足要求，故首先將其排除。序號1電機的保持轉(zhuǎn)矩相對序號3電機保持轉(zhuǎn)矩小，但所留下的裕量適中，而序號3電機的保持轉(zhuǎn)矩的裕量相對而言較大，考慮到電機1大多數(shù)時間均是在正常工作環(huán)境下運行，對裕量的要求不大，序號3電機在這方面顯然會造成一定的不必要的能量消耗，故在此方面我們更偏向于選擇序號1電機。VI．轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量會影響控制的動作的動態(tài)特性，比如加減速性能.顯然轉(zhuǎn)動慣量越小，動態(tài)特性越好。在轉(zhuǎn)動慣量上，序號1電機相對于序號3電機有少許優(yōu)勢。VII．價格序號3三相電機的價格遠高于序號1兩相電機的價格，在成本方面，由于“向日葵”系統(tǒng)更偏向于民用，應(yīng)盡可能減少成本，故序號1電機在此方面獲得了我們的青睞。綜上所述，電機1我們最后選擇了序號1電機。即56BYG250C-SASSBL-0241森創(chuàng)兩相混合步進電機。其所選電機其余主要參數(shù)如下查閱相關(guān)配套資料以及對系統(tǒng)使用環(huán)境進行考慮，我們最終選擇了SH-20404作為它的驅(qū)動器。SH-20404驅(qū)動器相關(guān)參數(shù)如下：2.步進電機2選擇估計步進電機1所需要的最大靜力矩不大于，如上1電機分析，計算忽略了，同樣由步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇公式可知，當時，。經(jīng)查閱相關(guān)廠家產(chǎn)品資料，初選森創(chuàng)電機型號如下序號規(guī)格型號相數(shù)步距角(°)靜態(tài)相電流(A)相電阻(Ω)相電感(mH)保持轉(zhuǎn)矩(N·m)定位轉(zhuǎn)矩(N·m)轉(zhuǎn)動慣量(g·cm2)外形尺寸(mm)重量(Kg)186BYG250CN-SAKRBL-050120.9/1.85.00.86.87.50.36428083×83×1263.6286BYG350CH-SAKSML-030130.6/1.23.03.1719.57.00.4348085×85×1254.0兩臺電機的矩頻特性如圖序號1電機：序號2電機：電機選擇分析：在保持轉(zhuǎn)矩均符合要求的情況下，我們做了如下分析I．相數(shù)（即步距角）同上電機1的分析，三相電機可以提升系統(tǒng)的精度，考慮到電機2用于控制太陽能電池板的俯仰角，關(guān)系到“向日葵”系統(tǒng)追蹤太陽的精度，可適當減小其步距角以增加電池板接收更大強度太陽光的能力，但兩相電機和三相電機相比而言，在雙拍運行時步距角僅僅少了0.3°，總體區(qū)別并不大，同電機1的結(jié)論，三相電機在此方面沒有太大的優(yōu)勢。II．啟動轉(zhuǎn)矩由矩頻特性圖可知，所選電機都滿足，即電機均可正常啟動。III．外形尺寸以及重量由表不難看出序號1電機比序號2電機輕巧得多，減小了系統(tǒng)所承受的負擔，故在此方面序號1電機更能滿足要求。IV．相電阻以及相電感序號1電機的相電阻以及相電感略小于序號2電機，兩電機相比，在發(fā)熱功率這方面區(qū)別不大，在這項中無法評判孰優(yōu)孰劣。V．保持轉(zhuǎn)矩電機2所處位置以及功能要求其必須留有足夠的轉(zhuǎn)矩裕值以應(yīng)對各種突發(fā)狀態(tài)，如大風等，對于序號1電機，其裕量接近所需要求的25%，足以應(yīng)對大多的狀態(tài)，而序號2電機的保持轉(zhuǎn)矩的裕量相對而言較大，雖說可以應(yīng)對更多的惡劣情況，但需要從以下方面考慮：一，惡劣情況往往是少數(shù)，很有可能在系統(tǒng)過了服役期而損壞前都不會碰上一次所謂的惡劣情況。二，付出和所得到的收益并不成正比，會造成所謂的“性價比不高”的情況。綜上，在此方面序號1電機勝出。VI．轉(zhuǎn)動慣量序號1電機相對序號2電機的轉(zhuǎn)動慣量小得多，減速性能更好，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，動態(tài)性能更好，故在此方面，對系統(tǒng)而言，序號1電機更加優(yōu)秀。VII．價格同電機1的選擇，序號2三相電機的價格遠高于序號1兩相電機的價格，在成本方面，由于“向日葵”系統(tǒng)更偏向于民用，應(yīng)盡可能減少成本，故序號1電機在此方面獲得了我們的青睞。綜上所述，電機1我們最后選擇了序號1電機。即86BYG250CN-SAKRBL-0501森創(chuàng)兩相混合步進電機。所選電機其余主要參數(shù)如下：查閱相關(guān)配套資料以及對系統(tǒng)使用環(huán)境進行考慮，我們最終選擇了SH-20504作為它的驅(qū)動器。SH-20504驅(qū)動器相關(guān)參數(shù)如下5傳感器的選擇5.1光電傳感器查閱了相關(guān)資料，最終我們根據(jù)系統(tǒng)的特性選擇出以下幾種傳感器5.1.1光電探測器新光電探測器的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)置一個空腔薄壁的梯體框架，框架每個側(cè)面的內(nèi)表面兩側(cè)分別布置一排型號為2CR21的硅光電池，底面為平面鏡。該探測器對太陽的高度角和方位角進行二維跟蹤，框架相對的兩側(cè)面上的光電池一對檢測方位角偏差，另一對則檢測高度角偏差。當太陽光線垂直照射平面鏡時，檢測方位角的光電池均沒有接收到太陽光的直接照射；當太陽入射光與平面鏡的夾角在～90°之間(為框架側(cè)面與底面的夾角)，太陽光經(jīng)平面鏡反射到用來檢測方位角偏差的一個側(cè)面上的部分或全部光電池上，這些光電池兩極之間產(chǎn)生較強的電壓，而檢測方位角偏差的另一側(cè)面沒有接收到太陽光的照射，其上的光電池兩極間產(chǎn)生的電壓相對微弱，這樣經(jīng)過適當處理的信號送入控制單元，控制單元發(fā)出控制信號，使電機動作直到太陽光垂直照射到框架底面的平面鏡上；當太陽入射光與平面鏡的夾角在0～之間，太陽光可以直接照射到檢測方位角偏差的一個側(cè)面的部分或全部光電池上，而檢測方位角偏差的另一個側(cè)面沒有接收到太陽光的照射，如上述，兩側(cè)光電池的電信號也可進行比較。高度角方向上的偏差探測與之同理，探測器工作原理如圖4所示。探測精度與框架的幾何參數(shù)有關(guān)，角取值越接近90°，探測精度越高，但這樣會減小探測范圍，適當?shù)卦龃罂蚣芨叨菻探測精度也會增高。本設(shè)計取=75°，框架的底面邊長和高分別為200mm和96mm，探測精度可達0.5°，探測范圍在5°～175°之間時即方位角或高度角的偏差值在5°～175°之間，該探測器可以正常工作。用光電池作為光敏元件較用光敏電阻作為光敏元件的顯著優(yōu)點在于光電池不需外加電源便可達到檢測光照強弱的目的。現(xiàn)研究該探測器框架上相對兩側(cè)面上的光電池接收光照和其短路電流的情況。太陽光線與探測器底面的平面鏡成角照射，在～90°之間時，受平面鏡反射光照射的部分光電池，因其安裝在與平面鏡成角的框架內(nèi)側(cè)面上，接收的光強較太陽直接照射減弱，不考慮散射的影響，根據(jù)框架的幾何參數(shù)，可得減弱系數(shù)為(cos+sin/tan)，而與之相對的另一側(cè)面上的光電池只受環(huán)境散射光的照射。在0～之間時，一個側(cè)面上的部分或全部光電池接收太陽光的直射，而與之相對的另一側(cè)面只受環(huán)境散射光的照射。由硅光電池的特性知，光電池的短路電流與入射光照度成正比，所以本探測器采集的是光電池的短路電流，信號經(jīng)電流-電壓變換、濾波、放大后由數(shù)據(jù)采集卡送入計算機處理。設(shè)該探測器處在太陽光可以直接照射的環(huán)境中，環(huán)境光照度為(1～1.3)×105lx，以型號為2CR21的硅光電池為例，表1列出了接收太陽光經(jīng)平面鏡反射和相應(yīng)環(huán)境散射的光電池的光照度和短路電流，表2列出了接收太陽光直接照射和相應(yīng)環(huán)境散射光的光電池的光照度和短路電流。從表1和表2可以看出，只要在控制部分設(shè)置合適的臨界值，就可以準確檢測到方位角上是否存在偏差。高度角上的情況與此類似。5.1.2典型光敏電阻傳感器使用兩只光敏傳感器與兩只比較器分別構(gòu)成兩個光控比較器控制電機的正反轉(zhuǎn)。由于一年四季、早晚和中午環(huán)境光和陽光的強弱變化范圍都很大，所以上述兩種控制器很難使大陽能接收裝置四季全天候跟蹤太陽。這里所介紹的控制電路也包括兩個電壓比較器，但設(shè)在其輸人端的光敏傳感器則分別由兩只光敏電阻串聯(lián)交叉組合而成。每一組兩只光敏電阻中的一只為比較器的上偏置電阻，另一只為下偏置電阻；一只檢測太陽光照，另一只則檢測環(huán)境光照，送至比較器輸人端的比較電平始終為兩者光照之差。所以，本控制器能使太陽能接收裝置四季全天候跟蹤太陽，而且調(diào)試十分簡單，成本也比較低。

電路原理

電路原理圖如圖1所示，雙運放LM358與R1、R2構(gòu)成兩個電壓比較器，參考電壓為VDD（＋12V）的1/2。光敏電阻RT1、RT2與電位器RP1和光敏電阻RT3、RT4與電位器RP2分別構(gòu)成光敏傳感電路，該電路的特殊之處在于能根據(jù)環(huán)境光線的強弱進行自動補償。如圖2所示，將RT1和RT3安裝在垂直遮陽板的一側(cè)，RT4和RT2安裝在另一側(cè)。當RT1、RT2、RT3和RT4同時受環(huán)境自然光線作用時，RP1和RP2的中心點電壓不變。如果只有RT1、RT3受太陽光照射，RT1的內(nèi)阻減小，LM358的③腳電位升高，①腳輸出高電平，三極管VT1飽和導通，繼電器K1導通，其轉(zhuǎn)換觸點3與觸點1閉合。同時RT3內(nèi)阻減小，LM358的⑤腳電位下降，K2不動作，其轉(zhuǎn)換觸點3與靜觸點2閉合，電機M正轉(zhuǎn)；同理，如果只有RT2、RT4受太陽光照射，繼電器K2導通，K1斷開，電機M反轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)到垂直遮陽板兩側(cè)的光照度相同時，繼由器K1、K2都導通，電機M才停轉(zhuǎn)。在太陽不停地偏移過程中，垂直遮陽板兩側(cè)光照度的強弱不斷地交替變化，電機M轉(zhuǎn)——停、轉(zhuǎn)——停，使太陽能接收裝置始終面朝太陽。4只光敏電阻這樣交叉安排的優(yōu)點是：（l）LM358的③腳電位升高時，⑤腳電位則降低，LM358的⑤腳電位升高時，③腳電位則降低，可使電機的正反轉(zhuǎn)工作既干脆又可靠；（2）可直接用安裝電路板的外殼兼作垂直遮陽板，避免將光敏電阻RT2、RT3引至蔽陰處的麻煩。

使用該裝置，不必擔心第二天早晨它能否自動退回。早晨太陽升起時，垂直遮陽板兩側(cè)的光照度不可能正好相等，這樣，上述控制電路就會控制電機，從而驅(qū)動接收裝置向東旋轉(zhuǎn)，直至太陽能接收裝置對準太陽為止。

安裝調(diào)試

整個太陽能接收裝置的結(jié)構(gòu)如圖2。兼作垂直遮陽板的外殼最好使用無反射的深顏色材料，四只光敏電阻的參數(shù)要求一致，即亮、暗電阻相等且成線性變化。安裝時，四只光敏電阻不要凸出外殼的表面，最好凹進一點，以免散射陽光的干擾；垂直遮陽板（即控制盒）裝在接收裝置的邊緣，既能隨之轉(zhuǎn)動又不受其反射光的強烈照射。凋試時，首先不讓太陽直接照到四只光敏電阻上，然后調(diào)節(jié)RP1、RI2，使LM358兩正向輸人端的電位相等且高于反向輸人端0.5V－1V。調(diào)試完畢后，讓陽光照到垂直遮陽板上，接收裝置即可自動跟蹤太陽了。5.1.3高精度光敏傳感器在太陽跟蹤器中，傳感器用來感測太陽的位置，或者感測太陽光線的入射角度。傳感器的精度很大程度上決定了太陽跟蹤器的精度。本設(shè)計中，采用了兩個傳感器，一個高精度光敏矩陣傳感器，一個大角度傳感器。將9個光敏電阻在同一平面上組成陣列，并分別編號，如圖2所示。將這個光敏電阻陣列置于一個頂端開有一個小孔的封閉殼體中，小孔的直徑等于光敏電阻的直徑，如圖3所示。當光線垂直于陣面照射時，光線將照射在9號光敏電阻上；當光線不垂直時，可能照射在1到8號電阻上。由被光線照射的光敏電阻的編號可以確定光源的方向。由于光敏電阻的阻值與光照強度有關(guān)，所以可以通過測量光敏電阻的阻值，確定被光線照射的電阻。在陽光下照射到光敏電阻的光并非是一條線，而是一個光柱，這個光柱有可能同時照射到兩個光敏電阻，這時可認為受光面積大的光敏電阻為被照射電阻。傳感器原理設(shè)光線在光敏電阻陣列上的照射點到9號光敏電阻中心的距離為D，小孔到光敏電阻陣面的距離為H，光線與垂直入射線夾角為β，則tanβ=D/H。根據(jù)正弦三角關(guān)系，當距離D固定時，H越大，β越小，精確度越高。所以在光敏電阻直徑一定時，只要將殼體長度加長就可以得到足夠高的精度。在殼體很長的情況下，如果光線入射角很大將會帶來一個問題。如圖4所示，入射角很大時，光線將不能直接照射在光敏電阻上，從而無法判斷光源的位置。因此還需要一個傳感器來識別大入射角時的光源方向。如圖5所示，大角度傳感器外型設(shè)計成凸臺型，每個編號處安裝一個光敏電阻。當光線垂直入射時，如圖6所示，由于兩邊的光敏電阻有傾斜角度，受光面積比中間的電阻小，此時中間的光敏電阻阻值最小。當光線傾斜入射時，如圖7所示，左邊的光敏電阻受光面積大，因此它的阻值小。通過測量光敏電阻的阻值，可以判斷光源的大概方位。為了提高精度，可以在中間的光敏電阻上套一個遮光管，如圖8所示。當光線傾斜入射時，遮光管可以遮擋住照射在中間光敏電阻上的光線；當光線垂直入射時，遮光管不會遮擋照射在中間光敏電阻上的光線。因此如果讓中間光敏電阻的阻值最小，則入射光線須以接近垂直的角度照射，從而提高了傳感器的精度。控制策略及程序設(shè)計控制器首先讀取大角度傳感器的信號。當大角度傳感器的1號、2號或3號光敏電阻的阻值最小時，說明光線從上面照射，光源的位置在上方，控制器驅(qū)動圖1中的電機2，減小俯仰角；當大角度傳感器的6號、7號或8號光敏電阻的阻值最小時，增加俯仰角。當大角度傳感器的1號、4號或6號光敏電阻的阻值最小時，控制器驅(qū)動電機1向左旋轉(zhuǎn)；當大角度傳感器的3號、5號或6號光敏電阻的阻值最小時，控制器驅(qū)動電機1向右旋轉(zhuǎn)。如果1號、3號、6號或者8號阻值最小，則電機1和電機2可以同時旋轉(zhuǎn)。當角度調(diào)整到位后，9號光敏電阻的阻值最小?？刂破鳈z測到大角度傳感器9號光敏電阻的阻值最小后，讀取高精度光敏矩陣傳感器的信號，如果高精度光敏矩陣傳感器的9號光敏電阻阻值最小，說明調(diào)整到位。因為光照角度誤差為1度時，光照面積誤差小于0.02，這點能量損失與驅(qū)動電機的能量相比可以忽略，所以跟蹤器調(diào)整到位后，可以保持一段時間不動。如果高精度光敏矩陣傳感器的18號光敏電阻中某一個阻值最小，則控制器驅(qū)動電機1或電機2旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動過程類似于大角度傳感器有信號時的驅(qū)動情況。傳感器中受光照最強的電阻（即阻值最小的電阻）的編號可由比較電路和相關(guān)程序確定。為了節(jié)約能源，在夜間跟蹤器應(yīng)靜止不動。白天或者黑夜可以通過時間來判斷。另外陰天的光線為散射光線，這對跟蹤器的調(diào)整是不利的。在陰天時，跟蹤器不應(yīng)經(jīng)常動作。跟蹤器正常調(diào)整位置時有一個合理的時間段，超過這個時間段仍不能調(diào)整到位的，可認為是陰天。5.1.4日晷式太陽傳感器基本原理：由于太陽照射到地面上的角度變化會導致物體影子的移動，因此可以利用光敏傳感器對物體影子的實時檢測，來實現(xiàn)太陽能電池板效率的提高。在一塊與太陽能電池板平行的板子上直立一根適當長度的棒子，并在板上周圍一圈放上光敏傳感器。若太陽光不是直射到太陽能電池板上，則小棒必有影子投到板上，板上有影子投射到的區(qū)域光強與其它區(qū)域有明顯區(qū)別，此區(qū)域中的光敏傳感器將這種變化轉(zhuǎn)換成電信號，并以之控制太陽能電池板向該光敏傳感器反向轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)太陽能電池板的實時轉(zhuǎn)向控制。實現(xiàn)方式：太陽能電池板實時轉(zhuǎn)向控制裝置主要分為三個部分：太陽光偏離方向檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1、太陽光偏離方向檢測系統(tǒng)如圖，在一塊與太陽能電池板平行的板子上垂直立一根長L的直棒，并在以棒根為圓心、R為半徑的圓上放置一圈連續(xù)的光敏傳感器。R/L控制在約0.2-0.3即可，使得太陽光與太陽能電池板垂直方向的夾角在約15°以內(nèi)。為減少光敏傳感器的使用量，并提高棒的穩(wěn)定性、可靠性，可使R盡量小一些，并同時減小棒長L，以保證儀器不是過于敏感。在板上以幫根為圓點建立坐標系。將光敏傳感器與單片機連接并編號。當某一個光敏傳感器與其它光敏傳感器監(jiān)測到不同光強時，則選中此光敏傳感器，將其編號輸入到單片機內(nèi)部進行處理，得到此光敏傳感器的坐標（即太陽光偏離電池板垂直方向的反方向），并將其轉(zhuǎn)換成電池板分別在x、y方向所需轉(zhuǎn)動的角度，并將此信號傳遞到x、y方向的兩個轉(zhuǎn)軸上，使其轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度。RL2、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可通過單片機編程來實現(xiàn)，單片機采集承受光強不同的光敏傳感器的編號，經(jīng)處理后得到被選定的光敏傳感器的坐標，并將結(jié)果最終處理為轉(zhuǎn)軸需要轉(zhuǎn)過的角度，傳送到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。3、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送過來的角度后，緩慢轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度。此時若太陽光基本直射于太陽能電池板，即小棒的影子處于圓內(nèi)，則太陽能電池板不再轉(zhuǎn)動。否則重復執(zhí)行此三部操作。從而實現(xiàn)早上陽光剛出來時太陽能電池板方向的自動調(diào)整。5.1.5五象限光電傳感器基本原理：在半徑為R的大圓內(nèi)有一個半徑為R/2的小圓，將大圓與小圓之間的圓環(huán)分成四個象限。每象限的分界線與X軸均成45度，小圓為第V像限，圖2-6五象限光電轉(zhuǎn)換器原理在上述5象限中為跟蹤定位測向象限，V象限為主測象限。將5片面積、性能、參數(shù)相同的光電池安裝在所設(shè)計的5個象限內(nèi)，當陽光照射到5片光電池上時必然產(chǎn)生光電流，光電流強度與光強成正比。為了測量準確，在光電池前放置可調(diào)光學鏡筒，將一個凸透鏡放在鏡筒前，透鏡安放在鏡筒的最外沿，如圖2-7所示。當光線經(jīng)過透鏡照到鏡筒底部的5片光電池上時，調(diào)節(jié)筒的長度，使光斑正好完全覆蓋5片光電池。當太陽光與光軸成一角度時，光線經(jīng)過透鏡照射到5片光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移，如圖2-8所示。陰影部分為光線照到的部分，此時有的光電池不能被光斑完全覆蓋，因此各光電池產(chǎn)生的光電流不盡相同，將光電流差經(jīng)過一系列處理后輸入到跟蹤頭，驅(qū)動電機動作，調(diào)節(jié)跟蹤裝置，直到4個象限光電池輸出的光電流相等，此時太陽光線與透鏡光軸平行，驅(qū)動電機無動作。為了使測量跟蹤裝置更安全、可靠，該裝置采用V象限主測光電池進行光強測量和判斷，使裝置在夜晚停止工作。將第V象限的電壓V1與外來控制電壓V2進行比較，可選擇合適的V1控制測量跟蹤裝置的工作狀態(tài)，在夜晚時V2<V1，裝置停止工作；在有太陽光時V1>V2，裝置正常工作。圖2-7鏡筒結(jié)構(gòu)圖2-8光線與光軸不垂直時理論上，鏡筒越長，光電池的靈敏度愈高，但是鏡筒長度和透鏡的參數(shù)也有關(guān)系，不可能無限制增長，通常鏡筒長度，以取10-30cm為宜。系統(tǒng)的位置精度，基本決定于傳感器的精度，因此能夠比較容易實現(xiàn)跟蹤裝置具有較高的精確度，光電池只要能捕捉到透鏡聚焦的光斑就可以跟蹤太陽，且結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單。但當長時間出現(xiàn)云遮后或早晨太陽剛升起時，太陽光線與透鏡光軸的夾角超過一定的角度范圍，由于鏡筒結(jié)構(gòu)的限制，透鏡聚焦的光斑無法被光電池捕捉到這時跟蹤裝置便無法跟蹤太陽，甚至引起執(zhí)行機構(gòu)的誤動作。因而該種跟蹤裝置只能在一定的角度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度跟蹤，其跟蹤范圍跟鏡筒結(jié)構(gòu)有關(guān)。5.1.6太陽敏感器太陽敏感器的基本分類通常，太陽敏感器可分為3類：（1）模擬式太陽敏感器。它產(chǎn)生的輸出信號是星體相對太陽矢量方位（太陽角）的連續(xù)函數(shù)；（2）太陽出現(xiàn)敏感器（0-1式太陽敏感器）。它以數(shù)字信號1或0表示太陽是否位于敏感器的視場內(nèi)；（3）數(shù)字式太陽敏感器。它能提供離散的編碼輸出信號，其輸出值是被測太陽角的函數(shù)。該敏感器的特點是：視場大、精度高、壽命和可靠性有很強的優(yōu)勢，己廣泛應(yīng)用于各種型號的航天器上。太陽敏感器按照其工作的方式可以分成“0-1”式、模擬式和數(shù)字式幾種。0-1”“0-1”式太陽敏感器又稱太陽發(fā)現(xiàn)探測器，即只要有太陽就能產(chǎn)生輸出信號，可以用來保護儀器，使航天器或?qū)嶒瀮x器定位。它的結(jié)構(gòu)也比較簡單，敏感器上面開一個狹縫，底面貼光電池，當衛(wèi)星搜索太陽時，一旦太陽進入該探測器視場內(nèi)，則光電池就產(chǎn)生一個階躍響應(yīng)，說明發(fā)現(xiàn)了太陽。持續(xù)的階躍信號指示太陽位于敏感器視場內(nèi)。一般來說，衛(wèi)星的粗定姿是由“0-1”式的太陽敏感器來完成的，主要用來捕獲太陽，判斷太陽是否出現(xiàn)在視場中?！?-1”式的太陽敏感器要能夠全天球覆蓋，且所有敏感器同時工作。這種敏感器雖然實現(xiàn)起來比較簡單，但是比較容易受到外來光源的干擾。例如，此球反射的太陽光信號、太陽帆板反射的太陽光等都容易對這種敏感器形成干擾。因此，敏感器的濾波器能夠濾掉偶爾出現(xiàn)的電脈沖。模擬式太陽敏感器模擬式太陽敏感器又稱為余弦檢測器，常使用光電池作為其傳感器件，它的輸出信號強度與太陽光的入射角度有關(guān)，其關(guān)系式為：其中，Iθ—太陽光束與光電池法線方向的夾角。0—光電池的短路電流；模擬式太陽敏感器幾乎全部都是全天球工作的，其視場一般在20°~30°左右，精度在1°左右，它判斷出現(xiàn)太陽信號的閾值以不高于太陽信號的80%（一般為50%）為門限。如圖1所示。這樣的精度對于通信衛(wèi)星還可以，但對于對地觀測的衛(wèi)星來說，精度太低，因此，目前的通信衛(wèi)星主要依賴這種模擬式的太陽敏感器。數(shù)字式太陽敏感器模擬式太陽敏感器的實現(xiàn)原理簡單，但是其精度卻難以滿足衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)日益提高的要求，并且，模擬式太陽敏感器容易受到地球反射光等其它光源的干擾使對姿態(tài)測量的結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此，數(shù)字式太陽敏感器得到了很大的發(fā)展。并且，數(shù)字式太陽敏感器能夠滿足越來越高的重量輕、功耗低、精度高、模塊化等要求。數(shù)字式太陽敏感器是通過計算太陽光線在探測器上相對中心的位置的偏差來計算太陽光的角度的敏感器，主要有CCD和APS兩種，其中CCD太陽敏感器包括線列CCD數(shù)字式太陽敏感器和面陣CCD式太陽敏感器，而APS數(shù)字式太陽敏感器則以面陣為主。目前應(yīng)用CCD的數(shù)字式太陽敏感器產(chǎn)品較多。數(shù)字式的太陽敏感器的視場一般在±60°左右，其精度能夠達到≤0.05°。其原理多是采用太陽光通過狹縫照射在CCD探測器上，通過計算太陽成像偏離CCD中心的位置來計算太陽光的夾角。其工作波段多采用0.4mm~1.1mm的可見光波段。雖然數(shù)字式太陽敏感器的視場很大，但真正用到的只是其中的一小段，在實際工作中它只對靠近光軸的主要區(qū)域重點探測，遠離光軸的兩側(cè)只在較少時候進行探測；另外，為了避免被太陽能電池帆板等反射的太陽光干擾，太陽敏感器對偶然出現(xiàn)的較強信號也會將其濾除；最后，數(shù)字式太陽敏感器一般在CCD的前面要加濾光片，用來衰減太陽光強，使其不至于工作在飽和狀態(tài)。5.2光電傳感器的確定通過我們對上述6種傳感器的比較，我們最終選擇了序號3傳感器，即高精度光敏傳感器理由如下：從控制系統(tǒng)的角度來說，光電探測器，典型光敏電阻傳感器，日晷式太陽傳感器無法精確測量出太陽的具體的方位角以及高度角，對實現(xiàn)對步進電機的精密控制造成了一定的困難。相對而言，高精度光敏傳感器，五象限光電傳感器，太陽敏感器可以實現(xiàn)此功能。就精度的方面要求而言，高精度光敏傳感器，太陽敏感器測得太陽位置角的精度相對于五象限光電傳感器更高。價格方面，由于使用環(huán)境以及使用領(lǐng)域一般為航天領(lǐng)域，故太陽敏感器在價格上遠遠高于高精度光敏傳感器，對于普通民用設(shè)備而言，代價太高，不易普及。本文選用的高精度光敏矩陣傳感器既有大角度搜索功能，防止了在特殊情況下系統(tǒng)無法接收到陽光以至于無法運行的情況，又有高精度傳感器來提高系統(tǒng)的控制精度，故適用于此太陽能跟蹤系統(tǒng)。另注：在原傳感器基礎(chǔ)上加兩個光敏電阻用來測光強。5.3風速傳感器 由于風速傳感器種類和功能均較為單一，且對于此系統(tǒng)而言，要求并不高，故在此我們沒有作過多的選擇，選了一個較為便宜的且符合要求的風速傳感器。樣本和具體參數(shù)如下：風速部分.測量范圍：0～40m/s.分辨率：0.1m/s.準確度：±(0.5+0.03V)V—實際風速.起動風速：≤0.5m/s.距離常數(shù)：2.7m.抗風強度：50m/s.輸出信號：RS485風向部分.測量范圍：0～360°.分辨率：5°.準確度：±5°.起動風速：≤0.5m/s.距離常數(shù)：1.0m.阻尼比：0.4.抗風強度：50m/s.輸出信號：RS485電源和工作環(huán)境.電源:DC.5V.工作環(huán)境：-40～+60℃；6自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計6.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換器、步進電機、單片機以及相應(yīng)的外圍電路等。太陽能電池板有兩個自由度。控制機構(gòu)將分別對水平方向與垂直方向進行調(diào)整。單片機加電復位后，垂直和水平方向都將處于旋轉(zhuǎn)待命狀態(tài)，單片機將對采樣進來的信號進行判斷，并調(diào)整系統(tǒng)做出相應(yīng)的動作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：光電轉(zhuǎn)換傳感器步進電機驅(qū)動器單片機光電轉(zhuǎn)換傳感器步進電機驅(qū)動器單片機電源電源圖4-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)6.2系統(tǒng)流程圖6.2.1系統(tǒng)主流程圖6.2.2風速測試子流程圖6.2.3光照強度測試子流程圖6.3系統(tǒng)