基于二自由度云台控制的太阳能跟踪控制系统

基于二自由度云台控制的太阳能跟踪控制系统

潘世云丁杰胡安正*

（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳441053）

资助项目：“机电汽车”省优势特色学科2018年项目资助。

摘要：太阳能跟踪控制是太阳能电池系统重要研究内容之一。目前已报道的多以一自由度控制居多，本作品提供一种基于二自由度云台的太阳能跟踪控制方案。系统采用的是太阳光位置传感器输出位置数据，由STC12C5A60S2单片机，经过PID算法处理后生成两路PWM波，在二自由度的云台舵机上完成控制，从而实现将太阳能电池板实时正对着太阳，已达到太阳光的最大利用率。

关键词：太阳能跟踪；二自由度云台；PID算法；实时控制

太阳能是人类所需要能量之根本，其能量巨大，取之不尽、用之不绝，远远超过了地球上的所有能源储藏，再加上现今石油等不可再生能源的日益缺乏，在不远的时间内将会使用殆尽。太阳能利用研究中，利用效率是关键问题之一，本研究正是聚集如此做出一些探索。

1系统的总体设计

该系统以主要由STC12C5A60S2单片机，四个光敏电阻制作的太阳光位置传感器，电压信号放大器，LCD12864显示屏，二自由度云台和太阳能电池板几个部分组成。系统原理结构图1所示。

2硬件设计

(1)太阳能位置传感器由四个光敏电阻制作而成，制作原理是四个光敏电阻嵌入光滑平板上，然后在每个光敏电阻的内侧放置一个黑色的小挡板。太阳能位置传感器如图2所示。

采集位置传感器原理：当太阳光位于该传感器的右侧时，由于挡光板的存在所以②号光敏接收的光强大于①号，于是①②两个光敏电阻经过电压信号放大就产生了一个较大位置偏差量。当太阳光慢慢的从右边往左边移动的过程中②号接收的光强在减小，①号接收的光强在增大当太阳光移动到①②之间后即所产生的位置偏差为零。当太阳光从中间慢慢往左移动的时候①②两个光敏电阻就产生了一个负的慢慢变大的位置偏差量，于是对于③④两个光敏电阻产生的结果是一样的。

(2)二自由度云台由上下两个舵机组成，在本系统中，下面的舵机用来控制太阳能电池板左右0°~180°方向转动，上面舵机用来控制太阳能电池板上下0°~90°方向转动。用此方法可以确定太阳能电池板在1/4球面上的任意点位置方向。

3软件设计

该系统开机后首先对PWM模块初始化，ADC采集初始化，LCD12864初始化，PID算法初始化，然后，四路ADC开始采集四个光敏电阻传感器的数据，然后计算error1=AD2-AD1；error2=AD4-AD3；将error1和error2进行PID计算，这里我们利用了经典的方向控中的PD控制设置KP1=15，KD1=10，KP2=15，KD2=10，计算出来的输出值能够均匀的在333~1661之间，再由PWM波输出加在舵机上，从而达到实时精确的跟随效果。系统具体流程图如图3所示。

图3系统总程序流程图

由此得出的舵机打角是实时的跟随太阳光的位置而变化的，在实践过程中我们发现不同的太阳光强会有一些不同的效果，比如在夏季太阳光十分强，太阳能电池板的打角会非常迅速非常灵敏，而在冬天太阳光不那么强所以打角会变得不那么灵敏，由此我们可在夏季减小KP1，KP2的大小，在冬季增大KP1，KP2的大小。制作实物图4所示。

图4太阳能跟踪控制系统实物

4结束语

通过实践验证该系统利用了简单的方法使太阳能的利用率达到最大并且太阳能电池板能够实时的正对着太阳光，由于太阳能具有环保，储备巨大等优点，所以太阳能的利用是未来世界能源发展必然趋势，希望本文能为太阳能利用领域做出贡献。

参考文献

[1]郑益文,马立新,鲁毅,等.太阳能跟踪系统的智能控制及系统设计[J].微特电机，2011(07).

[2]赵争鸣,刘建政,孙晓英,等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[3]王淼,王保利,焦翠坪,等.太阳能跟踪系统设计[J].电气技术，2009(08)

[4]张鹏,王兴君,等.光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用[j].现代电子技术，2007(18).

*通信作者：胡安正。湖北文理学院物理与电子工程学院教授。