李雪松 邵戎 尹娟 王雅琦

（四川省氣象探測(cè)技術(shù)中心 四川省成都市 610072）

1 跟蹤裝置的現(xiàn)狀、發(fā)展及意義

大氣探測(cè)技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)了氣象數(shù)據(jù)電子化及自動(dòng)觀測(cè)業(yè)務(wù)日漸成熟，使得太陽(yáng)跟蹤、航空技術(shù)與天氣業(yè)務(wù)等與探測(cè)技術(shù)結(jié)合緊密。從電能利用效率的角度，太陽(yáng)能板載入雙軸太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)利用率提高30%至50%。為提高發(fā)電效率該裝置的使用歷史已久，隨其裝置的應(yīng)用和研究發(fā)展，該裝置能測(cè)量部分氣象數(shù)據(jù)，但高空球載平臺(tái)應(yīng)用罕見，對(duì)其改進(jìn)后應(yīng)用于高空可創(chuàng)造更高價(jià)值。在中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所、微電子所、中國(guó)氣象局及多個(gè)電子公司均有相關(guān)研究和課題。就半導(dǎo)體板供電效率為例，根據(jù)時(shí)期不同效率不同，與天氣、所處地段等因素有關(guān)，效率低地區(qū)利用率只有約5%。使用該裝置后，效率增加時(shí)間為太陽(yáng)升起至正午，此段時(shí)間雙軸太陽(yáng)跟蹤供能高于普通供能半導(dǎo)體板。最高可達(dá)原板功能的3 倍。

國(guó)際上1994 年捷克科學(xué)院物理所研制出了單軸被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤器。1997 年Blackace 研制出了主動(dòng)單軸跟蹤器，但該裝置只東西向?qū)?zhǔn)跟蹤太陽(yáng)，南北向?qū)?zhǔn)跟蹤還需要手動(dòng)調(diào)整，僅單軸熱接受效率提高15%。1998 美國(guó)加州研制出了ATM 雙軸太陽(yáng)跟蹤裝置效率有所提高。2002 年2 月亞利桑那大學(xué)推出新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。2006 年西班牙Acciona 太陽(yáng)能公司投入大量生產(chǎn)使用。

2 跟蹤裝置運(yùn)行平臺(tái)及總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過多個(gè)串口和PC 機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)每個(gè)器件與主干PC 機(jī)通信，將所采數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)控制器狀態(tài)信息傳輸于主干PC 機(jī)，經(jīng)處理結(jié)果作為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)指令，通過串口被控器件及采集器件與PC 機(jī)通信。跟蹤裝置至于不穩(wěn)定的一級(jí)吊籃平臺(tái)，作為二級(jí)平臺(tái)承載功能設(shè)備實(shí)現(xiàn)姿態(tài)跟蹤。由于一級(jí)平臺(tái)在橫滾角度、俯仰角度及方位角度均不穩(wěn)定，使用開閉環(huán)雙系統(tǒng)跟蹤裝置相互配合，閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)可按時(shí)間位置使陽(yáng)光垂直落點(diǎn)進(jìn)入可監(jiān)測(cè)范圍，開環(huán)系統(tǒng)在可檢測(cè)范圍內(nèi)進(jìn)一步調(diào)整以適應(yīng)一級(jí)平臺(tái)不斷晃動(dòng)、震蕩的作用。太陽(yáng)跟蹤包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，即閉環(huán)和開環(huán)。開環(huán)系統(tǒng)是根據(jù)天文學(xué)理論已得出關(guān)于太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的定理和公式，規(guī)劃步進(jìn)電機(jī)的路線實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤。閉環(huán)系統(tǒng)是使用PSD 探測(cè)實(shí)際光線入射角度和所需光線入射角度之間造成的距離差后，經(jīng)過計(jì)算調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的角度。

2.2 硬件設(shè)計(jì)及指標(biāo)

硬件系統(tǒng)由傳感器、供能設(shè)備、核心器件、運(yùn)動(dòng)控制組成。供能系統(tǒng)是鋰電池分為12V 和5V 的輸出電壓。核心處理器使用ARM7，英國(guó)ARM 公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器ARM7 內(nèi)核是0.9MIPS/MHz 的三級(jí)流水線和馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制是步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)時(shí)需核心器件對(duì)驅(qū)動(dòng)供電，采用7sc34型號(hào)步進(jìn)電機(jī)。共用三個(gè)傳感器四象限、限位開關(guān)、姿態(tài)磁傳感器，PSD 備用。

跟蹤過程為避免由于設(shè)備耐受條件限制如低溫、精度不足等導(dǎo)致儀器不能正常運(yùn)行或所測(cè)結(jié)果無法使用，表1 所示為相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。

表1：雙軸跟蹤裝置技術(shù)指標(biāo)

控制器需在核心處理器開閉環(huán)模式轉(zhuǎn)換，光敏探測(cè)器與前置電路連接，所載信息傳遞至核心處理器，向運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令使得轉(zhuǎn)軸按指令轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器主要有以下幾種：四象限傳感器、位置敏感傳感器、姿態(tài)磁傳感器、限位開關(guān)傳感器。傳感器將所采數(shù)據(jù)傳送至核心處理器，器件聯(lián)合跟蹤設(shè)備組成系統(tǒng)。

2.3 限位開關(guān)

限位開關(guān)也稱行程開關(guān)，安裝于固定架上以控制兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的距離以免相撞。運(yùn)動(dòng)物接近于靜止物時(shí)，兩開關(guān)之間相接處閉合，二者未閉合時(shí)兩開關(guān)并未接觸開關(guān)斷開，處理器可通過開關(guān)的開合判斷兩物體相對(duì)位置。限位開關(guān)由高精度大傳動(dòng)比減速器、傳感器和與其輸出軸同步的機(jī)械記憶控制機(jī)構(gòu)組成，體積小、功能多、精度高、限位可調(diào)。本裝置中主要用以控制太陽(yáng)高度角步進(jìn)電機(jī)超過量程界限導(dǎo)致越位引起的器械物理碰撞，分別用作上限和下限，該傳感器使用簡(jiǎn)單，只需外接兩根導(dǎo)線，一根用于供能，另一根用于信號(hào)傳輸。

3 開環(huán)系統(tǒng)

3.1 坐標(biāo)模型

早在1994 年，張迎勝、唐憶春、楊波等設(shè)計(jì)的極軸式太陽(yáng)全跟蹤系統(tǒng)已較為成熟，利用時(shí)角和仰角，將太陽(yáng)軌跡以極坐標(biāo)的形式表示。此體系以地球?yàn)樵c(diǎn)建立三維立體坐標(biāo)系如圖1 所示。

圖1：太陽(yáng)位置計(jì)算集合模型圖

隨后竇偉、許洪華、李晶等在地面坐標(biāo)系太陽(yáng)全自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)方面有很大進(jìn)展。該體系將地面所在位置作為原點(diǎn)，南北向?yàn)閤 軸，東西向?yàn)閥 軸，天地向?yàn)閦 軸。將太陽(yáng)軌跡表達(dá)與此坐標(biāo)中如圖2 所示。

圖2：以地面頂點(diǎn)為坐標(biāo)的太陽(yáng)位置計(jì)算圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤所得數(shù)據(jù)通過串口傳輸保存，使用C++語言編程實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程通信和自動(dòng)控制通過串口通信，PC 與7sc34 和PSD 傳感器分別連接于com1 和com2 口相互的通信。起始按字符傳輸，字符按位傳輸，傳輸字符以“起始位”開始且以“停止位”結(jié)束，字符之間沒有固定時(shí)間間隔。異步通信雙方時(shí)鐘可容差值較大，同步通信時(shí)鐘可容差值較小，效率則相反。

3.2 預(yù)測(cè)原理

地球自傳的同時(shí)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，相對(duì)任意特定觀測(cè)點(diǎn)，任意太陽(yáng)位置可由入射光線高度角和方位角確定。太陽(yáng)高度角（用α表示）是地球上觀測(cè)點(diǎn)同太陽(yáng)中心連線與地平面之間的夾角，太陽(yáng)方位角（用γ表示）是地球上觀測(cè)點(diǎn)同太陽(yáng)中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角，如圖2 所示。

太陽(yáng)高度角α和方位角γ隨時(shí)間不同而變化，并符合以下三角公式：

式中δ 是太陽(yáng)赤緯角，φ 為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?，?為當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)夾角。太陽(yáng)赤緯角δ 是指地心與太陽(yáng)中心的連線與赤道平面之間的夾角，其粗略計(jì)算式為：

式中n 為積日（一年中第n 天）。太陽(yáng)時(shí)角ω 是指太陽(yáng)中心點(diǎn)到地心連線與格林威治天文臺(tái)的東西之間的0°經(jīng)線所在平面的夾角，我國(guó)區(qū)域的太陽(yáng)時(shí)角ω 確定如下：

式中t 為北京時(shí)間，E 為當(dāng)?shù)嘏c北京地區(qū)的時(shí)差，Lon為當(dāng)?shù)氐牡乩斫?jīng)度。δ 和ω 兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算需滿足高精度跟蹤要求，需要考慮歲差、章動(dòng)、蒙氣差等諸多因素根據(jù)實(shí)際情況不斷訂正。根據(jù)上述方法可計(jì)算出太陽(yáng)高度角與方位角從而確定太陽(yáng)位置。該原理所使用的計(jì)算方法精度更高，即為本設(shè)計(jì)所采用的太陽(yáng)位置計(jì)算方法，但難以避免長(zhǎng)期跟蹤產(chǎn)生的機(jī)械積累誤差，需結(jié)合傳感器檢測(cè)等方法定期修正。

4 閉環(huán)系統(tǒng)

4.1 閉環(huán)設(shè)計(jì)原理

如圖3 所示裝置工作原理是通過傳感器判斷是否在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，如在內(nèi)則啟動(dòng)閉環(huán)模式，如不在內(nèi)則就啟動(dòng)開環(huán)模式。切換至閉環(huán)模式后通過傳感器測(cè)量調(diào)整具體位置，如不在閉環(huán)可測(cè)量范圍內(nèi)切換至開環(huán)模式通過公式計(jì)算調(diào)整角度，不斷重復(fù)探測(cè)。如直射點(diǎn)超出傳感器探測(cè)范圍則將模式切換至開環(huán)模式。

圖3：核心處理器程序流程圖

4.2 太陽(yáng)跟蹤傳感的設(shè)計(jì)

4.2.1 光敏傳感器的選擇

PSD 可用于采集太陽(yáng)位置信息作為備用，四象限傳感器出現(xiàn)意外時(shí)使用PSD 臨時(shí)代替。PSD 可分為三四邊型、二面型、枕型三大類。四邊型PSD 后期計(jì)算較為復(fù)雜，處理器需有較高的處理性能或添加后續(xù)電路，枕型PSD 因其制造工藝和工作原理工作面積較小，價(jià)格較貴。基于以上兩點(diǎn)選擇二面型PSD 較為合適，使用成本不會(huì)過高且保證了線性度。將兩類傳感器試運(yùn)行比較時(shí)，PSD 光敏感探測(cè)器制作太陽(yáng)跟蹤裝置后出現(xiàn)不斷震蕩的情況，每跟蹤上就會(huì)發(fā)生震蕩導(dǎo)致跟蹤無法進(jìn)行。換用四象限傳感器后，則沒有震蕩問題。根據(jù)眾多傳感器指標(biāo)衡量，采用四象限傳感器作為主要位置采集工具。穩(wěn)定性比較高，不會(huì)出現(xiàn)跟蹤平面抖動(dòng)，圖4 為四象限傳感器實(shí)物圖。

圖4：四象限傳感器

此傳感器有效工作面積為100mm，精度間隔較小，暗電流低，工作時(shí)溫度和存儲(chǔ)溫度-40℃到100℃之間，焊接時(shí)溫度高達(dá)260℃，需離針腳2mm 遠(yuǎn)且焊接時(shí)間不超過5s。其應(yīng)用不僅可用于太陽(yáng)跟蹤，在光學(xué)鑷子、自動(dòng)化瞄準(zhǔn)、偏振光橢圓率測(cè)量?jī)x等上依然有所使用。如圖4 所示為所用傳感器，需距離邊角最近的四個(gè)針腳輸出值，傳感器焊接于電路板，再?gòu)碾娐钒迕娼映鰧?dǎo)線，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊把信號(hào)導(dǎo)入處理器。根據(jù)輸出電流大小判斷太陽(yáng)直射點(diǎn)離傳感器有效測(cè)量面積中心的距離，最后通過計(jì)算得出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)指令，使直射點(diǎn)落于傳感器中心。

4.2.2 四象限傳感器的工作原理

閉環(huán)狀態(tài)PSD 傳感器探測(cè)太陽(yáng)位置信息，把入射光光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，通過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)與PC 通信，通過數(shù)據(jù)計(jì)算調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制器角度使得直射點(diǎn)落于理想位置。

四象限探測(cè)器如圖5 所示，由四個(gè)光敏面組成，之間由十字形溝道相隔，每個(gè)光敏面均為一個(gè)光電二極管，受到光照后對(duì)應(yīng)象限有與光照強(qiáng)度成正比的光電流輸出，光電流通過串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出。

圖5：探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器的重要指標(biāo)是四象限探測(cè)器象限間一致性，包括光響應(yīng)度、感光面積、暗電流和結(jié)電容等參數(shù)，這些參數(shù)將直接影響測(cè)量和定位精度。設(shè)計(jì)四象限探測(cè)器傳統(tǒng)方法是把四個(gè)型號(hào)完全相同的光電二極管按照直角坐標(biāo)要求排列。此方法卻有三點(diǎn)不足：很難滿足象限一致性要求，二極管型號(hào)相同制作工藝卻難免有細(xì)微差別；排列并固定二極管后要保證四個(gè)光敏面于同一水平面且象限間隔完全一致；光敏電阻等由于自身限制易發(fā)生散射和反射并且易受環(huán)境污染，導(dǎo)致傳感器靈敏度偏低，從而影響跟蹤精度和系統(tǒng)效率。為合理解，選用一片性質(zhì)均勻的圓形太陽(yáng)能光電板，圓心處由激光割出“十”字形溝道，形成四象限光伏探測(cè)器且各象限間具有很好的一致性，提高了傳感器的精度和靈敏度。

大小合適的光斑如圖6 所示光信號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)于探測(cè)器成像。光線垂直入射時(shí)，光斑落于探測(cè)器正中如圖6b 所示，四個(gè)象限輸出信號(hào)相同。光信號(hào)偏離探測(cè)器法向時(shí)如圖6a所示，四個(gè)象限成像面積不同，探測(cè)器分別輸出電壓信號(hào)幅度不同，比較其輸出即可確定光信號(hào)的方位。如圖5 所示光斑被四個(gè)象限分為A、B、C、D 四個(gè)部分，對(duì)應(yīng)象限輸出U、U、U、U四個(gè)電壓信號(hào)，由（U+U）—（U+U）可得Y 向偏移量，（U+U）—（U+U）可得X 向偏移量。

圖6：光線入射示意圖

5 總結(jié)

雙系統(tǒng)太陽(yáng)跟蹤裝置很大程度上解決了單一系統(tǒng)跟蹤的弊端，開環(huán)系統(tǒng)需在太陽(yáng)進(jìn)入可觀測(cè)法案為內(nèi)跟蹤，閉環(huán)系統(tǒng)不能檢測(cè)到太陽(yáng)角度的微小變化，而兩套系統(tǒng)的切換有效的避免的了其中的弊端，互相補(bǔ)充提高了太陽(yáng)跟蹤效率。