一种定日镜跟踪控制装置及其跟踪控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种定日镜跟踪控制装置，包括定日镜光斑校准装置、定日镜控制器、上级控制器、加速度传感器和增量式编码器，定日镜光斑校准装置通过镜场网络分别与上级控制器和定日镜控制器相连，上级控制器通过镜场网络与定日镜控制器相连，定日镜控制器分别与加速度传感器和增量式编码器通讯连接，加速度传感器贴于反射镜背面，增量式编码器设于方位角方向的回转式减速器蜗杆的末端，电机设于回转式减速器蜗杆的首端，定日镜控制器的输出端与电机相连。有效降低定日镜控制系统的成本，安装简单、易于维护，资源合理利用，对定日镜跟踪绝对误差进行修正，提高了定日镜跟踪精度。
【专利说明】
一种定日镜跟踪控制装置及其跟踪控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种定日镜跟踪控制装置及其跟踪控制方法，属于定日镜控制技术领域。
[0002]
【背景技术】
[0003]目前，随着煤、石油、天然气等化石能源的日趋紧张，环境问题的日益突出，太阳能、风能、生物质能等新兴清洁能源越来越受到人们的重视。塔式太阳能光热发电技术是太阳能光热发电中主要的发电形式之一。其基本原理为:利用众多定日镜构成的镜场，将太阳光反射到高塔顶部的集热器上，加热集热器中的工质，工质再经过储热、换热等环节，产生蒸汽推动汽轮发电机进行发电。
[0004]其中，定日镜的作用是跟踪太阳并将太阳入射光反射至集热器，定日镜是塔式电站的关键核心设备，由众多定日镜构成的镜场投资占到整个电站投资的一半左右。
[0005]定日镜镜场主要由反射镜面、镜面支撑、机械传动装置及跟踪控制系统组成。目前的定日镜常用“高度角+方位角”双轴跟踪的机械传动方式。具体为:在方位角方向采用水平回转式减速器为机械传动装置，在高度角方向上采用电动推杆或竖直回转式减速器为机械传动装置，机械传动装置的输入为电机，机械传动装置的输出端与镜面支撑支架相连接。
[0006]目前，定日镜跟踪控制的主要方式为视日运动轨迹跟踪，该方法是利用太阳运行规律、结合定日镜所处的精确位置的经玮度、定日镜与集热器的相对位置，计算定日镜镜面的法线方向，即镜面的目标角度，并利用绝对值编码器、磁条传感器等对镜面角度进行实时反馈，再通过控制机构的运动实现跟踪；该方法的优点是易于实现。但也存在以下主要问题:
1、价格问题:现有定日镜跟踪控制系统使用了绝对值编码器、磁条传感器作为角度检测单元，价格昂贵，目前国内市场的绝对值编码器价格上千元，且对环境耐受性较差。
[0007]2、安装问题:现有定日镜跟踪控制系统使用了绝对值编码器作为角度检测单元，绝对值编码器需要与转动轴连接才能检测转动角度。若与机械传动装置输入轴连接，受大减速比传动特性制约，须采用多圈绝对值编码器，其价格约为单圈绝对值编码器的2-3倍，更为昂贵;若与机械传动装置的输出轴连接，则会受制于定日镜支架结构特性限制，无法方便直接地与编码器连接，从而导致绝对值编码器的安装难以实现。
[0008]3、长期运行误差问题:现有定日镜跟踪控制系统使用了绝对值编码器检测双轴角度，并不能对定日镜基座倾斜、地基沉降等引起的编码器相对于地球坐标系产生的位移绝对偏差进行测量，长期运行后跟踪误差大。
[0009]
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于:提供一种定日镜跟踪控制装置及其跟踪控制方法，解决现有定日镜跟踪控制系统因为使用绝对值编码器、磁条传感器作为检测单元，不仅价格昂贵，使用不便，而且编码器相对于地球坐标系产生的位移绝对偏差较大，从而能有效的解决上述现有技术中存在的问题。
[0011 ]本发明的目的是通过下述技术方案来实现:一种定日镜跟踪控制装置，包括电机和机械传动装置，电机的输出端与机械传动装置相连，机械传动装置的输出机构与镜架支撑连接;其特征在于:还包括定日镜光斑校准装置、定日镜控制器、上级控制器、加速度传感器和增量式编码器，定日镜光斑校准装置通过镜场网络分别与上级控制器和定日镜控制器相连，上级控制器通过镜场网络与定日镜控制器相连，定日镜控制器分别与加速度传感器和增量式编码器通讯连接。
[0012]作为一种优选方式，加速度传感器贴于反射镜背面。
[0013]作为一种优选方式，增量式编码器设于方位角方向的回转式减速器蜗杆的末端，电机设于回转式减速器蜗杆的首端，定日镜控制器的输出端与电机相连。
[0014]作为一种优选方式，定日镜控制器包括掉电不丢失存储器、通信模块和电机驱动
目.ο
[0015]—种利用所述定日镜跟踪控制装置的控制方法，包括如下控制方法:
一、在高度角方向，定日镜控制器通过太阳运行规律、定日镜位置信息计算镜面目标角度，通过加速度传感器反馈实际高度角度，由计算所得的镜面目标角度和实际高度角度的偏差给出角度控制量，将角度控制量输送至电机驱动装置，电机驱动机械传动装置，机械传动装置带动镜面至目标角度，构成单台定日镜高度角的闭环控制；
二、在方位角方向，定日镜控制器通过太阳运行规律、定日镜位置信息计算镜面目标角度，通过增量式编码器的角度反馈并结合计算得到实际方位角度，由计算所得的镜面目标角度和实际方位角度的偏差给出角度控制量，将角度控制量输送至电机驱动装置，电机驱动机械传动装置，机械传动装置带动镜面至目标角度，构成单台定日镜设备方位角的闭环控制；
三、利用定日镜光斑校准装置获取正确的定日镜绝对角度；
四、利用定日镜光斑校准装置获取光斑位置年周期的运行偏差曲线，利用该偏差值对定日镜镜面转动增量角度进行修正。
[0016]作为一种优选方式，首次获取方位角绝对角度过程如下，利用太阳运行规律、结合定日镜所处的精确位置、定日镜与光斑校准装置的相对位置，计算定日镜镜面的法线方向，即镜面的高度角与方位角的目标角度;控制定日镜镜面到达高度角目标角度，再摆动定日镜的方位角，出现一个特定角度，使得该定日镜的光斑出现在光斑校准装置的中心;此时利用定日镜光斑校准装置确定该定日镜光斑的绝对位置，并将该位置信息通过网络传输至定日镜控制器，定日镜控制器再通过当前定日镜的姿态信息、光斑位置反算定日镜实际方位角即该定日镜的方位角绝对角度，同时将该数值存储至定日镜控制器的掉电不丢失存储器中。
[0017]作为进一步优选方式，在首次获取方位角绝对角度后的定日镜跟踪过程中，再次获取方位角绝对角度的方法如下:首先根据增量式编码器实时的读值，结合机械传动装置的减速比等参数求出增量式编码器反馈的相对角度;再从定日镜控制器的存储器中读取上次的方位角绝对角度作为新的绝对角度;相对角度与绝对角度之和即为实时的方位角绝对角度。
[0018]作为一种优选方式，所述增量式编码器含有与定日镜控制器进行信号传输的接口，用于检测定日镜方位角增量角度，安装于方位角方向机械传动装置的次末级传动轴端。
[0019]作为一种优选方式，定日镜光斑校准装置用于检测某面定日镜将入射至本面的太阳光线反射于标定靶或其他位置而形成的实际光斑位置与理想光斑位置之间的偏差。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果:
1、利用加速度传感器、增量式编码器作为镜面角度检测单元，能有效降低定日镜控制系统的成本；
2、利用加速度传感器、增量式编码器作为镜面角度检测单元，加速度传感器安装于镜面背面处，增量式编码器可与传动装置次末级传动轴端相连，在机械加工时传感器安装接口易于实现，且两种传感器的安装简单、易于维护；
3、利用定日镜光斑校准装置结合定日镜运行姿态的就地检测传感器件的方法，使定日镜在现场安装建设过程中，传感器的安装精度要求较低，且定日镜的运行精度不受传感器安装误差的影响；
4、利用加速度传感器进行角度检测，可对定日镜基座倾斜、地基沉降等引起的相对地面产生的位移绝对偏差进行测量，提高了跟踪精度，同时安装位置不受机械传动装置及定日镜支架的结构形式限制，可实现与多种形式的机械传动装置及定日镜支架结构的匹配；
5、定日镜控制器的成本降低，资源合理利用；
6、通过对年周期的定日镜光斑位置偏差数据进行累计统计，从而对定日镜跟踪绝对误差进彳丁修正，提尚了定日镜跟踪精度。
[0021]
【附图说明】
[0022]图1是本发明定日镜跟踪控制装置的结构示意图。
[0023]图2是增量式编码器安装示意图。
[0024]图3是定日镜在高度角上的跟踪控制方法的模块化示意图。
[0025]图4是定日镜在方位角上的跟踪控制方法的模块化示意图。
[0026]图5是方位角角度反馈模块计算流程图。
[0027]图6是利用光斑位置偏差数据消除定日镜跟踪偏差的方法的流程图。
[0028]其中:定日镜光斑校准装置-1，定日镜控制器-2，上级控制器-3，加速度传感器-4，增量式编码器-5，电机-6，机械传动装置-7，镜架支撑-8，掉电不丢失存储器-21，通信模块-22，电机驱动装置-23，机械传动装置的输入轴-51，减速机-52，回转式减速器蜗杆_53。
[0029]
【具体实施方式】
[0030]下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0031]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征之一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。
[0032]如图1-6所示，本发明定日镜跟踪控制装置，包括定日镜光斑校准装置1、定日镜控制器2、上级控制器3、加速度传感器4、增量式编码器5、电机6和机械传动装置7。定日镜控制器2包括掉电不丢失存储器21、通信模块22和电机驱动装置23。电机6的输出端与机械传动装置7相连，机械传动装置7的输出机构与镜架支撑8连接;定日镜光斑校准装置I通过镜场网络分别与上级控制器3和定日镜控制器2相连，上级控制器3通过镜场网络与定日镜控制器2相连，定日镜控制器2分别与加速度传感器4和增量式编码器5通讯连接，加速度传感器4贴于反射镜背面，增量式编码器5设于方位角方向的回转式减速器蜗杆53的末端，电机6设于回转式减速器蜗杆53的首端，定日镜控制器2的输出端与电机6相连。所述电机6可以为步进电机、直流电机及所有非伺服电机，且所述电机前端带有减速机52，减速机52的输出轴与机械传动装置的输入轴51相连接。
[0033]其中:
所述定日镜光斑校准装置:用于检测某面定日镜的反射光斑偏差。具体来说，定日镜光斑校准装置用于检测某面定日镜将入射至本面的太阳光线反射于标定靶，或其他位置而形成的实际光斑位置与理想光斑位置之间的偏差;该装置通过镜场网络与上级控制器及定日镜控制器连接，所测得的定日镜光斑位置修正值存储于上级控制器中。
[0034]所述定日镜控制器:定日镜控制器包含掉电不丢失存储器21、通信模块22和电机驱动装置23 ο定日镜控制器可采用有线或无线通讯方式与通过镜场网络接收来自上级控制器的信息，这些信息中包含有光斑偏差值。定日镜控制器留有与加速度传感器及增量式编码器的通讯接口，接收传感器的角度反馈信号；同时定日镜控制器输出驱动脉冲至电机，以控制电机的转动角度。
[0035]所述上级控制器:属于镜场网络中的控制设备，包含了组控制器、岛控制器、上位机等设备，本领域的技术人员将理解，在不同的镜场网络中，上级控制器包含了不同的控制设备，这些设备处于镜场网络各个层级，且在定日镜控制器的上层网络。同时上级控制器可与定日镜控制器采用无线或有线的通讯方式进行信息传输;并带有掉电不丢失的存储功能，存储来自定日镜光斑校准装置的光斑位置偏差曲线。
[0036]所述加速度传感器:用于检测定日镜高度角绝对角度，其电路设计含有与定日镜控制器的通讯接口，将高度角检测值反馈给定日镜控制器，加速度传感器贴装于反射镜背面。
[0037]所述增量式编码器:用于检测定日镜方位角增量角度，安装于方位角方向机械传动装置的次末级传动轴端。在本实施例中，以回转式减速器作为方位角方向的传动装置对增量式编码器的安装进行说明，增量式编码器适用于次末级有传动轴出轴的所有形式的机械传动装置。如附图2所示，增量式编码器4安装于方位角方向的回转式减速器蜗杆53的末端，增量式编码器4检测回转式减速器蜗杆53转轴的转动角度，该角度即为方位角增量。增量式编码器含有与定日镜控制器进行信号传输的接口。
[0038]所述电机:包括步进电机、直流电机及其他非伺服电机，所述电机前端带有减速机，所述电机减速机的输出轴与定日镜机械传动装置的输入轴相连接。由于采用了传感器对镜面角度进行了实时反馈检测，对镜面角度构成了闭环调节，因此本发明中电机可以采用直流电机、步进电机等非伺服电机;所述电机前端带有减速机;所述电机减速机输出轴与机械传动装置的输入轴相连接。由于步进电机的转动角度精度高、易控制等良好的开环特性，若米用步进电机能提尚控制系统精度。
[0039]所述机械传动装置:输出机构与镜面支撑连接。在方位角方向，由于采用了增量式编码器作为定日镜方位角增量角度检测单元，其安装适用于次末级有传动轴出轴的所有形式的机械传动装置，因此在方位角方向可采用回转式减速器等其他机构作为机械传动装置。在高度角方向，由于采用了加速度传感器作为高度角绝对角度检测单元，其安装不受传动装置机械结构形式的影响，因此在高度角方向可采用电动推杆、回转式减速器及其他机构作为机械传动装置。机械传动装置的输入轴与带有电机减速机的输出轴连接，机械传动装置的输出机构与镜架支撑连接。
[0040]一种定日镜跟踪控制方法，具体控制方法如下:
如附图3所示，在高度角方向上提供的跟踪控制方法为:采用以加速度传感器为角度反馈单元，采用步进电机、直流电机等非伺服电机作为驱动单元，定日镜控制器利用太阳运行规律求得定日镜镜面高度角方向上的反射目标角度后，结合加速度传感器的反馈角度，给出角度控制量并结合来自上级控制器的光斑位置修正量，给出修正后的精确角度控制量至驱动装置，驱动高度角对应的电机带动镜面旋转至目标角度。
[0041]如附图4、附图5所示，本发明在方位角方向上提供的跟踪控制方法为:采用由方位角角度反馈模块为角度反馈单元，采用步进电机、直流电机等非伺服电机作为驱动单元，定日镜控制器利用太阳运行规律求得定日镜镜面方位角方向上的反射目标角度后，结合方位角角度反馈模块得到的方位角度，给出角度控制量并结合来自上级控制器的光斑位置修正量，给出修正后的角度控制量至驱动装置，驱动方位角对应的电机带动镜面旋转至目标精确角度。
[0042]本发明提出采用增量式编码器来实时反馈方位角度信息，但由于增量式编码器只能得到角度的增量值，不能得到角度的绝对值，即不能反馈镜面相对于地球坐标系的方位角绝对角度。为解决上述问题，本发明提出的方位角角度反馈模块得到镜面方位角绝对角度的方法如下:如附图5所示，方位角绝对角度由“相对角度+绝对角度”间接得到，其中相对角度由增量式编码器进行实时检测得到，绝对角度利用定日镜光斑校准装置在定日镜首次启动调试的初始化校准后得到。
[0043]如附图5所示，具体如下:首次获取方位角绝对角度过程如下，利用太阳运行规律、结合定日镜所处的精确位置、定日镜与光斑校准装置的相对位置等，计算定日镜镜面的法线方向，即镜面的高度角与方位角的目标角度。控制定日镜镜面到达高度角目标角度，再摆动定日镜的方位角，必将出现一个特定角度，使得该定日镜的光斑出现在光斑校准装置的中心。此时利用定日镜光斑校准装置确定该定日镜光斑的绝对位置，并将该位置信息通过网络传输至定日镜控制器，定日镜控制器再通过当前定日镜的姿态信息、光斑位置反算定日镜实际方位角即该定日镜的方位角绝对角度，同时将该数值存储至定日镜控制器的掉电不丢失存储器中。
[0044]在首次获取上述方位角绝对角度后的定日镜跟踪过程中再次获取方位角绝对角度的方法如下:首先根据增量式编码器实时的读值，结合机械传动装置的减速比等参数求出增量式编码器反馈的相对角度;再从定日镜控制器的存储器中读取上次的方位角绝对角度作为新的绝对角度;相对角度与绝对角度之和即为实时的方位角绝对角度。
[0045]为避免定日镜掉电使得失去方位角绝对角度，该角度在每次计算完毕后须存储于定日镜控制器的掉电不丢失存储器中。当因装拆镜架等外部操作而使得绝对角度发生改变时，绝对角度需再次利用定日镜光斑校准装置进行初始化校准后得到。
[0046]本发明提出利用定日镜光斑位置年周期的偏差对定日镜角度控制量进行校正，如附图6所示，利用定日镜光斑校准装置获取光斑位置偏差曲线，通过镜场网络将该偏差曲线传输给上级控制器，上级控制器将该信息存储于掉电不丢失存储器中。在定日镜跟踪时，上级控制器通过镜场网络下发给定日镜控制器，如附图3、附图4所示，定日镜控制器结合该光斑偏差曲线对镜面的高度角与方位角的控制量进行闭环修正。考虑到镜场中定日镜数量较多，实际操作中可以对定日镜抽样获取偏差曲线。该偏差值每天采集至少25次，其目的是修正由机电系统、基座倾斜、编码器参考位置及重力影响而带来的跟踪误差。
[0047]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种定日镜跟踪控制装置，包括电机和机械传动装置，电机的输出端与机械传动装置相连，机械传动装置的输出机构与镜架支撑连接;其特征在于:还包括定日镜光斑校准装置、定日镜控制器、上级控制器、加速度传感器和增量式编码器，定日镜光斑校准装置通过镜场网络分别与上级控制器和定日镜控制器相连，上级控制器通过镜场网络与定日镜控制器相连，定日镜控制器分别与加速度传感器和增量式编码器通讯连接。2.如权利要求1所述的定日镜跟踪控制装置，其特征在于:加速度传感器贴于反射镜背面。3.如权利要求2所述的定日镜跟踪控制装置，其特征在于:增量式编码器设于方位角方向的回转式减速器蜗杆的末端，电机设于回转式减速器蜗杆的首端，定日镜控制器的输出端与电机相连。4.如权利要求3所述的定日镜跟踪控制装置，其特征在于:定日镜控制器包括掉电不丢失存储器、通信模块和电机驱动装置。5.一种利用权利要求4所述定日镜跟踪控制装置的控制方法，其特征在于:包括如下控制方法: 一、在高度角方向，定日镜控制器通过太阳运行规律、定日镜位置信息计算镜面目标角度，通过加速度传感器反馈实际高度角度，由计算所得的镜面目标角度和实际高度角度的偏差给出角度控制量，将角度控制量输送至电机驱动装置，电机驱动机械传动装置，机械传动装置带动镜面至目标角度，构成单台定日镜高度角的闭环控制； 二、在方位角方向，定日镜控制器通过太阳运行规律、定日镜位置信息计算镜面目标角度，通过增量式编码器的角度反馈并结合计算得到实际方位角度，由计算所得的镜面目标角度和实际方位角度的偏差给出角度控制量，将角度控制量输送至电机驱动装置，电机驱动机械传动装置，机械传动装置带动镜面至目标角度，构成单台定日镜设备方位角的闭环控制； 三、利用定日镜光斑校准装置获取正确的定日镜绝对角度； 四、利用定日镜光斑校准装置获取光斑位置年周期的运行偏差曲线，利用该偏差值对定日镜镜面转动增量角度进行修正。6.如权利要求5所述的定日镜跟踪控制方法，其特征在于:首次获取方位角绝对角度过程如下，利用太阳运行规律、结合定日镜所处的精确位置、定日镜与光斑校准装置的相对位置，计算定日镜镜面的法线方向，即镜面的高度角与方位角的目标角度;控制定日镜镜面到达高度角目标角度，再摆动定日镜的方位角，出现一个特定角度，使得该定日镜的光斑出现在光斑校准装置的中心;此时利用定日镜光斑校准装置确定该定日镜光斑的绝对位置，并将该位置信息通过网络传输至定日镜控制器，定日镜控制器再通过当前定日镜的姿态信息、光斑位置反算定日镜实际方位角即该定日镜的方位角绝对角度，同时将该数值存储至定日镜控制器的掉电不丢失存储器中。7.如权利要求5所述的定日镜跟踪控制方法，其特征在于:在首次获取方位角绝对角度后的定日镜跟踪过程中，再次获取方位角绝对角度的方法如下:首先根据增量式编码器实时的读值，结合机械传动装置的减速比等参数求出增量式编码器反馈的相对角度;再从定日镜控制器的存储器中读取上次的方位角绝对角度作为新的绝对角度;相对角度与绝对角度之和即为实时的方位角绝对角度。8.如权利要求5所述的定日镜跟踪控制方法，其特征在于:所述增量式编码器含有与定日镜控制器进行信号传输的接口，用于检测定日镜方位角增量角度，安装于方位角方向机械传动装置的次末级传动轴端。9.如权利要求5所述的定日镜跟踪控制方法，其特征在于:定日镜光斑校准装置用于检测某面定日镜将入射至本面的太阳光线反射于标定靶或其他位置而形成的实际光斑位置与理想光斑位置之间的偏差。
【文档编号】F24J2/40GK105972840SQ201610478421
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】何杰, 奚正稳, 华文瀚, 蒋超猛, 王娟娟, 孙登科
【申请人】东方电气集团东方锅炉股份有限公司