专利名称：定日镜跟踪控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种塔式太阳能热电站中定日镜跟踪控制装置，具体的讲是 在塔式太阳能热电站中，定日镜场实时跟踪太阳，将太阳光线聚集到电站接受塔 顶部集热器内，属于太阳能热利用中的高精度跟踪控制技术领域。
技术背景定日镜是塔式太阳能热发电站的重要组成部分，用于跟踪并反射太阳光线进 入位于接收塔顶部的集热器内，主要由镜面(反射镜)、镜架(支撑结构)、跟踪传 动机构及其控制系统等组成。目前常见的定日镜跟踪控制系统，按照被控制量对控制量是否存在着反馈可 分为开环、闭环和开闭环混合控制方式。开环控制是采用太阳运行规律、定日镜 所在的位置(经纬度)、集热器的位置以及和定日镜的距离关系等，计算定日镜 的控制方向，此类控制的缺点是由于机械加工精度和执行机构等原因会存在累积 误差，误差较大，需要定期校正，优点是费用低、控制简单；闭环控制是采用光 电跟踪传感器检测太阳光的位置，从而控制执行机构运动，达到准确聚集太阳能 的效果，这种控制的优点是控制精度较高，致命的缺点是当多云或阴雨天时，感 光元件在稍长时间段接受不到太阳光，导致跟踪系统的失效，甚至引起执行机构 的误操作。 发明内容发明目的本实用新型的目的是为了精确跟踪太阳，实时准确地将太阳光反 射到集热器，而提供一种定日镜跟踪控制装置；该装置采用开、闭环结合的控制 方式，开环粗略计算调整定日镜的位置，闭环校正，消除累积误差，实现太阳光 的精准跟踪。技术方案本实用新型所述的定日镜跟踪控制装置，由主控制器和闭环跟踪 传感器两部分组成；主控制器包括DSP控制电路、RTC实时时钟、数字信号输 入输出单元、模拟信号输入单元、信号放大电路、外部存储器、人机交互装置和 显示装置、看门狗电路、异步电机、 一路串口通信接口与监控计算机通信、 一路 串口通信接口与方位角和高度角编码器通信。所述的DSP控制电路分别与所述的数字信号输入输出单元、模拟信号输入单 元、外部存储器、人机交互装置和显示装置、看门狗电路、RTC实时时钟以及两 路串口通信接口相连接。
所述的监控计算机通过光电隔离RS485接口与DSP控制电路相连，完成各种 控制命令的发送，包括定日镜返回原点命令、翻转命令、等待点跟踪命令、接受 靶跟踪命令和实时状态査询命令等，并实现计算太阳光线高度角和方位角的功 能。
所述的闭环跟踪传感器将入射的太阳光信号转换成电信号，通过信号放大电 路放大电信号，经过模拟信号输入单元，由DSP控制电路采集。
所述的异步电机分为高度角和方位角电机，由DSP控制电路发送控制脉冲， 驱动异步电机正转、反转、停机。
所述的串口通信接口为RS232、 RS485、 RS422或RS423。
所述的人机界面装置为键盘或触摸屏。
所述的显示装置为LCD或显示器，所述的外部存储器为Flash和SRAM。 所述的看门狗电路防止装置程序跑飞、死机。
本实用新型采用双轴跟踪控制，监控计算机发送各种控制命令，并根据太阳 运行轨道计算出太阳每时每刻的位置，即太阳光线相对于水平面的方位角和高度 角，将数据发送至DSP控制器，DSP控制器通过程序计算得到定日镜在方位角和 高度角方向转动的角度，控制装置输出控制脉冲，驱动异步电机按设定的方向、 位置转动，再通过编码器不断获取定日镜高度、方位角度值，达到预定位置，实 现开环控制。闭环跟踪传感器在定日镜开环控制预定位置附近进行精确定位，实 现闭环跟踪。
有益效果与现有设计相比，本实用新型有如下优点1、结合了开、闭环 控制的优点，即不会出现累积误差，也不会因阴雨多云天气导致跟踪系统的失效， 达到了定日镜的精准跟踪，跟踪精度小于3. 5mrad，超调量小于3. 5%。 2、采用 DSP作为处理器，由于其强大的数据运算能力和极高的运算速度，为复杂的控制 算法提供了平台，提高了跟踪反应速度。3、功耗和成本低，形成模块化结构， 利于商业化。
图l为本实用新型控制原理图。图2为本实用新型定日镜跟踪控制装置的结构框图。 图3为定日镜跟踪控制装置跟踪实施示意图。 图4为本实用新型跟踪传感器A-A截面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。图1是本实用新型的控制原理图，其采用双轴结构，分别为立轴和横轴机构， 控制定日镜方位角和高度角方向的转动。由于太阳的相对运动，当太阳入射光产 生偏离误差超过容许值时，监控计算机根据太阳运行规律和定日镜经纬度等计算 入射太阳光方位角和高度角，并发送至控制器，控制器输出控制脉冲，驱动方位 角、高度角电机按设定的方向、位置转动，再实时读取高度、方位角编码器角度 值，达到预定位置，实现开环控制。闭环跟踪传感器在定日镜开环控制预定位置 处进行精确定位，修正太阳入射光的偏离误差，当太阳入射光的偏离误差消除后， 控制器控制异步电机停止转动，完成一个控制周期。当下一次太阳入射光偏离误 差产生时，重复以上的控制过程，实现定日镜的精准跟踪。图2为本实用新型的具体实施例，本实用新型由主控制器和闭环跟踪传感器 组成。如图2所示，主控制器包括DSP控制电路、RTC实时时钟、数字信号输 入输出单元、模拟信号输入单元、信号放大电路、外部存储器、人机交互装置和 显示装置、看门狗电路、异步电机、 一路串口通信接口与监控计算机的通信，一 路串口通信接口与方位角和高度角编码器通信。采用RS485接口为串口通信接 口，键盘为人机界面装置，液晶(LCD)为显示装置。闭环跟踪传感器采集太阳光 照强度和东西南北四个方向的电信号，其电路连接方式为连接信号放大电路将 电信号放大，DSP控制电路检测模拟信号输入单元的四个方向电信号，通过比较 算法和组合式控制算法，驱动相应方向电机转动。监控计算机和方位角、高度角 编码器通过两路光电隔离RS485接口与控制器通信。外部存储器通过DSP总线与 DSP控制电路相连。键盘包括数字输入、小数点输入、上下翻页、确认、取消等 功能。LCD显示液晶菜单，连接DSP控制电路的输出引脚。实施例的可变方案还包括串口通信接口为RS232、 RS485、 RS422或RS423， 人机界面为键盘或触摸屏，显示装置为LCD或显示器。图3为控制装置跟踪实施示意图。其中l:定日镜；2:定日镜镜面中心点； 3:太阳入射光线；4:太阳反射光线；5:定日镜面中心点法线；6:闭环跟踪传感器；7:集热器。当太阳相对运动时，通过调整定日镜面角度，使定日镜面中 心点、闭环跟踪传感器与集热器中心点始终三点一线。
图4为闭环跟踪传感器A-A截面图。其中8:跟踪传感器金属外壳；9:跟 踪传感器隔板；10:光电池I; 11:光电池II; 12:光电池III; 13:光电池IV。 闭环跟踪传感器放置在定日镜面中心点正前方，与集热器中心、镜面中心三点一 线。它采用四块光电池，安装在一个圆柱形的传感器壳内，每对光电池被中间隔 板隔开，对称地放在隔板两侧，分别代表东、西、南、北四个方向。当镜面对准 太阳时，太阳反射光线平行于隔板，四块光电池感光量相等，输出电信号相同。 当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在光电池上，使其中某个方向的光电池感光 量不等，输出电信号也随之变换。控制器采集到某个方向的电信号变化，通过控 制算法，控制异步电机运动，直到四块光电池输出电信号再次相同，停止电机运 动。
工作方式如下定日镜跟踪控制装置在正常跟踪运行模式时，控制器从RTC 实时时钟电路获得日期和时间(日期和时间可由监控计算机不断进行校准)，并显 示在LCD， LCD菜单包括当前时间显示、定日镜手动控制、快速移动、跟踪运
行、定日镜初始点坐标设置、当前系统状态和与监控计算机通信状态等，用户可 方便的通过键盘对各种功能进行设置。
在开、闭环结合控制时，控制器控制异步电机达到开环控制位置时，闭环跟 踪传感器从闭环跟踪传感器采集到太阳光照强度和东西南北四个方向的电信号，
通过比较算法，驱动电机闭环粗调，在闭环精准调节时，采用增量式数字PID 算法与分形修正的PID算法相结合的控制算法，实现定日镜精准跟踪。闭环跟踪 结束后，控制装置再次进入开环控制状态。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等 效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
权利要求1、一种定日镜跟踪控制装置，其特征是它包括主控制器和闭环跟踪传感器，主控制器包括DSP控制电路、RTC实时时钟、数字信号输入输出单元、模拟信号输入单元、信号放大电路、人机界面装置和显示装置、看门狗电路、异步电机、一路串口通信接口与监控计算机通信、一路串口通信接口与方位角和高度角编码器通信；所述的DSP控制电路分别与所述的数字信号输入输出单元、模拟信号输入单元、外部存储器、人机界面装置和显示装置、看门狗电路、RTC实时时钟以及两路串口通信接口相连接。
2、 根据权利要求l所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是闭环跟踪传感器 将入射的太阳光信号转换成电信号，通过信号放大电路放大电信号，经过模拟信 号输入单元，由DSP控制电路采集。
3、 根据权利要求l所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是所述的异步电机 分为高度角和方位角电机，由DSP控制电路发送控制脉冲，驱动异步电机正转、 反转、停机。
4、 根据权利要求l所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是跟踪控制装置还 包括外部存储器，所述的外部存储器通过DSP总线与DSP控制电路连接，用于控 制器程序与数据的存放。
5、 根据权利要求1或2所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是所述的闭环 跟踪传感器采用四块光电池，不相邻的光电池组成一对，分成两对，每对光电池 被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧，当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在 光电池上，使其中某个方向的光电池感光量不等，输出电信号也随之变化。
6、 根据权利要求l所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是所述的人机界面 装置为键盘、触摸屏或鼠标。
7、 根据权利要求l所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是所述的显示装置 为LCD或显示器。
8、 根据权利要求l所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是所述的串口通信 接口为RS232、 RS485、 RS422或RS423。
9、 根据权利要求l所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是所述的外部存储 器为Flash或SRAM。
专利摘要本实用新型公开了一种定日镜跟踪控制装置，它包括主控制器和闭环跟踪传感器，DSP控制电路分别与数字信号输入输出单元、模拟信号输入单元、外部存储器、人机界面装置和显示装置、看门狗电路、RTC实时时钟以及两路串口通信接口相连接。一路串口通信接口与监控计算机通信、一路串口通信接口与方位角和高度角编码器通信。本实用新型有如下优点结合了开、闭环控制的优点，既不会出现累积误差，也不会因阴雨多云天气导致跟踪系统的失效，达到了定日镜的精准跟踪。采用DSP作为处理器，由于其强大的数据运算能力和极高的运算速度，为复杂的控制算法提供了平台，提高了跟踪反应速度。功耗和成本低，形成模块化结构，利于商业化。
文档编号F24J2/38GK201221862SQ20082003477
公开日2009年4月15日 申请日期2008年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者刘德有, 卞新高, 潘文霞, 苏 郭, 郭铁铮, 钱艳平, 强 陈 申请人:河海大学