基于球面机构的太阳跟踪装置控制系统的研究

摘要

科学家们公认，太阳能是未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代能源。目前太阳能利用转化率约为10％～20％。理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7％。研究开发太阳能双轴跟踪装置，可以提高太阳能的接收效率，拓宽太阳能的利用领域。 本文研究的内容是基于球面机构的太阳跟踪装置的控制系统。该跟踪机构采用三自由度并联球面机构，实现了对太阳高度角和方位角的实时跟踪，冗余自由度增加了系统的刚度。导出了球面机构的位姿反解，得出机构的输入角，并针对太阳跟踪装置的工作要求，提出了利用单片机实现实时跟踪的控制方案。系统采用主动式跟踪，即预先计算好对应于某时刻太阳位置的跟踪机构的输入角度，通过跟踪器上平台不同位置上摆放的光电传感器感受该太阳位置的光照，反馈回电信号，单片机根据该信号调用子程序发出脉冲对步进电动机的转动角度和方向进行控制，实现了机构对太阳的自动跟踪，使跟踪装置的上平台始终处于垂直于光照方向，达到了能量最大限度的接收。控制系统硬件选用Atmel公司的At89c51(与Intel公司MCS-51系列兼容)作为控制核心来控制机构的执行部件——步进电动机。完成了单片机外围硬件电路的设计和相应的软件的设计。系统驱动器采用了与步进电机配套的专用集成模块，具有强抗干扰性、高频性能好、结构简单、运行平稳等特点。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1-1利用太阳能的意义

§1-2太阳跟踪方式的发展概况

§1-3一种全自动太阳跟踪器简介

§1-4本课题主要研究内容及意义

第二章太阳跟踪装置的机构的设计及运动分析

§2-1新型太阳跟踪装置

§2-2三自由度并联球面机构的参数及特点

2-2-1并联机构参数的选取

2-2-2并联球面机构的结构特点

§2-3三自由度并联球面机构的结构设计

2-3-1机构的结构设计

2-3-2机构结构参数

§2-4三自由度并联球面机构的位姿反解

2-4-1几何关系的推导

2-4-2矢量W1、W2、W3的方向余弦

2-4-3由机构约束条件导出位姿反解

第三章控制系统的总体方案设计

§3-1控制系统的选取

3-1-1开环控制系统

3-1-2闭环控制系统

§3-2单片机控制系统

§3-3基于球面机构的太阳跟踪器控制方式

3-3-1控制系统工作原理

3-3-2步进电动机的单片机控制

§3-4控制系统原理图

第四章控制系统硬件设计

§4-1统参数的确定及减速器的设计

4-1-1减速器的设计

4-1-2传动装置参数的确定

§4-2步进电动机工作原理

4-2-1控制电机在自动控制系统中的作用

4-2-2反应式步进电机工作原理

§4-3步进电动机的驱动

4-3-1步进电动机的环型分配器

4-3-2步进电动机的驱动电路

§4-4步进电动机及其驱动器型号的选择

4-4-1步进电动机型号的确定

4-4-2驱动器型号的确定

§4-5传感器型号的选择

4-5-1传感器定义

4-5-2传感器的作用及分类

4-5-3光电传感器

第五章控制系统软件及程序编制

§5-1 89c51单片机简介

5-1-1 AT89c51Flash单片机

5-1-2震荡器和CPU工作方式

§5-2控制系统程序设计

5-2-1步进电机转动角度计算

5-2-2程序设计

第六章结论和展望

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果