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定日镜自动跟踪 控制器及方法

阅读：358发布：2020-05-12

专利汇可以提供定日镜自动跟踪控制器及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种定日镜自动跟踪控制器及方法，属于两轴跟踪控制设备。控制器包括：信号采集部件，用于采集时间信号、电气限位开关信号以及磁栅角度信号，并提供给所述中央控制单元；电机驱动部件，用于根据中央控制单元的控制信号对方位电机和俯仰电机进行驱动；中央控制单元，用于所述对信号采集部件采集的信号进行计算，得到定日镜的目标角度和当前角度，根据当前角度和目标角度进行闭环控制，通过电机驱动部件驱动方位电机和俯仰电机运行，实现对定日镜的跟踪控制；供电部件，用于为控制器及各部件供电。本发明的控制器就有集成度高，节省空间的特点，降低了定日镜控制成本。，下面是定日镜自动跟踪控制器及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种定日镜自动跟踪控制器，其特征在于，所述控制器包括：
信号采集部件，用于采集时间信号、电气限位开关信号以及磁栅角度信号，并提供给所述中央控制单元；
电机驱动部件，用于根据中央控制单元的控制信号对方位电机和俯仰电机进行驱动；
中央控制单元，用于所述对信号采集部件采集的信号进行计算，得到定日镜的目标角度和当前角度，根据当前角度和目标角度进行闭环控制，通过电机驱动部件驱动方位电机和俯仰电机运行，实现对定日镜的跟踪控制；
供电部件，用于为控制器及各部件供电。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述电机驱动部件包括驱动单元和电机驱动接口，所述驱动单元包含2个直流无刷电机驱动模块，每个模块由驱动芯片和三相全桥MOSFET构成。
3.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述电机驱动接口包括直流无刷电机驱动接口和霍尔接收电路接口。
4.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述供电部件包括：
直流24电源接口，所述直流24电源接口作为控制器输入电源接口，包括输入防反接电路和过压保护电路；
直流电源，所述直流电源由多个电源芯片组成。
5.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述控制器通过直流24V电源接口给直流电源和驱动单元供电；直流电源(4)输出直流5V和直流15V，并将直流5V转换为直流3.3V，给芯片及其它外围电路供电。
6.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述参数采集部件包括：
时钟电路，用于为中央控制单元提供准确的时间信号；
限位开关接口，用于接收定日镜的电气限位的开关信号；
磁栅尺接口，用于接收定日镜的方位、俯仰两个磁栅角度信号。
7.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述电气限位包括方位初始限位、方位终止限位、俯仰初始限位、俯仰终止限位。
8.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器还包括：
本地控制器接口，用于连接就地控制操作板，控制定日镜上下左右动作；
存储单元，用于存储升级代码和存储参数；
指示灯，用于显示控制器的当前工作状态。
9.一种定日镜自动跟踪控制方法，其特征在于，所述方法基于根据权利要求1至8任一项所述的控制器进行定日镜跟踪控制，所述方法包括以下步骤：
采集时间信号、电气限位开关信号以及磁栅角度信号；
根据定日镜当前位置的经纬度坐标和时间信号计算得到太阳的方位角和俯仰角；
根据太阳的方位角和俯仰角、结构修正参数、定日镜与吸热器的相对位置，计算定日镜镜面的法线方向，即定日镜的目标角度；
根据电气限位开关信号以及磁栅角度信号得到定日镜的当前角度；
对定日镜的当前角度和目标角度进行闭环控制，驱动方位电机和俯仰电机运行，控制方位和俯仰运行到目标角度，使定日镜将太阳光反射到指定的位置。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述结构修正参数包括镜面偏心距、立柱倾斜角度、轴非正交偏角和镜面参考面相对俯仰轴的倾斜角度。

说明书全文

定日镜自动跟踪 控制器及方法

技术领域

[0001] 本专利涉及两轴跟踪控制设备，特别涉及一种塔式太阳能光热发电的定日镜自动跟踪控制器及方法。

背景技术

[0002] 塔式太阳能光热发电的工作原理是通过定日镜将太阳光聚集到吸热塔上的吸热器，并将汇集到吸热器的热能转化为电能。定日镜场地占地面积一般较大，远端的定日镜距吸热塔通常一千米以上，所以需要定日镜的跟踪精度很高，否则太阳光就不能被反射到吸热器，该定日镜的发电效率就为零。同时，太阳能热发电站中定日镜数量多，通常有上万台，这就要求定日镜具备高精度和低成本两个特性。

[0003] 现有技术中的较多，有采用PLC控制伺服电机来实现，也有采用单片机控制变频器加旋转编码器实现的，也有采用单片机控制变频器加磁栅尺实现的，也有采用DSP控制伺服电机或步进电机实现的。这些控制系统共同的特点是控制器与电机驱动单元分体独立结构，因此体积大，成本高，设备维护或维修难度高等缺陷。发明内容

[0004] 本发明的目的在于实现将定日镜跟踪控制系统需要的所有功能集成到一个控制器内，实现了低成本，并使生产和维护过程的简单化。

[0005] 根据本发明的第一方面，提供一种定日镜自动跟踪控制器，所述控制器包括：

[0006] 信号采集部件，用于采集时间信号、电气限位开关信号以及磁栅角度信号，并提供给所述中央控制单元；

[0007] 电机驱动部件，用于根据中央控制单元的控制信号对方位电机和俯仰电机进行驱动；

[0008] 中央控制单元，用于所述对信号采集部件采集的信号进行计算，得到定日镜的目标角度和当前角度，根据当前角度和目标角度进行闭环控制，通过电机驱动部件驱动方位电机和俯仰电机运行，实现对定日镜的跟踪控制；

[0009] 供电部件，用于为控制器及各部件供电。

[0010] 进一步的，所述电机驱动部件包括驱动单元和电机驱动接口，所述驱动单元包含2个直流无刷电机驱动模块，每个模块由驱动芯片和三相全桥MOSFET构成。

[0011] 进一步的，所述电机驱动接口包括直流无刷电机驱动接口和霍尔接收电路接口。

[0012] 进一步的，所述供电部件包括：

[0013] 直流24电源接口，所述直流24电源接口作为控制器输入电源接口，包括输入防反接电路和过压保护电路；

[0014] 直流电源，所述直流电源由多个电源芯片组成。

[0015] 进一步的，所述控制器通过直流24V电源接口给直流电源和驱动单元供电；直流电源(4)输出直流5V和直流15V，并将直流5V转换为直流3.3V，给芯片及其它外围电路供电；

[0016] 进一步的，所述参数采集部件包括：

[0017] 时钟电路，用于为中央控制单元提供准确的时间信号；

[0018] 限位开关接口，用于接收定日镜的电气限位的开关信号；

[0019] 磁栅尺接口，用于接收定日镜的方位、俯仰两个磁栅角度信号。

[0020] 进一步的，所述电气限位包括方位初始限位、方位终止限位、俯仰初始限位、俯仰终止限位。

[0021] 进一步的，所述控制器还包括本地控制器接口，用于连接就地控制操作板，控制定日镜上下左右动作。

[0022] 进一步的，所述控制器还包括存储单元和指示灯。

[0023] 根据本发明的第二方面，提供一种定日镜自动跟踪控制方法，所述方法基于以上任一方面所述的控制器进行定日镜跟踪控制，所述方法包括以下步骤：

[0024] 采集时间信号、电气限位开关信号以及磁栅角度信号；

[0025] 根据定日镜当前位置的经纬度坐标和时间信号计算得到太阳的方位角和俯仰角；

[0026] 根据太阳的方位角和俯仰角、结构修正参数、定日镜与吸热器的相对位置，计算定日镜镜面的法线方向，即定日镜的目标角度；

[0027] 根据电气限位开关信号以及磁栅角度信号得到定日镜的当前角度；

[0028] 对定日镜的当前角度和目标角度进行闭环控制，驱动方位电机和俯仰电机运行，控制方位和俯仰运行到目标角度，使定日镜将太阳光反射到指定的位置。

[0029] 进一步的，所述结构修正参数包括镜面偏心距、立柱倾斜角度、轴非正交偏角和镜面参考面相对俯仰轴的倾斜角度。

[0030] 本发明的有益效果：

[0031] 采用了外部存储器实时保存磁栅角度信息，重新上电，角度信息不丢失，实现了绝对测角功能，解决了重新上电，需要方位和俯仰归零的问题，节省能源和节约时间。

[0032] 采用了网络升级控制器代码形式，实现了控制器代码的大规模快速升级，便于编程实现，节省劳动力。

[0033] 控制器集成了2台直流无刷驱动器，集成度高，节省空间，降低了定日镜控制成本。附图说明

[0034] 图1示出根据本发明的定日镜自动跟踪控制器的系统结构图；

[0035] 图2示出定日镜的目标角度的计算过程示意图；

[0036] 图3示出根据定日镜的当前角度和目标角度进行闭环控制的示意图。

[0037] 其中，1-直流24V接口；2-驱动单元；3-电机接口；4-直流电源；5-存储单元；6-中央控制单元；7-网络控制器；8-以太网接口；9-指示灯；10-时钟电路； 11-限位开关接口；12-磁栅尺接口；13-本地控制接口。

具体实施方式

[0038] 现结合附图对本发明作进一步的描述。

[0039] 本发明提供一种定日镜自动跟踪控制器，包括直流电源、存储单元、中央控制单元、网络控制器、以太网接口、指示灯、时钟电路、限位开关接口、磁栅尺接口、本地控制接口。

[0040] 中央控制单元核心采用32位浮点DSP芯片，集成了定日镜的通信和跟踪控制算法。驱动单元由2个驱动模块组成，每个模块由驱动芯片和三相全桥 MOSFET构成。网络控制器是由网络芯片搭建的以太网控制电路。由上位计算机通过以太网络下发控制器程序代码，进行程序更新；上位计算机将新程序代码由以太网传输并先保存到存储单元，待新程序全部传输完成，中央控制单元更新程序代码。存储单元用于包括网络参数、位置参数、控制参数等的数据保存。

[0041] 初次上电时，通过限位开关及增量式磁栅尺初始化角度，并在存储单元(5) 实时存储角度，实现重新上电后，角度不丢失。

[0042] 本地控制接口与本地控制手柄连接，控制定日镜上下左右运行。本地控制手柄由一个两档旋钮开关及两个三档旋钮开关组，共用15V电源线，当本地控制手柄对应的开关导通时，对应开关状态为15V高电平。

[0043] 实施例

[0044] 参考图1，本发明涉及一种用于塔式太阳能光热发电的定日镜自动跟踪控制器，通过控制方位电机和俯仰电机，使定日镜将太阳光反射到指定的位置。定日镜跟踪控制器包括：直流24V接口1、驱动单元2、电机驱动接口3、直流电源 4、存储单元5、中央控制单元6、网络控制器7、以太网接口8、指示灯9、时钟电路10、限位开关接口11、磁栅尺接口12、本地控制接口13。

[0045] 控制器的供电是直流24V，给直流电源4和驱动单元2供电；直流电源4输出直流5V和直流15V，以及将直流5V转换为直流3.3V，给芯片及其它外围电路供电；存储单元5用于存储升级代码和存储数据；时钟电路10为中央控制单元6提供高精度的时间信号；通过以太网接口8与计算机通讯；定日镜旋转的当前位置由限位开关及磁栅尺精确测量；定日镜的目标位置通过公式计算得到；指示灯9显示控制器的当前工作状态；本地控制接口13连接本地控制操作板，控制定日镜上下左右动作。

[0046] 所述直流24电源接口1：控制器输入电源接口，包括输入防反接电路和过压保护电路。

[0047] 所述驱动单元2：包含2个直流无刷电机驱动模块，每个模块由驱动芯片和三相全桥MOSFET构成。

[0048] 所述电机接口3：包括直流无刷电机驱动接口和霍尔接收电路接口。

[0049] 所述直流电源4：由多个电源芯片组成，将直流24V降压为直流5V、直流 15V，以及将直流5V转换为直流3.3V，给芯片及其它外围电路供电。

[0050] 所述存储单元5：采用掉电不丢失存储器，用于存储升级代码和存储数据，需要保存的数据包括网络参数、位置参数、控制参数等。

[0051] 所述中央控制单元6：采用32位浮点芯片，集成了定日镜的通信和跟踪控制算法。

[0052] 所述网络控制器7：中央控制单元6通过网络芯片，使用TCP通信协议与上位计算机通信。

[0053] 所述以太网接口8：采用内含变压器RJ45网口。

[0054] 所述指示灯9：显示控制器的工作状态，包括通信、故障、心跳等信息。

[0055] 所述时钟电路10：采用高精度时钟电路，为中央控制单元(6)提供准确的时间信号，用于计算太阳角度。

[0056] 所述限位开关接口11接收定日镜的4个电气限位开关信号，4个限位包括方位初始限位、方位终止限位、俯仰初始限位、俯仰终止限位，其中初始限位和增量磁栅尺可以获得精确的角度信息。

[0057] 所述磁栅尺接口12接收定日镜的方位、俯仰两个磁栅角度信号。

[0058] 所述本地控制器接口13连接就地控制操作板，可以控制定日镜上下左右动作。

[0059] 参考图2，根据定日镜所处位置的经纬度和时间通过太阳天文公式，计算得到太阳的方位角和俯仰角；根据结构修正参数、太阳的方位角和俯仰角、定日镜与集热器的相对位置，通过方位俯仰跟踪公式计算定日镜镜面的法线方向，即定日镜的目标角度。其中结构修正参数包括镜面偏心距、立柱倾斜角度、轴非正交偏角和镜面参考面相对俯仰轴的倾斜角度。

[0060] 参考图3，由限位开关和磁栅尺可以得到定日镜的当前角度，根据定日镜的当前角度和目标角度进行闭环控制，驱动方位电机和俯仰电机运行，控制方位和俯仰运行到目标角度，使定日镜将太阳光反射到指定的位置。

[0061] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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