[0001] 【技术领域】本
发明涉及光热发电技术领域，尤其涉及一种定日镜控制器及其方法。
[0002] 【背景技术】塔式
太阳能光热电站的定日镜场投资占总投资的一半以上，定日镜场由成千上万面定日镜组成，定日镜通常由PLC控制
电机驱动器驱动电机工作。这种PLC加驱动器的方案成本较高。为了降低电站的建设成本，需要找到一种高性价比的控制器。
[0003] 定日镜所采用的减速机有多种类型，按照自
锁能
力分为可以自锁的减速机和不能自锁的减速机，如：蜗轮
蜗杆减速机可以自锁，但是其传动效率较低。为了降低电机的功耗，有的电站开始采用传动效率高的减速机，如：有的电站采用了RV减速机，这种减速机虽然传动效率高，但是存在不能自锁的问题。为了解决定日镜不能自锁的问题，有的项目采用电机抱闸
制动器。定日镜追日的特性决定了电机需要频繁启停，这样工况下，抱闸制动器的使用寿命很难满足电站全生命周期的需要。为了降低定日镜的功耗，需要找到一种既能满足定日镜的最大静态转矩需求，并且传动效率高的
传动系统。
[0004] 定日镜控制器重新上电后，如果控制器不能保存定日镜断电前定日镜的实际
位置，就需要执行归零操作（将定日镜旋转至零位，获取准确的位置信息）。PLC有断电保持寄存器，可以保存定日镜断电时的实际位置，但是PLC内置
电池的使用寿命不能满足电站全生命周期的需要。
[0005] 定日镜所处的位置不同，旋转方向不同，所需要的电机转矩是不同的，定日镜减速机的传动效率不同所需要的电机转矩不同，不同气象条件下所需要的电机转矩也是不同的，如果定日镜的两个旋
转轴都按照最大的转速和最大的转矩来设计，那么电机的功率会比较大，同时给电机供电的电源功率也会比较大，这样电机成本、直流电源成本、镜场
变压器成本等都会增加。需要找到一种可以满足所有工况下定日镜对电机转矩的需求，电机的功率和电源的功率又不需要太大的设计方案。
[0006] 因此，有必要研究一种新型的定日镜控制器及其方法来应对
现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
[0007] 【发明内容】有鉴于此，本发明提供了一种定日镜控制器及其方法，能够在电机输出功率不超过额定值的情况下满足定日镜对电机转矩的需求。
[0008] 一方面，本发明提供一种定日镜控制器，其特征在于，所述控制器包括：中央处理模
块，用于对采集的
信号进行处理、运算及对其他模块进行控制；
电机驱动模块，用于对驱动定日镜动作的电机进行驱动；电机为具有静态转矩的直流无刷电机；
电机
电流监测模块，用于对电机的电流信息进行监测，并将监测信息传送给中央处理模块；当电流大于电流
阈值时，中央处理模块控制电机驱动模块降低电机的转速，实现在电机总功率的约束条件下定日镜对电机转矩的需求；
市电监测模块，用于对控制器的供电
电压进行监测，当电压低于电压阈值时，中央处理模块通过电机驱动模块控制电机停止转动；
电机电枢断电短接模块，用于在直流
母线电压过低时将电机电枢短接，以便电机在被动转动时有足够的保持力矩。
[0009] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，电机的静态转矩与定日镜所需的自锁转矩相匹配；电机静态转矩为定日镜静态转矩除以定日镜的减速比。
[0010] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，定日镜自锁转矩根据定日镜面积、
风速以及定日镜的
姿态计算得到。
[0011] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，使直流无刷电机具有静态转矩是通过磁阻方式或通过加大直流无刷电机的
齿槽转矩来实现的。
[0012] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，通过磁阻方式实现直流无刷电机具有静态转矩的具体方式为：在直流无刷电机的
定子的一端安装与
转子对应的层状矽
钢片，通过多对磁体的相吸相斥来实现直流无刷电机的静态转矩。
[0013] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，控制器还包括直流
电源电压监测模块和
电能泄放模块；直流电源电压监测模块用于监测直流电源母线的电压变化；当监测到直流电源母线电压高于设定值时，由中央处理模块控制电能泄放模块泄放掉多余电能，对控制器进行保护。
[0014] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制器还包括用于存储断电前定日镜关键数据的
铁电存储模块；所述铁电存储模块的存储空间划分为两部分，且分别储存一份所述关键数据，实现数据备份。
[0015] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述关键数据包括断电前定日镜的位置信息、状态信息和所执行的指令信息。
[0016] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制器还包括电机霍尔信号采集模块和/或磁栅信号采集模块，用于采集电机的霍尔信号和/或磁栅信号再经过计算获得定日镜的当前位置。
[0017] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制器还包括定日镜清洗
开关和485通讯模块，分别用于实现定日镜的人工清洗和自动清洗；所述人工清洗具体为：当所述定日镜清洗开关人为闭合后，中央处理模块控制定日镜旋转到与清洗车相适宜的
角度，实现定日镜的人为清洗；清洗完成后，定日镜清洗开关人为打开；
所述自动清洗具体为：上级系统向所述控制器下发清洗指令，并通过所述485通讯模块与清洗
机器人进行通讯，控制机器人对定日镜进行自动清洗；自动清洗时，中央处理模块控制定日镜旋转到与清洗机器人相适宜的角度对定日镜进行清洗；
处于人工清洗或自动清洗状态的定日镜不接受所述控制器的其他指令。
[0018] 另一方面，本发明提供一种定日镜控制方法，其特征在于，所述方法适用于如上任一所述的定日镜控制器；采用具有静态转矩的直流无刷电机驱动定日镜，且电机静态转矩与定日镜所需的自锁转矩相匹配；在
直流母线电压过低时将电机电枢短接，以便电机在被动转动时有足够的保持力矩；当直流电源母线电压高于设定值时，由电能泄放模块泄放掉多余电能，对控制器进行保护。
[0019] 与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：能够在电机输出功率不超过额定值的情况下满足定日镜对电机转矩的需求；避免了在极限工况下由于电机的静态转矩不够造成定日镜失控的现象；能够在直流母线电压过高时泄放掉多余电能，对控制器进行保护；能够保证断电前定日镜关键数据的存储，防止数据丢失，避免了重启时定日镜的归零动作；提高了系统的可靠性和自动化程度。
[0020] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
[0021] 【
附图说明】为了更清楚地说明本发明
实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0022] 图1是本发明一个实施例提供的定日镜控制器的结构
框图；图2是本发明一个实施例提供的直流无刷电机的磁阻制动结构示意图；
图3是本发明一个实施例提供的电能泄放模块的
电路原理图。
[0023] 【具体实施方式】为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0024] 应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025] 在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附
权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
[0026] 本发明的控制器将定日镜控制电路和电机驱动电路全部集成同一块线路板上，具有成本低，可靠性高和方便维修维护的优势。
[0027] 图1是本发明一个实施例提供的定日镜控制器的结构框图。如图1所示，定日镜控制器包括中央处理模块1、两路电机电流监测模块2和3、两路电机驱动模块4和5、两路电机电枢断电短接模块6和7、两路电机霍尔信号采集模块8和9、两路磁栅信号采集模块10和11、铁电存储模块12、以太网通讯模块13、485通讯模块14、手操器
接口模块15、市电监测模块16、电能泄放模块17和定日镜清洗开关接口18。两路电机电枢断电短接模块6和7分别设置在两路电机驱动模块4和5中。
[0028] 中央处理模块1是控制器唯一的智能处理单元，控
制芯片是TI TMS320F28069。外部采集的
信号处理、运算及对电机驱动模块的控制等都是由该芯片完成。控制器通过以太网通讯模块13与上位工程师站通讯，接收工程师站的指令等信息，根据工程师站的设置与指令驱动电机将定日镜旋转至目标位置。
[0029] 电机驱动模块4和5用于驱动电机，包括
水平电机驱动模块4和
俯仰电机驱动模块5。电机驱动模块的驱动芯片为DRV8301，该芯片与中央处理模块的控制芯片通讯并控制MOS管工作，达到驱动电机的目的。
[0030] 电机电流监测模块2和3随时监测电机的电流，并将监测到的电流信息传送给中央处理模块1。中央处理模块1判断电流信息是否超过预设值，当电流大于该设定阈值时，中央处理模块1控制对应的电机驱动模块降低该电机的转速，由于电机的功率=转速*转矩，而转矩=电流*转矩系数，所以当电流增大时通过降低转速可调整其功率，使之满足总功率的约束，从而实现了在电机总功率约束条件下定日镜对电机转矩的要求，即保证了在电机的输出转矩增加时，电机的输出功率不超过额定值。该电流的设定阈值根据不同的电机型号、不同的使用条件可以是不同的。
[0031] 本
申请电机采用特制的具有静态转矩的直流无刷电机，电机的静态转矩与定日镜所需的最大自锁转矩相对应。电机的静态转矩可以在电机末端加装磁阻模块来实现，也可以通过加大电机的齿槽转矩来实现。电机的静态转矩与定日镜所需的最大自锁转矩相对应具体指：定日镜的最大静态转矩，即最大自锁转矩，根据定日镜面积、允许的最大风速以及在大风时定日镜的各种可能姿态等参数计算得到的
最大转矩，电机的最大静态转矩是按照定日镜最大静态转矩除以定日镜的减速比来确定的。
[0032] 采用磁阻制动的方案实现电机静态转矩的具体方法为：加长电机转子，并在电机定子一端安装没有电机线圈的矽钢片组，通过多对与转子
永磁体19相对应的层状矽钢片20的相吸相斥来实现电机的静态转矩，如图2所示。层状矽钢片20可为多层叠放在一起的层状结构，通过增减层状结构中矽钢片的数量，可以增加或者减小电机的静态转矩。
[0033] 在电机驱动模块中，设计有电机电枢断电短接模块，基本工作原理为：电机的三根电源线ABC接到两个继电器的常闭端，如：AB接到继电器1的常闭端，BC接到继电器2的常闭端，当直流电源有电时，继电器吸合，常闭端打开，电机可以正常工作，当直流源没有电时，继电器的常闭端将电机的ABC短接在一起，当电机的外力的作用下旋转时，电机线圈产生的电流会对电机产生制动力矩，电流越大制动力矩越大。控制器监测继电器的吸合情况，当继电器完全吸合后，才会驱动电机工作。这样电枢短接模块不会影响电机的正常运行，又确保了电机在任何情况下都有足够的保持力矩，解决了在大风等极限工况下，由于电机的静态转矩不够造成定日镜失控的问题。
[0034] 市电监测模块16用于监测市电电压的变化，当电压低于某一设定值时，控制器发出电机停止转动的指令，利用直流电源在市电断电后的残留电能，控制电机停止转动。市电监测模块的工作原理就是：220V的交流电经100K
电阻接到一个光耦的输入端，输出端经上拉电阻接到控制芯片的输入管脚，当220V交流电有电时，输入管脚为低电平，没有电时为高电平。当检测到输入管脚为高电平时，说明直流电源的220V供电侧已经断电，直流电源也将很快失电，控制器将控制电机停止旋转。在直流电源的电压降低到不足以开启电机电枢断电短接模块6和7中的继电器时，继电器由于失电自动闭合，从而将电机电枢短接，即：四个继电器分别将两台直流无刷电机的三相线短接。三相线短接后的电机相当于电源
短路处于发电状态的电机，因为绕组的电阻比较小，电机旋转就能产生很大的短路电流，电机的
动能被快速释放，从而使电机瞬时产生极大的制动力矩，电机速度越高，短路电流越大，制动力也越大。这样即使电机的静态转矩不够也不会出现定日镜由于外力的作用而处于失控状态的情况。控制器上电后，电机电枢断电短接模块中的继电器得电自动断开，控制器监测到继电器完全断开后，才允许控制电机旋转，避免了控制电机旋转时电枢还处于短接状态造成器件损坏的问题。
[0035] 控制器还包括直流电源电压监测模块和电能泄放模块17，当监测到电压过高时，自动释放多余的电能。其工作原理是：直流母线电压经电阻分压，得到一个控制芯片TMS320F28069能够采集的电压信号，当监测到直流电源母线电压高于某设定值时，控制电能泄放模块中与泄放电阻串接的
三极管导通，泄放多余电能，使母线电源电压不超过设定值。电能泄放模块的电路如图3所示。由于减速机的传动效率高，在某些工况下（如大风），电机可能处于发电状态，这会造成直流母线电压过高，电能泄放模块17可以在此工况下工作，泄放掉多余的电能，对控制器进行保护。
[0036] 电机霍尔信号采集模块8和9、磁栅信号采集模块10和11是用来确定定日镜当前位置的两种不同的方式。采用电机的霍尔信号HA、HB、HC可以计算出电机旋转的圈数和位置，除以减速机的减速比即可换算出定日镜的当前位置；磁栅尺安装在减速机的
外圈，通过磁栅头与磁栅尺的相对运动产生A、B
正交脉冲信号和Z零三相脉冲信号，通过对该信号的计数及磁尺圆盘直径，也可以计算出定日镜的当前位置。这两种确定定日镜当前位置的方式可以单独使用，也可以同时使用，同时使用可以增加系统的可靠性。
[0037] 定日镜断电前，需要保存定日镜当前的位置信息、状态信息、断电前所执行的指令信息等关键数据，便于重新上电后，定日镜可以快速旋转至目标位置而不需要执行归零操作。铁电存储模块12就是用来保存定日镜当前的位置、指令及状态等信息的。铁电
存储器是一种不需要电池供电的高速掉电不丢失存储器，本发明使用的铁电存储器型号是FM25L04，存储空间是4K。
[0038] 由于用户关注的是断电时刻的数据，这些数据可能存在保存不完整的问题。本发明将铁电存储器的空间划分为两个空间，将全部数据连同校验码以一定的
频率轮流写入铁电存储器的这两个存储区域，即每个空间都保存需要保存的全部数据，实现数据备份。控制器重启后，当第一个存储空间的数据出现校验错误时，就读取第二个存储空间的数据，可以确保至少有一组数据是完整的。铁电存储器具有动态随机存储器的存取速度，并且具有断电后数据不会丢失的特点。定日镜控制器上电后，可以直接读取铁电存储器中断电时的信息，并且不存在如PLC这样的产品由于电池亏电造成数据丢失的问题。
[0039] 为了保证定日镜的
镜面反射率，定日镜需要经常清洗，目前通行的做法是：提前将定日镜置于清洗模式，再用清洗车对定日镜进行清洗，本发明加了定日镜清洗开关接口模块18，当清洗人员将清洗开关打到清洗位置时，定日镜镜面自动旋转至与地面夹角80度并且与清洗道路平行的位置，方便清洗人员驾驶清洗车对定日镜进行人工清洗，清洗完成后，定日镜清洗开关人为打开，若不打开开关则定日镜始终处于不受控的状态；并由控制器将清洗信息上报给上级系统。由于定日镜与清洗车之间没有通讯，无法实现清洗车对定日镜的自动清洗；本发明控制器还设有485通讯模块14，用于定日镜与镜场485接口设备，即与清洗机器人之间的通讯，方便实现定日镜的自动清洗工作。自动清洗时，由上级系统下发自动清洗的指令，中央控制中心一方面控制电机驱动模块驱动定日镜进行旋转，另一方面通过485通讯模块与清洗机器人进行通讯，使清洗机器人和定日镜位置、角度、姿态相互配合，完成自动清洗。清洗状态时，定日镜不再接受上位工程师站通过控制器下发的指令。
[0040] 手操器接口模块15用于连接定日镜手操器，用户可以通过手操器将定日镜旋转到任何定日镜可以到达的位置。
[0041] 本发明的控制器是根据正常运行情况下对电机的最大功率需求来设计，在大风等情况下，由于定日镜的阻力增加，在转速一定的情况下，电机的输出功率可能会超出额定功率。本发明的控制器通过降低电机转速实现在电机功率不超过额定值，并且可以满足定日镜对电机转矩的要求。
[0042] 以上对本申请实施例所提供的一种定日镜控制器及其方法进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本
说明书内容不应理解为对本申请的限制。
[0043] 如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，
硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
[0044] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0045] 应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0046] 上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、
修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
