基于ARM的太阳能发电控制系统的设计与实现
引言
目前，我国国内太阳能自动跟踪器主要有：压差式太阳能跟踪器，控放式太阳跟踪，时钟式太阳跟踪器，比较控制式太阳跟踪器。纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低，本系统采用了精度相对较高的光敏电阻控制的双轴太阳跟踪器的控制方式使光伏电池始终朝向太阳;在天黑后，能够使电池板重新朝向东方，实现日循环运行。
太阳能发电控制系统
传感器结构
该跟踪器的传感器结构见图1。设置一个圆筒形外壳，在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻;其中P1、P3 东西对称安装在圆筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;P2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4 只光敏电阻，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度。
图1 传感器结构示意图
立柱转动式跟踪器
跟踪器的结构见图2。步进电机1固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动)，转动架以及支架固定安装在主轴上，光伏电池、步进电机2 安装在支架上面(光伏电池相对于支架可以转动)，步进电机2 的输出轴连接在光伏电池上。
图2 立柱转动式跟踪器示意图
当光线发生偏移，控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及光伏电池转动;同时控制信号驱动步进电机2 带动光伏电池相对与支架转动，通过步进电机1、步进电机2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪[2]。
MPPT控制器
光伏电池的输出功率与它的工作电压有关(U-P曲线一般呈先上升后下降的光滑曲线，中间的某个电压值取得最大功率)，只有工作在最合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。如：在日照强度为1000W/m2 下，U=24V，I=1A;U=30V，I=0.9A;U=36V，I=0.7A;可见30V的电压下输出功率更大。MPPT(最大功率点跟踪)控制器主要功能是:检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳电池阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪 [3]。图 3为实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的示意图。
图3 MPPT控制实现示意图
扰动电阻 R 和MOSFET 串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动[4]。同时，光伏电池的输出电流和输出电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加，下一周期继续朝同一方向扰动，反之，当太阳能光电板输出功率减少时，表示扰动方向错误，下一周期朝反向扰动，如此反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。
系统硬件设计
系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位，它主要对主回路进行控制，保证 MPPT 算法有效实现，使 DC/DC 变换保持恒压输出，且与 LCD 的人机接口通信。它还在对蓄电池充放电的控制电路起着重要的作用。首先它对光伏电池功率的有效跟踪，使得蓄电池的充电可以得到最大功率的恒压电流。从而避免了光伏电池能量的浪费。其次，主控制器控制的恒压电流也使设计恒压充电的充放电电路变的容易。系统结构框图如图4所示。
图4系统结构框图
驱动电路
光敏电阻采用的型号为GM5516,亮电阻：5-10 K Ω，暗电阻：200K Ω以上。系统通过对4对8路(R1对应图1中的P1,R2对应图1中的P3，R3-R8同理)光敏电阻即时进行A/D采集，将所采集的模拟量转化为数字量，判断方位角和俯仰角的变化，并通过I/O(OUT1-OUT8)给步进电机1个正转或反转脉冲， 控制步进电机转向正确的方向，然后继续进行A/D采集和控制，直到信号差在一定范围之内，此时光伏电池正对太阳。电路示于图5和图6。
图5 光敏电阻采集电路
图6 步进电机驱动电路
步进电机57BYG007，GSP-24RW-046，皆为四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高电平，ULN2803(步进电机驱动芯片，集电极输出)的1脚到4脚依次为高电平，这样就给步进电机1(57BYG007)正转一步的脉冲信号，步进电机正转1.8度;反之，OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高电平，步进电机反转1.8度，GSP-24RW-046驱动原理与之相同。
DC/DC、MPPT电路
系统所采用光伏电池正常工作电压10-14V，工作电流1A左右，所采用的蓄电池为12V-7AH，由于 12V的蓄电池一般需要13-15V的电压为之充电，而光伏电池如果不经过DC/DC处理，无法保证为蓄电池稳压充电。因此通过BOOST升压电路将光伏电池电压升高20V(大功率步进电机需要较大电压，此处可以为将来系统