嵌入式碟式太阳能热发电控制器研制与应用

，16通道的ADC接口，5个UART，80个GPIO。不论从性能还是从外设上都完全满足碟式太阳能控制器的需求。为了提高控制器的可靠性，所有的电子元件选型都选用宽温型(-40℃~+85℃)，输入输出接口电路采用光耦和隔离电源进行隔离。

3.2 嵌入式碟式太阳能控制器软件设计

嵌入式碟式太阳能控制器ARM微处理器内部运行嵌入式操作系统，多个任务同时运行。主要包含：GPS通讯子任务、风速采集子任务、光学追日传感器子任务、太阳能追踪控制子任务、数学模型解算子任务、伺服电机状态检测子任务、显示屏通讯子任务和DCS通讯子任务等构成。多个任务协同工作，共同完成碟式太阳能定日镜的追踪和控制功能。程序流程图如图4所示。

GPS通讯子任务主要完成太阳位置算法相关的经纬度、海拔、时区、时间等变量的读取。当GPS信号正常时，可以对控制器内部的时钟模块进行校时。当GPS信号弱或者信号丢失后，将自动切换到内部的实时时钟模块，来获取时间信息，以保证太阳位置算法的准确性。

风速采集子任务主要来获取实时的风速，执行大风保护程序。当风速传感器检测到风等级大于8级时，程序进入大风保护子程序，并将定日镜快速回到保护位置。当风力减弱后，程序跳出大风保护子程序，继续执行太阳跟踪程序，使定日镜继续回到工作位置，继续跟踪。

光学追日传感器子任务主要来采集太阳光照射位置信息，反馈“角度闭环”控制的误差信息，在光照良好的条件下，实现自动机械误差调整的功能。

太阳能追踪控制子任务主要来实现碟式定日镜的手动和自动运行控制。程序首先判断系统的控制方式，如果在自动模式下，程序执行自动控制的逻辑程序，若不在自动模式则系统进入手动模式。为了减少伺服电机的动作时间，程序采取跟踪偏差PID控制的方式，子程序实时计算碟式太阳能定日镜的跟踪角度并与定日镜的当前角度进行比较，在两者误差大于一定偏差值时，程序执行跟踪指令。系统的工作时间可以进行设置，当追踪角度大于一定角度时，系统开始工作，等到日落时，控制器发出指令，使定日镜快速运动到保护位置，等待次日启动。

数学模型解算子任务主要来实现太阳实时高度角和方位角根据实际的机械结构模型换算成定日镜的高度角和方位角，该算法和机械结构模型的准确性息息相关，属于空间三维坐标实时解算，计算量非常大。

伺服电机状态检测子任务主要来依靠通讯来实现、伺服电机驱动器配置有RS485通讯接口，通过通讯协议获取驱动器的报警信息，可实现过压、过流、短路、断相、过温、过载保护功能。比如，水平传动机构是通过2台伺服电机同步驱动一个减速机构来实现，如果两台伺服电机某一台出现故障时，就不能实现同步功能，此时必须将另外一台也停止下来，否则会引起减速器的损坏。因此，伺服电机状态对于设备保护起着非常重要的作用。

显示屏通讯子任务主要来实现碟式太阳能定日镜运行状态的监控、系统参数和报警参数的设置，实时数据和历史数据的存储等。

DCS通讯子任务主要来实现控制器与镜场DCS控制系统之间的通讯。

4 碟式太阳能控制器应用及效果

应用本文研制的嵌入式ARM碟式太阳能控制器、开发了一套碟式太阳能就地控制系统，用于驱动碟式太阳能定日镜，以分析碟式太阳能定日镜在不同年份不同季节的运行特性和跟踪效果。

4.1 应用

本文设计的碟式太阳能跟踪控制器应用于山东德州的碟式太阳能小型示范项目中，该示范项目2012年建成，至今稳定运行5年有余。

4.2 测试效果

选取2015-2016两年夏至日进行跟踪数据记录测试，记录一天内定日镜的理想追踪角度以及定日镜测量角度的数据，差值作为跟踪误差来进行数值分析。表1为本系统ARM控制器计算出的太阳跟踪角度、定日镜的测量角度对比表格。从表中可以直观的看出定日镜测量角度变化趋势与设计的跟踪策略是一致的。当跟踪偏差设置为0.05°时，实测最大偏差为0.05°从近几年的数据分析来看，基于ARM控制器的碟式跟踪控制系统满足碟式太阳能光热发电的要求。

5 结论

本文设计了一种基于ARM-Cortex M3架构单片机的碟式太阳能跟踪控制器，并且应用到碟式太阳能定日镜中，进行了应用并分析了应用效果。本文设计的自动追日系统采用连续跟踪驱动方式，采用光学闭环和角度闭环两种闭环控制方式，实际运行结果表明最大跟踪误差可控制在±0.05°以内，在遇到大风等恶劣天气时，装置能快速返回到保护位置。该控制器具有成本低、跟踪精度较高、便于自动控制等特点，是适用于碟式太阳能光热系统的跟踪效果较好的一种跟踪控制方式，具有较高的实用性和广阔的应用前景。

参考文献：

[1]黄素逸,黄树红.太阳能热