嵌入式塔式太陽能熱發(fā)電控制器研制與應(yīng)用

　　崔海朋青島杰瑞工控技術(shù)有限公司（青島266061）

　　摘?要：通過對(duì)塔式太陽能定日鏡追日控制原理進(jìn)行研究，提出了一種基于ARM Cortex-M3芯片的嵌入式跟蹤控制器方案，主要包括模塊化的硬件電路設(shè)計(jì)和μc/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該控制器具有太陽位置計(jì)算、信號(hào)采集處理、控制及以太網(wǎng)通訊等功能。該控制器在定日鏡樣機(jī)中進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該控制器具有追蹤精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)，能滿足塔式太陽能定日鏡的跟蹤要求。

　　關(guān)鍵詞：塔式太陽能熱發(fā)電；Cortex-M3；μc/OS-Ⅱ

　　0 引言

　　塔式太陽能熱發(fā)電通過定日鏡將太陽光線反射到集熱塔的吸熱器，通過汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)由熱能向電能的轉(zhuǎn)換 ^[1-2] 。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)塔式太陽能發(fā)電追蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，取得了顯著的技術(shù)成果 ^[3-5] ?？傮w來看，塔式太陽能追蹤控制系統(tǒng)應(yīng)用最多的為以下幾類：基于單片機(jī)和算法 ^[6-7] 、基于單片機(jī)和光學(xué)傳感器、基于PLC和算法 ^[8] 等。但高精度太陽位置算法在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行大量復(fù)雜的計(jì)算，傳統(tǒng)的單片機(jī)和PLC較難實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)任務(wù)。Cortex-M3架構(gòu)的32bitARM處理器相比傳統(tǒng)的單片機(jī)功耗更低，且其擁有強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，豐富的高性能外設(shè)可以很好地滿足追日控制系統(tǒng)的要求 ^[9] 。此外，μc/OS-Ⅱ是一個(gè)著名的開源嵌入式操作系統(tǒng)，具有內(nèi)核規(guī)模小、可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。本文研制了一種基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的嵌入式太陽能控制器，可應(yīng)用塔式太陽跟蹤控制場合。

　　1 工作原理

　　塔式太陽能跟蹤控制系統(tǒng)主要由基于ARM的嵌入式塔式太陽能控制器、現(xiàn)場檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示屏等構(gòu)成。如圖1所示。

　　嵌入式塔式太陽能控制器計(jì)算出太陽的高度角和方位角信息，根據(jù)定日鏡和吸熱器的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出水平和俯仰角度的值，并將其與上一次的位置比較得到偏差值。控制器根據(jù)偏差值計(jì)算出相應(yīng)的方向和脈沖信息。伺服驅(qū)動(dòng)器通過接受控制器的指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)工作，電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)定日鏡的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的跟蹤?？傊到y(tǒng)由嵌入式太陽能控制器、伺服電機(jī)等組成了一個(gè)角度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件構(gòu)架

　　嵌入式塔式太陽能控制器架構(gòu)如圖2所示，由ARM嵌入式微處理器、電源電路、數(shù)字量輸入電路、模擬量輸入電路、以太網(wǎng)通訊電路、時(shí)鐘電路、儲(chǔ)存電路、GPS電路、看門狗電路、RS485通訊電路、數(shù)字量輸出電路、模擬量輸出電路（保留功能）、RS232通訊電路等組成。

　　控制器中電源電路采用金升陽DC/DC隔離穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)輸入輸出接口的隔離；數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出電路采用光耦實(shí)現(xiàn)隔離，RS232和RS485通訊電路通過光耦電路實(shí)現(xiàn)隔離，提高通訊的抗干擾性。此外，為了保證控制器長期運(yùn)行的可靠性，采用外置硬件看門狗和芯片內(nèi)部的獨(dú)立看門狗的方式進(jìn)行雙重保護(hù)。控制器所有的電子元件均采用寬溫型產(chǎn)品，電路板做三防處理，整套控制器設(shè)計(jì)工作于-30℃~70℃范圍內(nèi)，更加適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境。

　　2.2 主控芯片選型

　　目前，市面上主流的Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片主要有：TI公司的LM3S系列、NXP公司 的LPC1700 系列、ST公司的STM32系列、ATMEL公司的AT91SAM3系列、cypress公司FM3系列。

　　cypress公司生產(chǎn)的FM3系列芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，具有外設(shè)豐富，工業(yè)穩(wěn)定可靠性好等優(yōu)點(diǎn)?；诖耍刂破鞑捎迷撓盗行酒?，型號(hào)為MB9BF618S，CPU時(shí)鐘頻率高達(dá)144MHz，1MB Flash，64KBSRAM，含有2路10/100M 以太網(wǎng)控制器，32通道的ADC接口，8個(gè)UART，154個(gè)GPIO。不論從性能還是從外設(shè)上都完全滿足塔式太陽能控制器的需求。

　　2.3 編碼器輸入模塊設(shè)計(jì)

　　增量式編碼器具有高精度、大量程、反應(yīng)快、數(shù)字化輸出、成本低廉等特點(diǎn)，在本文設(shè)計(jì)的定日鏡控制器中，選用兩個(gè)增量型編碼器來檢測定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并將增量型編碼器通過光耦隔離電路與ARM的編碼器外設(shè)接口連接，實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)閉環(huán)轉(zhuǎn)角偏差的有效消除，所采用的增量型編碼器的精度大于16bit。單只編碼器的接口電路如圖3所示，其中增量編碼器的A、B、Z三相信號(hào)通過PS2805-4高速光耦轉(zhuǎn)換為0~3.3V的脈沖信號(hào)，接入ARM芯片的編碼器外設(shè)接口AIN1_2、BIN1_2和ZIN1_2三個(gè)引腳。

　　2.4 開關(guān)量輸入輸出模塊設(shè)計(jì)

　　在控制器開關(guān)量輸入輸出模塊的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了8DI/8DO的開關(guān)量輸入輸出功能。其中，8路DI中包含2路高速脈沖輸出，其它為低速DI接口；8路DO包括4路繼電器輸出、4路高速脈沖輸出，高速脈沖輸出可以用于伺服驅(qū)動(dòng)器控制。

　　DI接口電路如圖4所示。其中DI1、DI2、DI3和DI4信號(hào)通過PS2805-4高速光耦轉(zhuǎn)換為0~3.3V的高低電平信號(hào)，接入ARM芯片的4個(gè)GPIO接口。DI5~DI8的電路相同，不再贅述。

　　DO接口電路如圖5所示。其中TTL_DO0、TTL_DO1、TTL_DO2和TTL_DO3信號(hào)通過TLP521-4低速光耦轉(zhuǎn)換為0-5V的高低電平信號(hào)，通過三極管放大電路實(shí)現(xiàn)歐姆龍繼電器G5NB-1A的接通和關(guān)閉。DO5~DO8的電路相同，不再贅述。

　　2.5 RS485通訊模塊設(shè)計(jì)

　　RS485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好，最高傳輸速率為10Mbit/s，最大傳輸距離為4 000英尺(1英尺=0.3048米)，具有多站能力，只需要兩根屏蔽雙絞線構(gòu)成的通訊線就可以連接多個(gè)站點(diǎn)。為了方便定日鏡控制器與其他RS485總線型傳感器或者設(shè)備進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)了兩路RS485接口。

　　RS485通信接口模塊電路如圖6所示，采用PS9151高速光耦隔離通訊。該電路為自動(dòng)流電路，只需要連接ARM的RXD和TXD引腳就可以，無需用單片機(jī)引腳連接485芯片的DE RE引腳，即可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收發(fā)功能。D27、D29雙向穩(wěn)壓二極管型號(hào)是SMAJ6.8CA。他們的作用是把A、B引腳對(duì)地的電壓以及A和B引腳之間的電壓，牽制到6.8 V以內(nèi)，保護(hù)485芯片MAX13487E。

　　2.6 雙以太網(wǎng)通訊模塊設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的嵌入式塔式太陽能控制器采用2路硬件完全獨(dú)立的以太網(wǎng)電路來提高控制器的通訊可靠性。每個(gè)以太網(wǎng)電路均可配置不同的IP地址、MAC地址，以此提供可靠的冗余性能，故障時(shí)可自動(dòng)旁路，不影響其他節(jié)點(diǎn)的使用。

　　MB9BF618S內(nèi)部集成兩個(gè)網(wǎng)卡控制器。本控制器用兩個(gè)DP83848作為PHY芯片提供兩個(gè)以太網(wǎng)接口，可自適應(yīng)10M/100M網(wǎng)絡(luò)。RJ45轉(zhuǎn)接頭HR911105A內(nèi)部集成耦合線圈可直接用普通網(wǎng)線連接其他設(shè)備。以太網(wǎng)通訊接口電路如圖7所示。

　　2.7 時(shí)鐘及GPS模塊設(shè)計(jì)

　　控制器采用NEO-6M GPS模塊來獲取經(jīng)緯度、海拔、時(shí)間等參數(shù)，從而進(jìn)行太陽位置的計(jì)算。另外本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙時(shí)鐘來保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定獲取，控制器內(nèi)部的時(shí)鐘模塊可以通過正常的GPS信號(hào)進(jìn)行校時(shí)，而當(dāng)GPS信號(hào)無法正常獲取時(shí)，時(shí)間信息就可以通過內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊來獲取，從而可以保證進(jìn)行準(zhǔn)確的太陽位置計(jì)算。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1μc/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植

　　μc/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)文件一般包含應(yīng)用程序代碼、系統(tǒng)文件、μc/OS-Ⅱ系統(tǒng)配置文件、系統(tǒng)庫函數(shù)、板間支持包BSP、μc/OS-Ⅱ和Cortex-M3 的端口代碼等文件。為了對(duì)μc/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)進(jìn)行移植，需要對(duì)OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM等端口代碼進(jìn)行修改，在修改這部分文件之后，就完成了操作系統(tǒng)的移植。

　　3.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　嵌入式塔式太陽能控制器內(nèi)部運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，多個(gè)子任務(wù)并行運(yùn)行。主要包含：GPS通訊子任務(wù)、氣象采集子任務(wù)、位置測量子任務(wù)、太陽能追蹤子任務(wù)、電機(jī)控制子任務(wù)、電機(jī)監(jiān)測子任務(wù)、儀表通訊子任務(wù)和DCS通訊子任務(wù)。多個(gè)任務(wù)賦予其不同的優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)的不同調(diào)度執(zhí)行任務(wù)，共同完成塔式太陽能定日鏡追蹤和控制功能，程序軟件架構(gòu)如圖8所示。

　　GPS通訊子任務(wù)的主要功能是進(jìn)行經(jīng)緯度、海拔、時(shí)區(qū)等參數(shù)的獲取，從而將其應(yīng)用于太陽位置的計(jì)算；氣象采集子任務(wù)的主要功能是進(jìn)行實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)的獲取，例如風(fēng)速、風(fēng)向、雨雪、云層、輻照信息等，從而可以制定相應(yīng)的避險(xiǎn)策略來應(yīng)對(duì)惡劣的天氣，保護(hù)對(duì)應(yīng)的子程序；位置通訊子任務(wù)的主要功能是進(jìn)行定日鏡實(shí)時(shí)位置角度的獲??；太陽能追蹤子任務(wù)主要功能是塔式定日鏡的手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行控制；電機(jī)控制子任務(wù)的主要功能是實(shí)現(xiàn)水平和俯仰兩伺服電機(jī)的控制；電機(jī)檢測子任務(wù)的主要功能是實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測；儀表通訊子任務(wù)的主要功能是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU通訊，可配置主機(jī)模式或者從機(jī)模式，既可以接觸摸屏，也可以連接相關(guān)的儀表；DCS通訊子任務(wù)的主要功能是實(shí)現(xiàn)嵌入式塔式太陽能控制器與鏡場DCS控制系統(tǒng)之間的通訊。

　　4 試驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證嵌入式塔式太陽能控制器的計(jì)算準(zhǔn)確性與可靠性，本文使用公司塔式定日鏡小型樣機(jī)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，以分析其運(yùn)行特性及跟蹤效果。測試記過如表1所示，從數(shù)據(jù)可以看出，控制器輸入角度信息和理論計(jì)算是相符的，樣機(jī)測試的最大偏差為±0.05°。由此可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于ARM嵌入式控制器可以較好的滿足塔式定日鏡逐日的需求。

　　結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM-Cortex M3架構(gòu)微處理器的可應(yīng)用到塔式太陽能定日鏡逐日控制中的控制器，并對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)方案做了說明。樣機(jī)測試表明，該控制器計(jì)算準(zhǔn)確，跟蹤精度高?？捎糜?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/塔式太陽能熱發(fā)電">塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，應(yīng)用前景良好。

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　　作者簡介：

　　崔海朋（1982—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第82頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。