太阳能跟踪系统设计.doc

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1、Harbin Institute of Technology 课程名称： 自动控制元件 院 系： 航天学院控制科学与工程系 班 级： 设 计 者： 指导教师： 设计时间： 2011年12月 摘要能源是人类生存的基础，当前，人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，而太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，同时太阳能也存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使当前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。而太阳光线自动跟踪装置能有效地解决太阳能利用率不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了自动跟踪系统控制部分设计和机械设计。第一，控制部分设计：主要包括

2、传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻，将九个完全相同的光敏电阻成九宫装放置于一块电池板上。当九个光敏电阻接收到的光强度不相同时，产生电流信号。电流通过信号转换电路生成脉冲信号，然后脉冲信号通过运放比较电路将信号送给单片机。通过给单片机录入程序使单片机驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。第二，机械部分设计：机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。通过以上原件实现了水平方向和垂直方向的跟踪。当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪。同

3、时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动。关键词 太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机1绪论51.1课题来源51.2课题背景51.2.1能源现状及发展51.3课题研究的目的61.4研究课题的意义61.5太阳能利用的国内外发展现状71.6太阳追踪系统的国内外研究现状71.7论文的研究内容82太阳能自动跟踪系统总体设计92.1太阳运行的规律92.2跟踪方案的比较选择92.2.1视日运动轨迹跟踪92.2.2光电跟踪112.2.3系统跟踪方式的选择123机械设计部分123.1跟踪器机械执行部分比较选择123.1.1立柱转动式跟踪器133.1.2陀螺仪式跟踪器

4、143.1.3齿圈转动式跟踪器143.2太阳能自动跟踪系统机械设计方案163.3第一齿轮转动计算173.4第二齿轮转动计算183.5抗风性分析184电机选择194.1电机所需静力矩计算194.1.1电机1静力矩194.1.2电机2静转矩204.2电机选择214.2.1 电机的主要种类及其相应特性及特点214.2.2电机种类的选择244.3步进电动机介绍264.3.1总述264.3.2步进电机的主要特性274.3.3步进电机型号的选择295传感器的选择375.1光电传感器375.1.1光电探测器375.1.2典型光敏电阻传感器395.1.3高精度光敏传感器 415.1.4日晷式太阳传感器435.

5、1.5五象限光电传感器435.1.6太阳敏感器455.2光电传感器的确定465.3风速传感器476自动跟踪系统设计486.1系统总体结构486.2系统流程图496.2.1系统主流程图496.2.2风速测试子流程图496.2.3光照强度测试子流程图506.3系统控制图516.4外围电路517相关理论性能指标分析与计算：537.1分辨率537.2发电效率537.3系统运转角度547.4电机负载启动频率547.5成本分析及收益计算558结论558.1设计过程的概述558.2展望568.3感想及心得561绪论1.1课题来源模拟生产实际课题:太阳能自动跟踪系统设计。1.2课题背景1.2.1能源现状及发展

6、目前，人类生存主要依靠的能源是以石油、煤炭、天然气为主的矿物燃料。众所周知，这类矿物能源是不可再生能源，包括我国在内的很多国家都在认真积极的探索新能源以及可再生能源的开发和利用。而在众多新型能源中，太阳能作为一种清洁、可再生、利用成本低、安全的新型能源，在众多新能源中脱颖而出。而就现阶段的应用来看，太阳能也是当之无愧的最有新型能源。1.2.2我国太阳能资源我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。全国2/3地区日照小时数大于2200h/a ，理论储量折合标准煤达171011t/a 。丰富区位于吐哈、柴达木、二连、银额盆地；较丰富区位于塔里木、准噶尔、鄂尔多斯、松辽及渤海湾盆地。目前利用太阳光光能

7、发电已成为主流，中国也在加紧研发光伏电池和如何降低成本等问题。1.2.3目前太阳能的开发和利用人类直接利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。太阳能的光电转换方面，现阶段的太阳能电池板对太阳能的转换率普遍达到了15%。太阳能的光化学转换主要应用与谁的分解，其主要包括三个途径，即化学光电池，光助络合催化，半导体催化。1.2.4太阳能的特点太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有以下优点： 第一，太阳能是人类可以利

8、用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。 第二，太阳能的应用范围广，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。 第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。第四，太阳能是一种廉价且安全的能源，太阳都能的开发条件低，而且应用起来比较安全。 太阳能的利用有它的缺点： 第一，能流密度较低，日照较好的，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置

9、地面积大，用料多，成本增加。 第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。第三，太阳能电池板的利用效率很低，这是由于现阶段的技术水平决定，随着科技的发展这个缺点会逐步解决。1.3课题研究的目的本课题灵感来源于向日葵，主要目的是研究出一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备对太阳能的利用率。1.4研究课题的意义解决了当下大部分太阳能发电装置对太阳能应用率不高的问题，解决了空间分布不断变化的缺点。为太阳能的利用提出了更有效的方式方法，对于应对能源危机提供了一定的帮助。1.5太阳能利用的国内外发展现状日本是

10、世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太阳热能的利用，从1979年第二次石油危机后开始，1990年进入普及高峰。从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到2010年达到482万千瓦，增加约6倍。德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代， 1990年德国政府推出了“一千屋顶计划” ，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量15千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。已用4%的德国家庭

11、利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。2005年，美国光伏发电总容量达到100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。印度也于1997年12月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神2006”的太阳能利用计划，按照该计划，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。我国由建设部制定的建筑节能“九五”计划和201

12、0年规则中已将太阳能热水系统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。另外，据对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，2

13、1世纪末，太阳能将取代核能占第一位，多以很多国家对太阳能的利用加强了重视。太阳能也必然会成为利用最广泛的能源。1.6太阳追踪系统的国内外研究现状在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，使效率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，大大拓宽了跟踪器的应用领域。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式

14、，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1.7论文的研究内容本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电追踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。论文的主要工作包括:(l)分析太阳运行规律，比较国内外主要的几种跟踪方案，提出合理的跟踪策略。(2) 机械部分也是实现追踪目的的关键，主要是机械设计和计算，装配图及其零件图。(3)分析传感器工作原理，分析该传感器大范围、高精度跟踪的可行性，还要设计光电转换电路。(4)选取控制芯片，分析系统的硬件需求，设计控制系统。(5)设计控制方案，步进电动机以及驱动电路。2太阳能自动跟踪系统总体设计2.1太阳运行的规律由于地球的自转和地球绕太阳

15、的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个27度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为23度27分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，夏至时赤纬角最大为23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。2.2跟踪方案的比较选择目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式: (1)视日运动轨迹跟踪；(2)光电跟踪；(3)视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。2.2.1视日运动轨迹跟踪不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系

16、统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性

17、和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法:算法l，采用中国国家气象局气象辐射观测方法；算法2，采用世界气象组织气象和观测方法。由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有

18、较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。太阳在天球上的位置可由太阳高度角和太阳方位角确定。太阳高度角又称为太阳高度或太阳俯仰角， 是指太阳光线与地表水平面之间的夹角()， 可由下式计算得出:式中: 各角度单位均为度()。其中， 为当地纬度角；为太阳赤纬角， 春分和秋分时= 0， 夏至时= 23.5，冬至时= - 23.5；为时角， 是用角度表示的时间；n为1年中的日期序号，从1月1日开

19、始，n = 1，每往后加一天，即n= n+ 1。太阳方位角是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角， 即:式( 1) ( 3)中的赤纬角和时角的计算需要通过时间确定。由于太阳在一年中的时角运动很复杂， 日常生活中的钟表时间采用平均太阳时(简称平太阳时，)， 即太阳沿着周年运动的平均速率。真太阳时(即太阳时， )与平太阳时之差即称为时差， 在工程计算中就会存在时差问题。因此， 必须采用真太阳时， 以达到实际计算中的精度要求。为了得到准确的真太阳时， 可以根据定时标准来校正时差值， 我国区域的时差e确定如下:式中: longitude为光伏发电地点的地理经度， 中国地区的北京标准时间的经度为

20、120； t为北京时间。因为地球每24 h自转1圈， 所以每15为1 h； 且正午时， 时角= 0 ， 上午时 0， 下午时 0； 正南以东时，0，下午时0)，得到日出时角的表达式为：1= arcos(-tantan)(9)2= arcos(-tantan)(10)计算出日出时角和日落时角后， 由式(7)可得出日出时间和日落时间， 即:2.2.2光电跟踪传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件组成:位置检测器、控制组件、跟踪头。其跟踪系统框图如图2-5所示。位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。控制组件主要接受从位置检测器来的微

21、弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。图2-5跟踪系统框图2.2.3系统跟踪方式的选择由上述可以看出，第一类视日运动轨迹跟踪方式的算法过程十分复杂，其计算量的增大会增加控制系统的成本，而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较， 因而为了达到高精度跟踪的要求， 不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求， 而且与仪器是否正确安装的关系极为密切， 该种方式在国内应用很少。第二类视日运动轨迹跟踪方式应用较多，但跟踪精度不高。成本较低而跟踪精度相对较高的是光电式跟踪，如果将视日运动轨迹跟踪与光电跟踪两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。开环的程序跟踪存在许多局限性，主要

22、是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。故可在视日运动轨迹跟踪的基础上加高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以闭环控制为主，程序控制为辅，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。3机械

23、设计部分3.1跟踪器机械执行部分比较选择根据分析以前的跟踪器机械执行部分的问题，以及成本等各个方面考虑，有以下几种跟踪器。3.1.1立柱转动式跟踪器图2-1立柱转动式跟踪器 跟踪器的结构：大齿轮固定在底座上，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)，小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮连接马达1的输出轴。马达1固定在转动架上，转动架以及支架固定安装在主轴上，接收器、马达2安装在支架上面(接收器相对于支架可以转动)，马达2的输出轴连接在接收器上。跟踪器实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮转动，由于大齿轮固定。使得小齿轮自转的同时围绕大齿轮转

24、动，因此带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及接收器转动；同时控制信号驱动马达2带动接收器相对与支架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。对于方位角的跟踪，利用齿轮副传动，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本。整个跟踪器的结构紧凑，刚度较高。传动装置设置在转动架下。受到了较好的保护，提高了传动装置的寿命。3.1.2陀螺仪式跟踪器图2-2陀螺仪式跟踪器跟踪器的结构：传动箱1固定安装在支架上，马达1安装在传动箱1上，传动箱1的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达1的输出轴连

25、接蜗杆，环形支架安装在支架上面(环形支架相对于支架可以转动)，传动箱1的输出轴连接环形支架，传动箱2固定安装在环形支架上，马达2安装在传动箱2上，传动箱2内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。马达2的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面(接收器相对于环形支架可以转动)，传动箱2的输出轴连接接收器。该跟踪器可以选择不同朝向安装，当按照上图的朝向进行安装时，跟踪器跟踪的实现原理如下：当太阳光线发生偏移时，控制部分发出信号驱动马达2带动传动箱2中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动接收器相对于环形支架转动，跟踪太阳由东向西的运动；同时控制部分也发出信号驱动由马达1带动传动箱1中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动环形

26、支架和接收器转动，跟踪太阳南北方向的运动，由此来实现对太阳的两个方向的跟踪。系统优点：该跟踪机构结构简单。对于两个方向的跟踪，都利用蜗杆、蜗轮副传动，在紧凑的结构下得到很大的传动比，能使用功率很小的马达同时传递足够的动力，使用功率小的马达降低了其能源成本和制造成本；蜗杆、蜗轮副的自锁性能好，能防风防雨。结构紧凑，运动空间大。传动装置设置在传动箱内，受到了较好的保护，提高了装置的寿命。3.1.3齿圈转动式跟踪器机构结构：马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与齿圈1啮合。齿圈1连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出

27、轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈2啮合，齿圈2连接着转动架，转动架安装在主轴上(转动架相对于主轴可以转动)。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动齿圈1和主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。小齿轮2带动齿圈2和转动架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。图2-3齿圈转动跟踪器系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动力，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本；由于使用半个齿圈，能在紧凑的结构下得到较大的传动比。结构

28、紧凑，运动空间大。3.2太阳能自动跟踪系统机械设计方案本课题的机械设计方案纵向本课题的机械设计方案横向机构结构：步进电机 1固定在支架上，步进电机1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与大齿轮啮合。齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，步进电机2安装在主轴前端的一块板上，步进电机2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈啮合，齿圈连接着太阳能板，转动架安装在主轴上。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动，小齿轮1带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板转动，通过步进电机1、步

29、进电机2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。3.3第一齿轮转动计算尺寸计算初选模数m=4mm，中心距a=260，转动比i=5。一般齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角=8到15度 。初选齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角=10度，则齿轮齿数Z2=iZ1=525=125。分度圆直径： 小齿轮直径 ， 取d1=100mm。大齿轮直径 ，取d2=507.7mm。 式（3.1）取齿宽系数=1.2b=1.2100=120则取大齿轮宽度b2=120，小齿轮宽度b1=125。齿顶高 式（3.2）齿根高 式（3.3）齿高 式（3.4）。3.4第二齿轮转动计算尺寸计算初选模数m=3mm，转动比i=4。一般Z1=

30、25，=8到15度 （为分度圆螺旋角）。初选Z1=30，=15度，则Z2=iZ1=4*30=120。分度圆直径：小齿轮 ， 取d1=125mm。大齿轮 ， 取d2=500mm。取齿宽系数=1.2b=1.2125=150则取大齿轮宽度b2=150，小齿轮宽度b1=155。齿顶高 齿根高齿高3.5抗风性分析底座上螺钉校核危险截面面积 式(3.50)螺钉应力副 式(3.51)选择螺钉的性能等级5.6级 则 式(3.52)螺钉疲劳极限 式(3.53)极限应力幅 式(3.54)许用应力幅 所以螺钉强度满足条件。4电机选择4.1电机所需静力矩计算查相关系数得出以下结论:太阳板重12kg，梁1重51kg，电

31、机齿轮2重4kg，纵轴10kg，电机齿轮1重6kg。4.1.1电机1静力矩 重力:力矩平衡: 其中()故4.1.2电机2静转矩重力:易得 其中综合上述当4.2电机选择4.2.1 电机的主要种类及其相应特性及特点（1） 直流电机原理: 在电动机电刷两端引入直流电压，在电动机电刷两端引入直流电压，则电枢线圈中有电流通过，圈中有电流通过，载流导体在磁场中受电磁力的作用，力的作用，所以导体所受的电磁力对轴形成一个转矩，称为电磁转矩，使电枢旋转。通过换向器的作用在电枢线圈中产生的电流为交变电流，交变电流，使N、S极下的导体的电流方向不、极下的导体的电流方向不 变，则电枢转矩的方向不变。所以外加直流 则电

32、枢转矩的方向不变。 电能转换为机械能提供给轴上的机械负载。如图所示优点:1.具有良好的线性控制特性，静、动态控制性能好。2.调速范围广，易于无级调速、四象限运行。3.起动、制动转矩大，易于快速起动、停车缺点:1.电刷、换向器结构限制了电机的最大功率、最高转速；2.电刷、换向器结构限制了电机的安全性、适用性3.电刷、换向器结构导致电机应用维护性差。4.电磁兼容性差。（2） 异步电机原理：当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势并产生感应电流。根据电磁

33、力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。以电压为参变量，电磁转矩T与转差率s（或转速n）的关系如下图所示调速方法：1.变频调速2.改变定子端电压调速3.转子回路串电阻调速4.串级调速5.矢量控制优点：结构简单，制造方便，价格便宜，运行方便。缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。（3） 无刷直流电机原理：电枢静止，磁极旋转，且磁极为永久磁铁。电枢绕组中电流的换向是借助于转子位置传感器和电子开关线路来实现的，所以，无刷直流电动机一般都是由电动机，位置传感器和电子开关线路三部分组成。优点：1.电子换向来代替传统

34、的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低2.属静态电机，空载电流小；3.效率高；4.体积小。缺点：1.低速起动时有轻微振动；2.价格高，控制器要求高；3.易形成共振。（4） 步进电机原理:通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲三相步进电机负载运行数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来

35、控制步进电机的转动。.优点：1电机旋转的角度正比于脉冲数； 2电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3无累积误差故有较好的位置精度和运动的重复性； 4优秀的起停和反转响应； 5没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命； 6响应仅由脉冲确定，可开环控制，使电机的结构简单而且控制成本；7仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。8由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。缺点1如果控制不当容易产生共振； 2难以运转到较高的转速。3难以获得较大的转矩4在体积重量方面没有优势，能源利用率低。5超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。低频共振和低频

36、丢步曲线4.2.2电机种类的选择考虑到“向日葵”的逐步的运行方式以及控制以及成本等问题，步进电机的特性更加符合设计要求。具体理由如下:I运行方式“向日葵”运行方式为基本等距的微小步进，步进电机可以通过调整步距角从而调整电机的步距，虽然步距角和运动增量是固定的，但在太阳能系统中对运动精度要求并不苛刻，故其满足要求。II.控制方式步进电机控制原理简单，位移量和脉冲量成正比，且能直接实现数字控制，数字脉冲信号经处理和功率放大后可直接控制步进电机，无需转换。符合系统控制简单易用的要求。III.机械结构步进电机机械结构简单，坚固耐用，适合“向日葵”长期户外作业的要求。IV价格价格方面由于步进电机不能直接

37、接到普通的交直流电源上运行，必须配备驱动器，而驱动器价格相对较高，但步进电机相对耐用，故在价格方面的些许劣势并不影响大体的选择。关于步进电机使用闭环控制的一些思考：很多人认为步进电机没有闭环控制的必要， 开环就能满足要求， 它本来就是开环控制的， 只要不超过它的允许范围内使用就可以. 但是我们并不同意这种说法， 理由有以下几点: 1步进系统便宜过伺服系统很多很多， 众所周知， 为了便宜， 在自动控制领域内，步进系统还是占大多数， 但步进系统潜在失步的可能性， 且无法判断是否已经失步。虽然步进驱动器可以细分并产生微步， 但微步主要是让电流更平滑， 电机振动性更好， 微步虽然可以提高步进电机的准确

38、性， 但微步却不可靠， 这点限制了步进系统成为可满足高精度要求和高风险要求的机器。添加闭环控制器后，步进系统精度并不比伺服差， 仅是速度比不上伺服（但前文已经分析，向日葵系统对速度的要求并不苛刻），定位精度可以超过伺服电机， 因为伺服只是半闭环控制，免除了机械系统的误差， 所以定位精度可以超过伺服系统. 而价钱只是伺服的几分之一。2步进电机不能保证绝对的准确性， 而且还不知道是否准确， 因此在工作负载变化大或不确定性的工作条件下，比如当向日葵追踪系统在运行时太阳板突然受到大风的干扰，力矩就会急剧增大. 为了应付这种可能性并且保证精度， 现在唯一的办法就是降低运行速度， 以换取局部的安全. 而其

39、实绝大部份工作时间都不是在大阻力状态下， 因此严重的降低了系统使用的效率， 而使用闭环控制器， 便可以在这种情况下大幅提高机器的效率，我们不必为个别的阻力点的安全而降低整个过程和速度和效率. 控制器会自动调整速度通过阻力点， 阻力点过后又会自动恢复速度， 并加速补偿回丢失的脉冲， 而且是一瞬间完成。 3不少的进口机电设备还有一些医疗机器上， 步进电机后面带有编码器， 以保证设备的精确性和安全性. 国外步进电机后面带编码器已经有标准产品. 还有日本东方电机是全球有名的步进系统制造商， 他们这几年的着重推荐的步进系统的产品 step 系列， 便是号称不会失步的步进电机， 一套电机加驱动器要 2-3

40、 千 RMB. 由此可见闭环的步进系统将是发展的一种方向， 不是每个有 精度要求和安全要求的机器都一定要用伺服电机. 由以上几点可以看出步进电机的闭环控制是有自己存在的合理性和价值， 当然这些只是针对有高要求但又不至于使用伺服的机器， 不针对低要求的机器.它的作用是填补开环的步进电机和高性能的伺服电机的中间阶段的空白， 给人以更多的选择。4.3步进电动机介绍4.3.1总述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一

41、个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。按励磁方式分类，步进电动机可分为3大类：(1)反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。(2)永磁式步进电功机永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的。转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。又称为脉冲电动机，是数字控制系统

42、中的一种执行元件。移或直线位移，即给一个冲信。 (3)混合式步进电动机混合式步进电动机也称为感应式步进电动机。它综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩，动态性能好，步距角小，是一种很有发展前途的步进电动机。4.3.2步进电机的主要特性1.步距角步距角指每给一个电脉冲信号电机转子所应转过的角度。步进电机的步距角是由转子齿数和电机的相数所决定。典型的混合式步进电机是四相200步的电机，步距角为1.9。选择步进电机时，步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度。电机的步距角应等于或小于此角度。2.矩角特性矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系。3.响应频率在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢