嵌入式塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電控制器研制與應用

　　崔海朋青島杰瑞工控技術(shù)有限公司（青島266061）

　　摘?要：通過(guò)對塔式太陽(yáng)能定日鏡追日控制原理進(jìn)行研究，提出了一種基于A(yíng)RM 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計和μc/OS-Ⅱ嵌入式操作系統設計。該控制器具有太陽(yáng)位置計算、信號采集處理、控制及以太網(wǎng)通訊等功能。該控制器在定日鏡樣機中進(jìn)行驗證，結果表明該控制器具有追蹤精度高、環(huán)境適應性強、功耗低等特點(diǎn)，能滿(mǎn)足塔式太陽(yáng)能定日鏡的跟蹤要求。

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

　　0 引言

　　塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電通過(guò)定日鏡將太陽(yáng)光線(xiàn)反射到集熱塔的吸熱器，通過(guò)汽輪機實(shí)現由熱能向電能的轉換 ^[1-2] 。目前，國內學(xué)者對塔式太陽(yáng)能發(fā)電追蹤控制系統進(jìn)行了大量研究，取得了顯著(zhù)的技術(shù)成果 ^[3-5] ?？傮w來(lái)看，塔式太陽(yáng)能追蹤控制系統應用最多的為以下幾類(lèi)：基于單片機和算法 ^[6-7] 、基于單片機和光學(xué)傳感器、基于PLC和算法 ^[8] 等。但高精度太陽(yáng)位置算法在實(shí)際工程應用時(shí)需要進(jìn)行大量復雜的計算，傳統的單片機和PLC較難實(shí)現此項任務(wù)。Cortex-M3架構的32bitARM處理器相比傳統的單片機功耗更低，且其擁有強大的浮點(diǎn)運算能力，豐富的高性能外設可以很好地滿(mǎn)足追日控制系統的要求 ^[9] 。此外，μc/OS-Ⅱ是一個(gè)著(zhù)名的開(kāi)源嵌入式操作系統，具有內核規模小、可移植性強、實(shí)時(shí)性好、穩定可靠等特點(diǎn)，也被廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域。本文研制了一種基于A(yíng)RM Cortex-M3架構的嵌入式太陽(yáng)能控制器，可應用塔式太陽(yáng)跟蹤控制場(chǎng)合。

　　1 工作原理

　　塔式太陽(yáng)能跟蹤控制系統主要由基于A(yíng)RM的嵌入式塔式太陽(yáng)能控制器、現場(chǎng)檢測和執行機構、顯示屏等構成。如圖1所示。

　　嵌入式塔式太陽(yáng)能控制器計算出太陽(yáng)的高度角和方位角信息，根據定日鏡和吸熱器的數學(xué)模型計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?？刂破鞲鶕钪涤嬎愠鱿鄳姆较蚝兔}沖信息。伺服驅動(dòng)器通過(guò)接受控制器的指令驅動(dòng)伺服電機工作，電機通過(guò)驅動(dòng)定日鏡的減速傳動(dòng)機構帶動(dòng)定日鏡轉動(dòng)相應的角度來(lái)實(shí)現對太陽(yáng)的跟蹤?？傊?，系統由嵌入式太陽(yáng)能控制器、伺服電機等組成了一個(gè)角度閉環(huán)控制系統。

　　2 硬件設計

　　2.1 硬件構架

　　嵌入式塔式太陽(yáng)能控制器架構如圖2所示，由ARM嵌入式微處理器、電源電路、數字量輸入電路、模擬量輸入電路、以太網(wǎng)通訊電路、時(shí)鐘電路、儲存電路、GPS電路、看門(mén)狗電路、RS485通訊電路、數字量輸出電路、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(yáng)DC/DC隔離穩壓模塊實(shí)現輸入輸出接口的隔離；數字量輸入和數字量輸出電路采用光耦實(shí)現隔離，RS232和RS485通訊電路通過(guò)光耦電路實(shí)現隔離，提高通訊的抗干擾性。此外，為了保證控制器長(cháng)期運行的可靠性，采用外置硬件看門(mén)狗和芯片內部的獨立看門(mén)狗的方式進(jìn)行雙重保護?？刂破魉械碾娮釉捎脤挏匦彤a(chǎn)品，電路板做三防處理，整套控制器設計工作于-30℃~70℃范圍內，更加適應現場(chǎng)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內核，具有外設豐富，工業(yè)穩定可靠性好等優(yōu)點(diǎn)?；诖?，控制器采用該系列芯片，型號為MB9BF618S，CPU時(shí)鐘頻率高達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上都完全滿(mǎn)足塔式太陽(yáng)能控制器的需求。

　　2.3 編碼器輸入模塊設計

　　增量式編碼器具有高精度、大量程、反應快、數字化輸出、成本低廉等特點(diǎn)，在本文設計的定日鏡控制器中，選用兩個(gè)增量型編碼器來(lái)檢測定日鏡轉動(dòng)的角度，并將增量型編碼器通過(guò)光耦隔離電路與ARM的編碼器外設接口連接，實(shí)現可靠的數字化數據傳輸。為了實(shí)現對閉環(huán)轉角偏差的有效消除，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三相信號通過(guò)PS2805-4高速光耦轉換為0~3.3V的脈沖信號，接入ARM芯片的編碼器外設接口A(yíng)IN1_2、BIN1_2和ZIN1_2三個(gè)引腳。

　　2.4 開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊設計

　　在控制器開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊的設計中，設計了8DI/8DO的開(kāi)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動(dòng)器控制。

　　DI接口電路如圖4所示。其中DI1、DI2、DI3和DI4信號通過(guò)PS2805-4高速光耦轉換為0~3.3V的高低電平信號，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信號通過(guò)TLP521-4低速光耦轉換為0-5V的高低電平信號，通過(guò)三極管放大電路實(shí)現歐姆龍繼電器G5NB-1A的接通和關(guān)閉。DO5~DO8的電路相同，不再贅述。

　　2.5 RS485通訊模塊設計

　　RS485接口采用平衡驅動(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(xiàn)構成的通訊線(xiàn)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(xiàn)型傳感器或者設備進(jìn)行通信，設計了兩路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(wú)需用單片機引腳連接485芯片的DE RE引腳，即可以實(shí)現數據的自動(dòng)收發(fā)功能。D27、D29雙向穩壓二極管型號是SMAJ6.8CA。他們的作用是把A、B引腳對地的電壓以及A和B引腳之間的電壓，牽制到6.8 V以?xún)?，保護485芯片MAX13487E。

　　2.6 雙以太網(wǎng)通訊模塊設計

　　本文設計的嵌入式塔式太陽(yáng)能控制器采用2路硬件完全獨立的以太網(wǎng)電路來(lái)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，不影響其他節點(diǎn)的使用。

　　MB9BF618S內部集成兩個(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10M/100M網(wǎng)絡(luò )。RJ45轉接頭HR911105A內部集成耦合線(xiàn)圈可直接用普通網(wǎng)線(xiàn)連接其他設備。以太網(wǎng)通訊接口電路如圖7所示。

　　2.7 時(shí)鐘及GPS模塊設計

　　控制器采用NEO-6M GPS模塊來(lái)獲取經(jīng)緯度、海拔、時(shí)間等參數，從而進(jìn)行太陽(yáng)位置的計算。另外本系統設計了雙時(shí)鐘來(lái)保證數據的穩定獲取，控制器內部的時(shí)鐘模塊可以通過(guò)正常的GPS信號進(jìn)行校時(shí)，而當GPS信號無(wú)法正常獲取時(shí)，時(shí)間信息就可以通過(guò)內部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊來(lái)獲取，從而可以保證進(jìn)行準確的太陽(yáng)位置計算。

　　3 軟件設計

　　3.1μc/OS-Ⅱ操作系統移植

　　μc/OS-Ⅱ操作系統文件一般包含應用程序代碼、系統文件、μc/OS-Ⅱ系統配置文件、系統庫函數、板間支持包BSP、μc/OS-Ⅱ和Cortex-M3 的端口代碼等文件。為了對μc/OS-Ⅱ操作系統進(jìn)行移植，需要對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，就完成了操作系統的移植。

　　3.2 軟件架構設計

　　嵌入式塔式太陽(yáng)能控制器內部運行嵌入式操作系統，多個(gè)子任務(wù)并行運行。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(yáng)能追蹤子任務(wù)、電機控制子任務(wù)、電機監測子任務(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，系統根據優(yōu)先級的不同調度執行任務(wù)，共同完成塔式太陽(yáng)能定日鏡追蹤和控制功能，程序軟件架構如圖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)區等參數的獲取，從而將其應用于太陽(yáng)位置的計算；氣象采集子任務(wù)的主要功能是進(jìn)行實(shí)時(shí)的氣象數據的獲取，例如風(fēng)速、風(fēng)向、雨雪、云層、輻照信息等，從而可以制定相應的避險策略來(lái)應對惡劣的天氣，保護對應的子程序；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(yáng)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)運行控制；電機控制子任務(wù)的主要功能是實(shí)現水平和俯仰兩伺服電機的控制；電機檢測子任務(wù)的主要功能是實(shí)現電機運轉狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測；儀表通訊子任務(wù)的主要功能是實(shí)現標準的Modbus RTU通訊，可配置主機模式或者從機模式，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)現嵌入式塔式太陽(yáng)能控制器與鏡場(chǎng)DCS控制系統之間的通訊。

　　4 試驗驗證

　　為了驗證嵌入式塔式太陽(yáng)能控制器的計算準確性與可靠性，本文使用公司塔式定日鏡小型樣機進(jìn)行了仿真試驗，以分析其運行特性及跟蹤效果。測試記過(guò)如表1所示，從數據可以看出，控制器輸入角度信息和理論計算是相符的，樣機測試的最大偏差為±0.05°。由此可以看出，本文設計的基于A(yíng)RM嵌入式控制器可以較好的滿(mǎn)足塔式定日鏡逐日的需求。

　　結論

　　本文設計了一種基于A(yíng)RM-Cortex M3架構微處理器的可應用到塔式太陽(yáng)能定日鏡逐日控制中的控制器，并對軟硬件設計方案做了說(shuō)明。樣機測試表明，該控制器計算準確，跟蹤精度高?？捎糜?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電">塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統中，應用前景良好。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　崔海朋（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向嵌入式軟硬件設計。

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