基于步进电机的太阳能跟踪器的控制方法研究∗

王宇瑶 尹晓丁 徐金钰 王绍伟 赵喆

（大连交通大学大连116028）

基于步进电机的太阳能跟踪器的控制方法研究∗

王宇瑶 尹晓丁 徐金钰 王绍伟 赵喆

（大连交通大学大连116028）

如今太阳能被认为是最有前景的新能源之一，而开发利用太阳能是我国可持续发展的重要目标。如何提高太阳能的利用率，是当前国内外专家的研究热点，论文在太阳跟踪二维驱动光电控制系统的基础上对控制方法进行研究，在原有的控制系统的基础上进行改进，并通过Matlab仿真验证，将两者进行对比，结果表明，这种增加反馈补偿和校正环节的控制系统能够达到预期的性能指标。

光电控制；反馈补偿；PID控制

Class NumberTM914

1 引言

随着全球经济的快速发展、人口的增加，对能源的需求不断增加，因此世界工业强国都将目光转移到了新能源的利用上，太阳能对于人类是一种取之不尽并能自由公平利用的绿色能源，并且我国的太阳能资源比较丰富，尤其是西部地区，开发太阳能对我国的西部开发有着现实意义［1］。因此提高太阳能的利用率，无论是从科技应用的角度还是从商业的角度来说都成为急需解决的课题［2］。本文是在太阳跟踪二维驱动光电控制系统的基础上对控制方法进行研究，对原有的控制方案进行改进，增加反馈校正环节，使执行电机的稳定性大大提高，减小误差，从而提高装置对太阳能接受效率。

2 太阳能跟踪系统的控制方案论证

2.1 传统的控制系统分析

为了使太阳能板在转动中能与时间变化与季节变化始终和计算得出的位置保持相近，就得有电动机带动太阳能板转动，并通过跟踪器的控制系统使带动太阳能板的电动机输出的位置量与给定值相同。控制系统在控制环节中起到至关重要的作用，因此根据光伏发电设备太阳跟踪的特点，系统总体要求稳定性好，精确度高，但快速性要求比较低，采用闭环控制可以增加系统的稳定性并且在系统出现误差时可自动校正［3～5］。图1所示是传统的太阳能跟踪控制系统原理图。输入值时根据太阳运行规律所在位置的季节和时间计算。控制对象是电动机，被调量是电动机输出的所在位置量，利用光电传感器来实现负反馈。

图1传统控制系统图

2.2 改进措施及分析

1）增加系统的稳定性

为了改善系统响应，将信号放大器改为PID环节。PID控制也称为比例一积分一微分控制。其中的比例项用于纠正偏差；积分项用于消除系统的稳态误差；微分项用于减小系统的超调量，增加系统的稳定性［6～8］。

2）减小系统稳态误差

利用串联校正和反馈校正在一定程度上可以改善系统的品质，但是对稳态准确度要求很高的系统，一般校正方法就难以满足要求。如果对稳态精度要求很高，就需要提高系统的开环放大倍数或提高系统的无差度［9～10］。但是这样做往往会导致系统稳定性变差，甚至使系统不稳定。为了提高系统的无差度同时不影响系统的稳定性，本文论及的系统采取了复合控制的方法并增加自动校正环节。改进后的系统如图2所示。

图2改进后的系统图

3 太阳能跟踪控制系统的PID算法仿真验证

本方案选用的执行电机型号为步进电机DQ2722M系列，根据表1电机参数和式（1）～式（3）求得执行电机的传递函数：

电机的力矩系数：

电机的电势常数：

电机机电时间常数：

求得系统执行电机传递函数为

表1 执行电动机主要额定数据

同时根据式（5）～式（6）在原有的传递系统中增加补偿和校正环节。假设补偿函数：

校正函数：

利用Matlab2013设计出改进控制系统的仿真实验模型如图3所示。

图3改进控制系统的仿真实验模型图

得到原系统与改进控制系统的阶跃响应图如图4所示

图4原系统与改进控制系统的阶跃响应图

同时得到Bode图如图5所示。

图5改进系统的Bode图

4 结语

由给定输入信号得到的响应曲线和Bode图可以看出，在原有的控制系统基础上使用复合控制并增加校正环节，可以提高控制系统的稳定度，减小超调，减小误差，并且动态指标良好，因此复合PID控制方法并且增加自动校正环节可满足系统要求的性能指标。

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Control Method of Solar Tracker Based on Stepping Motor

WANG YuyaoYIN XiaodinXU JinyuWANG ShaoweiZHAO Zhe
（Dalian Jiaotong University，Dalian116028）

Nowadays，solar energy is considered to be one of the most promising new energy sources，and the development and utilization of solar energy is an important goal for sustainable development in China.How to improve the utilization of solar ener⁃gy，is the current research focus of domestic and foreign experts，based on two-dimensional sun tracking driving photoelectric con⁃trol system on the research of control method is improved based on the original control system，which is verified by Matlab simula⁃tion，comparing the two，the results show that the control system of the feedback compensation and correction steps to achieve the expected performance index.

photoelectric control，feedback compensation，PID control

TM914

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.022