畢業(yè)設(shè)計（論文）-光電控制系統(tǒng)的設(shè)計分析.doc

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1、 摘 要隨著數(shù)字控制和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，光電控制器，傳感器越來越廣泛的應(yīng)用于科技，教育，國防，環(huán)保等領(lǐng)域。特別是近年來隨著納米技術(shù)，計算機控制技術(shù)和光機電一體化技術(shù)的突飛猛進，帶動了光電控制領(lǐng)域的進步。可以說，光電控制已經(jīng)成為國民經(jīng)濟中不可或缺的前沿科技。本文從光電控制技術(shù)出發(fā)，詳細闡述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和物理原理，較為深入的探究了相關(guān)領(lǐng)域的實際應(yīng)用，并對該行業(yè)在未來能源和環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展做出了展望。相信隨著技術(shù)的進步，光電控制必將以其低碳節(jié)能，高效運轉(zhuǎn)，易于控制的優(yōu)點更好的服務(wù)人民，造福社會。關(guān)鍵詞：光電控制 位置檢測 電機驅(qū)動 可編程控制器 光電傳感器 ABSTRACTWith the di

2、gital control and digital communication technology, optical controllers, sensors more and more widely used in science and technology, education, defense, environmental protection and other fields. Especially in recent years with the nano-technology, computer control technology and electromechanical

3、integration and technology, promote progress in the field of photoelectric control. It can be said optical control has become a cutting-edge technology essential to the national economy. This optical control technology from the start, detailed structural features of the system, the physical principl

4、e, teamwork and practical application. Believe that as technology advances, photoelectric control is bound to its low-carbon energy, high efficiency operation, the advantages of easy control and better serve the people, for the benefit of the community. Keywords: photoelectric control position detec

5、tion motor drive PLC photoelectric sensor目錄 ii目 錄第一章 光電控制系統(tǒng)的組成1 1.1 光電控制系統(tǒng)概況1 1.2 光電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 1.3 光電控制系統(tǒng)功能7第二章 光電控制傳感器9 2.1 物體檢測傳感器9 2.2 位置檢測傳感器10 2.3 位移傳感器11 2.4 光電編碼器的工作原理12第三章 光電控制器與驅(qū)動機構(gòu)15 3.1 可編程控制器（PLC）16 3.2 電機光電控制系統(tǒng)16 3.2.1 電機驅(qū)動器18 3.2.2 直流電機PWM調(diào)速19 3.2.3 硬件實現(xiàn)PWM的方法19 3.3 控制器與傳感器系統(tǒng)組成21第四章 西門子光電

6、控制系統(tǒng)概述23 4.1 西門子光電傳感器23 4.1.1光電傳感器SIMATIC PXO100 M18S23 4.1.2.光電傳感器SIMATIC PXO200 C4024 4.2 西門子邏輯控制器24 4.2.1. SIMATIC S7-200 CN系列25 4.2.2. SIMATIC S7-300 CN系列26第五章 太陽光電跟蹤控制系統(tǒng)應(yīng)用27 5.1 太陽光電跟蹤控制系統(tǒng)組成27 5.1.1 視日運動軌跡跟蹤28 5.1.2光電跟蹤28 5.1.3 視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合29 5.2 太陽跟蹤控制系統(tǒng)的傳感器30 5.2.1.跟蹤控制系統(tǒng)部件選擇30 5.2.2.傳感器原

7、理與跟蹤可行性分析31 5.2.3 太陽跟蹤系統(tǒng)配置與設(shè)計33第六章 總結(jié)37致謝39參考文獻41第一章 光電控制系統(tǒng)的組成13第一章 光電控制系統(tǒng)的組成7第一章 光電控制系統(tǒng)的組成進入21世紀以來，光電控制技術(shù)正在迅速取代常規(guī)電氣控制技術(shù)，從而在動控制、工程監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。光電傳感器由于具有相應(yīng)速度快，無接觸，低耗能，體積小，安裝簡便等優(yōu)點而被廣泛用于自動化系統(tǒng)；可編程控制器由于編程方便，適應(yīng)性強，抗干擾，可進行網(wǎng)絡(luò)通信等，已經(jīng)奠定了在控制系統(tǒng)應(yīng)用中的主導(dǎo)地位，隨著控制技術(shù)的發(fā)展和更新，了解和掌握光電控制技術(shù)與系統(tǒng)的原理，結(jié)構(gòu)和應(yīng)用是非常必要的。1.1 光電控制系統(tǒng)概況在光電生

8、產(chǎn)和工程應(yīng)用過程中，常對產(chǎn)品、部件或?qū)ο筮M行檢測與控制。檢測與控制的條件通?？梢允钱a(chǎn)品的處理裝置、部件運動的速度或?qū)ο蟮奈灰?，有時也可能是對象的形狀和特征等。例如，瓶裝生產(chǎn)線的飲料加注控制。通常是根據(jù)飲料瓶的位置是否對準加注管口來進行控制的。在高速公路的監(jiān)控工程中，常對車輛的速度、高度和重量進行監(jiān)控。無論選擇哪些變量進行監(jiān)控。都可以采用光電控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。由于光電傳感器具有體積小，容易安裝且測量精確度高，速度快和無接觸的特點，可編程控制器具有數(shù)字控制與通信和抗干擾能力強的優(yōu)點，使得光電控制技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用。光電控制技術(shù)已經(jīng)在航空航天工程、能源工程、機器人系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線、制造過程、交通車

9、輛控制、工程測量系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 光電控制系統(tǒng)的發(fā)展依賴于光電測試技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。光電測試技術(shù)的反戰(zhàn)與新型光源、新型光電器件、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展密不可分。自從1960年第一臺紅寶石激光器與氦-氖激光器問世以來，由于激光光源的單色性、方向性、相干性和穩(wěn)定性極好，人們在很短時間內(nèi)就研制出各種激光干涉儀、激光測距儀、激光準直儀、激光跟蹤儀、激光雷達等，大大推動了光電測試技術(shù)的發(fā)展。自從1970年在貝爾實驗室研制出第一個固體攝像器件（CCD）問世以來，由于CCD的小巧，堅固，低功耗，失真小，工作電壓低，重量輕，抗震性好，動態(tài)范圍大和光譜范圍寬等特點，使視覺檢測進入

10、一個新的階段，它不僅可以完成人的視覺觸及區(qū)域的圖像測量，而且使人眼無法涉及的紅外波段和紫外波段的圖像測量也變成了現(xiàn)實，從而把光學(xué)測量的主觀性（靠人眼瞄準與測量）發(fā)展成為客觀的光電圖像測量。光導(dǎo)纖維從20世紀60年代問世以來，在傳遞圖像和檢測技術(shù)方面又發(fā)展出一個新的天地，光纖通信已經(jīng)風(fēng)靡全球，而光纖傳感幾乎可以測量各種物理量，尤其在一些強電磁干擾，危及人的生命安全的場合可以安全地工作，并且具有高精度、高速度、非接觸測量等特點。可以說一個新的光源，一個新的光電器件的發(fā)明都大大推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。近幾十年來，工程領(lǐng)域的加工精度已達到0.1um或0.01um的水平，它對測量技術(shù)提出了更高的要求，迫切

11、需要開拓新的手段，因此先后出現(xiàn)了各種納米測量顯微鏡，如1982年隧道顯微鏡問世，它用測量電荷密度的方法測量分子和原子級的微小尺寸，但它只能用于測量導(dǎo)體表面。1986年原子力顯微鏡研制成功，它用測量觸針與被測物體之間的原子力和離子力的方法來測量微小尺寸，因此它可用于導(dǎo)體和非導(dǎo)體的測量，但它的缺點是針尖與樣品接觸容易使樣品表面劃傷。根據(jù)原子力顯微鏡的思路，利用被測表面的不同物理性質(zhì)對受迫振動懸臂梁的影響，通過測量其共振頻率的變化測量被測表面，相繼開發(fā)出激光力顯微鏡、靜電力顯微鏡等。這些儀器都可以達到納米甚至亞納米級的分辨力。它們的分辨力大都是用驅(qū)動探針的壓電陶瓷的電壓與位移關(guān)系得到的，但是壓電陶瓷

12、的滯后特性和蠕變使其測量結(jié)果并不可信。為了準確測出這些納米尺度測量顯微鏡的精度，還必須溯源到光的波長上，因此迫切需要研制精度達到納米甚至亞納米級的干涉儀來實現(xiàn)納米尺度的測量和標定，因而又相繼出現(xiàn)了精度可達到0.1nm的激光外差干涉儀和精度可達到0.01nm的X光干涉儀。在納米和亞納米級的光電測量系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，對環(huán)境的要求是很高的，如環(huán)境溫度不穩(wěn)定、振動、光源波動的影響等，都會使納米尺度的測量精度蕩然無存。因此系統(tǒng)中機械傳動或光學(xué)調(diào)節(jié)往往需要閉環(huán)控制，而機械支撐使用無間隙、無摩擦的柔性鉸鏈是一個很好的辦法。微電子技術(shù)的問世，不僅使計算機技術(shù)突飛猛進，也使光電測量技術(shù)有了更為廣闊的

13、應(yīng)用空間。當前人們在生物、醫(yī)學(xué)、航天、靈巧武器、數(shù)字通信等許多領(lǐng)域越來越多地要求微系統(tǒng)，因此微機電系統(tǒng)成為當前研究的一個熱點。而微機電系統(tǒng)要求有微型測量裝置，這樣，微型光、機、電測試系統(tǒng)也就毫無疑問地成為了重要研究方向?？茖W(xué)技術(shù)的進步推動了光電測試技術(shù)的發(fā)展，而新型光電測試系統(tǒng)的出現(xiàn)無疑又給科學(xué)技術(shù)的發(fā)展注入了新鮮血液。因此，光電測試技術(shù)的發(fā)展趨勢是：發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。發(fā)展小型的、快速的微型光、機、電測試系統(tǒng)。非接觸、快速在線測量，以滿足快速增長的商品經(jīng)濟的需要。向微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)發(fā)展。發(fā)展閉環(huán)控制的光電測試系統(tǒng)，實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。向人們

14、無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。發(fā)展光電跟蹤和光電掃描技術(shù)，如遠距離的遙控、測試技術(shù)，激光制導(dǎo)，飛行物自動跟蹤，復(fù)雜形體自動掃描測量等。光電測試技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對各種量的測量，它具有如下特點：1、高精度光電測量的精度是各種測量技術(shù)中精度最高的一種。例如，用激光干涉法測量長度的精度可達0.05um/m；光柵莫爾法條紋法測角可達到0.04；用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可達到1m。2、高速度光電測量以光為媒介，而光是各種物質(zhì)中傳播速度最快的，因而用光學(xué)的方法獲取和傳遞信息的速度是最快的。3、遠距離與大量程光是最便于遠距離傳播的介質(zhì)，尤其適用于遙控和遙測，如武器制導(dǎo)、光電跟蹤、電

15、視遙測等。4、非接觸測量到被測物體上可以認為是沒有測量力的，因此也無摩擦，可以實現(xiàn)動態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的一種。5、壽命長在理論上光波是永不磨損的，只要復(fù)現(xiàn)性做的好，可以永久地使用。6、強信息處理能力光電測試技術(shù)具有很強的信息處理和運算能力，可將復(fù)雜信息并行處理。用光電方法還便于信息的控制和存儲，易于實現(xiàn)自動化，易于與計算機連接，易于實現(xiàn)智能化等。光電測試技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)，國家現(xiàn)代化建設(shè)和人民生活中不可缺少的新技術(shù)，是機、光、電、計算機相結(jié)合的新技術(shù)，是最具有潛力的信息技術(shù)之一。光電控制技術(shù)依賴于數(shù)字控制和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。可編程邏輯控制器的大量應(yīng)用，嵌入式儀表數(shù)字控制器和計

16、算機網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的廣泛應(yīng)用，使控制器和控制系統(tǒng)能夠處理復(fù)雜光電脈沖和數(shù)字信號，現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字通信技術(shù)，進一步實現(xiàn)了光電檢測脈沖和大批量數(shù)字信號的傳輸?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在工業(yè)和工程現(xiàn)場，在嵌入式測量儀表與控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是具有開放鏈接和多點數(shù)字傳輸能力的底層控制網(wǎng)絡(luò)。近幾年來，它迅速在制造工業(yè)、流程工業(yè)、交通工程、建筑工程和民用與環(huán)境工程方面的自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)了成功應(yīng)用，并向更廣闊的應(yīng)用范圍發(fā)展?，F(xiàn)場總線技術(shù)把微控制器和通信控制器嵌入傳統(tǒng)的測量控制儀表，這些儀表傳感器可在本地進行傳感器信號處理，而執(zhí)行器有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用雙絞線作

17、為串行數(shù)據(jù)通信總線，把每個測量控制傳感器、執(zhí)行器、PLC和上級計算機連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)成全分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。按現(xiàn)場總線通信協(xié)議，位于工業(yè)或工程現(xiàn)場的每個嵌入式傳感器、測量儀表、控制設(shè)備、專用數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和遠程監(jiān)控計算機都通過一條現(xiàn)場總線在任意單元之間進行數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，按實際應(yīng)用需要實現(xiàn)不同地點、不同回路的自動控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線把單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，由一條總線連接成可以相互交換信息，共同完成控制、優(yōu)化和管理任務(wù)的控管一體化系統(tǒng)。現(xiàn)場總線使自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化，分散化的設(shè)備都具有通信能力和控制信息處理能力，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和整體性能水平。因此，光電數(shù)字控制網(wǎng)

18、絡(luò)系統(tǒng)具有非接觸精確測量，快速控制響應(yīng)，高可靠性，高度集成，分散控制，信息處理能力強等優(yōu)點，正在大量替代傳統(tǒng)機械傳感器和控制技術(shù)，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)水平的提高而得到廣泛的應(yīng)用。1.2 光電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光電控制系統(tǒng)是集測控對象、光電傳感器檢測、數(shù)字控制器、通信系統(tǒng)和控制執(zhí)行（驅(qū)動）機構(gòu)于一體的綜合測控系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。 圖1-1 光電控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖光電開關(guān)是一種位置檢測裝置，通常分為發(fā)射器和接收器兩部分。工作狀態(tài)下，發(fā)射器發(fā)出調(diào)制光，受到待檢測物體的發(fā)射或阻斷時，會造成接收器入射光強度的變化，從而引起輸入電流的變化，經(jīng)信號處理改變輸出開關(guān)狀態(tài)即可達到檢測目的。光電開關(guān)屬于

19、無接觸式位置傳感器，其輸入和輸出之間沒有電磁聯(lián)系。相對于接觸式測量，光電開關(guān)具有抗電磁干擾能力強和壽命長的優(yōu)點。按照封裝方式，光電開關(guān)可以分為自包含式、光纖式、遠距離式；按掃描方式，光電開關(guān)可分為對射式、漫反射式、鏡反射式、槽式、光纖式和遠距式。光電開關(guān)早期主要在工業(yè)自動化中用于檢測物體是否存在，近年來應(yīng)用范圍擴大到物位檢測、液位控制、寬度判別、孔洞識別、安全警戒、遠程供電、信息傳遞等。先進制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用對光電開關(guān)的性能提出了新的要求，主要是檢測距離遠，精度高，抗干擾能力強且成本低。1、光源光電開關(guān)最早使用白熾燈作為光源，后采用LED。LED為非相干性光源，照射到1020m處時，光斑直徑大

20、到20cm以上，能量已經(jīng)非常分散，故現(xiàn)在傾向于采用激光作為光源。激光的能量非常集中，投射到500m外，光斑直徑只有100mm。使用激光作為光源的開關(guān)除了具有一般光電開關(guān)的功能外，還有以下特點。（1）檢測距離可達數(shù)千米?？蓪崿F(xiàn)高精度定位控制和高速運動微小目標的檢測。有多種波長的激光可以使用，適應(yīng)不同的工作要求。當前使用的激光二極管體積、閾值電流和工作電流越來越小，已經(jīng)進入實際應(yīng)用階段。國外的西門子，歐姆龍等公司已有成熟的系列產(chǎn)品。（2）集成度目前，光電開關(guān)傾向于采用專用集成電路（ASIC）以提高集成度。采用ASIC的光電開關(guān)反應(yīng)速度快，可達到10kHz，抗沖擊和振動能力強，符合EMC標準，并能滿

21、足小型化，低成本和規(guī)模化生產(chǎn)的要求。但光電開關(guān)的維護，參數(shù)設(shè)置仍然需要手動進行，一旦更換，還要重新手動設(shè)置、校準。因而光電開關(guān)通常安裝在易于操作的位置，但卻不是最佳位置，且安裝空間不能太小，這就制約了機器結(jié)構(gòu)、外形、體積的最優(yōu)化設(shè)計。現(xiàn)場總線（Field bus）是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要用來解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，代表了工業(yè)控制中信息傳遞和交換的趨勢?，F(xiàn)場總線的發(fā)展要求光電開關(guān)能夠遠程非手動控制，傳統(tǒng)光電開關(guān)無法滿足這一要求。傳統(tǒng)光電開關(guān)不能直接應(yīng)用于現(xiàn)場總線，必須通過AS-I等接口或者I/O模塊等接入現(xiàn)場

22、總線。控制系統(tǒng)只能單純地了解光電開關(guān)的狀態(tài)信息，不能對光電開關(guān)進行參數(shù)配置、故障診斷等。如果光電開關(guān)改進成全電子器件，就可通過一個HUB直接應(yīng)用于現(xiàn)場總線，如圖1-2所示，與控制系統(tǒng)雙向通信，并通過遠程控制室實現(xiàn)觀察與聯(lián)系，可以操作交換數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)等，從而使光電開關(guān)的安裝、調(diào)試、運行和維護更利于進行。 圖1-2 接入總線的傳感器 1.3 光電控制系統(tǒng)功能如圖1-3所示，是一臺自動堆垛機光電系統(tǒng)，利用它向有許多格子的貨架堆放物品。光電開關(guān)的作用是，當格子為空時，光路不會被物體阻礙，接收器接收不到物體反射的光信號，自動堆垛機向格子內(nèi)堆放物品。如果接收器收到物體反射的光信號，則堆垛機停止向貨架格子

23、堆放物品。然而實際使用中存在兩個問題： （1）格子為空時，光電開關(guān)卻認為格子中有物品（2）當自動堆垛機需要處理形狀，體積差異很大的物品時，每一次都要對光電開關(guān)進行參數(shù)的手工修改校準，浪費時間。 圖1-3 自動堆垛機光電系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，建造貨架時不同的供貨商會提供不同的貨架材料，如電鍍剛或其他類型的金屬。光可能以不同的角度漫反射，導(dǎo)致光電開關(guān)錯誤的工作。針對這個問題，可以用信息型光電開關(guān)的可調(diào)背景遮蔽功能替代原有產(chǎn)品，所有檢測范圍外的高反射率金屬器件都被電子屏蔽，這樣就消除了可能導(dǎo)致誤操作的因素。同時，若檢測物體體積和尺寸發(fā)生變化，可在線配置參數(shù)和調(diào)準，減少了機器的停工時間，從而有效解決了這個問題

24、。信息型光電開關(guān)還可用于晶片清洗，無需將清洗液晾干后再進行調(diào)節(jié)，因而節(jié)省了大量的時間和資源。第二章 光電控制傳感器13第二章 光電控制傳感器光電控制傳感器采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的光變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柕淖兓?，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光點檢測方法具有精度高，反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點，而且外界對它的干擾非常小。控制系統(tǒng)可選用對射式光電傳感器、鏡面反射型光電傳感器作為通道進入檢測傳感器。2.1 物體檢測傳感器光電傳感器的選擇除了要考慮檢測對象的性質(zhì)之外，還要考慮傳感器的安裝位置與被檢測產(chǎn)品之間的關(guān)系。例如，安裝在生產(chǎn)線一側(cè)的光電傳感器可以考慮對射型的或鏡面反射型的；若光電傳

25、感器從生產(chǎn)線上方安裝而生產(chǎn)線不能透光，考慮采用產(chǎn)品反射型的光電傳感器；如果光電傳感器不處于檢測產(chǎn)品的位置，而是用于產(chǎn)品加工或處理參數(shù)，如產(chǎn)品尺寸，可考慮采用位移、測距、速度或者透光型尺寸測量傳感器。如圖2-1，對射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器。發(fā)射器發(fā)射的光束來源于發(fā)光二極管。接收器由光學(xué)器件、光敏元件、處理電路等組成。 圖2-1 對射式光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光束經(jīng)光路進入接收器。當光路中沒有障礙物時，接收器的光敏元件（如廣電三極管）能夠接收到光，光敏元件處于導(dǎo)通狀態(tài)，經(jīng)后面的處理電路處理，輸出一種狀態(tài)（如繼電器節(jié)點閉合）。當光路中有障礙物時，在障礙物的尺寸大于接

26、收器的直徑時，接收器的光敏元件不能夠接收到光，光敏元件處于截止狀態(tài)，經(jīng)過后面的處理電路處理，輸出另一種狀態(tài)（如繼電器節(jié)點斷開）。發(fā)射器發(fā)出的光是經(jīng)過調(diào)制的，經(jīng)過調(diào)制的LED發(fā)射器發(fā)射一定頻率的紅外光，接收器的放大器只對該頻率的信號響應(yīng)，這樣就有效地排除了背景光等干擾因素。 2.2 位置檢測傳感器運動的限位可以通過光電接近開關(guān)和霍爾開關(guān)來控制，通過它們保證物體移動到位后自動停止。如圖2-2，漫反射型光電接近開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器。當漫反射型光電開關(guān)傳感器發(fā)射光速時，使目標產(chǎn)生漫反射。當在有效距離范圍內(nèi)有被檢測物體時，發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線被反射到接收器，傳輸器輸出一種狀態(tài)（如

27、繼電器節(jié)點斷開）；當在有效距離范圍內(nèi)沒有被檢測物體時，沒有光線漫反射到接收器，傳感器則輸出另一種狀態(tài)（如繼電器節(jié)點閉合）。 圖2-2 漫反射型光電開關(guān)2.3 位移傳感器光電位移傳感器是一種測量傳感器，它利用各種元件檢測對象的物理變化量，通過將該變化量換算成為距離來測量從傳感器到對象的距離位移。根據(jù)使用元件的不同，分為光學(xué)式位移傳感器，線性接近傳感器和超聲波位移傳感器等。如圖2-3所示，光電位移傳感器使用2比例光電二極管的檢測方式。2比例光電二極管的接近外殼一端稱為N側(cè)，另一端成為F側(cè)。在檢測物體存在于已設(shè)定距離位置的情況下，反射光將N側(cè)和F側(cè)的中間點成像，兩側(cè)的二極管將受到同等的光量。此外，相

28、對于設(shè)定距離，在檢測物體存在于靠近傳感器的位置的情況下，反射光將在N側(cè)成像。相反地，相對于設(shè)定距離，在檢測物體存在于較遠位置的情況下，反射光將在F側(cè)成像。傳感器可以通過計算N側(cè)與F側(cè)之間的受光量差來判斷檢測物體的位置。 圖2-3 光電位移傳感器原理傳感器的受光元件使用2比例光電二極管或位置檢測元件，通過檢測物體反射的投光光束將在受光元件上成像。這一成像位置以根據(jù)檢測物體距離不同而差異的三角測距原理為檢測原理。2.4 光電編碼器的工作原理光電編碼器也稱光電軸角編碼器，又稱光電角位置傳感器，是集光-機-電為一體的數(shù)字測角裝置。它主要是以高精度計量光柵為檢測元件，通過光電轉(zhuǎn)換，將軸的機械角位移信息轉(zhuǎn)

29、換成相應(yīng)的數(shù)字代碼，用它可以實現(xiàn)角位移，角速度，角加速度及其他物理量的精確測量，輸出信號與計算機相連接，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字測量與數(shù)字控制，而且與其他同類用途的傳感器相比，具有精度高，測量范圍廣，使用可靠，易于維護等優(yōu)點。因此它已經(jīng)普遍應(yīng)用在雷達、光電經(jīng)緯儀、地面指揮、機器人、數(shù)控機床和高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，是自動化設(shè)備理想的角度傳感器。按照代碼的輸出形式可以分為兩種，即絕對式光電軸角編碼器和增量式光電軸角編碼器。旋轉(zhuǎn)式編碼器是將旋轉(zhuǎn)的機械位移量轉(zhuǎn)換為電氣信號，對該信號進行處理后檢測位置速度等的傳感器。檢測直線機械位移量的傳感器成為線性編碼器。如圖2-4所示。 圖2-4 光電編碼器構(gòu)造碼盤

30、是光電編碼器的核心部分，例如一個9位格雷碼碼盤，圓盤上分布著9道同心圓環(huán)，每一個圓環(huán)成為一個碼道，碼道越多分辨率也就越高。碼道分別由不透光的和透光部分組成。光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡聚焦后，透過碼盤中的透光部分和狹縫照射到光敏元件上，于是就產(chǎn)生了一個電信號。碼盤所處的空間位置不同，各碼道對應(yīng)的光敏元件輸出信號的組成形式也就不一樣。光電編碼器輸出的信號經(jīng)過放大整形后，送至計算機內(nèi)進行處理。碼盤的編碼形式常使用格雷碼，這是因為格雷碼中每相鄰兩個數(shù)碼中只有一位發(fā)生變化，因此由于制造安裝不準引起的誤差最大只是最低位的一個數(shù)。但是由于格雷碼是一種無權(quán)碼，在參加運算時，必須將其變換為二進制碼。格雷碼變換為二進制

31、碼的關(guān)系式為： C1=R1 Ci=RiCi-1在上式中，Ci表示二進制碼的第i位，Ri表示格雷碼的第i位。 旋轉(zhuǎn)式編碼器根據(jù)軸的旋轉(zhuǎn)變位量進行輸出，通過聯(lián)合器與軸結(jié)合，能直接檢測旋轉(zhuǎn)位移量。旋轉(zhuǎn)式編碼器啟動時無需原點復(fù)位。僅在絕對型的情況下，將旋轉(zhuǎn)角度作為絕對數(shù)值進行并行輸出?？蓪πD(zhuǎn)方向進行檢測，增量型可通過A相和B相的輸出時間，絕對型可通過代碼的增減來掌握旋轉(zhuǎn)方向?？筛鶕?jù)豐富的分辨率和輸出型號、精度要求、成本要求和連接電路選擇合適的傳感器。第三章 光電控制傳感器與驅(qū)動機構(gòu)21第三章 光電控制器與驅(qū)動機構(gòu)3.1 可編程控制器（PLC）可編程邏輯控制器（Programmable Logic C

32、ontroller）簡稱可編程控制器，英文縮寫為PLC，是以嵌入式微處理器為核心，具有數(shù)字邏輯或模擬輸入/輸出模塊，專為適應(yīng)工業(yè)和工程復(fù)雜環(huán)境而設(shè)計的數(shù)字控制裝置。經(jīng)過長期的實際應(yīng)用，它已經(jīng)成為技術(shù)通用和標準化的控制器，是綜合了微計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的新一代工業(yè)產(chǎn)品。它采用了專門設(shè)計的模塊化硬件結(jié)構(gòu)，其控制功能通過執(zhí)行程序來完成，具有高可靠性和高耐用性，是各種工業(yè)控制中最普遍使用的工具，在工業(yè)自動化和民用環(huán)境工程領(lǐng)域得到了廣泛的使用。隨著可編程控制器的發(fā)展，它不僅能完成編輯、邏輯控制和數(shù)字通信，而且能實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換。它不但具有存儲所編程序的存儲器，并在其內(nèi)部對數(shù)據(jù)

33、進行存儲并執(zhí)行邏輯運算、程序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作的指令，通過數(shù)字量或模擬量的輸入/輸出來控制各種類型的機械設(shè)備和生產(chǎn)過程，還具有液晶顯示功能，可通過觸摸屏實現(xiàn)人機對話，設(shè)定控制系統(tǒng)的參數(shù)和狀態(tài)?？删幊炭刂破髦跃哂猩Γ谟谒舆m合工業(yè)現(xiàn)場和市場的需求，即可編程控制器特有的編程語言-梯形圖，人們在使用它進行編程時，可以直接應(yīng)用繼電器邏輯電路的設(shè)計，而不必進行計算機方面的專門培訓(xùn)。可編程控制器具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅(qū)動能力。在實際應(yīng)用時，可編程控制器系統(tǒng)硬件可根據(jù)實際需要選擇不同的模塊配置，其軟件根據(jù)控制要求進行編制，因此可編程控制器可以在惡劣環(huán)境下完成各種各樣復(fù)雜程

34、度不同的工業(yè)生產(chǎn)實時控制任務(wù)，以及工程現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集處理和通信任務(wù)。 可編程控制器的工作原理是采用程序掃描技術(shù)來實現(xiàn)邏輯控制功能。所謂掃描，就是依次對各種規(guī)定的操作項目全部進行訪問和處理。PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要執(zhí)行，但是一個CPU每一個時刻只能執(zhí)行一個操作而不能同時執(zhí)行多個操作，因此CPU將按照程序的順序依次執(zhí)行各個操作。這種方式稱為掃描工作方式。由于掃描是周而復(fù)始無限循環(huán)的，每掃描一個循環(huán)所用的時間稱為掃描周期。順序掃描的工作方式是PLC的基本工作方式，它簡單直觀，方便用戶程序設(shè)計，為PLC的可靠運行提供了有利保證。3.2 電機光電控制系統(tǒng)3.2.1 電機驅(qū)動器直流伺服電機

35、是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，直流伺服電機有永磁式和電磁式兩種結(jié)構(gòu)形式。隨著磁性材料的發(fā)展，利用稀土材料制作的永磁式直流伺服電機的性能超過了電磁式伺服電機，目前被廣泛應(yīng)用于機床電力進給驅(qū)動、工業(yè)機器人、計算機外圍設(shè)備及高精度伺服系統(tǒng)中。他勵直流電機的控制基礎(chǔ)是建立在直流電機的機械特性之上的。所謂機械特性，就是在電樞電壓，勵磁電流，電樞回路電阻都為常數(shù)時，電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系。機械特性是電機運行機械性能的具體表現(xiàn)，反應(yīng)系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)運行效能的具體表現(xiàn)，反映系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)運行性能。永磁直流電機驅(qū)動裝置的等效結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。 圖3-1 永磁直流伺服電機驅(qū)動裝置的等效結(jié)構(gòu)圖在直流電

36、機的電樞繞組上加上直流電壓，繞組就會有電流通過，電機的轉(zhuǎn)子就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的大小為： Tm=KtIa式中Tm為電機轉(zhuǎn)矩（Nm）Kt為轉(zhuǎn)矩系數(shù)（Nm/A）Ia為電樞電流（A）當電機旋轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，大小為：Eg=Ken式中Eg為電動勢（V），Ke為電動勢常數(shù)（Vmin/rWb），為勵磁磁通（Wb），n為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度（r/min）。由圖8可知，直流電機的電壓平衡方程式為： Ua-Eg=RaIa其中，Ua為電樞電壓（V），Ra為電樞回路總電阻（）。由電壓平衡方程式和感應(yīng)電動勢公式，可以求出直流電機的轉(zhuǎn)速特性方程式： N=(Ua-RaIa)/Ke有些機械裝置要

37、求工作轉(zhuǎn)速可以變化，例如，刨床進刀刨削時要求速度有快有慢，這就要求電機能夠調(diào)速，自動或者人為地改變電機的轉(zhuǎn)速，滿足工作機械變速的要求。調(diào)速的基本要求為1、調(diào)速范圍。通常以最大轉(zhuǎn)速Nmax對最小轉(zhuǎn)速Nmin的比值來表示，稱為調(diào)速比。2、調(diào)速的平滑性。在調(diào)速范圍內(nèi)，能在任意轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定的運行，則成為無極調(diào)速，反之則稱為有極調(diào)速。3、經(jīng)濟性。包括設(shè)備投資和運行費用的高低，調(diào)速方法是否簡單，運行是否可靠。通過圖8及上面所推出的公式可知，直流電機調(diào)速的方法有以下三種：1、改變電樞電壓調(diào)速。保持磁通量不變，改變電機的電樞電壓Ua，該調(diào)速方法可以實現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍的平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)

38、速方案。2、弱磁調(diào)速。保持電樞電壓不變，改變勵磁磁通量。弱磁調(diào)速對普通電機的調(diào)速范圍很小，不能超過兩倍，一般只在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速時才采用此方案，并且往往與調(diào)壓調(diào)速方法配合使用。3、改變電樞回路中的附加電阻。對于普通系統(tǒng)的電機，可在電樞回路串電阻調(diào)速，理想空載轉(zhuǎn)速不變，特性曲線斜率增加，電樞電阻越大，特性越軟，因此不能實現(xiàn)平滑調(diào)速，而且調(diào)速過程中能量損耗特別大。3.2.2 直流電機PWM調(diào)速改變電樞電壓調(diào)速時直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子元件的可控性及脈寬調(diào)制技術(shù)，將整流后的恒壓直流電源，轉(zhuǎn)換成幅值不變，頻率不變，但是脈沖寬度（即持續(xù)時間）可調(diào)的高頻

39、矩形波，給伺服電機的電樞回路供電，實現(xiàn)直流電機電樞電壓的平滑調(diào)速，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。通過改變脈沖寬度的方法來改變電樞回路的平均電壓，達到電機調(diào)速的目的。PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點如下：開關(guān)頻率高其頻率可達2kHz，比機械部件固有頻率高很多，可以避開機械部分的共振點，不至于引起共振造成系統(tǒng)損壞。1、紋波系數(shù)低電流的有效值與平均值之比很低，一般為1.0051.01，幾乎接近于1.電樞回路的電抗就足以將脈沖濾平，接近于純直流。這樣，以電流有效值計算的電機的發(fā)熱量就很小。2、頻帶較寬系統(tǒng)能夠相應(yīng)的頻率范圍比較寬，因此系統(tǒng)的動態(tài)特性很好，有良好的線性，尤其是接近于零點時線性度好。3、可在高峰值電流下工作晶

40、體管可以承受比較大的峰值電流，但必須限制在額定電流的兩倍以內(nèi)，這樣可以保護永磁電機不至于退磁，減少電機的發(fā)熱量，提高電刷壽命。3.2.3 硬件實現(xiàn)PWM的方法 直流電機工作所需的電流，電壓較大，且轉(zhuǎn)動方向的改變需要通過調(diào)整所加電壓的極性實現(xiàn)，因此必須通過專門的電機驅(qū)動電路進行控制。本文采用意法半導(dǎo)體公司的L293D作為說明，L293D符合TTL邏輯電平接口標準，可用來驅(qū)動大功率感性負載，比如繼電器、直流電機、步進電機和開關(guān)電源晶體管，可以通過邏輯設(shè)定實現(xiàn)電機驅(qū)動電壓的極性轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向調(diào)整。并且L293D具有發(fā)熱量低，體積小以及節(jié)省印制電路板面積等有點，故非常適合設(shè)計需要。L293D內(nèi)部原

41、理如圖3-2所示。 圖3-2 L293D內(nèi)部原理圖IN1IN4為電機工作控制端，通過不同的電壓邏輯組合，分別決定兩個電機的轉(zhuǎn)向；ENABLE1ENABLE2為電機工作使能端，分別連接至微控制器的兩路PWM輸出信號；Vs為電機的工作電源輸入端，最高電壓達+36V，設(shè)計按照電機的標準值采用+12V供電。Vss為L293D的芯片工作電源輸入端，設(shè)計中采用默認值，+5V供電。以第一路的控制信號為例，L293D的電機工作控制端真值表如表3-1所示。表3-1 L293D的電機工作端真值表 控制端電平電機工作情況ENAIN1IN2HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)HHH剎車HLLLXX停止 綜合此表可以得知，當且僅當IN

42、1與IN2反相的情況下，電機才會轉(zhuǎn)動。不論電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，IN1與IN2電平始終相反，而兩者同相時所達到的控制目的-電機停轉(zhuǎn)，完全可以通過將使能端ENA的邏輯電平置零實現(xiàn)。故在設(shè)計中，在微控制器的通用I/O口和L293D控制端之間添加了兩個反相器，從而實現(xiàn)了單電機但線控制轉(zhuǎn)向的功能，簡化了微控制器的程序設(shè)計和硬件端口資源分配。如圖3-3所示，微控制器的硬件PWM輸出端口OC1A和OC1B分別接至L293D的EN1和EN2作為使能信號，通用I/O口PA2和PA3通過反相器邏輯處理后，接至L293D的IN1IN4端控制電機轉(zhuǎn)向。 圖3-3 微控制器的硬件PWM輸出電路3.3 控制器與傳感器系統(tǒng)組

43、成 從基本結(jié)構(gòu)來看，伺服系統(tǒng)主要由控制器、功率驅(qū)動裝置、反饋裝置和電機等組成?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差值來調(diào)節(jié)被控量，功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按照控制量的大小將電能作用于電機之上，點解電機轉(zhuǎn)矩的大??；另一方面按照電機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)化為電機所需的交流電或者直流電，電機則按照供電大小拖動機械運轉(zhuǎn)。機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等5個部分，如圖3-4所示。 圖3-4 伺服系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖系統(tǒng)中各主要部件的功能為：1、比較環(huán)節(jié)將輸入的

44、指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。2、被控對象直接完成系統(tǒng)目標的主體，包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載。3、執(zhí)行元件主要功能為按照控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動 伺服機構(gòu)等。4、檢測環(huán)節(jié)能夠?qū)敵鲞M行測量，并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置。一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。5、控制器對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件使其按要求動作，一般由計算機或PID控制電路來實現(xiàn)。第五章 太陽光電跟蹤控制系統(tǒng)應(yīng)用35第四章 西門子光電控制系統(tǒng)概述4

45、.1 西門子光電傳感器4.1.1光電傳感器SIMATIC PXO100 M18SPXO100 M18S光電傳感器為圓柱形金屬外殼，IP67防護等級，使用電纜或M12連接器進行連接，有直通光束傳感器。 漫射傳感器：感應(yīng)范圍50cm，可通過電位計進行調(diào)節(jié)。 后向反射型傳感器：感應(yīng)范圍3m，供貨時不帶反射器。 直通光束傳感器：感應(yīng)范圍6m，額定工作電壓24V DC，電路輸出pnp。PXO100 M18S技術(shù)數(shù)據(jù)表如表4-1所示。表4-1 PXO100 M18S技術(shù)數(shù)據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù)單位漫射傳感器后向反射型傳感器、輸出濾波器直通光束傳感器感應(yīng)范圍cm50（可調(diào)）300600標準目標/反射器mm200*200

46、(白色)反射器型號D84工作電壓范圍（DC）V1030（最大20%殘余紋波電壓）額定工作電流IemA150開關(guān)頻率Hz700開關(guān)時間ms0.5波長（光源類型）nm660（紅色）660（紅色，偏振）660（紅色）顯示屏開關(guān)狀態(tài)多余光線黃色LED綠色LED外殼材料鍍鎳黃銅防護等級IP67環(huán)境溫度-25+55溫度系數(shù)%/K0.3型號3RG7640-xxx00，3RG7650-xxx003RG7641-xxx00，3RG7651-xxx003RG7642-xxx00，3RG7652-xxx004.1.2.光電傳感器SIMATIC PXO200 C40PXO200 C40型光電傳感器為方形塑料外殼，IP

47、67防護等級，同樣適用電纜或者M12連接器進行連接。它具有漫射傳感器，為能量型傳感器，感應(yīng)范圍70cm；帶背景抑制的漫射傳感器，傳感范圍525cm；用于透明物體的后向反射型傳感器，感應(yīng)范圍1m，額定工作電壓24V DC，電路輸出pnp或npn。C40型光電傳感器技術(shù)數(shù)據(jù)如表4-2所示。表4-2 C40型光電傳感器技術(shù)數(shù)據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù)單位漫射傳感器帶背景抑制的漫射傳感器帶偏振濾光片的后向反射傳感器用于透明物體的后向反射傳感器感應(yīng)范圍cm70（可調(diào)）525（可調(diào)）600（可調(diào)）標準目標mm200*200（白色）100*100（灰色）反射器型號D84工作電壓范圍（DC）V1030251030額定工作電流

48、IemA200250200開關(guān)頻率Hz10002001000開關(guān)時間ms0.50.5波長（光源類型）nm600（紅色）600（紅色，偏振）600（紅色，偏振）600（紅色，偏振）顯示屏開關(guān)狀態(tài)多余光線黃色LED綠色LED黃色LED綠色LED外殼材料注塑件（PBTP）注塑件（ABS）防護等級IP67IP67環(huán)境溫度-25+55-25+55溫度系數(shù)%/K0.10.1型號3RG7240-xxx003RG7244-xxx003RG7241-xxx003RG7241-xxx52 4.2 西門子邏輯控制器4.2.1. SIMATIC S7-200 CN系列S7-200 CN系列為小型PLC。S7-200

49、CN系列適用于各行各業(yè)、各種場合中的檢測，檢測及控制的自動化。S7-200 CN系列的強大功能使其無論在獨立運行中，還是相連成網(wǎng)絡(luò)，皆能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。因此S7-200 CN系列具有極高性價比，它的出色性主要體現(xiàn)在下面幾個方面：1、極高的可靠性2、極豐富的指令集3、易于掌握和操作4、豐富的內(nèi)置集成功能5、實時特性6、強勁的通信能力7、豐富的擴展模塊S7-200 CN系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大的功能，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力和民用設(shè)施、環(huán)保設(shè)備等。S7-20

50、0 CN系列PLC可提供4個不同基本型號的8種CPU供用戶使用。4.2.2. SIMATIC S7-300 CN系列S7-300 CN系列為中型PLC，它具有如下性能：1、模塊化的PLC系統(tǒng)，滿足中、小規(guī)模的性能要求。2、各種性能的模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動化控制任務(wù)。3、簡單實用的分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活。4、方便用戶和簡易的無風(fēng)扇式設(shè)計。5、當控制任務(wù)增加時，可自由擴展。6、大量的集成功能使它的性能非常強勁。其應(yīng)用范圍如下：1、用于惡劣環(huán)境條件下的PLC。2、擴展溫度范圍為-2570。3、適用于特殊的環(huán)境（如污染空氣）。4、允許短時冷凝和短時機械負載的增加。5、采用

51、經(jīng)過認證的PLC技術(shù)。6、易于操作，編程，維護和服務(wù)。7、特別適用于汽車工業(yè)、環(huán)境技術(shù)、采礦、化工廠、生產(chǎn)技術(shù)及食品加工等域。低成本的解決方案。第五章 太陽光電跟蹤控制系統(tǒng)應(yīng)用能源是人類社會賴以發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。當前，包括我國在內(nèi)的絕大多數(shù)國家都以石油，天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源。而石油，天然氣和煤炭的儲量都是有限的，且不可再生。據(jù)有關(guān)資料顯示：石油儲量的綜合估算，可支配的石油極限大概為11801510億噸，以1995年世界石油的年開采量32億噸計算，石油儲量大約在2050年左右宣告枯竭；天然氣將在5765年內(nèi)枯竭；煤還可以供應(yīng)17年。嚴峻的形勢使得當前世界多數(shù)國家對能源問題都很重視。新能

52、源技術(shù)及節(jié)能技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，人們對核能及太陽能，風(fēng)能，地?zé)崮?，水利能，生物能等可持續(xù)利用的能源資源的利用日益重視，它們在整個能源消耗中所占的比例正在顯著的提高。據(jù)統(tǒng)計，20世紀90年代，全球煤炭和石油的發(fā)電量每年增長1%，而太陽能發(fā)電量每年增長達20%，風(fēng)力發(fā)電量的年增長率更是高達26%，預(yù)計在未來510年內(nèi)，可持續(xù)能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物燃料一統(tǒng)天下的局面。目前太陽發(fā)電方式主要有塔式發(fā)電、碟式發(fā)電、光伏發(fā)電等，但利用率不高。如何最大限度地提高太陽能的利用率，仍是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。解決這一問題應(yīng)從兩個方面入手，一是提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，二十提高太陽能的接收效

53、率。前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太陽能跟蹤系統(tǒng)就為解決這一問題提供了可能。不管是哪種太陽能發(fā)電系統(tǒng)，如果需要提高太陽能的利用率，那就必須跟蹤太陽。根據(jù)科學(xué)研究表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差77.7%，精確地跟蹤太陽可以使能量接收率大大提高，進而提高了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的太陽能利用率，拓寬了太陽能的利用領(lǐng)域。5.1 太陽光電跟蹤控制系統(tǒng)組成為了保持太陽能發(fā)電的效率，太陽能光電跟蹤控制是必不可少的。目前國內(nèi)外主要采用3種方法：視日運動軌跡跟蹤、光電跟蹤、視日運動軌跡跟蹤與光電跟蹤相結(jié)合。5.1.1 視日運動軌跡跟蹤不論采用極軸坐標系統(tǒng)還是地平坐標系統(tǒng)，太陽

54、運行的位置變化都是可以預(yù)測的，通過數(shù)學(xué)上對太陽軌跡的預(yù)測可完成對日跟蹤。太陽跟蹤裝置采用地平坐標系，較為直觀方便，操作性強，但也存在軌跡坐標計算沒有具體公式可用的問題。而在赤道坐標系中，赤緯角和時角在日地相對運動中任何時刻的具體值卻嚴格已知，同時赤道坐標系和地平坐標系都與地球運動密切相關(guān)，于是通過天文三角形之間的關(guān)系式，可以得到太陽和觀測者位置之間的關(guān)系。換算公式如下：赤緯角可由Cooper的近似計算公式求得。 =23.45sin360*(284+n)/365一天當中隨時間變化引起的太陽位置的變化可由時角表示，太陽在正午時為0度，每小時變化15度，上午為正，下午為負，則有： =150(12-T

55、)式中，T表示當?shù)貢r間。太陽高度角H sinH=sinsin+coscoscos太陽方位角A sinA=cossin/cosH式中，為觀測點的地理緯度，赤緯角和時角由上式推出。根據(jù)太陽軌跡算法的分析，太陽軌跡位置由觀測點的地理位置和標準時間來決定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位及跟蹤的高準確性和高可靠性。在設(shè)定跟蹤地點和基準零點后，控制系統(tǒng)會按照太陽的地平坐標公式自動運算太陽的高度角和方位角，然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽軌跡每分鐘的角度變化發(fā)射驅(qū)動信號，實現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動的角度和方向變化。

56、在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準零點。5.1.2光電跟蹤傳統(tǒng)的光電跟蹤采用一級傳感器跟蹤方式，這種跟蹤系統(tǒng)，原則上由三大部件組成：位置檢測器、控制組件和跟蹤頭。其跟蹤方式方框圖如圖5-1所示。位置檢測器主要由性能經(jīng)過挑選的光敏傳感器組成，如4象限光電池、光敏電阻等?？刂平M件主要接收從位置檢測器來的微弱信號，經(jīng)放大后傳送到跟蹤頭，跟蹤頭為跟蹤裝置的執(zhí)行元件。 圖5-1 光電跟蹤系統(tǒng)方框圖5.1.3 視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合由上述討論可知，開環(huán)的程序跟蹤存在很多局限性，主要是在開始運行前需要精確定位，出現(xiàn)誤差后不能自動調(diào)整等。因此使用程序跟蹤方法時，需要定期地人為調(diào)整

57、跟蹤裝置的方向。而傳感器跟蹤也存在反應(yīng)慢，精度差，穩(wěn)定性差，某些情況下出現(xiàn)錯誤跟蹤等缺點。特別是在多云天氣會試圖跟蹤云層邊緣的亮點，電機往復(fù)運行，造成部件的加速磨損和能源的浪費。如果兩者結(jié)合，則會各取所長，可以獲得較為滿意的跟蹤結(jié)果。在視日運動軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加工兩個高精度角度傳感器。當跟蹤裝置開始運行時，用兩片高精度角度傳感器初始定位，在運行當中，以程序控制為主，角度傳感器瞬時測量作反饋，對程序進行累積誤差修正。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽能發(fā)電裝置中。但計算過程十分復(fù)雜，高精度角度傳感器成本也很高，對于

58、需要降低成本的小型太陽能利用裝置來講，并不十分適用。5.2 太陽跟蹤控制系統(tǒng)的傳感器5.2.1.跟蹤控制系統(tǒng)部件選擇控制系統(tǒng)的種類很多，根據(jù)不同的應(yīng)用場所和采用芯片的不同，可以分為工程機控制、可編程控制器控制、單片機控制等。各種方法的好處對比如下。工程機一方面繼承了個人計算機豐富的軟件資源，使其軟件開發(fā)更加方便，可以采用高級語言編程，設(shè)計友好的工作界面，利用計算機強大的計算功能，編制復(fù)雜的軟件，且其接口都是標準接口，易于各系統(tǒng)之間進行通信連接；另一方面又具有可靠程度高，抗干擾能力強等優(yōu)點，但其價格偏高。對于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)，為了加快系統(tǒng)的開發(fā)速度，可以盡量選用現(xiàn)成的工控機。可編程邏輯控制器是

59、早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微型計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。具有可靠性高，編程容易，組合靈活，輸入/輸出功能模塊齊全等優(yōu)點，一般用于對可靠性要求較高的場合。對于有模擬量輸入/輸出的場合，其價格明顯比單片機要高。單片機把微型計算部件都集成在一塊芯片上，故可以把單片機看成一個不帶外部設(shè)備的微計算機。由于單片機具有功能強、體積小，可靠性高，面向控制和價格低廉等有點，因而在工業(yè)，國防，交通，農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，有力的推動了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代。隨著微點子技術(shù)的不斷發(fā)展，新型的單片機不斷出現(xiàn)，功能也越來越豐富。尤其是新型的8位、16位單片機具有模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換、PCA等功能，就更有利于在控制

60、系統(tǒng)中得到應(yīng)用。單片機介于工業(yè)控制計算機和可編程控制器之間，它有較強的控制能力、低廉的成本。人們在選擇控制器時，往往是先滿足功能需要的同時，優(yōu)先選擇成本低的控制器，因此單片機往往成為優(yōu)先選擇的目標。在大范圍跟蹤傳感器的控制系統(tǒng)中采用單片機方案，既可滿足控制系統(tǒng)的工作需求，又可節(jié)約成本。5.2.2.傳感器原理與跟蹤可行性分析1、兩級傳感器跟蹤原理實際系統(tǒng)的控制方式采用了光電跟蹤的控制方式。在傳統(tǒng)一級跟蹤的基礎(chǔ)上加了4個性能相同的光電池進行粗定位跟蹤，4個光電池布置在鏡筒外圍，如圖13所示。由傳感器跟蹤裝置的3個領(lǐng)域分析可知，跟蹤機構(gòu)的工作原理就是要使傳感器結(jié)構(gòu)的中軸線與太陽光線始終保持平行，便能使太陽吸收效率達到最大。傳感器跟蹤通過光敏元件的輸出，來判斷太陽跟蹤傳感器的軸線是否正對太陽。通過太陽跟蹤傳感器軸線與理想位置的偏差調(diào)整驅(qū)