基于STM32 的塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡雙軸控制實驗系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

馮 濤，李 擎，王常策，崔家瑞，潘月斗，庫都斯

（北京科技大學a.自然科學基礎實驗中心；b.自動化學院，北京 100083）

0 引言

資源枯竭已經(jīng)成為當前制約人類經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的重大困擾和難題，太陽能熱發(fā)電技術因其顯著的優(yōu)點而成為新能源開發(fā)和利用的重要發(fā)展方向［1-4］。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)有多種形式，其中塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)是通過大規(guī)模的反射鏡群將太陽光聚焦到發(fā)電場中央集熱塔頂部的接收器上，對其中的工質(zhì)進行高溫加熱產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換。這種太陽能熱發(fā)電形式因其熱傳輸路徑短、發(fā)電效率高、熱損耗小等特點成為世界各國研究的重點［5-6］，其中定日鏡對太陽位置及光線角度的持續(xù)精確跟蹤是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的重點和難點［7-9］。由于需要對太陽的高度角和方位角進行同步跟蹤，塔式太陽能熱發(fā)電的定日鏡需要實現(xiàn)雙軸獨立控制，由獨立的步進電機分別控制定日鏡的水平角度和俯仰角度以實現(xiàn)對太陽追蹤。

目前市面上成品的運動控制器均采用ARM/DSP+CPLD/FPGA的架構，這種架構具有極強的運算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)4 軸甚至6 軸的曲線、圓弧插補［10-11］。定日鏡的運動控制只需要2 軸插補，使用成品運動控制器性能嚴重過剩。對于塔式太陽能熱發(fā)電場來說，其定日鏡規(guī)模龐大，考慮到鏡群組網(wǎng)和遠程控制的要求，定日鏡運動控制系統(tǒng)占電場總體建設成本的比例較大，采用這種成品的運動控制器會造成極大的成本壓力。因此有必要專門針對塔式太陽能發(fā)電場的定日鏡控制需求，開發(fā)一款成本低、控制靈活、易于大規(guī)模組網(wǎng)的雙軸運動控制系統(tǒng)。

1 定日鏡雙軸控制系統(tǒng)整體工作流程

定日鏡需要根據(jù)當前所在的經(jīng)度、緯度，以及當前的時間和季節(jié)，利用太陽在天空的軌跡運行規(guī)律調(diào)整自身的角度來實現(xiàn)對太陽的追蹤，整體控制流程如圖1 所示。

圖1 定日鏡太陽追蹤控制流程圖

根據(jù)地球繞太陽旋轉(zhuǎn)的規(guī)律，可以得到太陽的高度角為［12］

式中：H為太陽高度角；φ為定日鏡當前所在位置的緯度；α為赤緯角；ω為太陽時角。

太陽方位角為

式中，β為太陽方位角。通過式（1）、（2），系統(tǒng)可以計算出當前太陽的所在高度角和方位角，驅(qū)動步進電動機實現(xiàn)對太陽的追蹤。

2 定日鏡雙軸控制系統(tǒng)總體設計要求及設計方案

根據(jù)定日鏡控制流程，定日鏡雙軸控制系統(tǒng)的總體要求如下：

（1）要求實現(xiàn)Modbus-TCP工業(yè)總線協(xié)議，并且數(shù)據(jù)響應延遲要低于50 ms，能夠與中央控制主機進行實時穩(wěn)定通信；

（2）能夠驅(qū)動兩路步進電動機，分別控制定日鏡的俯仰角度和水平旋轉(zhuǎn)角度，并要求根據(jù)步進電動機的機械特性，對步進電動機實現(xiàn)平滑加減速控制，避免步進電動機失步與過沖；

（3）要求具備非易失性數(shù)據(jù)存儲和完善的過熱報警、保護功能。

系統(tǒng)方案整體框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)主要由微控制器及其外圍電路、WiFi 通信模塊、步進電動機驅(qū)動器等組成。系統(tǒng)可以實現(xiàn)Modbus-TCP通信協(xié)議，具備現(xiàn)場大規(guī)模組網(wǎng)和通信能力，以集中對發(fā)電場內(nèi)所有定日鏡進行遠程控制。系統(tǒng)可產(chǎn)生兩路脈沖及方向信號輸出給專用的步進電動機驅(qū)動器，以驅(qū)動兩臺步進電動機分別控制定日鏡的俯仰角度和水平角度，并能實現(xiàn)步進電機的平滑加減速。系統(tǒng)帶有RS-232 接口，以和專用的手持操作器通信，方便維護人員對定日鏡進行現(xiàn)場控制。此外，系統(tǒng)還集成有非易失性數(shù)據(jù)存儲器，以存儲經(jīng)緯度、通信地址和其他控制參數(shù)。系統(tǒng)同時還帶有溫度傳感和報警功能，以監(jiān)測當前環(huán)境溫度，防止系統(tǒng)在室外工作過程中出現(xiàn)過熱等現(xiàn)象。

3 定日鏡雙軸控制系統(tǒng)設計實現(xiàn)

3.1 單片機系統(tǒng)資源分配

根據(jù)上面的總體設計要求，選用STM32F407VGT6單片機作為主控芯片。STM32F407VGT6 單片機集成的是高性能的Cortex-M4 內(nèi)核，工作頻率在168 MHz，并且?guī)в懈↑c計算功能，運算能力得到進一步加強［13］。該單片機內(nèi)部集成了極為豐富的外設資源，如I/O口、定時器、UART、I2C接口等，各個外設模塊可以與多個I/O口進行功能復用，使用相當靈活。在本系統(tǒng)中單片機的內(nèi)部資源分配如表1 所示。

表1 系統(tǒng)功能與資源分配

3.2 非易失性數(shù)據(jù)存儲功能實現(xiàn)

系統(tǒng)使用EEPROM 芯片24LC02 來存儲經(jīng)緯度、通信地址等非易失性參數(shù)。24LC02 內(nèi)部包含有256 Byte的存儲空間，采用I2C 接口，并帶有寫保護功能，可防止系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障使得程序意外寫入導致數(shù)據(jù)損壞。24LC02 的電路原理圖如圖3 所示。

圖3 24LC02電路原理圖

在軟件實現(xiàn)上，這里使用STM32 單片機I/O口軟件模擬的方式來實現(xiàn)與24LC02 芯片之間的I2C 總線通信和數(shù)據(jù)讀寫。I2C協(xié)議使用SCL與SDA兩根線來實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，SCL 作為時鐘線，SDA 作為數(shù)據(jù)線。將STM32 的對應I/O 口進行相應的配置，根據(jù)I2C總線協(xié)議規(guī)范和24LC02 的手冊要求，來實現(xiàn)對SCL和SDA 線的控制，從而實現(xiàn)對24LC02 的數(shù)據(jù)讀寫。

3.3 Modbus-TCP遠程通信功能實現(xiàn)

為了對塔式太陽能熱發(fā)電場的定日鏡進行統(tǒng)一的控制和狀態(tài)監(jiān)測，要求控制系統(tǒng)具有較強的數(shù)據(jù)通信能力，這里采用的是Modbus-TCP 協(xié)議來實現(xiàn)定日鏡控制系統(tǒng)的大規(guī)模組網(wǎng)。Modbus-TCP 協(xié)議是運行在TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議上的Modbus 通信規(guī)約，廣泛地應用于工業(yè)控制領域，能夠與多種PLC、通用控制器實現(xiàn)對接［14］。

本系統(tǒng)中Modbus-TCP 協(xié)議的實現(xiàn)以WiFi 模塊USR-WiFi232-B作為物理層。USR-WiFi232-B 模塊是一款一體化的802.11 b/g/n WiFi模塊，采用工業(yè)級高性能嵌入式架構，在本系統(tǒng)中它的電路如圖4 所示。

圖4 USR-WIFI232-B模塊電路原理圖

USR-WiFi232-B模塊已經(jīng)處理了WiFi 數(shù)據(jù)通信中的大部分細節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)Modbus 通信規(guī)約要求來實現(xiàn)Modbus-TCP通信協(xié)議。Modbus-TCP協(xié)議的實現(xiàn)采用有限狀態(tài)機模型來實現(xiàn)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5 所示。

圖5 Modbus-TCP數(shù)據(jù)處理狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

沒有收到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)處于“空閑”狀態(tài)。收到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到“數(shù)據(jù)接收”狀態(tài)，此時隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟粩噙M行，會根據(jù)Modbus-TCP 的協(xié)議約定，對數(shù)據(jù)幀完整性進行持續(xù)判斷。當接收到完整的數(shù)據(jù)幀之后，進入“數(shù)據(jù)幀解析”狀態(tài)，會對數(shù)據(jù)幀的正確及有效性進行進一步的判斷，驗證訪問的寄存器有沒有超過范圍等。如果數(shù)據(jù)幀驗證通過，則對其中的功能碼進行對應的處理。Modbus 協(xié)議支持多種功能碼，針對不同的功能碼，系統(tǒng)對相應地址的寄存器進行讀寫，然后把讀寫結果組成回復數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再次進入“空閑”狀態(tài)，一次通信即告結束，等待遠程控制主機發(fā)起下一次Modbus通信。

Modbus協(xié)議支持多種功能碼，在本系統(tǒng)中實現(xiàn)的功能碼見表2。

表2 系統(tǒng)已實現(xiàn)的Modbus功能碼

3.4 脈沖信號可控輸出功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)中，對步進電機的控制需要由系統(tǒng)提供相應頻率的脈沖輸出，脈沖輸出的頻率決定了電動機的旋轉(zhuǎn)速度，脈沖輸出的數(shù)量決定了步進電機的旋轉(zhuǎn)角度，因此需要實現(xiàn)脈沖頻率、數(shù)量的可控輸出［15-16］。相對于采用CPLD/FPGA 的較為復雜的方案，本系統(tǒng)采用STM32 單片機內(nèi)部的高級多功能定時器進行相互級聯(lián)使用，實現(xiàn)步進電機脈沖信號頻率和數(shù)量的可控輸出。該方案的組成框圖如圖6 所示。

圖6 STM32單片機定時器級聯(lián)框圖

圖6 中，定時器1 由STM32 的內(nèi)部高頻時鐘提供時鐘源，時鐘經(jīng)過分頻和定時器1 的計數(shù)器計數(shù)，產(chǎn)生PWM信號輸出到外部。同時定時器2 對PWM信號進行計數(shù)，當計數(shù)個數(shù)達到設定值時，進入定時器2 的ISR，改變定時器1 的寄存器設置，從而改變脈沖輸出的頻率。脈沖輸出都是由定時器硬件完成，軟件只需要在預設的脈沖個數(shù)輸出完畢時才會介入以對后續(xù)的脈沖頻率、個數(shù)進行修改，實現(xiàn)了系統(tǒng)的軟硬件優(yōu)化，對硬件結構實現(xiàn)了簡化，在保證系統(tǒng)性能的基礎上，實現(xiàn)了系統(tǒng)成本的顯著降低。

4 實驗測試

在實驗室環(huán)境下，采用數(shù)字存儲數(shù)字示波器以及專用的通信測試軟件對系統(tǒng)進行了詳盡的實驗測試?？刂葡到y(tǒng)電路板及測試環(huán)境如圖7 所示。

圖7 定日鏡雙軸控制系統(tǒng)電路板及實驗室測試環(huán)境

將系統(tǒng)與上位機接入同一個局域網(wǎng)，然后在上位機上運行Modbus Poll 測試軟件，對系統(tǒng)進行連續(xù)的Modbus寄存器讀寫操作，同時讓系統(tǒng)對24LC02 芯片進行連續(xù)的讀寫操作，并與此同時輸出頻率、數(shù)量可控的脈沖信號。使用這樣的方式，對系統(tǒng)的Modbus-TCP通信、24LC02 芯片讀寫、脈沖信號可控輸出等功能進行完整的壓力測試。

Modbus通信波形如圖8 所示，圖中，通道1 是中央主機發(fā)送過來的控制和查詢指令，通道2 是本系統(tǒng)的回復數(shù)據(jù)。由圖可見，從主機指令發(fā)送結束到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)回復起始之間的時間延遲約為10 ms，滿足系統(tǒng)的實時性要求。Modbus通信測試界面如圖9所示。經(jīng)過24h的連續(xù)測試運行，上位機與系統(tǒng)總計進行了6.5 ×105包的Modbus-TCP 通信數(shù)據(jù)交換，出錯次數(shù)為0，這說明本系統(tǒng)實現(xiàn)的Modbus-TCP具有較高的通信穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求。

圖8 Modbus-TCP通信波形圖

用示波器抓取的系統(tǒng)對24LC02 芯片進行讀寫操作的I2C通信波形如圖10 所示，波形滿足I2C 協(xié)議中所規(guī)定的操作時序要求和建立保持時間條件。測試過程中，對24LC02 芯片整個數(shù)據(jù)區(qū)域進行了連續(xù)104余次的讀寫操作，數(shù)據(jù)讀取與寫入均成功，達到系統(tǒng)設計要求。

圖9 Modbus-TCP通信測試界面圖

圖10 I2C總線操作波形圖

在系統(tǒng)進行Modbus-TCP通信與EEPROM數(shù)據(jù)讀寫操作的同時，讓系統(tǒng)周期性地輸出兩路頻率、數(shù)量可控的脈沖信號，如圖11 所示。

圖11 脈沖可控輸出波形圖

對上面兩路輸出脈沖的數(shù)量、周期進行統(tǒng)計分析，結果見表3～5。

表3 兩路脈沖輸出數(shù)量統(tǒng)計

由上面的測試可見，系統(tǒng)穩(wěn)定的實現(xiàn)了Modbus-TCP協(xié)議通信、EEPROM 數(shù)據(jù)讀寫、脈沖信號可控輸出等各項功能。由于使用了STM32單片機內(nèi)部的高級定時器，以硬件的方式來產(chǎn)生可控的脈沖輸出，將CPU的工作負載大大降低，使得CPU有足夠的時間去處理Modbus-TCP 通信、24LC02 的I2C 讀寫操作等其他功能，使系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和響應速度得到了有效保證。

表4 兩路脈沖最大輸出周期統(tǒng)計

表5 兩路脈沖最小輸出周期統(tǒng)計

5 現(xiàn)場測試與應用

本系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于位于北京某太陽能熱發(fā)電實驗電站。該實驗電站是國家“十一五”863 計劃重點項目的一部分，是我國首個、同時也是亞洲最大的塔式太陽能熱發(fā)電電站。電站總占地面積約19 200 m2，集熱塔高119 m，鏡場安裝有100 面定日鏡，總發(fā)電規(guī)模為1 MW，年可發(fā)電量達2 ×107kW·h。經(jīng)過實驗電站長期的運行測試表明，本系統(tǒng)能夠?qū)Χㄈ甄R群實現(xiàn)平滑穩(wěn)定的逐日跟蹤，并且能夠在中央控制室調(diào)度下對定日鏡群實現(xiàn)實時遠程統(tǒng)一控制，達到了預期的設計目標。應用調(diào)試現(xiàn)場如圖12 所示。

圖12 定日鏡控制系統(tǒng)應用現(xiàn)場

6 結語

本文基于STM32F407 單片機，設計了一套定日鏡雙軸運動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了定日鏡對太陽的獨立連續(xù)跟蹤。系統(tǒng)實現(xiàn)了Modbus-TCP 遠程通信、步進電機脈沖信號可控輸出、EEPROM 參數(shù)本地存儲等功能。相對于成熟的通用運動控制器，該系統(tǒng)結構精簡，能大幅降低塔式太陽能熱發(fā)電場的建設成本，同時具有運行穩(wěn)定、響應速度快、聯(lián)網(wǎng)能力強的特點，取得了明顯的經(jīng)濟社會效益。