專利名稱：用簡單編碼器提高普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度和可靠性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽跟蹤裝置的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制。其應(yīng)用包括小型獨(dú)立及大型聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電，太陽能熱發(fā)電和太陽灶方面。
背景技術(shù)：
在高效率的，主要是聚光型太陽能采集應(yīng)用中，例如太陽能光伏發(fā)電，太陽能熱發(fā)電，太陽能聚光高溫爐，采用單軸，準(zhǔn)單軸或雙軸的跟蹤裝置是需要的。德國的ZSW(29次IEEE光伏專家會(huì)議，2002年5月)作了長年比較實(shí)驗(yàn)和測量，其結(jié)論指出一個(gè)帶跟蹤的平板式光伏電池一年的發(fā)電量要比不帶跟蹤同樣的平板式光伏電池(電池板法線朝南，與地平線構(gòu)成的角度為當(dāng)?shù)氐木暥?多出25％-30％。然而，傳統(tǒng)的高精度的太陽跟蹤裝置多采用光編碼器，伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)和帶有電腦的控制系統(tǒng)，成本高。在高科技應(yīng)用比如太陽爐方面，這種成本是可以接受的。然而，在光伏發(fā)電方面，成本核算非常苛刻，因此建造商都大幅度增加每個(gè)跟蹤單元所帶動(dòng)的采光面積，例如澳大利亞公司Solar Systems Pty的SS20光伏發(fā)電跟蹤單元的采光面積是130m2，美國公司Amonix Corp的25KW光伏發(fā)電跟蹤單元的采光面積是182m2，資料參考David Faiman的報(bào)告《大面積聚光器》(2ndWorkshop on″The path toultra-high efficient photovoltaics″，JRC Ispra，Italy 2002年10月3-4日)，以降低跟蹤裝置的成本比重。然而制造龐大的采光面積是需要更高的制造工藝和更大的設(shè)備，同時(shí)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也更復(fù)雜，比如要慎重考慮抗風(fēng)能力和重力變形方面。故此，中等采光面積，低成本跟蹤裝置和使用多個(gè)獨(dú)立單元是太陽能發(fā)電工業(yè)里很有前景的發(fā)展方向。
問題的關(guān)鍵在于電機(jī)和控制器的選用；如果使用普通的直流電機(jī)來作太陽跟蹤器的主驅(qū)動(dòng)，用簡單便宜的編碼器代替昂貴的高精度光編碼器，用簡易的單板計(jì)算機(jī)或微控器取代電腦，制造成本則可大幅度降低。此方案存在一個(gè)技術(shù)難題，既普通直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度并非是固定的，其速度是輸入電壓及機(jī)械負(fù)載的函數(shù)。由于這是直流電機(jī)的特性，因此普遍上普通低價(jià)的直流電機(jī)都不在定位驅(qū)動(dòng)方面(例如太陽跟蹤)使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種方法來克服這個(gè)在以上背景技術(shù)中所敘述的技術(shù)難點(diǎn)，使低價(jià)的普遍直流電機(jī)適合于在太陽跟蹤器的驅(qū)動(dòng)上使用，并能夠使該跟蹤器實(shí)現(xiàn)高精度和高可靠性的驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明通過下述的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本發(fā)明適合用于慢速驅(qū)動(dòng)，特別是太陽能跟蹤的驅(qū)動(dòng)。把直流電機(jī)安裝在驅(qū)動(dòng)裝置的減速箱的輸入端，在減速箱內(nèi)的其中一根旋轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)經(jīng)濟(jì)簡單的編碼器。一旦該軸旋轉(zhuǎn)到某個(gè)或某幾個(gè)已知的位置或點(diǎn)上時(shí)，該編碼器就會(huì)被激發(fā)，輸出電訊號。編碼器的輸出端通過電線連接到驅(qū)動(dòng)控制器上。驅(qū)動(dòng)控制器處理編碼器的信號，并實(shí)時(shí)作出啟動(dòng)或停止直流電機(jī)的決定。技術(shù)方案如圖1所示。
圖1所示的方法，提供了可以讓直流電機(jī)在特定的位置上停頓的能力，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可靠性大大提高了；由于編碼器不安裝在驅(qū)動(dòng)裝置的輸出端，而是安裝在減速器的其中一個(gè)減速級，低分辨率的編碼器已經(jīng)足夠提供驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)高精度驅(qū)動(dòng)的控制能力。在此情況，該控制器所能保證的，可靠的，減速器輸出端的最小的定位轉(zhuǎn)角是Dr，其計(jì)算法如下假設(shè)圖1中編碼器4每圈能分辨出N個(gè)位置，既有N個(gè)激發(fā)點(diǎn)，那么圖1中轉(zhuǎn)軸甲的最小的，控制器2可以保證的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是Δθ，由以下公式給出 圖1中的第二級減速5的減速倍數(shù)是G2，第三級減速6的減速倍數(shù)是G3，減速器的輸出端15的轉(zhuǎn)角ρ的最小的，控制器2可以保證的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是Δρ，由以下公式給出
編碼器信號11的發(fā)生次數(shù)和該轉(zhuǎn)軸甲13的位置的關(guān)系是每發(fā)出兩次的信號代表了轉(zhuǎn)軸甲13轉(zhuǎn)了一個(gè)Δθ，輸出端15轉(zhuǎn)了一個(gè)Δρ。
編碼器4可以按應(yīng)用的需要和合適性安裝在其它部位如轉(zhuǎn)軸乙14或輸入端12等。如果使用其他級數(shù)的減速箱也可以此類推。本方案適合用于慢速的直流電機(jī)或帶有微型減速箱的直流電機(jī)。如果直流電機(jī)速度太快而影響該電機(jī)的停走控制，則可把編碼器安裝在更后面的減速級的軸上。
驅(qū)動(dòng)器的最小的驅(qū)動(dòng)角度為Δρ，驅(qū)動(dòng)精度取決于減速箱的減速倍數(shù)，如公式(2)說明。由于太陽跟蹤器多采用高減速比的減速箱，故此方法可以使因?yàn)轵?qū)動(dòng)精度不準(zhǔn)確而不適合用于驅(qū)動(dòng)太陽跟蹤器的普通直流電機(jī)，達(dá)到了跟蹤太陽所需的精度。舉例假設(shè)使用非常簡單且便宜的編碼器，分辨率為每圈4個(gè)點(diǎn)，既N＝4；減速箱有兩個(gè)減速級，總減速倍數(shù)為54×54＝2916，編碼器安裝在第一減速級的輸入端，從公式(2)，可求得最小的驅(qū)動(dòng)角度為Δρ＝0.03°，精度大大足夠用于太陽跟蹤器了。
本發(fā)明只用了簡單的編碼器，邏輯線路和微控器；相對于傳統(tǒng)的跟蹤裝置，比如使用高精度光編碼器，伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)和電腦，成本是顯著的降低了。本發(fā)明提出的技術(shù)方案，就整體功能而言就是用簡單便宜的元件把直流電機(jī)改進(jìn)成一個(gè)高精度的步進(jìn)電機(jī)，不同的是該直流電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。


圖1是實(shí)行本方法發(fā)明的技術(shù)方案示意中直流電機(jī)1 控制器2 第一級減速3 編碼器4 第二級減速5 第三級減速6機(jī)械負(fù)載7 減速器8 θ9 ρ10編碼器信號11 輸入端12 轉(zhuǎn)軸甲13 轉(zhuǎn)軸乙14 輸出端15
圖2是控制器功能示意中計(jì)數(shù)器16 PIC/CPU/微控器17 電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路18 輸出到直流機(jī)19編碼器信號11 控制器2圖3是PIC/CPU/微控器17的基本驅(qū)動(dòng)程序流動(dòng)圖具體實(shí)施方案下面結(jié)合圖1，圖2，圖3對用簡單編碼器提高普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度和可靠性的方法作進(jìn)一步描述圖1中的直流電機(jī)1的電源線或控制線接到控制器2，由控制器2決定直流電機(jī)1的啟動(dòng)或停止。直流電機(jī)1的輸出軸連接到減速器8的輸入端12。減速器的輸出端15連接到機(jī)械負(fù)載7。圖一中的減速器8是一個(gè)有三個(gè)減速級的減速器。編碼器4安裝在連接第一級減速3和第二級減速5的轉(zhuǎn)軸13上。轉(zhuǎn)軸13的旋轉(zhuǎn)角度是θ，輸出端的旋轉(zhuǎn)角度是ρ。編碼器4的輸出信號11，則通過電線或數(shù)據(jù)線連接到控制器2上。
圖2中的控制器2上置有計(jì)數(shù)器16，用以紀(jì)錄編碼器4發(fā)出的信號的次數(shù)。在控制器2上安置了一個(gè)PIC/CPU/微控器17，功能是按程序讀取計(jì)數(shù)器15所記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路17控制直流電機(jī)1的啟動(dòng)和停止。PIC/CPU/微控器17也負(fù)責(zé)起始化計(jì)數(shù)器16。
基本的控制程序如圖3所示。進(jìn)入程序后，PIC/CPU/微控器17啟動(dòng)計(jì)數(shù)器16，然后等待需要執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的時(shí)刻。在有驅(qū)動(dòng)需要時(shí)，PIC/CPU/微控器17首先計(jì)算出驅(qū)動(dòng)的角度ρ，接著把ρ轉(zhuǎn)換成相對的編碼器信號發(fā)生次數(shù)x，x由以下公式求出x=int[ρMΔθ]+1---(3)]]>接著PIC/CPU/微控器17便啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)輸入計(jì)數(shù)器16實(shí)時(shí)紀(jì)錄的編碼器信號的發(fā)生次數(shù)A，然后以它對比x，一直到當(dāng)A≥x時(shí)即令電機(jī)停止，重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)器16。接著PIC/CPU/微控器17等待下一次需要執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的時(shí)刻。時(shí)間的信號是由石英振蕩器產(chǎn)生，達(dá)到了一般石英手表的精確度，從而滿足了精確跟蹤太陽的目的。
權(quán)利要求
1.一種用簡單的編碼器來提高直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度和可靠性的方法，用于近速跟蹤特別是太陽跟蹤器，其方法是在使用直流電動(dòng)機(jī)的太陽跟蹤器的驅(qū)動(dòng)裝置里安裝編碼器，編碼器的輸出端連接到一個(gè)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制器上，控制器的邏輯系統(tǒng)根據(jù)該編碼器輸出的訊號判斷并發(fā)出使該電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或停止的指令，從而達(dá)到了提高直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度和可靠性的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度和可靠性的方法，其特征在于，所使用的編碼器是安裝在驅(qū)動(dòng)裝置里的減速箱內(nèi)的其中一個(gè)減速級的轉(zhuǎn)軸上，減速箱的輸出軸除外。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的安裝機(jī)械編碼器的減速級轉(zhuǎn)軸，其特征在于，在為了達(dá)到該驅(qū)動(dòng)裝置的最高驅(qū)動(dòng)精度潛能，該減速級的轉(zhuǎn)軸必須是從減速箱輸入端數(shù)起的第一減速級或第二減速級的輸入端的轉(zhuǎn)軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，它包括了CPU或PIC或微控器，其特征在于，該CPU或PIC或微控器應(yīng)用通過計(jì)數(shù)器或直接紀(jì)錄權(quán)利要求1所述的編碼器所發(fā)出的訊號的發(fā)生次數(shù)，用于制定權(quán)利要求1所述的電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)或者停止。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的編碼器所發(fā)出的訊號的發(fā)生次數(shù)的應(yīng)用，其特征在于在沒有改變驅(qū)動(dòng)方向的條件下，每兩個(gè)訊號的發(fā)生代表了根據(jù)權(quán)利要求2所述的安裝機(jī)械編碼器的減速級轉(zhuǎn)軸已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了一個(gè)該編碼器所能分辨得最小的轉(zhuǎn)角度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用簡單的編碼器提高直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度和可靠性的方法，這種方法旨在于使用低成本的元件顯著的提高帶動(dòng)減速箱的普通直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)類似伺服電機(jī)的控制能力，進(jìn)而大幅度降低了高精度單軸或雙軸太陽跟蹤裝置的制造成本，提高太陽跟蹤器和在光伏發(fā)電，光熱發(fā)電方面的競爭力。這種方法包括了使用簡單的編碼器，把它安裝在太陽跟蹤裝置里的減速箱的其中一個(gè)減速級輸入端的旋轉(zhuǎn)軸上，編碼器輸出訊號至驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器，控制器計(jì)算軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和圈數(shù)，用微控制器或CPU計(jì)算出啟動(dòng)或停止電機(jī)的時(shí)間，以高精度的時(shí)間控制代替其他伺服電機(jī)的電壓控制，最終實(shí)現(xiàn)提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度和可靠性的目的。
文檔編號G05D3/14GK1838014SQ20061020031
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月5日
發(fā)明者陳應(yīng)天, 林晨星, 林文漢 申請人:陳應(yīng)天, 林晨星