太阳辐射计全自动跟踪转台的设计

2024年2月4日发(作者：)

太阳辐射计全自动跟踪转台的设计

杨东军;方伟;王玉鹏;叶新

【摘 要】In addition to the solar radiometer' s accuracy, the accuracy of the

rotating stage also affects the accuracy of the solar irradi-ance ground

measurement. In order to archive and advance the precision measurement

of solar irradiance, combines the photoelectric cell track and the

depending on the sun running track, designs a new all -weather, high

precision, automatic controlling sun tracking rotating stage, which can

work in cloudy days and work on time everyday, and meets the

requirement of the observation station. The results show that this stage

has no more than 1‰ systematic error, and has stable operation and can

meet the requirements of the high accuracy solar irra-diance

measurement.%太阳辐照度的地面测量精度除受辐射计的测量精度影响外,还受太阳跟踪转台精度的影响；为了推广不同区域太阳辐照度的测量,实现高精度地面辐照度的长期准确测量,文中结合硅光电池跟踪结构和视日运行轨迹程序跟踪方法,设计了每天能定时开关机工作,能适应有云气候的全天候、高精度、全自动控制的太阳跟踪转台,满足了该仪器用于野外观测站应用的要求；实验证明,该转台系统误差小于1‰,运行稳定,满足太阳辐照度高精度测量的要求.

【期刊名称】《计算机测量与控制》

【年(卷),期】2011(019)008

【总页数】4页(P2001-2003,2006)

【关键词】绝对辐射计;转台;太阳辐照度;光电池

【作 者】杨东军;方伟;王玉鹏;叶新

【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间一部,吉林长春130033;中国科学院研究生院,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间一部,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间一部,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间一部,吉林长春130033

【正文语种】中 文

【中图分类】TP368

0 引言

太阳辐照变化规律的研究对地域气候变化和持续干旱等异常气候观测具有重要意义。多地区的长期太阳辐射观测结合日照、温度等气象因子，可以对我国地面总辐照的时空分布特征和变化趋势进行分析，为地域气候变化提供科学数据。目前，我国日射站点稀少，辐照度测量仪器多采用瑞士、美国和荷兰的仪器，价格昂贵，不利于辐照度测量推广。

长春光机所研制主要用作航天卫星载荷和地面气象站辐照度监测的太阳辐射计SIARs，从2002年9月开始在世界辐射中心同世界标准组 （WSG）辐射计一起安装在瑞士PMOD的太阳跟踪架上，进行了长期的太阳辐照度例行观测试验，并同世界辐射基准的辐照度标度进行比对，试验表明仪器性能完全达到了WSG的水平，可作为辐射基准仪器［1 2］。

SIARs地面监测太阳辐照度时，除SIARs本身性能外，配套太阳跟踪转台的精度

是制约SIARs观测精度的主要因素。传统的基于光电池的SIARs跟踪转台只能在天气晴朗时使用，天空突然出现的云团会影响转台跟踪，出现跟偏甚至不跟现象［3］。为了推广我国区域太阳辐照度的测量，实现太阳辐照度的全自动控制，本文结合光电池跟踪和视日运行轨迹跟踪，设计了全天候，高精度，全自动控制的太阳跟踪转台。实验表明，该转台满足太阳辐照度高精度测量的要求，系统误差小，运行稳定。

1 传统光电池跟踪

光电池跟踪系统由太阳辐射计、跟踪器、步进电机、微处理器系统以及机械部分组成，结构如图1所示。跟踪器由呈十字分布代表4个方位的4块硅光电池A、B、C、D组成，每块光电池两端接导线 （绝缘铜丝），负电极共地。

当有太阳光进入跟踪器，微处理系统采集跟踪器的4块光电池的值，如果跟踪器已经对准太阳，则光电池A和C正极之间的电压差VAC=0，光电池B和D正极之间的压差VBD=0，电机不动。当跟踪器跟踪偏离时，VAC或VBD有压差，压差被AD采样，经过DSP的控制算法决定电机A （控制水平旋转）或电机B（控制俯仰方向）的旋转方向和步数，电机动作后再次进行采样和控制，如此反复直到VAC和VBD的压差均接近于零，此时光电传感器的定位光孔所形成光斑与参考光孔重合，由于设计中A轴、B轴和C轴相互平行，此时太阳辐射计对准太阳，转台实现了对太阳的跟踪［4］。

光电池跟踪精度高，能满足SIARs太阳辐照度的要求，但受天气限制，当天空突然出现云团时会使跟踪偏离的现象，如果云团出现的时间长，甚至会出现不跟的情况。在云团离开后，需要人工调整转台的位置才能再次跟踪测量。这大大限制了SIARs在日射站观测的效率和推广。

2 视日运行轨迹跟踪

视日运动轨迹跟踪的原理是借助经纬度和时间，利用天文公式计算得到两个时刻太

阳天顶角和方位角的差值，然后通过MCU驱动两个电机按一定方向转动相同的角度差，实现太阳的实时跟踪。

图1 光电池跟踪系统

其中：NF为当前日期的年份；N为积日；θ为日角；δ为赤纬角；Sd为地方时；Sb为北京时；Fb为北京分；Jd为经度；Et为时差；Sz为真太阳时；γ为时角；φ为纬度；h0为高度角；A为方位角。

2010年2月2日长春太阳高度角和方位角曲线如图2所示。横坐标以2分钟为间隔，从0时到24时。

在8点 （NUM240）到16点 （NUM480）时间段，高度角先增加后减小，在12点达到最大值，方位角递增。每两分钟角度偏差如图2中Azimuth／Altitude图所示，高度角的角度偏差大 （-0.3058～0.3403），而方位角的角度偏差小（0.3817～0.5492）。考虑到季节因素，设定两分钟内高度角最大偏差为

（0.3403-（-0.3058））×2=1.2922≈1.3o，方位角最大偏差（0.5492-0.3817）×2=0.335≈0.4o。

3 全天候自动跟踪

3.1 电源控制

由于日射站点多位于海拔较高的地区，测试人员少，且站点的观测仪器众多，为了方便操作和安全，设计太阳辐射计和转台为定点自动开关机。如图3所示，555定时器产生计数器CC4020的时钟CLK，计数器Q14脚的电平变化控制三极管Q1的开关，当Q1导通时继电器作用使得常开触点闭合，即220V电源导线接通，实现220V给辐射计和转台供电［5］。

图2 高度角和方位角曲线

设定辐射计测量时间为8点～16点共8小时，停止测量时间为16小时。计数器

CC4020的Q14高电平时间213 T，低电平时间214 T，满足辐射计开关时间1∶2要求。T为7555产生的方波周期，由213 T+214 T=24（h）=86400（s）得到周期T=3.5156（s），因此调整R3和R4阻值，使7555定时器周期满足3.5156s，则可以实现电源的每天固定时刻通断电。

3.2 电机控制

选用的是SANYO公司的 RM2424S，1.5A，1.8DEG／STEP的四相步进电机。由于每2分钟高度角变化1.3o，方位角变化0.4o，为了使得电机跟踪精确，电机需要细分到0.01o／步。这时高度角每两分钟走130步，方位角走40步。

由于电机的驱动电流远大于DSP的I／O口电流，需要单独进行驱动，我们选择应用驱动芯片SLA7024进行电机的驱动。选择四相八拍方式，通过调整外围电阻，使得驱动电流1.2A。

电机控制流程如图4所示。

3.3 系统控制流程

定时电源导通时，辐射计上电开始初始化 （15min），转台控制电路上电后驱动两电机转动，当采集到定位霍尔元件信号时电机回归零点，此时高度角和方位角均为零，DSP开始采集X1226当前时间，运用视日运行轨迹公式计算当前时刻的高度角和方位角，由此计算水平和俯仰电机需要转动的角度，DSP驱动电机转动到指定位置，此时DSP开始采集光电池电压值，并控制电机精密跟踪太阳。辐射计初始化完成后，自动开始辐照度的测量。

当有云团出现时，控制流程如图5所示。如果光电池采样值S小于预设阈值Sset时，DSP通过串口发送Stop指令到PC软件，PC软件收到指令后，通过串口给辐射计发送break命令使辐射计停止测量，等待PC机发送重新开始测量指令。等待5分钟后，电机归零，然后采集X1226当前时间，通过视日运动轨迹方程驱动电机到当前位置，然后判断光电池采样值S是否大于Sset，如果满足条件，DSP

驱动电机进行光电池跟踪，并给PC机发送ready指令，PC机收到指令后，给辐射计发送restart命令，使辐射计重新开始辐照度测量［6］。

图3 定时电源

图4 电机控制流程图

3.4 软件控制

VC编写的控制界面主要通过串口与转台控制系统和辐射计测量系统通信。实现经纬度设置，时间设置，跟踪间隔时间设置，高度角显示，方位角显示，光电池数据显示，数据保存，控制设置等。

图5 系统控制流程图

4 试验

4.1 挡光实验

为了验证在有云时转台跟踪是否正常，在光电池探测器前每10分钟遮挡太阳光一次，实验表明在经过5分钟等待后，转台再次跟踪正常，实现了有云天气的太阳跟踪。

4.2 跟踪精度实验

为了验证转台跟踪精度是否满足辐射计地面测量的要求，利用国际辐射基准

（WRR）标定过的基于光电池跟踪的转台系统 （M-01）和辐射计 （SIAR＿1a、SIAR＿2c）标定该转台。SIAR＿1a放置在M＿01上，SIAR＿2c放置在新转台上，两台辐射计的国际比对系数分别为：R1a=1.001928，R2c=1.000016。设SIAR＿1a辐照度测量值为I1，SIAR＿2c辐照度测量值为I2，则两台辐射计测量结果分别为：I′1=I1×R1a，I′2=I2×R2c。

图6 测量数据曲线图

一整天测量中，实验数据曲线如图6所示［7］。

SIAR＿1a和SIAR＿2c所测辐照度值相差微小，所测值I′2／I′1 的均方根：

s=7.03×10-4 ＜1‰。

试验测试表明，该转台上辐射计所测辐照度值与M-01转台上辐射计所测辐照度值的一致性好，偏差小于1‰，表明系统的跟踪效果良好，满足太阳辐射计地面辐照度测量的跟踪精度要求。

5 结论

传统的光电池跟踪转台受天气影响，在突然出现云团时会出现跟踪偏离甚至不跟的现象。为了推广绝对辐射计在我国气象观测中的应用，为地域气候变化作贡献，本文结合光电池跟踪和视日运动轨迹跟踪，在实现了定时工作的同时，设计了全天候，高精度，全自动控制的太阳跟踪转台。该转台系统误差小于1‰，运行稳定，满足太阳辐照度高精度测量的要求。另外，该转台在太阳能热水器等太阳能利用领域也将具有广泛的应用前途。

【相关文献】

［1］方 伟，等.太阳辐照绝对辐射计 （SIAR-1）与国际比对 ［J］.光学学报，2003，23 （1）：112-116.

［2］方伟等.太阳辐射绝对辐射计及其在航天器上的太阳辐照度测量［J］.中国光学与应用光学，2009，2 （1）：23-28.

［3］杨东军，方 伟，叶 新，等.绝对辐射计参数测量的实现 ［J］.计算机测量与控制，2009，17（10）：1892-1894.

［4］杨东军，方 伟，叶 新.太阳辐射计自动跟踪系统的设计 ［J］.微机算机信息，2009，25（8-1）：16-17.

［5］赵玉玲，斯扬华.自动循环定时装置的设计制作 ［J］.工业仪表与自动化装置，2004，（3）：51-52.

［6］杨东军，方 伟，叶 新，等.太阳辐射监测仪遥测信号采集系统设计 ［J］.计算机测量与控制，2009，17（9）：1851-1853.

［7］杨东军，方 伟，王玉鹏，等.基于Matlab GUI的太阳辐射定标数据处理平台设计 ［J］.计算机测量与控制，2009，17 （7）：1426-1428.