本實(shí)用新型涉及一種定日鏡跟蹤控制裝置，屬于定日鏡控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，隨著煤、石油、天然氣等化石能源的日趨緊張，環(huán)境問題的日益突出，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等新興清潔能源越來越受到人們的重視。塔式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)是太陽能光熱發(fā)電中主要的發(fā)電形式之一。其基本原理為：利用眾多定日鏡構(gòu)成的鏡場(chǎng)，將太陽光反射到高塔頂部的集熱器上，加熱集熱器中的工質(zhì)，工質(zhì)再經(jīng)過儲(chǔ)熱、換熱等環(huán)節(jié)，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

其中，定日鏡的作用是跟蹤太陽并將太陽入射光反射至集熱器，定日鏡是塔式電站的關(guān)鍵核心設(shè)備，由眾多定日鏡構(gòu)成的鏡場(chǎng)投資占到整個(gè)電站投資的一半左右。

定日鏡鏡場(chǎng)主要由反射鏡面、鏡面支撐、機(jī)械傳動(dòng)裝置及跟蹤控制系統(tǒng)組成。目前的定日鏡常用“高度角+方位角”雙軸跟蹤的機(jī)械傳動(dòng)方式。具體為：在方位角方向采用水平回轉(zhuǎn)式減速器為機(jī)械傳動(dòng)裝置，在高度角方向上采用電動(dòng)推桿或豎直回轉(zhuǎn)式減速器為機(jī)械傳動(dòng)裝置，機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸入為電機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸出端與鏡面支撐支架相連接。

目前，定日鏡跟蹤控制的主要方式為視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，該方法是利用太陽運(yùn)行規(guī)律、結(jié)合定日鏡所處的精確位置的經(jīng)緯度、定日鏡與集熱器的相對(duì)位置，計(jì)算定日鏡鏡面的法線方向，即鏡面的目標(biāo)角度，并利用絕對(duì)值編碼器、磁條傳感器等對(duì)鏡面角度進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，再通過控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)跟蹤；該方法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)。但也存在以下主要問題：

1、價(jià)格問題：現(xiàn)有定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)使用了絕對(duì)值編碼器、磁條傳感器作為角度檢測(cè)單元，價(jià)格昂貴，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的絕對(duì)值編碼器價(jià)格上千元，且對(duì)環(huán)境耐受性較差。

2、安裝問題：現(xiàn)有定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)使用了絕對(duì)值編碼器作為角度檢測(cè)單元，絕對(duì)值編碼器需要與轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接才能檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。若與機(jī)械傳動(dòng)裝置輸入軸連接，受大減速比傳動(dòng)特性制約，須采用多圈絕對(duì)值編碼器，其價(jià)格約為單圈絕對(duì)值編碼器的2-3倍，更為昂貴；若與機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸出軸連接，則會(huì)受制于定日鏡支架結(jié)構(gòu)特性限制，無法方便直接地與編碼器連接，從而導(dǎo)致絕對(duì)值編碼器的安裝難以實(shí)現(xiàn)。

3、長(zhǎng)期運(yùn)行誤差問題：現(xiàn)有定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)使用了絕對(duì)值編碼器檢測(cè)雙軸角度，并不能對(duì)定日鏡基座傾斜、地基沉降等引起的編碼器相對(duì)于地球坐標(biāo)系產(chǎn)生的位移絕對(duì)偏差進(jìn)行測(cè)量，長(zhǎng)期運(yùn)行后跟蹤誤差大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于：提供一種定日鏡跟蹤控制裝置，解決現(xiàn)有定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)因?yàn)槭褂媒^對(duì)值編碼器、磁條傳感器作為檢測(cè)單元，不僅價(jià)格昂貴，安裝不便，而且長(zhǎng)期運(yùn)行后跟蹤誤差大，從而能有效的解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

本實(shí)用新型的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種定日鏡跟蹤控制裝置，包括電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置，電機(jī)的輸出端與機(jī)械傳動(dòng)裝置相連，機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸出機(jī)構(gòu)與鏡架支撐連接；其特征在于：還包括定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置、定日鏡控制器、上級(jí)控制器、加速度傳感器和增量式編碼器，定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置通過鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)分別與上級(jí)控制器和定日鏡控制器相連，上級(jí)控制器通過鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)與定日鏡控制器相連，定日鏡控制器分別與加速度傳感器和增量式編碼器通訊連接。

作為一種優(yōu)選方式，定日鏡控制器包括掉電不丟失存儲(chǔ)器、通信模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。

作為一種優(yōu)選方式，加速度傳感器貼于反射鏡背面。

作為一種優(yōu)選方式，增量式編碼器設(shè)于方位角方向的回轉(zhuǎn)式減速器蝸桿的末端，電機(jī)設(shè)于回轉(zhuǎn)式減速器蝸桿的首端，定日鏡控制器的輸出端與電機(jī)相連。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果：

1、利用加速度傳感器、增量式編碼器作為鏡面角度檢測(cè)單元，能有效降低定日鏡控制系統(tǒng)的成本；

2、利用加速度傳感器、增量式編碼器作為鏡面角度檢測(cè)單元，加速度傳感器安裝于鏡面背面處，增量式編碼器可與傳動(dòng)裝置次末級(jí)傳動(dòng)軸端相連，在機(jī)械加工時(shí)傳感器安裝接口易于實(shí)現(xiàn)，且兩種傳感器的安裝簡(jiǎn)單、易于維護(hù)；

3、利用定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置結(jié)合定日鏡運(yùn)行姿態(tài)的就地檢測(cè)傳感器件的方法，使定日鏡在現(xiàn)場(chǎng)安裝建設(shè)過程中，傳感器的安裝精度要求較低，且定日鏡的運(yùn)行精度不受傳感器安裝誤差的影響；

4、利用加速度傳感器進(jìn)行角度檢測(cè)，可對(duì)定日鏡基座傾斜、地基沉降等引起的相對(duì)地面產(chǎn)生的位移絕對(duì)偏差進(jìn)行測(cè)量，提高了跟蹤精度，同時(shí)安裝位置不受機(jī)械傳動(dòng)裝置及定日鏡支架的結(jié)構(gòu)形式限制，可實(shí)現(xiàn)與多種形式的機(jī)械傳動(dòng)裝置及定日鏡支架結(jié)構(gòu)的匹配；

5、定日鏡控制器的成本降低，資源合理利用；

6、通過對(duì)年周期的定日鏡光斑位置偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)統(tǒng)計(jì)，從而對(duì)定日鏡跟蹤絕對(duì)誤差進(jìn)行修正，提高了定日鏡跟蹤精度。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型定日鏡跟蹤控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是增量式編碼器安裝示意圖。

圖3是定日鏡在高度角上的跟蹤控制方法的模塊化示意圖。

圖4是定日鏡在方位角上的跟蹤控制方法的模塊化示意圖。

圖5是方位角角度反饋模塊計(jì)算流程圖。

圖6是利用光斑位置偏差數(shù)據(jù)消除定日鏡跟蹤偏差的方法的流程圖。

其中：定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置-1，定日鏡控制器-2，上級(jí)控制器-3，加速度傳感器-4，增量式編碼器-5，電機(jī)-6，機(jī)械傳動(dòng)裝置-7,鏡架支撐-8，掉電不丟失存儲(chǔ)器-21，通信模塊-22，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置-23，機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸入軸-51，減速機(jī)-52，回轉(zhuǎn)式減速器蝸桿-53。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了相互排斥的特質(zhì)和/或步驟以外，均可以以任何方式組合，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換，即，除非特別敘述，每個(gè)特征之一系列等效或類似特征中的一個(gè)實(shí)施例而已。

如圖1-6所示，本實(shí)用新型定日鏡跟蹤控制裝置，包括定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置1、定日鏡控制器2、上級(jí)控制器3、加速度傳感器4、增量式編碼器5、電機(jī)6和機(jī)械傳動(dòng)裝置7。定日鏡控制器2包括掉電不丟失存儲(chǔ)器21、通信模塊22和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置23。電機(jī)6的輸出端與機(jī)械傳動(dòng)裝置7相連，機(jī)械傳動(dòng)裝置7的輸出機(jī)構(gòu)與鏡架支撐8連接；定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置1通過鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)分別與上級(jí)控制器3和定日鏡控制器2相連，上級(jí)控制器3通過鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)與定日鏡控制器2相連，定日鏡控制器2分別與加速度傳感器4和增量式編碼器5通訊連接，加速度傳感器4貼于反射鏡背面，增量式編碼器5設(shè)于方位角方向的回轉(zhuǎn)式減速器蝸桿53的末端，電機(jī)6設(shè)于回轉(zhuǎn)式減速器蝸桿53的首端，定日鏡控制器2的輸出端與電機(jī)6相連。所述電機(jī)6可以為步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)及所有非伺服電機(jī)，且所述電機(jī)前端帶有減速機(jī)52，減速機(jī)52的輸出軸與機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸入軸51相連接。

其中：

所述定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置：用于檢測(cè)某面定日鏡的反射光斑偏差。具體來說，定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置用于檢測(cè)某面定日鏡將入射至本面的太陽光線反射于標(biāo)定靶，或其他位置而形成的實(shí)際光斑位置與理想光斑位置之間的偏差；該裝置通過鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)與上級(jí)控制器及定日鏡控制器連接，所測(cè)得的定日鏡光斑位置修正值存儲(chǔ)于上級(jí)控制器中。

所述定日鏡控制器：定日鏡控制器包含掉電不丟失存儲(chǔ)器21、通信模塊22和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置23。定日鏡控制器可采用有線或無線通訊方式與通過鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)接收來自上級(jí)控制器的信息，這些信息中包含有光斑偏差值。定日鏡控制器留有與加速度傳感器及增量式編碼器的通訊接口，接收傳感器的角度反饋信號(hào)；同時(shí)定日鏡控制器輸出驅(qū)動(dòng)脈沖至電機(jī)，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

所述上級(jí)控制器：屬于鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的控制設(shè)備，包含了組控制器、島控制器、上位機(jī)等設(shè)備，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在不同的鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中，上級(jí)控制器包含了不同的控制設(shè)備，這些設(shè)備處于鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層級(jí)，且在定日鏡控制器的上層網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)上級(jí)控制器可與定日鏡控制器采用無線或有線的通訊方式進(jìn)行信息傳輸；并帶有掉電不丟失的存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)來自定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置的光斑位置偏差曲線。

所述加速度傳感器：用于檢測(cè)定日鏡高度角絕對(duì)角度，其電路設(shè)計(jì)含有與定日鏡控制器的通訊接口，將高度角檢測(cè)值反饋給定日鏡控制器，加速度傳感器貼裝于反射鏡背面。

所述增量式編碼器：用于檢測(cè)定日鏡方位角增量角度，安裝于方位角方向機(jī)械傳動(dòng)裝置的次末級(jí)傳動(dòng)軸端。在本實(shí)施例中，以回轉(zhuǎn)式減速器作為方位角方向的傳動(dòng)裝置對(duì)增量式編碼器的安裝進(jìn)行說明，增量式編碼器5適用于次末級(jí)有傳動(dòng)軸出軸的所有形式的機(jī)械傳動(dòng)裝置。如附圖2所示，增量式編碼器5安裝于方位角方向的回轉(zhuǎn)式減速器蝸桿53的末端，增量式編碼器5檢測(cè)回轉(zhuǎn)式減速器蝸桿53轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，該角度即為方位角增量。增量式編碼器含有與定日鏡控制器進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)慕涌凇?/p>

所述電機(jī)：包括步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)及其他非伺服電機(jī)，所述電機(jī)前端帶有減速機(jī)，所述電機(jī)減速機(jī)的輸出軸與定日鏡機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸入軸相連接。由于采用了傳感器對(duì)鏡面角度進(jìn)行了實(shí)時(shí)反饋檢測(cè)，對(duì)鏡面角度構(gòu)成了閉環(huán)調(diào)節(jié)，因此本發(fā)明中電機(jī)可以采用直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等非伺服電機(jī)；所述電機(jī)前端帶有減速機(jī)；所述電機(jī)減速機(jī)輸出軸與機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸入軸相連接。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度精度高、易控制等良好的開環(huán)特性，若采用步進(jìn)電機(jī)能提高控制系統(tǒng)精度。

所述機(jī)械傳動(dòng)裝置：輸出機(jī)構(gòu)與鏡面支撐連接。在方位角方向，由于采用了增量式編碼器作為定日鏡方位角增量角度檢測(cè)單元，其安裝適用于次末級(jí)有傳動(dòng)軸出軸的所有形式的機(jī)械傳動(dòng)裝置，因此在方位角方向可采用回轉(zhuǎn)式減速器等其他機(jī)構(gòu)作為機(jī)械傳動(dòng)裝置。在高度角方向，由于采用了加速度傳感器作為高度角絕對(duì)角度檢測(cè)單元，其安裝不受傳動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的影響，因此在高度角方向可采用電動(dòng)推桿、回轉(zhuǎn)式減速器及其他機(jī)構(gòu)作為機(jī)械傳動(dòng)裝置。機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸入軸與帶有電機(jī)減速機(jī)的輸出軸連接，機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸出機(jī)構(gòu)與鏡架支撐連接。

一種定日鏡跟蹤控制方法，具體控制方法如下：

如附圖3所示，在高度角方向上提供的跟蹤控制方法為：采用以加速度傳感器為角度反饋單元，采用步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等非伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，定日鏡控制器利用太陽運(yùn)行規(guī)律求得定日鏡鏡面高度角方向上的反射目標(biāo)角度后，結(jié)合加速度傳感器的反饋角度，給出角度控制量并結(jié)合來自上級(jí)控制器的光斑位置修正量，給出修正后的精確角度控制量至驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)高度角對(duì)應(yīng)的電機(jī)帶動(dòng)鏡面旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)角度。

如附圖4、附圖5所示，本發(fā)明在方位角方向上提供的跟蹤控制方法為：采用由方位角角度反饋模塊為角度反饋單元，采用步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等非伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，定日鏡控制器利用太陽運(yùn)行規(guī)律求得定日鏡鏡面方位角方向上的反射目標(biāo)角度后，結(jié)合方位角角度反饋模塊得到的方位角度，給出角度控制量并結(jié)合來自上級(jí)控制器的光斑位置修正量，給出修正后的角度控制量至驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)方位角對(duì)應(yīng)的電機(jī)帶動(dòng)鏡面旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)精確角度。

本發(fā)明提出采用增量式編碼器來實(shí)時(shí)反饋方位角度信息，但由于增量式編碼器只能得到角度的增量值，不能得到角度的絕對(duì)值，即不能反饋鏡面相對(duì)于地球坐標(biāo)系的方位角絕對(duì)角度。為解決上述問題，本發(fā)明提出的方位角角度反饋模塊得到鏡面方位角絕對(duì)角度的方法如下：如附圖5所示，方位角絕對(duì)角度由“相對(duì)角度+絕對(duì)角度”間接得到，其中相對(duì)角度由增量式編碼器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)得到，絕對(duì)角度利用定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置在定日鏡首次啟動(dòng)調(diào)試的初始化校準(zhǔn)后得到。

如附圖5所示，具體如下：首次獲取方位角絕對(duì)角度過程如下，利用太陽運(yùn)行規(guī)律、結(jié)合定日鏡所處的精確位置、定日鏡與光斑校準(zhǔn)裝置的相對(duì)位置等，計(jì)算定日鏡鏡面的法線方向，即鏡面的高度角與方位角的目標(biāo)角度?？刂贫ㄈ甄R鏡面到達(dá)高度角目標(biāo)角度，再擺動(dòng)定日鏡的方位角，必將出現(xiàn)一個(gè)特定角度，使得該定日鏡的光斑出現(xiàn)在光斑校準(zhǔn)裝置的中心。此時(shí)利用定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置確定該定日鏡光斑的絕對(duì)位置，并將該位置信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至定日鏡控制器，定日鏡控制器再通過當(dāng)前定日鏡的姿態(tài)信息、光斑位置反算定日鏡實(shí)際方位角即該定日鏡的方位角絕對(duì)角度，同時(shí)將該數(shù)值存儲(chǔ)至定日鏡掉電不丟失存儲(chǔ)中。

在首次獲取上述方位角絕對(duì)角度后的定日鏡跟蹤過程中再次獲取方位角絕對(duì)角度的方法如下：首先根據(jù)增量式編碼器實(shí)時(shí)的讀值，結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)裝置的減速比等參數(shù)求出增量式編碼器反饋的相對(duì)角度；再?gòu)亩ㄈ甄R控制器的存儲(chǔ)器中讀取上次的方位角絕對(duì)角度作為新的絕對(duì)角度；相對(duì)角度與絕對(duì)角度之和即為實(shí)時(shí)的方位角絕對(duì)角度。

為避免定日鏡掉電使得失去方位角絕對(duì)角度，該角度在每次計(jì)算完畢后須存儲(chǔ)于定日鏡控制器的掉電不丟失存儲(chǔ)器中。當(dāng)因裝拆鏡架等外部操作而使得絕對(duì)角度發(fā)生改變時(shí)，絕對(duì)角度需再次利用定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置進(jìn)行初始化校準(zhǔn)后得到。

本發(fā)明提出利用定日鏡光斑位置年周期的偏差對(duì)定日鏡角度控制量進(jìn)行校正，如附圖6所示，利用定日鏡光斑校準(zhǔn)裝置獲取光斑位置偏差曲線，通過鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)將該偏差曲線傳輸給上級(jí)控制器，上級(jí)控制器將該信息存儲(chǔ)于掉電不丟失存儲(chǔ)器中。在定日鏡跟蹤時(shí)，上級(jí)控制器通過鏡場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給定日鏡控制器，如附圖3、附圖4所示，定日鏡控制器結(jié)合該光斑偏差曲線對(duì)鏡面的高度角與方位角的控制量進(jìn)行閉環(huán)修正?？紤]到鏡場(chǎng)中定日鏡數(shù)量較多，實(shí)際操作中可以對(duì)定日鏡抽樣獲取偏差曲線。該偏差值每天采集至少25次，其目的是修正由機(jī)電系統(tǒng)、基座傾斜、編碼器參考位置及重力影響而帶來的跟蹤誤差。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。