一種定日鏡跟蹤控制裝置及其跟蹤控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種定日鏡跟蹤控制裝置，包括定日鏡光斑校準裝置、定日鏡控制器、上級控制器、加速度傳感器和增量式編碼器，定日鏡光斑校準裝置通過鏡場網絡分別與上級控制器和定日鏡控制器相連，上級控制器通過鏡場網絡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，加速度傳感器貼于反射鏡背面，增量式編碼器設于方位角方向的回轉式減速器蝸桿的末端，電機設于回轉式減速器蝸桿的首端，定日鏡控制器的輸出端與電機相連。有效降低定日鏡控制系統的成本，安裝簡單、易于維護，資源合理利用，對定日鏡跟蹤絕對誤差進行修正，提高了定日鏡跟蹤精度。
【專利說明】
一種定日鏡跟蹤控制裝置及其跟蹤控制方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種定日鏡跟蹤控制裝置及其跟蹤控制方法，屬于定日鏡控制技術領域。
[0002]
【背景技術】
[0003]目前，隨著煤、石油、天然氣等化石能源的日趨緊張，環境問題的日益突出，太陽能、風能、生物質能等新興清潔能源越來越受到人們的重視。塔式太陽能光熱發電技術是太陽能光熱發電中主要的發電形式之一。其基本原理為:利用眾多定日鏡構成的鏡場，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，工質再經過儲熱、換熱等環節，產生蒸汽推動汽輪發電機進行發電。
[0004]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鍵核心設備，由眾多定日鏡構成的鏡場投資占到整個電站投資的一半左右。
[0005]定日鏡鏡場主要由反射鏡面、鏡面支撐、機械傳動裝置及跟蹤控制系統組成。目前的定日鏡常用“高度角+方位角”雙軸跟蹤的機械傳動方式。具體為:在方位角方向采用水平回轉式減速器為機械傳動裝置，在高度角方向上采用電動推桿或豎直回轉式減速器為機械傳動裝置，機械傳動裝置的輸入為電機，機械傳動裝置的輸出端與鏡面支撐支架相連接。
[0006]目前，定日鏡跟蹤控制的主要方式為視日運動軌跡跟蹤，該方法是利用太陽運行規律、結合定日鏡所處的精確位置的經瑋度、定日鏡與集熱器的相對位置，計算定日鏡鏡面的法線方向，即鏡面的目標角度，并利用絕對值編碼器、磁條傳感器等對鏡面角度進行實時反饋，再通過控制機構的運動實現跟蹤；該方法的優點是易于實現。但也存在以下主要問題:
1、價格問題:現有定日鏡跟蹤控制系統使用了絕對值編碼器、磁條傳感器作為角度檢測單元，價格昂貴，目前國內市場的絕對值編碼器價格上千元，且對環境耐受性較差。
[0007]2、安裝問題:現有定日鏡跟蹤控制系統使用了絕對值編碼器作為角度檢測單元，絕對值編碼器需要與轉動軸連接才能檢測轉動角度。若與機械傳動裝置輸入軸連接，受大減速比傳動特性制約，須采用多圈絕對值編碼器，其價格約為單圈絕對值編碼器的2-3倍，更為昂貴;若與機械傳動裝置的輸出軸連接，則會受制于定日鏡支架結構特性限制，無法方便直接地與編碼器連接，從而導致絕對值編碼器的安裝難以實現。
[0008]3、長期運行誤差問題:現有定日鏡跟蹤控制系統使用了絕對值編碼器檢測雙軸角度，并不能對定日鏡基座傾斜、地基沉降等引起的編碼器相對于地球坐標系產生的位移絕對偏差進行測量，長期運行后跟蹤誤差大。
[0009]
【發明內容】
[0010]本發明的目的在于:提供一種定日鏡跟蹤控制裝置及其跟蹤控制方法，解決現有定日鏡跟蹤控制系統因為使用絕對值編碼器、磁條傳感器作為檢測單元，不僅價格昂貴，使用不便，而且編碼器相對于地球坐標系產生的位移絕對偏差較大，從而能有效的解決上述現有技術中存在的問題。
[0011 ]本發明的目的是通過下述技術方案來實現:一種定日鏡跟蹤控制裝置，包括電機和機械傳動裝置，電機的輸出端與機械傳動裝置相連，機械傳動裝置的輸出機構與鏡架支撐連接;其特征在于:還包括定日鏡光斑校準裝置、定日鏡控制器、上級控制器、加速度傳感器和增量式編碼器，定日鏡光斑校準裝置通過鏡場網絡分別與上級控制器和定日鏡控制器相連，上級控制器通過鏡場網絡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。
[0012]作為一種優選方式，加速度傳感器貼于反射鏡背面。
[0013]作為一種優選方式，增量式編碼器設于方位角方向的回轉式減速器蝸桿的末端，電機設于回轉式減速器蝸桿的首端，定日鏡控制器的輸出端與電機相連。
[0014]作為一種優選方式，定日鏡控制器包括掉電不丟失存儲器、通信模塊和電機驅動
目.ο
[0015]—種利用所述定日鏡跟蹤控制裝置的控制方法，包括如下控制方法:
一、在高度角方向，定日鏡控制器通過太陽運行規律、定日鏡位置信息計算鏡面目標角度，通過加速度傳感器反饋實際高度角度，由計算所得的鏡面目標角度和實際高度角度的偏差給出角度控制量，將角度控制量輸送至電機驅動裝置，電機驅動機械傳動裝置，機械傳動裝置帶動鏡面至目標角度，構成單臺定日鏡高度角的閉環控制；
二、在方位角方向，定日鏡控制器通過太陽運行規律、定日鏡位置信息計算鏡面目標角度，通過增量式編碼器的角度反饋并結合計算得到實際方位角度，由計算所得的鏡面目標角度和實際方位角度的偏差給出角度控制量，將角度控制量輸送至電機驅動裝置，電機驅動機械傳動裝置，機械傳動裝置帶動鏡面至目標角度，構成單臺定日鏡設備方位角的閉環控制；
三、利用定日鏡光斑校準裝置獲取正確的定日鏡絕對角度；
四、利用定日鏡光斑校準裝置獲取光斑位置年周期的運行偏差曲線，利用該偏差值對定日鏡鏡面轉動增量角度進行修正。
[0016]作為一種優選方式，首次獲取方位角絕對角度過程如下，利用太陽運行規律、結合定日鏡所處的精確位置、定日鏡與光斑校準裝置的相對位置，計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角度;控制定日鏡鏡面到達高度角目標角度，再擺動定日鏡的方位角，出現一個特定角度，使得該定日鏡的光斑出現在光斑校準裝置的中心;此時利用定日鏡光斑校準裝置確定該定日鏡光斑的絕對位置，并將該位置信息通過網絡傳輸至定日鏡控制器，定日鏡控制器再通過當前定日鏡的姿態信息、光斑位置反算定日鏡實際方位角即該定日鏡的方位角絕對角度，同時將該數值存儲至定日鏡控制器的掉電不丟失存儲器中。
[0017]作為進一步優選方式，在首次獲取方位角絕對角度后的定日鏡跟蹤過程中，再次獲取方位角絕對角度的方法如下:首先根據增量式編碼器實時的讀值，結合機械傳動裝置的減速比等參數求出增量式編碼器反饋的相對角度;再從定日鏡控制器的存儲器中讀取上次的方位角絕對角度作為新的絕對角度;相對角度與絕對角度之和即為實時的方位角絕對角度。
[0018]作為一種優選方式，所述增量式編碼器含有與定日鏡控制器進行信號傳輸的接口，用于檢測定日鏡方位角增量角度，安裝于方位角方向機械傳動裝置的次末級傳動軸端。
[0019]作為一種優選方式，定日鏡光斑校準裝置用于檢測某面定日鏡將入射至本面的太陽光線反射于標定靶或其他位置而形成的實際光斑位置與理想光斑位置之間的偏差。
[0020]與現有技術相比，本發明的有益效果:
1、利用加速度傳感器、增量式編碼器作為鏡面角度檢測單元，能有效降低定日鏡控制系統的成本；
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裝置次末級傳動軸端相連，在機械加工時傳感器安裝接口易于實現，且兩種傳感器的安裝簡單、易于維護；
3、利用定日鏡光斑校準裝置結合定日鏡運行姿態的就地檢測傳感器件的方法，使定日鏡在現場安裝建設過程中，傳感器的安裝精度要求較低，且定日鏡的運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行角度檢測，可對定日鏡基座傾斜、地基沉降等引起的相對地面產生的位移絕對偏差進行測量，提高了跟蹤精度，同時安裝位置不受機械傳動裝置及定日鏡支架的結構形式限制，可實現與多種形式的機械傳動裝置及定日鏡支架結構的匹配；
5、定日鏡控制器的成本降低，資源合理利用；
6、通過對年周期的定日鏡光斑位置偏差數據進行累計統計，從而對定日鏡跟蹤絕對誤差進彳丁修正，提尚了定日鏡跟蹤精度。
[0021]
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明定日鏡跟蹤控制裝置的結構示意圖。
[0023]圖2是增量式編碼器安裝示意圖。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]圖5是方位角角度反饋模塊計算流程圖。
[0027]圖6是利用光斑位置偏差數據消除定日鏡跟蹤偏差的方法的流程圖。
[0028]其中:定日鏡光斑校準裝置-1，定日鏡控制器-2，上級控制器-3，加速度傳感器-4，增量式編碼器-5，電機-6，機械傳動裝置-7，鏡架支撐-8，掉電不丟失存儲器-21，通信模塊-22，電機驅動裝置-23，機械傳動裝置的輸入軸-51，減速機-52，回轉式減速器蝸桿_53。
[0029]
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明。
[0031]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，每個特征之一系列等效或類似特征中的一個實施例而已。
[0032]如圖1-6所示，本發明定日鏡跟蹤控制裝置，包括定日鏡光斑校準裝置1、定日鏡控制器2、上級控制器3、加速度傳感器4、增量式編碼器5、電機6和機械傳動裝置7。定日鏡控制器2包括掉電不丟失存儲器21、通信模塊22和電機驅動裝置23。電機6的輸出端與機械傳動裝置7相連，機械傳動裝置7的輸出機構與鏡架支撐8連接;定日鏡光斑校準裝置I通過鏡場網絡分別與上級控制器3和定日鏡控制器2相連，上級控制器3通過鏡場網絡與定日鏡控制器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設于方位角方向的回轉式減速器蝸桿53的末端，電機6設于回轉式減速器蝸桿53的首端，定日鏡控制器2的輸出端與電機6相連。所述電機6可以為步進電機、直流電機及所有非伺服電機，且所述電機前端帶有減速機52，減速機52的輸出軸與機械傳動裝置的輸入軸51相連接。
[0033]其中:
所述定日鏡光斑校準裝置:用于檢測某面定日鏡的反射光斑偏差。具體來說，定日鏡光斑校準裝置用于檢測某面定日鏡將入射至本面的太陽光線反射于標定靶，或其他位置而形成的實際光斑位置與理想光斑位置之間的偏差;該裝置通過鏡場網絡與上級控制器及定日鏡控制器連接，所測得的定日鏡光斑位置修正值存儲于上級控制器中。
[0034]所述定日鏡控制器:定日鏡控制器包含掉電不丟失存儲器21、通信模塊22和電機驅動裝置23 ο定日鏡控制器可采用有線或無線通訊方式與通過鏡場網絡接收來自上級控制器的信息，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；同時定日鏡控制器輸出驅動脈沖至電機，以控制電機的轉動角度。
[0035]所述上級控制器:屬于鏡場網絡中的控制設備，包含了組控制器、島控制器、上位機等設備，本領域的技術人員將理解，在不同的鏡場網絡中，上級控制器包含了不同的控制設備，這些設備處于鏡場網絡各個層級，且在定日鏡控制器的上層網絡。同時上級控制器可與定日鏡控制器采用無線或有線的通訊方式進行信息傳輸;并帶有掉電不丟失的存儲功能，存儲來自定日鏡光斑校準裝置的光斑位置偏差曲線。
[0036]所述加速度傳感器:用于檢測定日鏡高度角絕對角度，其電路設計含有與定日鏡控制器的通訊接口，將高度角檢測值反饋給定日鏡控制器，加速度傳感器貼裝于反射鏡背面。
[0037]所述增量式編碼器:用于檢測定日鏡方位角增量角度，安裝于方位角方向機械傳動裝置的次末級傳動軸端。在本實施例中，以回轉式減速器作為方位角方向的傳動裝置對增量式編碼器的安裝進行說明，增量式編碼器適用于次末級有傳動軸出軸的所有形式的機械傳動裝置。如附圖2所示，增量式編碼器4安裝于方位角方向的回轉式減速器蝸桿53的末端，增量式編碼器4檢測回轉式減速器蝸桿53轉軸的轉動角度，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行信號傳輸的接口。
[0038]所述電機:包括步進電機、直流電機及其他非伺服電機，所述電機前端帶有減速機，所述電機減速機的輸出軸與定日鏡機械傳動裝置的輸入軸相連接。由于采用了傳感器對鏡面角度進行了實時反饋檢測，對鏡面角度構成了閉環調節，因此本發明中電機可以采用直流電機、步進電機等非伺服電機;所述電機前端帶有減速機;所述電機減速機輸出軸與機械傳動裝置的輸入軸相連接。由于步進電機的轉動角度精度高、易控制等良好的開環特性，若米用步進電機能提尚控制系統精度。
[0039]所述機械傳動裝置:輸出機構與鏡面支撐連接。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單元，其安裝適用于次末級有傳動軸出軸的所有形式的機械傳動裝置，因此在方位角方向可采用回轉式減速器等其他機構作為機械傳動裝置。在高度角方向，由于采用了加速度傳感器作為高度角絕對角度檢測單元，其安裝不受傳動裝置機械結構形式的影響，因此在高度角方向可采用電動推桿、回轉式減速器及其他機構作為機械傳動裝置。機械傳動裝置的輸入軸與帶有電機減速機的輸出軸連接，機械傳動裝置的輸出機構與鏡架支撐連接。
[0040]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，采用步進電機、直流電機等非伺服電機作為驅動單元，定日鏡控制器利用太陽運行規律求得定日鏡鏡面高度角方向上的反射目標角度后，結合加速度傳感器的反饋角度，給出角度控制量并結合來自上級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動裝置，驅動高度角對應的電機帶動鏡面旋轉至目標角度。
[0041]如附圖4、附圖5所示，本發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，采用步進電機、直流電機等非伺服電機作為驅動單元，定日鏡控制器利用太陽運行規律求得定日鏡鏡面方位角方向上的反射目標角度后，結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合來自上級控制器的光斑位置修正量，給出修正后的角度控制量至驅動裝置，驅動方位角對應的電機帶動鏡面旋轉至目標精確角度。
[0042]本發明提出采用增量式編碼器來實時反饋方位角度信息，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值，即不能反饋鏡面相對于地球坐標系的方位角絕對角度。為解決上述問題，本發明提出的方位角角度反饋模塊得到鏡面方位角絕對角度的方法如下:如附圖5所示，方位角絕對角度由“相對角度+絕對角度”間接得到，其中相對角度由增量式編碼器進行實時檢測得到，絕對角度利用定日鏡光斑校準裝置在定日鏡首次啟動調試的初始化校準后得到。
[0043]如附圖5所示，具體如下:首次獲取方位角絕對角度過程如下，利用太陽運行規律、結合定日鏡所處的精確位置、定日鏡與光斑校準裝置的相對位置等，計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角度。控制定日鏡鏡面到達高度角目標角度，再擺動定日鏡的方位角，必將出現一個特定角度，使得該定日鏡的光斑出現在光斑校準裝置的中心。此時利用定日鏡光斑校準裝置確定該定日鏡光斑的絕對位置，并將該位置信息通過網絡傳輸至定日鏡控制器，定日鏡控制器再通過當前定日鏡的姿態信息、光斑位置反算定日鏡實際方位角即該定日鏡的方位角絕對角度，同時將該數值存儲至定日鏡控制器的掉電不丟失存儲器中。
[0044]在首次獲取上述方位角絕對角度后的定日鏡跟蹤過程中再次獲取方位角絕對角度的方法如下:首先根據增量式編碼器實時的讀值，結合機械傳動裝置的減速比等參數求出增量式編碼器反饋的相對角度;再從定日鏡控制器的存儲器中讀取上次的方位角絕對角度作為新的絕對角度;相對角度與絕對角度之和即為實時的方位角絕對角度。
[0045]為避免定日鏡掉電使得失去方位角絕對角度，該角度在每次計算完畢后須存儲于定日鏡控制器的掉電不丟失存儲器中。當因裝拆鏡架等外部操作而使得絕對角度發生改變時，絕對角度需再次利用定日鏡光斑校準裝置進行初始化校準后得到。
[0046]本發明提出利用定日鏡光斑位置年周期的偏差對定日鏡角度控制量進行校正，如附圖6所示，利用定日鏡光斑校準裝置獲取光斑位置偏差曲線，通過鏡場網絡將該偏差曲線傳輸給上級控制器，上級控制器將該信息存儲于掉電不丟失存儲器中。在定日鏡跟蹤時，上級控制器通過鏡場網絡下發給定日鏡控制器，如附圖3、附圖4所示，定日鏡控制器結合該光斑偏差曲線對鏡面的高度角與方位角的控制量進行閉環修正。考慮到鏡場中定日鏡數量較多，實際操作中可以對定日鏡抽樣獲取偏差曲線。該偏差值每天采集至少25次，其目的是修正由機電系統、基座傾斜、編碼器參考位置及重力影響而帶來的跟蹤誤差。
[0047]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種定日鏡跟蹤控制裝置，包括電機和機械傳動裝置，電機的輸出端與機械傳動裝置相連，機械傳動裝置的輸出機構與鏡架支撐連接;其特征在于:還包括定日鏡光斑校準裝置、定日鏡控制器、上級控制器、加速度傳感器和增量式編碼器，定日鏡光斑校準裝置通過鏡場網絡分別與上級控制器和定日鏡控制器相連，上級控制器通過鏡場網絡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。2.如權利要求1所述的定日鏡跟蹤控制裝置，其特征在于:加速度傳感器貼于反射鏡背面。3.如權利要求2所述的定日鏡跟蹤控制裝置，其特征在于:增量式編碼器設于方位角方向的回轉式減速器蝸桿的末端，電機設于回轉式減速器蝸桿的首端，定日鏡控制器的輸出端與電機相連。4.如權利要求3所述的定日鏡跟蹤控制裝置，其特征在于:定日鏡控制器包括掉電不丟失存儲器、通信模塊和電機驅動裝置。5.一種利用權利要求4所述定日鏡跟蹤控制裝置的控制方法，其特征在于:包括如下控制方法: 一、在高度角方向，定日鏡控制器通過太陽運行規律、定日鏡位置信息計算鏡面目標角度，通過加速度傳感器反饋實際高度角度，由計算所得的鏡面目標角度和實際高度角度的偏差給出角度控制量，將角度控制量輸送至電機驅動裝置，電機驅動機械傳動裝置，機械傳動裝置帶動鏡面至目標角度，構成單臺定日鏡高度角的閉環控制； 二、在方位角方向，定日鏡控制器通過太陽運行規律、定日鏡位置信息計算鏡面目標角度，通過增量式編碼器的角度反饋并結合計算得到實際方位角度，由計算所得的鏡面目標角度和實際方位角度的偏差給出角度控制量，將角度控制量輸送至電機驅動裝置，電機驅動機械傳動裝置，機械傳動裝置帶動鏡面至目標角度，構成單臺定日鏡設備方位角的閉環控制； 三、利用定日鏡光斑校準裝置獲取正確的定日鏡絕對角度； 四、利用定日鏡光斑校準裝置獲取光斑位置年周期的運行偏差曲線，利用該偏差值對定日鏡鏡面轉動增量角度進行修正。6.如權利要求5所述的定日鏡跟蹤控制方法，其特征在于:首次獲取方位角絕對角度過程如下，利用太陽運行規律、結合定日鏡所處的精確位置、定日鏡與光斑校準裝置的相對位置，計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角度;控制定日鏡鏡面到達高度角目標角度，再擺動定日鏡的方位角，出現一個特定角度，使得該定日鏡的光斑出現在光斑校準裝置的中心;此時利用定日鏡光斑校準裝置確定該定日鏡光斑的絕對位置，并將該位置信息通過網絡傳輸至定日鏡控制器，定日鏡控制器再通過當前定日鏡的姿態信息、光斑位置反算定日鏡實際方位角即該定日鏡的方位角絕對角度，同時將該數值存儲至定日鏡控制器的掉電不丟失存儲器中。7.如權利要求5所述的定日鏡跟蹤控制方法，其特征在于:在首次獲取方位角絕對角度后的定日鏡跟蹤過程中，再次獲取方位角絕對角度的方法如下:首先根據增量式編碼器實時的讀值，結合機械傳動裝置的減速比等參數求出增量式編碼器反饋的相對角度;再從定日鏡控制器的存儲器中讀取上次的方位角絕對角度作為新的絕對角度;相對角度與絕對角度之和即為實時的方位角絕對角度。8.如權利要求5所述的定日鏡跟蹤控制方法，其特征在于:所述增量式編碼器含有與定日鏡控制器進行信號傳輸的接口，用于檢測定日鏡方位角增量角度，安裝于方位角方向機械傳動裝置的次末級傳動軸端。9.如權利要求5所述的定日鏡跟蹤控制方法，其特征在于:定日鏡光斑校準裝置用于檢測某面定日鏡將入射至本面的太陽光線反射于標定靶或其他位置而形成的實際光斑位置與理想光斑位置之間的偏差。
【文檔編號】F24J2/40GK105972840SQ201610478421
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】何杰, 奚正穩, 華文瀚, 蔣超猛, 王娟娟, 孫登科
【申請人】東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司