界任意位置，系统对控制器本身的适应能力提出了很大的要求。
单片机，又被称为单片微型计算机(Single Chip Micro Computer,SCMC)。它是将CPU、RAM、ROM、中断系统、定时器/计数器以及I/O端口等主要部件集成在一块芯片上的器件[13]。单片机的应用非常普遍，价格也较为便宜；单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品[14]。 PLC又称可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，转为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算的操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[15]。它是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短、通用性高，控制程序可使用方便功能,容易掌握；但成本相对单片机要高[16]。
综合上述分析，本系统选用三菱FX3U-48MR PLC作控制器。
2.4驱动控制方案的选择
基于于太阳在东西水平方向上运行轨迹的速度与季节、地点有较大关系，因此系统在水平方向应能实现无极调速，且转速不能随电压和负载的变化而变化，只能通过改变频率来改变电机的转速，本系统采用三菱FR-A7NC变频器。垂直方向控制采用三菱MRJ3-10A伺服放大器。
2.5驱动电机的选择
东西水平方向上，机械系统的基本要求是能够随太阳东升西落的过程转动180度，此过程历经大约10小时，这一过程就必须要求电机能够低速运行，同步电机的转速n=60f/p(f:电源频率p:磁极对数)，磁极对数一般不能变动，本文选用小型90TYD-L三相低速同步电机。垂直方向上不但要求电机能低速运行，还希望能进行相对精确的位置控制，因此系统选择三菱KP-13型伺服电机。
TYD系列交流永磁低速同步电机 性能：1.直接输入单相、三相交流电源，电机输出轴可直接输出低速同步转速，不需减速箱，不需驱动系统。 2.电机起动、空载、缺相、卡死时电机线电流保持不变，不会产生线圈烧坏现象，不烧电机，可繁正反转电机，又称恒电流电机。3.电机采用永磁多极结构设计，极数可达
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20~300极，无减速齿轮结构，跟同机座感应电机相比，扭矩大几倍乃至几十倍。 4.震动小，噪音低，温升很低，稳定性好，运行平滑，适用性强，免维护保养。5.电机是同步的、精度高。6.电机调速性能范围广: TYD系列永磁同步电机调速性能都大大优于其它传统的调速电机， 变频电机等，恒扭矩下调速范围大（30倍调速范围）。7.可频繁启动、频繁正反转、温升低、断电后可以用手轻松转动电机输出轴。电机机座类型：立式标准机座 机座种类规格：立式标准机座 90TYD、 电源电压：1ph 110V 1ph 220V 3ph 220V 3ph 380V（电压根据客户要求可定制） 允许电压波动：±10% 频率：50Hz 60Hz 同步转速（50Hz）：30、60、115、214rpm(转速根据客户要求可定制） 扭矩：3.2~9N.m
[17]
。
2.6系统框图
综上所述，太阳能电池组件辐照追踪系统的整体框图如图2.5所示。
光电传感器
通讯模块 PLC 高速模块 变频器 三相电机 改变水平方伺服放大器 伺服电机图2.5系统框图
改变高度角
2.7控制系统的硬件与软件设计
2.7.1控制系统硬件电路的设计 1. 伺服驱动硬件系统设计
伺服电机作为一种数字伺服执行元件，具有结构简单、运行可靠、控制方便、
控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人自动化仪表等领域。为了实现伺服电机的简易运动控制，一般采用PLC控制驱动器驱动伺服电机，实现伺服电机的速度和位置定位控制。
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伺服电机的工作原理是步进电机位移控制系统以三菱FX2n 为主控单元，以伺服电机驱动器为驱动单元，以三相伺服电机为执行单元。通过PLC 控制脉冲的发生个数，从而控制伺服电机的运转角度，实现对位移的精确控制。 伺服驱动硬件系统电路图，如下图2.6所示
图2.6 伺服电机驱动电路图
2. 驱动电路
步进电机驱动电路的设计或选用要根据电机来进行选择,电机相数和电流大小是选择驱动的主要依据;驱动电路有多种形式,专用的驱动器、简单的功放电路等。本系统在设计过程采用后者进行设计,既可以降低成本,又能比较容易地完成相应的功能。为了保护PLC的内部电路,提高电路运行的可靠性,采用光电耦合使负载部分与PLC隔离。
2.8本章小结
本章对太阳能电池组件辐照追踪控制系统的方案进行了论证，经过论证最终确定光电追踪、PLC控制、水平方向变频器驱动三相低速同步电、垂直方向伺服放大器驱动伺服电机的方案。
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第3章 机械传动机构
3.1机械传动机构组成
能实现两轴运动的太阳能电池组件辐照追踪控制系统的机械结构主要由3部分组成，分别是底座，圆盘，太阳能电池支架。
电池板 水平轴 控制箱
图3.1 系统机械装置示意图
3.2 方案说明及机械机构工作原理
本系统采用光电轨迹追踪方式，利用安装在太阳能电池组件不同方位的光敏传感器检测太阳与电池组件的相对位置，检测结果传输给PLC，PLC通过变频器、伺服放大器分别驱动三相低速同步电机和伺服电机动作，实现水平角和俯仰角两轴控制。主要由圆盘的转动实现追踪装置的水平转动，支架的俯仰实现太阳能板的仰角摆动。
圆盘的转动,用三相同步电机经过减速器，带动圆盘转动。圆盘转动的范围在水平位置内180o转动，在最西边和最东边有限位开关，当触碰到最西限位角，装置立即回到初始位置，就是最东边垂直位置，当触碰到最东限位角装置就停止运动。当第二天太阳再次升起的时候装置重新启动，追踪太阳。
太阳能板仰角的摆动，用伺服电机经过减速器，通过同步带带动轴和轴上的太阳能外框以及太阳能板一起绕轴转动。俯仰角有两个限位开关，只允许太阳能
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电池板旋转90o，当太阳能电池板触碰到限位开关后，立即停止旋转。只等有回原点信号，停留在最高角度位置的太阳能电池板才会动作。
3.3主要传动部件的设计计算
如前所述，为使控制精度尽可能高，东西水平方向的运动采用传动比为30:1的蜗杆涡轮传动。俯仰角的驱动伺服电机本身精度很高，在传动机构上采用同步带轮。
3.3.1蜗杆副的设计计算
由于水平方位转动要求转速很低，东西水平方位的驱动力源选90TYD-S30系列三相同步电机，其中蜗杆与电机直连，蜗轮轴与水平圆盘直连。额定功率P1=20W,额定转速n1=60r/min，要求水平圆盘转速n2=2r/min,则蜗杆副的传动比i=n1/n2=60/2=30,要求蜗杆的使用寿命Lh=10000h。
(1) 蜗杆的选型 GB/T10085-1988 推荐采用渐开线蜗杆(ZI蜗杆)和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆(ZI型)[18]。
(2) 蜗杆副的材料 本系统蜗杆副的传动功率不大，但蜗杆转速较大，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45~55HRC,以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1,采用金属模铸造。
(3) 按齿面接触疲劳强度进行设计 蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿面弯曲疲劳强度进行校核。
按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： a≥KT2(3ZEZ?[?H])2 [18] (3-1)
式中 a-蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K-载荷系数；
T2-作用在蜗轮上的转矩，单位 N2mm； ZE-弹性影响系数，单位为MPa1/2； Z?-接触系数；
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