文档介绍：自动采光系统的设计
专业: 电气工程与自动化
自动采光系统
一、概述
宿舍或住宅大多为东西走向,而且分阴面和阳面。阴面常年没有阳光,对人们的生活不利,特别是在冬天时没有阳光,室内阴冷,需要更多供暖。本设计可自动将阳光反射到到阴面室内,提高居住条件并可为节能环保作出贡献。
这是一种利用太阳光跟踪装置,就象向日葵跟踪太阳一样,通过镜面把太阳光线从不同角度反射于设定的方向,达到对太阳光线有效利用的目的。将本实用新型太阳能采光镜应用在各种楼寓建筑等场所,可大大提高对太阳能的利用率,改善室内光照效果,延长光照时间,同时节约照明用电。本实用新型太阳能采光镜由五部分组成,即:镜面、纵向驱动系统、横向驱动系统、探头电路驱动系统、支撑底座系统。当光敏探头感受到光源即通过传感电路将电信号传送到纵向、横向驱动系统的驱动电动机,电动机随之启动并自动调节探头跟踪太阳,通过纵向、横向驱动齿轮系统使镜面自动调节光线的入射和反射角度,将光线从不同角度反射到设定的方向。
二、结构原理
一、系统组成
自动采光系统由角度传感器、电压比较放大器、功率放大器、放大校正装置、执行电机、减速器、平面镜四部分组成,示意图如下:
图一
二、系统工作原理
采光系统工作原理比较简单,就是将阳光通过平面镜反射到设定的地方,但是由于太阳的位置不是固定不变的,阳光射到平面镜的角度是随时间而变化的,要想把光反射到固定位置就必须准确检测出阳光入射角弃并根据此角度确定平面镜的位置。本系统的主要任务就是检测阳光角度,调整镜面位置。
不妨将平面镜设在宿舍正对面的下上方某处,用传感器检测出射到镜面的阳光与沿宿舍楼东行方向所成角θ1,并检测出入射光线与对应参考线(房间窗口中心与镜面中心的连线,设其与铅垂线夹角为θ3)之间的夹角θ2。将检测所得信号转化为电压信号,使电动机驱动平面镜,使之处于东西方向上垂直于θ1角平分线所对应线,上下方向上垂直于θ2角平分线所对应线。既可使反射光照在对应窗口上。
北
西东
θ1
南θ1角平分线
图二
宿舍
图二
平面镜
太阳
θ2角平分线
宿舍
θ2
θ3
图三
定义宿舍楼东西行方向为横向,上下方向为纵向,设平面镜初始位置为横向垂直。图二和图三分别为横向和纵向阳光射在镜面角度示意图。
三、系统的数学模型的建立
一、获取阳光角度环节
阳光射到镜面中心的角度由探头驱动电路完成,获取横向的θ1角和纵向的θ2角,最终转化为镜面横向需转过的角度α=(θ1 - 90°)/2,纵向需要转过的角度β=θ3-(90°-θ1/2),镜面初始位置为平行于窗宿舍楼东面走向,坚直向下,俯视镜面,横向上的转动以顺时针旋转的角度为正,逆时针旋转角度为负。由于本环节检测和转换过程较复杂,而我们所学知识有限,不作具体介绍。
二、角度转化电压环节
伺服电位器
在小功率随动系统中,采用的伺服电位器是WDD35精密导电塑料电位器。WDD35系列电位器外形与普通电位器相似,但具备连续旋转功能,常在显示记录中使用,其滑动端与导电塑料接触,实现角度—电压的变换。
如前所述旋转伺服电位器在随动系统中完成角度—电压变换,是一个比例环节,其系数可由测得的旋转角度(单位:弧度)—输出电压拟合直线的斜率求出。
下表给出了伺服电位器的主要技术指标。
表一 WDD35D—1型电位器主要技术指标
标准阻值
1
启动力矩(mN*m)
1
电阻公差(%)
15
介质耐压(V)
500
独立线性度(%)
分辨率
理论上无穷小
理论电旋转角
3452
机械转角()
360(连续)
输出平滑性(%)
旋转负荷寿命(圈)
50106
采用伺服电位器将角度转化为对应电压。最常用的伺服电位器是接触式电阴变换器,或称为电阻式位移变换器。电位器有转动式和直线位移式两种,分别用于测量角位移和直线位移。实际应用中,通常将两个电位器并联构成桥式电路,用相同的电压供电,两滑动端之间的电压Urp与输入位移、输出位移之差成正比,这样就可测量出随动系统位移误差的大小,如图四所示。电位器的滑动端固定在转轴上,其中,和指令轴相联的称为发送电位器RPT,和输出轴相联的称为接收电位器RPR。
Urp
RPT RPT
Us
α Δα
图四
伺服电位器作位置检测元件,其线路简单,惯性小,消耗功率小,所需电源简单且价格便宜、使用方便。缺点是位移范围有限,测量精度不高,容易磨损而造成接触不良。所以,电位器一般只用于测量精度要求不高、位移范围有限的系统中。
三、功率放大环节
常用的直流功率放大器有三种:集成功率放大器、脉宽调制功率放大器和晶闸管功率放大器。
集成功率