基于FPGA的太陽跟蹤器的設計及實現
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根據球面三角形的邊的余弦公式描述，即一邊的余弦等于其他兩邊余弦的乘積，加上這兩邊正弦及其夾角余弦的乘積，在天球的半徑不是確定值。因此描述天球上的圓弧通常用圓弧所對應的角度來表示弧長。在球面三角形NPS中，三邊為弧NP、弧NS、弧SP，分別用角度90-φ，90-δ，τ表示。采用球面三角形邊的余弦公式：
高度角-方位角跟蹤又叫做地平坐標系雙軸跟蹤系統(tǒng)，采光板的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時采光板根據太陽的視日運動繞方位軸轉動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變采光板的傾斜角，從而使采光板與太陽光線垂直。這種跟蹤系統(tǒng)的特點是跟蹤精度高，而且采光板裝置的重量保持在垂直軸所在的平面內，支承結構的設計比較容易。在本文中采用了高度角一方位角跟蹤進行設計。
2 太陽跟蹤控制系統(tǒng)設計
根據上文介紹的高度角-方位角跟蹤系統(tǒng)的整體框架，本文基于Xilinx公司的FPGA開發(fā)板，設計了基于FPGA的太陽跟蹤系統(tǒng)的各功能模塊。主要包括計時模塊、太陽高度角方位角計算模塊、日出日落時間計算模塊和步進電機脈沖控制模塊等幾部分。
基于FPGA的太陽跟蹤控制系統(tǒng)的流程圖如圖2和圖3所示。本文引用地址：http://yuyingmama.com.cn/article/191552.htm
首先系統(tǒng)根據計時模塊計算出當前的時間，包括當日在一年中的日期序數dn(單位：日)及當前的時刻T(單位：h)，然后再根據日出日落時間計算模塊確定當日的日出和日落時間，以便判斷當時時間是否在日出后日落前。在程序計算過程中，利用太陽高度角和方位角計算模塊計算當前太陽的位置，并與上次計算的太陽的位置作差，分別計算出當前跟蹤裝置高度和方位需要調整的角度及其旋轉方向，并隨后進入步進電機脈沖驅動模塊。首先調整高度角，判斷高度角差值的正負，驅動高度方向的步進電機旋轉。高度角步進電機停止旋轉后調整方位角。判斷方位角正負，驅動方位角步進電機按照偏差旋轉相應的角度。一次跟蹤后，在一定的時間間隔T后，系統(tǒng)再次提取時間計算、判斷、旋轉電機。當日落時間到時，控制步進電機旋轉至次日太陽升起的位置并恢復初始狀態(tài)。由此本系統(tǒng)就實現了對太陽的全天候、實時跟蹤。
3 基于FPGA的太陽跟蹤系統(tǒng)各模塊設計
太陽跟蹤系統(tǒng)模塊圖如圖4所示。這里對基于FPGA的太陽實時跟蹤系統(tǒng)建立的計時模塊、日出日落時間計算模塊、高度角方位角計算模塊、步進電機脈沖產生模塊的設計及結果進行詳細的介紹。
3．1 計時模塊
視日運動跟蹤方法需要時間和地理緯度信息，一般的太陽跟蹤系統(tǒng)的位置固定，可以自行設定其地理緯度值。對于時間建立了計時模塊，通過對時鐘進行多級分頻輸出視日運動跟蹤算法所需的間信息。
3．2 太陽日出日落時間計算模塊
此模塊計算每天太陽的日出日落時間，據此保證在太陽的照射時間范圍內，太陽跟蹤系統(tǒng)正常運行，在非照射時間，太陽跟蹤系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。太陽的日出日落時間即太陽的高度角為零的時間。由高度角計算公式(8)和時角計算公式(9)推出太陽的日出日落時間公式(10)。
太陽日出日落時間計算模塊仿真波形如圖5所示，輸出為10 b Q4格式，dn為時間序號，其中richu代表日出時刻，riluo代表日落時刻。對太陽日出日落模塊輸出結果分析如表1所示，dn為仿真隨機選取的日期，太陽日出日落時間只與dn有關。對該模塊輸出的10 b Q4格式的時間計算其實際的代表值，并與理論計算值做比較，經計算其輸出時間誤差很小，該模塊能夠準確計算出日出日落時間。
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