基于FPGA的太阳跟踪器的设计及实现

文章摘要：高度角-方位角跟踪又叫做地平坐标系双轴跟踪系统，采光板的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时采光板根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变采光板的倾斜角，从而使采光板与太阳光线垂直。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且采光板装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。在本文中采用了高度角一方位角跟踪进行设计。2 太阳跟踪控制系统设计根据上文介绍的高度角-方位角跟踪系统的整体框架，本文基于Xilinx公司的FPGA开发板，设计了基于FPGA的太阳跟踪系统的各功能模块。主要包括计时模块、太阳高度角方位角计算模块、日出日落时间计算模块和

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　　高度角-方位角跟踪又叫做地平坐标系双轴跟踪系统，采光板的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时采光板根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变采光板的倾斜角，从而使采光板与太阳光线垂直。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且采光板装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。在本文中采用了高度角一方位角跟踪进行设计。

　　2 太阳跟踪控制系统设计

　　根据上文介绍的高度角-方位角跟踪系统的整体框架，本文基于Xilinx公司的FPGA开发板，设计了基于FPGA的太阳跟踪系统的各功能模块。主要包括计时模块、太阳高度角方位角计算模块、日出日落时间计算模块和步进电机脉冲控制模块等几部分。

　　基于FPGA的太阳跟踪控制系统的流程图如图2和图3所示。

　　首先系统根据计时模块计算出当前的时间，包括当日在一年中的日期序数dn(单位：日)及当前的时刻T(单位：h)，然后再根据日出日落时间计算模块确定当日的日出和日落时间，以便判断当时时间是否在日出后日落前。在程序计算过程中，利用太阳高度角和方位角计算模块计算当前太阳的位置，并与上次计算的太阳的位置作差，分别计算出当前跟踪装置高度和方位需要调整的角度及其旋转方向，并随后进入步进电机脉冲驱动模块。首先调整高度角，判断高度角差值的正负，驱动高度方向的步进电机旋转。高度角步进电机停止旋转后调整方位角。判断方位角正负，驱动方位角步进电机按照偏差旋转相应的角度。一次跟踪后，在一定的时间间隔T后，系统再次提取时间计算、判断、旋转电机。当日落时间到时，控制步进电机旋转至次日太阳升起的位置并恢复初始状态。由此本系统就实现了对太阳的全天候、实时跟踪。

　　3 基于FPGA的太阳跟踪系统各模块设计

　　太阳跟踪系统模块图如图4所示。这里对基于FPGA的太阳实时跟踪系统建立的计时模块、日出日落时间计算模块、高度角方位角计算模块、步进电机脉冲产生模块的设计及结果进行详细的介绍。

　　3．1 计时模块

　　视日运动跟踪方法需要时间和地理纬度信息，一般的太阳跟踪系统的位置固定，可以自行设定其地理纬度值。对于时间建立了计时模块，通过对时钟进行多级分频输出视日运动跟踪算法所需的间信息。

　　3．2 太阳日出日落时间计算模块

　　此模块计算每天太阳的日出日落时间，据此保证在太阳的照射时间范围内，太阳跟踪系统正常运行，在非照射时间，太阳跟踪系统处于休眠状态。太阳的日出日落时间即太阳的高度角为零的时间。由高度角计算公式(8)和时角计算公式(9)推出太阳的日出日落时间公式(10)。

　　太阳日出日落时间计算模块仿真波形如图5所示，输出为10 b Q4格式，dn为时间序号，其中richu代表日出时刻，riluo代表日落时刻。对太阳日出日落模块输出结果分析如表1所示，dn为仿真随机选取的日期，太阳日出日落时间只与dn有关。对该模块输出的10 b Q4格式的时间计算其实际的代表值，并与理论计算值做比较，经计算其输出时间误差很小，该模块能够准确计算出日出日落时间。

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