基于FPGA的太陽跟蹤器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
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根據(jù)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(yīng)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(biāo)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(jù)太陽的視日運(yùn)動繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)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(diǎn)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(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較容易。在本文中采用了高度角一方位角跟蹤進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2 太陽跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)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(shè)計(jì)了基于FPGA的太陽跟蹤系統(tǒng)的各功能模塊。主要包括計(jì)時模塊、太陽高度角方位角計(jì)算模塊、日出日落時間計(jì)算模塊和步進(jìn)電機(jī)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://www.ex-cimer.com/article/191552.htm
首先系統(tǒng)根據(jù)計(jì)時模塊計(jì)算出當(dāng)前的時間，包括當(dāng)日在一年中的日期序數(shù)dn(單位：日)及當(dāng)前的時刻T(單位：h)，然后再根據(jù)日出日落時間計(jì)算模塊確定當(dāng)日的日出和日落時間，以便判斷當(dāng)時時間是否在日出后日落前。在程序計(jì)算過程中，利用太陽高度角和方位角計(jì)算模塊計(jì)算當(dāng)前太陽的位置，并與上次計(jì)算的太陽的位置作差，分別計(jì)算出當(dāng)前跟蹤裝置高度和方位需要調(diào)整的角度及其旋轉(zhuǎn)方向，并隨后進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)脈沖驅(qū)動模塊。首先調(diào)整高度角，判斷高度角差值的正負(fù)，驅(qū)動高度方向的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。高度角步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)后調(diào)整方位角。判斷方位角正負(fù)，驅(qū)動方位角步進(jìn)電機(jī)按照偏差旋轉(zhuǎn)相應(yīng)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(jì)算、判斷、旋轉(zhuǎn)電機(jī)。當(dāng)日落時間到時，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至次日太陽升起的位置并恢復(fù)初始狀態(tài)。由此本系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了對太陽的全天候、實(shí)時跟蹤。
3 基于FPGA的太陽跟蹤系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)
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(shí)時跟蹤系統(tǒng)建立的計(jì)時模塊、日出日落時間計(jì)算模塊、高度角方位角計(jì)算模塊、步進(jìn)電機(jī)脈沖產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)及結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
3．1 計(jì)時模塊
視日運(yùn)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(shè)定其地理緯度值。對于時間建立了計(jì)時模塊，通過對時鐘進(jìn)行多級分頻輸出視日運(yùn)動跟蹤算法所需的間信息。
3．2 太陽日出日落時間計(jì)算模塊
此模塊計(jì)算每天太陽的日出日落時間，據(jù)此保證在太陽的照射時間范圍內(nèi)，太陽跟蹤系統(tǒng)正常運(yùn)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(jì)算公式(8)和時角計(jì)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(jì)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(jié)果分析如表1所示，dn為仿真隨機(jī)選取的日期，太陽日出日落時間只與dn有關(guān)。對該模塊輸出的10 b Q4格式的時間計(jì)算其實(shí)際的代表值，并與理論計(jì)算值做比較，經(jīng)計(jì)算其輸出時間誤差很小，該模塊能夠準(zhǔn)確計(jì)算出日出日落時間。
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