导言
太阳能是一种清洁无污染的动力，取之不尽，用之不竭，发展前景宽广。可是太阳能具有间歇性及强度和方向不确认的特色，给太阳能的搜集带来了必定困难。选用太阳盯梢设备能够使太阳光线一直与接纳面坚持笔直，进步太阳能设备的能量接纳功率，然后进步太阳能使用率。
本规划选用传统的视日运动盯梢法，使用Xilinx公司供给的FPGA开发环境ISE，规划完结了依据XC3S1500开发板的太阳能主动盯梢体系，以完结对太阳的全天候、全主动、实时准确操控。
1 视日运动盯梢法
视日运动盯梢法是依据地日运转轨道，选用赤道坐标系或地平坐标系描绘太阳相对地球的方位。一般在双轴盯梢中极轴式盯梢选用赤道坐标系，高度角-方位角式盯梢选用地平坐标系。
1．1 极轴式盯梢
赤道坐标系是人在地球以外的宇宙空间里，观测太阳相关于地球的方位。这时太阳方位是相关于赤道平面而言，用赤纬角和时角这两个坐标表明。太阳中心与地球中心的连线，即太阳光线在地球表面直射点与地球中心的连线与在赤道平面上的投影的夹角称为太阳赤纬角。它描绘地球以必定的倾斜度绕太阳公转而引起二者相对方位的改动。一年中，太阳光线在地球表面上的笔直照耀点的方位在南回归线、赤道和北回归线之间往复运动，使该直射点与地心连线在赤道面上的夹角也随之重复改动。赤纬角在一年中的改动用式(1)核算：
式中：δ为一年中第n天的赤纬角，单位：(°)；n为一年中的日期序号，单位：日。
时角是描绘地球自转而引起的日地相对方位的改动。地球自转一周为360°，对应的时刻为24 h，故每小时对应的时角为15°。日出、日落时刻的时角最大，正午时角为零。核算公式如下：
式中：ω为时角，单位：(°)；T为当地时刻，单位：h。
依据上述办法能够核算出地球上恣意地址和时刻的太阳的赤纬角和时角，由此可树立极轴式盯梢，关于太阳盯梢体系来说，采光板的一轴与地球自转轴相平行，称为极轴，别的一轴与其笔直。作业时采光板绕地球自转轴旋转，其转速的设定为与地球的自转速度相同，方向相反。为了习惯太阳赤纬角的改动，采光板环绕与地球自转轴笔直的轴做俯仰运动。此种盯梢办法原理简略，可是因为采光板的分量不经过极轴轴线，极轴支撑结构的规划比较困难，因而本规划没有选用极轴式盯梢。
1．2 地平坐标系
地平坐标系用高度角和方位角来描绘太阳的方位，已知太阳赤道坐标系中的赤纬角和时角，能够经过球面三角形的改换联系得到地平坐标系的太阳的高度角和方位角。如图1所示，该天球是以观测者为球心，恣意距离为半径的设想球，关于天球上各点之间的距离，只评论它们之间的角距而不考虑它们的线长。M和N别离为天球上的南北天极。P点为观测者的铅垂线与天球的交点，P点的地理纬度为φ，S为太阳在天球中的方位。S的赤纬度为δ，观测者的铅垂线OP与地心与太阳连线的夹角叫做天顶角，天顶角和太阳的高度角互补。角A为太阳的方位角。
依据球面三角形的边的余弦公式描绘，即一边的余弦等于其他两头余弦的乘积，加上这两头正弦及其夹角余弦的乘积，在天球的半径不是确认值。因而描绘天球上的圆弧通常用圆弧所对应的视点来表明弧长。在球面三角形NPS中，三边为弧NP、弧NS、弧SP，别离用视点90-φ，90-δ，τ表明。选用球面三角形边的余弦公式：
高度角-方位角盯梢又叫做地平坐标系双轴盯梢体系，采光板的方位轴笔直于地平面，另一根轴与方位轴笔直，称为俯仰轴。作业时采光板依据太阳的视日运动绕方位轴滚动改动方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改动采光板的倾斜角，然后使采光板与太阳光线笔直。这种盯梢体系的特色是盯梢精度高，并且采光板设备的分量坚持在笔直轴地点的平面内，支承结构的规划比较简单。在本文中选用了高度角一方位角盯梢进行规划。
2 太阳盯梢操控体系规划
依据上文介绍的高度角-方位角盯梢体系的全体结构，本文依据Xilinx公司的FPGA开发板，规划了依据FPGA的太阳盯梢体系的各功能模块。首要包含计时模块、太阳高度角方位角核算模块、日出日落时刻核算模块和步进电机脉冲操控模块等几部分。
依据FPGA的太阳盯梢操控体系的流程图如图2和图3所示。
首要体系依据计时模块核算出其时的时刻，包含当日在一年中的日期序数dn(单位：日)及其时的时刻T(单位：h)，然后再依据日出日落时刻核算模块确认当日的日出和日落时刻，以便判别其时时刻是否在日出后日落前。在程序核算过程中，使用太阳高度角和方位角核算模块核算其时太阳的方位，并与前次核算的太阳的方位作差，别离核算出其时盯梢设备高度和方位需求调整的视点及其旋转方向，并随后进入步进电机脉冲驱动模块。首要调整高度角，判别高度角差值的正负，驱动高度方向的步进电机旋转。高度角步进电机中止旋转后调整方位角。判别方位角正负，驱动方位角步进电机依照差错旋转相应的视点。一次盯梢后，在必定的时刻距离T后，体系再次提取时刻核算、判别、旋转电机。当日落时刻届时，操控步进电机旋转至次日太阳升起的方位并康复初始状况。由此本体系就完结了对太阳的全天候、实时盯梢。
3 依据FPGA的太阳盯梢体系各模块规划
太阳盯梢体系模块图如图4所示。这儿对依据FPGA的太阳实时盯梢体系树立的计时模块、日出日落时刻核算模块、高度角方位角核算模块、步进电机脉冲发生模块的规划及成果进行具体的介绍。
3．1 计时模块
视日运动盯梢办法需求时刻和地理纬度信息，一般的太阳盯梢体系的方位固定，能够自行设定其地理纬度值。关于时刻树立了计时模块，经过对时钟进行多级分频输出视日运动盯梢算法所需的间信息。
3．2 太阳日出日落时刻核算模块
此模块核算每天太阳的日出日落时刻，据此确保在太阳的照耀时刻范围内，太阳盯梢体系正常运转，在非照耀时刻，太阳盯梢体系处于休眠状况。太阳的日出日落时刻即太阳的高度角为零的时刻。由高度角核算公式(8)和时角核算公式(9)推出太阳的日出日落时刻公式(10)。
太阳日出日落时刻核算模块仿真波形如图5所示，输出为10 b Q4格局，dn为时刻序号，其间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成果剖析如表1所示，dn为仿真随机选取的日期，太阳日出日落时刻只与dn有关。对该模块输出的10 b Q4格局的时刻核算其实践的代表值，并与理论核算值做比较，经核算其输出时刻差错很小，该模块能够准确核算出日出日落时刻。
3．3 太阳高度角方位角核算模块
其时刻为正常光照时刻时，太阳盯梢体系每隔5 min就会进入太阳高度角方位角进行核算。计时模块输出给太阳高度角方位角模块所需的时刻信息，然后核算赤道坐标系下的赤纬角和时角，最终核算高度角方位角坐标系下的高度角和方位角值，并输出高度角和方位角值如图6所示，仿真波形如图7所示。高度角和方位角输出均为10 b Q7格局。
在视日运动盯梢算法中最重要的是准确核算出其时的太阳相关于地球的高度角和方位角，其核算准确性影响太阳能设备的能量承受功率。表2表明在dn=100时，不同的时刻输出的太阳的高度角及方位角值，都为10 b Q7格局，核算其实践代表值，并与理论值相比较，差错很小，阐明该模块能够准确核算出太阳的高度角和方位角。
3．4 步进电机脉冲操控模块
步进电机驱动芯片挑选了3955SB，本规划挑选步进电机的1／8步运转形式，即每步能够到达0．225°。由太阳的高度角方位角核算模块输出的高度角和方位角及上一次输出的高度角方位角值，决议高度和方位需求滚动的视点，然后确认高度角步进电机和方位角步进电机的脉冲个数。依据步进电机的步进次序输出16位数字信号来操控完结两台两相步进电机高度和方位上旋转的视点及其旋转方向。由试验成果可知，该模块能够依照输入的电机滚动的脉冲个数进行输出，并在电机完结旋转要求后能够坚持稳定状况。当有新的滚动输入后能够在本来的状况上输出。
4 结语
本文规划的太阳盯梢体系适用于太阳能热水器、太阳能灶、太阳能电池等需求盯梢太阳地设备。盯梢操控体系选用了视日运动盯梢办法，经过依据FPGA的高度角方位角核算模块准确核算出太阳的高度角和方位角。使用滚动准确的步进电机驱动，能够准确地盯梢太阳，有用进步太阳盯梢设备的太阳能吸收功率。
