一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)用13 位絕對(duì)式光電編碼器設(shè)計(jì)

文/陳平易 魏琴 吳垠昊

風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)就是在額定風(fēng)速附近（以上），依據(jù)風(fēng)速的變化通過(guò)光電編碼器拾取變槳系統(tǒng)以及雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或者位置隨時(shí)調(diào)節(jié)三個(gè)槳葉的槳距角，從而實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)對(duì)漿葉的精確定位和復(fù)位控制，一方面保證獲取最大的能量，同時(shí)減少風(fēng)力對(duì)風(fēng)力機(jī)的沖擊，為整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量的提高發(fā)揮了重要的作用。

絕對(duì)式光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的角位置測(cè)量?jī)x器。它精度高、慣量小、穩(wěn)定性好，能直接輸出數(shù)字量形式的絕對(duì)位置信息。絕對(duì)式光電編碼器由支撐軸系、光柵碼盤、狹縫、光電接收元件、處理和輸出電路組成。

1 技術(shù)難點(diǎn)

絕對(duì)式光電編碼器的碼盤由透明和不透明區(qū)組成，這些透明和不透明區(qū)按照一定編碼構(gòu)成，碼盤上碼道的條紋就是數(shù)碼的位數(shù)。由于碼盤在制造工藝和光電元件安裝時(shí)的誤差，導(dǎo)致在編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)碼盤在圖案轉(zhuǎn)換點(diǎn)處位置不分明而引起的誤差。因此碼盤的制作工藝、精度、碼盤的圖案均勻性誤差，影響編碼器的分辨率；主軸系統(tǒng)徑向晃動(dòng)誤差，光敏陣列與碼盤的安裝誤差，導(dǎo)致編碼器誤碼、漏碼，影響產(chǎn)品精度，要求編碼器的機(jī)械結(jié)構(gòu)及光敏陣列的安裝位置十分精確。

變槳系統(tǒng)要求編碼器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的處理才能適應(yīng)于控制和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。所以，軟硬件的設(shè)計(jì)必須考慮傳輸協(xié)議、諧振頻率、線間干擾、誤差分析及補(bǔ)償算法、故障信號(hào)定位和誤差源分析及校正等因素。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 光機(jī)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絕對(duì)式編碼器光機(jī)部分的機(jī)械配合方式采用雙軸承結(jié)構(gòu)保證主軸、碼盤、光敏陣列的同心度；各結(jié)構(gòu)件的尺寸配合、軸承安裝到基座中的擠壓力度影響編碼器碼盤的旋轉(zhuǎn)流暢性，影響光敏陣列信號(hào)輸出的穩(wěn)定性。根據(jù)以上技術(shù)難度，設(shè)計(jì)光機(jī)部分各功能模塊安裝結(jié)構(gòu)，保證編碼器性能達(dá)到最佳效果。如圖1所示為絕對(duì)式編碼器光機(jī)部分結(jié)構(gòu)圖。

2.2 電路原理設(shè)計(jì)

根據(jù)絕對(duì)式光電編碼器的原理及光敏陣列的工作特性，完成信號(hào)處理電路原理設(shè)計(jì)，主要包括電源模塊、光敏陣列驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理模塊、RS485 輸出模塊、光電耦合器模塊等。

2.2.1 光敏陣列驅(qū)動(dòng)模塊

實(shí)現(xiàn)光敏陣列的模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中包含兩個(gè)模擬通道（未用）和一個(gè)數(shù)字通道，可實(shí)現(xiàn)16MHZ 的傳輸速率。該模塊配合SN74LVC07A 的邏輯緩存器，通過(guò)單片機(jī)編程對(duì)光敏陣列的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行讀取與運(yùn)算。

2.2.2 信號(hào)處理模塊

本電路采用M430F135 單片機(jī)芯片，配合外部晶振提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集。FM25L04B 外部寄存器把二進(jìn)制編碼與最終角度值通過(guò)查表對(duì)應(yīng)并調(diào)用，實(shí)現(xiàn)角度輸出與編碼的轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)果分析

根據(jù)絕對(duì)式光電編碼器的試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理算法及技術(shù)指標(biāo)要求，驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)樣品的性能指標(biāo)。

在規(guī)定的溫度條件下，將編碼器與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)顯表連接，在角度分度誤差測(cè)量裝置上進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)在編碼器同一位置的正、反兩個(gè)方向各測(cè)量五次，按公式計(jì)算重復(fù)性。在編碼器的三個(gè)均勻分布的不同位置進(jìn)行重復(fù)性的測(cè)量，取三個(gè)位置的 正和 反中的最大絕對(duì)值作為重復(fù)性的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果應(yīng)符合準(zhǔn)確度等級(jí)為± 2′級(jí)，重復(fù)性為±2′的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

由圖2可以看出在0°～360°測(cè)量范圍內(nèi)，位置與角度呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，正、反向測(cè)量的數(shù)據(jù)重合性較好。由圖3可以看出該產(chǎn)品在90°時(shí)的角度分度誤差最大，因此以90°作為單信號(hào)周期角度分度誤差的測(cè)量點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理分析，由比較法得出該絕對(duì)式光電編碼器樣品的角度分度誤差為±1.93′，單信號(hào)周期內(nèi)角度分度誤差為±1.36′，測(cè)量結(jié)果符合準(zhǔn)確度±2′級(jí)，角度分度誤差為±2′的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究絕對(duì)式光電編碼器原理，以及其在風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)中的應(yīng)用為指導(dǎo)，研究了絕對(duì)式光電編碼器的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、AD 轉(zhuǎn)換、比較、解碼、校正等數(shù)據(jù)處理，并將其應(yīng)用于工藝設(shè)計(jì)、信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了光敏陣列與碼盤的同心度、間隙及碼盤與主軸的安裝位置的精確控制；實(shí)現(xiàn)了利用串行編碼方法，對(duì)13 位碼盤上的碼道進(jìn)行精確編碼的方法，保證了編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中位置的唯一性和精確性。

圖1：絕對(duì)式編碼器光機(jī)部分結(jié)構(gòu)圖

圖2：編碼器角度分度誤差分析圖表

圖3：編碼器單信號(hào)周期角度分度誤差分析圖表