雙接近開關代替編碼器實現(xiàn)偏航角度測量功能的方案研究

趙宏偉

摘要：文中針對風力發(fā)電系統(tǒng)，對主控系統(tǒng)的偏航角度測量的方案進行了探討，文章本著節(jié)約主控系統(tǒng)硬件成本，優(yōu)化技術方案的目的，給出了替代原來的靠編碼器測量偏航角度的一種可行的替代方案。文中技術方案已經(jīng)在實踐中有了較好的應用，文中僅供技術參考。

關鍵詞：風力發(fā)電;主控系統(tǒng);偏航系統(tǒng);編碼器;偏航角度;接近開關

中圖分類號：TP212

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）02-0133-02

0引言

本方案是用兩個圓柱型的接近開關代替旋轉編碼器，并靠主控系統(tǒng)軟件進行相應的運算來完成對風力發(fā)電機組偏航角度的跟蹤測量。

本方案節(jié)約了系統(tǒng)的硬件成本，而且安裝簡易，目前已有多家廠商采用此技術，如德國MITA。

1原理

這個裝置由兩個距半個齒間隔（只要能產(chǎn)生如下波形的距離均可）的圓柱形接近開關組成，其安裝在內(nèi)齒側，安裝距離是當齒輪經(jīng)過時能感應到該對應齒輪經(jīng)過的信號，當其經(jīng)過后該信號隨之消失。當偏航動作后，由這兩個接近開關來記錄所經(jīng)過偏航齒圈上的齒數(shù)，并由計算機進行數(shù)據(jù)運算來識別偏航角度。

現(xiàn)在解析如下：當偏航運行時，兩個接近開關發(fā)出一組格雷碼方式的信號，信號波形如圖1所示。

由上圖可以看出這兩個開關有下列的四種狀態(tài)，這四種狀態(tài)顯示了一個完整的循環(huán)周期。同時它也表示經(jīng)過這樣的一個周期后，偏航轉過了一個相應的齒輪齒。其對應的四種狀態(tài)如下：

LL（0，0）

HL（1，0）

HH（1，1）

LH（0，1）

注：接近開關檢測到被測物時信號為1，沒有檢測到被測物信號為0。

以上這四種狀態(tài)是按著特定的規(guī)律發(fā)生的，在偏航過程中只能從一種狀態(tài)進行到它前后相臨的狀態(tài)，而不能發(fā)生跳變，狀態(tài)序列如圖2所示。

如果產(chǎn)生以上的變化（ERROR）代表著偏航記數(shù)系統(tǒng)已經(jīng)有問題出現(xiàn)，需要激活程序中對應的報警代碼。

而偏航方向由四種狀態(tài)變化的時序來確定，當由小到大變化（如1→2），表示CW方向，那么當由大到小變化（如2→1）則表示CCW方向。當由小到大變化（如1→2），表示CCW方向，那么當由大到小變化（如2→1）則表示CW方向。

當這四種狀態(tài)按由大到小或者由小到大的順次連續(xù)變化一個周期后就代表有一個對應的齒輪齒數(shù)經(jīng)過。根據(jù)經(jīng)過的齒輪齒數(shù)就可以判斷偏航的角度和方向。

除去以上這兩個接近開關外，系統(tǒng)還應該配置三個限位開關。從硬件上檢測偏航的左右極限，和原點位置（電纜處于完全解纜狀態(tài)的位置）。

2硬件說明

其硬件原理圖紙如圖3。

現(xiàn)分析如下：

SS1：手動偏航/自動偏航轉換開關

SS2：手動正向偏航/手動回原點/手動反向偏航轉換開關

K1K2：由PLC輸出控制的自動偏航正向和反向繼電器

K3K4：偏航電機正反向控制接觸器

K5：手動偏航液壓抱閘閥打開繼電器

S1：正向偏航限位開關（反饋點進PLC）

S2：反向偏航限位開關（反饋點進PLC）

S30點位置檢測開關（反饋點進PLC）

系統(tǒng)分別可以在手動偏航和自動偏航兩個獨立的狀態(tài)下完成。手動偏航只受兩個限位開關的控制。3軟件說明

采用狀態(tài)機的算法，每個狀態(tài)遷移有兩種方式，相臨的增1和減1。

由兩個接近開關實現(xiàn)偏航控制的程序如下（twincat10.0）：

程序內(nèi)容：

FB形式：

功能塊

描述如下：

SENSOR1：偏航記數(shù)器接近開關I

SENSOR2：偏航記數(shù)器接近開關1

RESET：偏航記數(shù)器復位點，將各記數(shù)值清0CURRENT_VALVE：當前記數(shù)值。

DIRECTION：1表示正向偏航進行中;2示反向偏航進行中;3表示位于偏航0點。

RES：0表示偏航記數(shù)狀態(tài)正常;1表示偏航記數(shù)錯誤。

系統(tǒng)如果重新上電后需要手動調(diào)整0點位置。軟件RESET也需要重新觸發(fā)。

對SENSORI和SONSOR2兩個接近開關信號根據(jù)現(xiàn)場實際安裝的情況需要進行相應的濾波處理，比如可以采用低高通的軟件濾波器。濾波的依據(jù)根據(jù)偏航一周的齒輪數(shù)和偏航的速度進行調(diào)整。

補充說明：

現(xiàn)在實行的偏航角度測量形式有四種形式：

絕對值編碼器，增量編碼器，凸輪計數(shù)器（一個10一千歐姆的環(huán)形電阻，風機通過電阻的變化，確定風機的偏航角度并通過其電阻的變化計算偏航的速度）和文中說明的兩個接近開關的方式。

在實際的應用過程中絕對值編碼器的方式應該是最為準確，穩(wěn)定。其次是增量編碼器，凸輪計數(shù)器，最后是兩個接近開關的方式。采用后兩者增加了在軟件的編程中要考慮的因素。特別是兩個接近開關的形式，對安裝位置和軟件編程都提出了高的要求。

在實際應用我覺得采用兩個接近開關+凸輪記數(shù)器的方式性價比較高?？梢赃M行相互的校驗，進行故障檢測。

參考文獻

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