新型多总线绝对值编码器在风电系统中的应用

卜树坡，孟桂芳，程 磊

（苏州工业职业技术学院 电子与通信工程系，苏州 215104）

新型多总线绝对值编码器在风电系统中的应用

卜树坡，孟桂芳，程 磊

（苏州工业职业技术学院 电子与通信工程系，苏州 215104）

0 引言

绝对值编码器因其具有绝对参考零位，重新上电无需初始化等优点在实际工业生产中广泛用于角度、位置、速度和加速度等参数的检测，例如大型施工机械回转台，机器人控制，数控机床的行程控制以及风电系统变桨电机转子旋转控制等[1]。单圈编码器的测量精度及测量范围已经无法满足现代化工业生产的高精度、高可靠性运行要求，多圈绝对值编码器不仅可以精确测量一周之内的位置，而且可以记录输出轴转过的圈数，使测量范围扩大到单圈编码器的几百倍甚至上千倍，大大扩展了编码器的应用领域[2,3]。随着现场总线技术在工业生产中的广泛应用，针对不同总线间的数据协议互不兼容，不同数据协议的设备不能挂接到其它总线网络中去等问题[4]，设计了可实现与同步串行(SSI)通讯协议、PROFIBUS以及MODBUS三种目前应用最为广泛的总线协议相兼容的接口装置。

1 多圈绝对值编码器的结构形式

本文设计了一种结构新颖的多圈绝对值编码器,它包括单圈绝对值编码器和多个带有两个码道的减速齿轮。单圈绝对值编码器的结构原理如图1所示，由码盘，光源，光电器件和遮光板组成。在一个码盘上，刻有规则的多个码道，从抗干扰的角度考虑，采用格雷码的编码格式，其主要优点是输出数字量每次只跳变一位，因此可检测出错误的跳变数据。对于减速齿轮，均采用相同的结构，如图2所示。每个齿轮上带有两道格雷码形式的码道，以及减速比为4:1的大小两个齿轮，相当于将多圈的码盘分散到多个齿轮上，这样可以节省一个多码道码盘。通过设置相应的光电转换电路，即可实现多圈的数据输出。对于可记录圈数为256的编码器，所需的齿轮数由下式得到：

图2 新型编码器结构原理图

格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式[5]，如表1所示。

表1 几种自然二进制码与格雷码的对照

该新型结构一方面实现了位置的多圈不重复测量，还节省了一个多码道码盘，简化了系统体积，降低了系统成本。

2 数据接口与协议转换

所设计的协议转换与数据接口装置工作原理如图3所示。装置接收光电编码器发出的数字信号，经整形、校正等信号调理过程后，转换成标准的数据格式，再转换成SSI通讯协议、MODBUS协议以及PROFIBUS协议，在硬件电路中设计各总线的物理接口电路，即可实现编码器与多总线的兼容。

图3 数据接口及协议转换装置原理图

SSI协议是高精度绝对值编码器中一种较常用的数据传送协议。它采用主机主动式读出方式，即在主控者发出的时钟脉冲的控制下从最高有效位开始同步传送，其通讯协议的时序图如图4所示。首先搜索帧起始位，由时钟脉冲的上升沿开始定时，在监测到高电平时间大于12us时，认为是开始读取数据，时长为定时时间到读取一个数据位，如此反复读得25位数据。第26个时钟脉冲输出的数据丢弃；第27个时钟脉冲的上升沿后下降沿的到来时间间隔应大于或等于12us，那么第27个时钟脉冲即为一帧新数据的开始，否则为重读。重读数据可用于校验已得到的数据是否正确。MODBUS总线采用主从式通讯方式，每组数据包括起始帧、地址帧、功能码和数据帧以及CRC校验帧。每一帧数据的通讯协议采用ASICII中定义的通用串行通讯协议，包括一个起始位，一个停止位，8个数据位，一个奇偶校验位,传送波特率在1200～38400之间可选。其中地址帧用于标识请求的从站位置，功能码用于表明请求类型，数据帧用于传送具体数据或者控制命令[6]。PROFIBUS是一种不依赖于厂家的开放式总线标准，采用多主从结构，具有可靠性高、性能高、实时性好及其独特的设计等优点。本装置采用PROFIBUS-DP协议，报文数据规范包括起始区、地址区和数据区。起始区表明数据的起始，地址区负责标识访问的设备，数据区的数据格式采用PPO1的数据格式，包含编码器的输出值以及转向、状态等，从站响应数据规范采用相同的形式[7]。

图4 SSI通讯协议时序图

3 装置设计

3.1 硬件设计

装置硬件设计如图5所示。其中DSP芯片采用TMS320LF2407A作为主控芯片，其主频最高可达40MHz[8]。编码器的接口与IO口相连，通过读取IO口状态来获取各个码盘的当前值。采用拨码开关的硬件方式设置地址以及选择具体的通讯协议。SSI采用IO口模拟的方式，MODBUS硬件接口电路直接与DSP内部的串行通讯接口(SCI)相连，对于PROFIBUS协议，采用西门子公司的从站专用协议转换芯片SPC3，将串行数据转化为并行数据，再通过DSP的并行外设接口进行通讯。各个协议的物理硬件接口电路芯片均选用485芯片。

3.2 光电转换电路

新型绝对值编码器设计了一个通用光电转换电路，即可实现多圈的数据输出[9]。光电元件选用SE2460和SD2440，光电接收元件接收的信号经过放大、整形后形成方波信号再进入单片机处理。图6(a)为编码器的信号放大电路，其中电阻R1将编码器上光敏接收元件的电流信号转换为电压信号，放大器N2和电阻R2、R3组成放大电路，小信号由IN_A1输入，经放大后由OUT_A1输出。图6(b)为A1信号的整形电路，OUT_A1信号经比较器LM139转换为方波信号，再经锁存器CD54HC573及数据总线送入单片机处理,经译码并计算出编码器角度值。

图5 编码器接口硬件结构图

图6 光电信号处理电路

3.3 软件设计

图7为软件程序流程图。首先进行系统初始化，读取码盘信号并转化为16位数字格式，读取设定地址值以及通讯协议选择值，根据所选择的协议类型执行相应的协议转换程序，判断是否接收到相匹配的地址，若收到则进行相应的数据传送[10]。同时，还可以对编码器的状态进行检测，若读取信号不正常，通知上位机，进行相应的处理，避免误操作。

图7 软件流程图

4 实际应用

本文利用绝对值编码器作为反馈元件，在风电系统中拾取变桨控制系统的转速和位置参数。变桨距控制系统对提高风力发电系统的发电效率和电能质量起到至关重要的作用，如图8所示。E1为A编码器，作为速度反馈元件，固定在变桨距电机上，且与电机转子同轴安装；E2为B编码器，作为位置反馈元件，安装在齿轮输出轴上。

图8 变桨电机控制图

对于1.5kW风机的变桨系统A/B编码器均采用12位多圈绝对值编码器，每圈脉冲数为212＝4096 P/R，即一圈可记录4096个绝对位置，有效地提高了变桨电机转子转动角度的测量精度。利用所设计的光电转换电路将编码器的光电检测信号放大、整形，输出的方波信号用于定位控制。编码器输出信号是多位输出型，变桨系统的A/B编码器与伺服控制器接口采用所设计的数据接口及协议转换装置可获得并行输出、串行输出和总线型输出。从而达到对变桨系统的精确位置和角度控制，实现快速跟踪。

5 结束语

所设计的多圈绝对值编码器具有结构简单、精度高、惯量小、稳定性好、抗干扰能力强、接口丰富、直接输出数字量形式的绝对位置信号与控制单元连接方便等特点。通过实际应用，验证了信息传递的可靠性，对位置和角度控制的准确性和实时性，将广泛应用于中小功率伺服系统中。同时，基于DSP的多协议转换与接口装置的设计方法，可以作为标准化设计手段，针对不同接口协议的系统，只需进行相应的设置，有效地拓展了其应用领域。

[1]栾海英,刘学军.基于CANopen协议绝对值光电编码器的伺服位置控制的研究[J].制造业自动化,2013,35(9):151-153.

[2]罗长洲,陈良益,孙岩,等.一种新型光学编码器[J].光学精密工程,2003,11(1):104-108.

[3]赵志巍.一种绝对式三轴联动多圈编码器的研制[J].长春理工大学学报（自然科学版）,2009,32(1): 8-10.

[4]盛向伟.总线式多圈绝对值编码器在顶杆小车位置控制系统中的应用[J].机械管理开发,2009,24(1):98-99.

[5]罗扬.解析编码器在风电控制系统中的应用[J].机械,2009,36:15-19.

[6]孙鹤旭,梁涛,云利军.Profibus现场总线控制系统的设计与开发[M].北京:国防工业出版社,2007:162-166.

[7]宋建,瞿金平.基于Modbus协议的PCC与触摸屏串口通信的实现[J].机电一体化,2007,(2):69-73.

[8]刘和平,严利平,张学锋,等.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2002:207-221.

[9]刘泉,卢新然,轻量化绝对式多圈光电编码器研究[J].半导体光电,2013,34(4):588-590.

[10]杜雪珍.基于CANopen协议的多圈绝对值光电编码器的设计[J].电子质量,2013,1:29-32.

A new multi-bus absolute encoder used in wind power generation system

BU Shu-po，MENG Gui-fang，CHENG Lei

绝对值编码器在工业生产中用于检测角度、位置、速度和加速度。本文设计了一种只需单个高精度多码道码盘的多圈绝对值编码器，减少了一个多码道码盘，简化了机械设计难度。同时又设计了基于DSP芯片的数据转换与接口装置，扩展了其应用场合，使其适应不同现场总线的工业应用领域。通过在风电系统中的实际应用，实现了对风电控制系统变桨电机转子旋转速度和位置的精确测量和控制。

多圈绝对值编码器；DSP；协议转换；现场总线；变桨距系统

卜树坡（1963 -），男，哈尔滨人，教授级高级工程师，主要研究方向为控制工程技术。

TH137

A

1009-0134(2014)06(上)-0124-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).36

2014-02-10

苏州市科学技术局应用基础研究计划项目（SYG201248）