一种风力发电机组变桨系统用13 位绝对式光电编码器设计

2019-04-26陈平易魏琴吴垠昊

电子技术与软件工程 2019年6期

文/陈平易魏琴吴垠昊

风力发电变桨系统就是在额定风速附近（以上），依据风速的变化通过光电编码器拾取变桨系统以及双馈发电机转子转速或者位置随时调节三个桨叶的桨距角，从而实现变桨系统对浆叶的精确定位和复位控制，一方面保证获取最大的能量，同时减少风力对风力机的冲击，为整个风力发电系统的发电效率和电能质量的提高发挥了重要的作用。

绝对式光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的角位置测量仪器。它精度高、惯量小、稳定性好，能直接输出数字量形式的绝对位置信息。绝对式光电编码器由支撑轴系、光栅码盘、狭缝、光电接收元件、处理和输出电路组成。

1 技术难点

绝对式光电编码器的码盘由透明和不透明区组成，这些透明和不透明区按照一定编码构成，码盘上码道的条纹就是数码的位数。由于码盘在制造工艺和光电元件安装时的误差，导致在编码器转动时码盘在图案转换点处位置不分明而引起的误差。因此码盘的制作工艺、精度、码盘的图案均匀性误差，影响编码器的分辨率；主轴系统径向晃动误差，光敏阵列与码盘的安装误差，导致编码器误码、漏码，影响产品精度，要求编码器的机械结构及光敏阵列的安装位置十分精确。

变桨系统要求编码器输出的信号必须经过严格的处理才能适应于控制和远距离传输的要求。所以，软硬件的设计必须考虑传输协议、谐振频率、线间干扰、误差分析及补偿算法、故障信号定位和误差源分析及校正等因素。

2 方案设计

2.1 光机部分结构设计

绝对式编码器光机部分的机械配合方式采用双轴承结构保证主轴、码盘、光敏阵列的同心度；各结构件的尺寸配合、轴承安装到基座中的挤压力度影响编码器码盘的旋转流畅性，影响光敏阵列信号输出的稳定性。根据以上技术难度，设计光机部分各功能模块安装结构，保证编码器性能达到最佳效果。如图1所示为绝对式编码器光机部分结构图。

2.2 电路原理设计

根据绝对式光电编码器的原理及光敏阵列的工作特性，完成信号处理电路原理设计，主要包括电源模块、光敏阵列驱动模块、信号处理模块、RS485 输出模块、光电耦合器模块等。

2.2.1 光敏阵列驱动模块

实现光敏阵列的模数转换，其中包含两个模拟通道（未用）和一个数字通道，可实现16MHZ 的传输速率。该模块配合SN74LVC07A 的逻辑缓存器，通过单片机编程对光敏阵列的数字信号进行读取与运算。

2.2.2 信号处理模块

本电路采用M430F135 单片机芯片，配合外部晶振提供精准的时钟控制，实现数据的精准采集。FM25L04B 外部寄存器把二进制编码与最终角度值通过查表对应并调用，实现角度输出与编码的转换。

3 结果分析

根据绝对式光电编码器的试验方法、数据处理算法及技术指标要求，验证标准样品的性能指标。

在规定的温度条件下，将编码器与标准数显表连接，在角度分度误差测量装置上进行测量。测量时在编码器同一位置的正、反两个方向各测量五次，按公式计算重复性。在编码器的三个均匀分布的不同位置进行重复性的测量，取三个位置的正和反中的最大绝对值作为重复性的测量结果。测量结果应符合准确度等级为± 2′级，重复性为±2′的标准规定。

由图2可以看出在0°～360°测量范围内，位置与角度呈线性对应关系，正、反向测量的数据重合性较好。由图3可以看出该产品在90°时的角度分度误差最大，因此以90°作为单信号周期角度分度误差的测量点。

经过数据处理分析，由比较法得出该绝对式光电编码器样品的角度分度误差为±1.93′，单信号周期内角度分度误差为±1.36′，测量结果符合准确度±2′级，角度分度误差为±2′的标准要求。

4 结语

通过研究绝对式光电编码器原理，以及其在风力发电变桨系统中的应用为指导，研究了绝对式光电编码器的结构、数据采集、AD 转换、比较、解码、校正等数据处理，并将其应用于工艺设计、信号采集和转换，实现了光敏阵列与码盘的同心度、间隙及码盘与主轴的安装位置的精确控制；实现了利用串行编码方法，对13 位码盘上的码道进行精确编码的方法，保证了编码器在转动过程中位置的唯一性和精确性。