新型多總線絕對值編碼器在風電系統(tǒng)中的應用

卜樹坡，孟桂芳，程 磊

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院 電子與通信工程系，蘇州 215104）

新型多總線絕對值編碼器在風電系統(tǒng)中的應用

卜樹坡，孟桂芳，程 磊

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院 電子與通信工程系，蘇州 215104）

0 引言

絕對值編碼器因其具有絕對參考零位，重新上電無需初始化等優(yōu)點在實際工業(yè)生產(chǎn)中廣泛用于角度、位置、速度和加速度等參數(shù)的檢測，例如大型施工機械回轉臺，機器人控制，數(shù)控機床的行程控制以及風電系統(tǒng)變槳電機轉子旋轉控制等[1]。單圈編碼器的測量精度及測量范圍已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的高精度、高可靠性運行要求，多圈絕對值編碼器不僅可以精確測量一周之內的位置，而且可以記錄輸出軸轉過的圈數(shù)，使測量范圍擴大到單圈編碼器的幾百倍甚至上千倍，大大擴展了編碼器的應用領域[2,3]。隨著現(xiàn)場總線技術在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用，針對不同總線間的數(shù)據(jù)協(xié)議互不兼容，不同數(shù)據(jù)協(xié)議的設備不能掛接到其它總線網(wǎng)絡中去等問題[4]，設計了可實現(xiàn)與同步串行(SSI)通訊協(xié)議、PROFIBUS以及MODBUS三種目前應用最為廣泛的總線協(xié)議相兼容的接口裝置。

1 多圈絕對值編碼器的結構形式

本文設計了一種結構新穎的多圈絕對值編碼器,它包括單圈絕對值編碼器和多個帶有兩個碼道的減速齒輪。單圈絕對值編碼器的結構原理如圖1所示，由碼盤，光源，光電器件和遮光板組成。在一個碼盤上，刻有規(guī)則的多個碼道，從抗干擾的角度考慮，采用格雷碼的編碼格式，其主要優(yōu)點是輸出數(shù)字量每次只跳變一位，因此可檢測出錯誤的跳變數(shù)據(jù)。對于減速齒輪，均采用相同的結構，如圖2所示。每個齒輪上帶有兩道格雷碼形式的碼道，以及減速比為4:1的大小兩個齒輪，相當于將多圈的碼盤分散到多個齒輪上，這樣可以節(jié)省一個多碼道碼盤。通過設置相應的光電轉換電路，即可實現(xiàn)多圈的數(shù)據(jù)輸出。對于可記錄圈數(shù)為256的編碼器，所需的齒輪數(shù)由下式得到：

圖2 新型編碼器結構原理圖

格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補碼，屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼方式[5]，如表1所示。

表1 幾種自然二進制碼與格雷碼的對照

該新型結構一方面實現(xiàn)了位置的多圈不重復測量，還節(jié)省了一個多碼道碼盤，簡化了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)成本。

2 數(shù)據(jù)接口與協(xié)議轉換

所設計的協(xié)議轉換與數(shù)據(jù)接口裝置工作原理如圖3所示。裝置接收光電編碼器發(fā)出的數(shù)字信號，經(jīng)整形、校正等信號調理過程后，轉換成標準的數(shù)據(jù)格式，再轉換成SSI通訊協(xié)議、MODBUS協(xié)議以及PROFIBUS協(xié)議，在硬件電路中設計各總線的物理接口電路，即可實現(xiàn)編碼器與多總線的兼容。

圖3 數(shù)據(jù)接口及協(xié)議轉換裝置原理圖

SSI協(xié)議是高精度絕對值編碼器中一種較常用的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。它采用主機主動式讀出方式，即在主控者發(fā)出的時鐘脈沖的控制下從最高有效位開始同步傳送，其通訊協(xié)議的時序圖如圖4所示。首先搜索幀起始位，由時鐘脈沖的上升沿開始定時，在監(jiān)測到高電平時間大于12us時，認為是開始讀取數(shù)據(jù)，時長為定時時間到讀取一個數(shù)據(jù)位，如此反復讀得25位數(shù)據(jù)。第26個時鐘脈沖輸出的數(shù)據(jù)丟棄；第27個時鐘脈沖的上升沿后下降沿的到來時間間隔應大于或等于12us，那么第27個時鐘脈沖即為一幀新數(shù)據(jù)的開始，否則為重讀。重讀數(shù)據(jù)可用于校驗已得到的數(shù)據(jù)是否正確。MODBUS總線采用主從式通訊方式，每組數(shù)據(jù)包括起始幀、地址幀、功能碼和數(shù)據(jù)幀以及CRC校驗幀。每一幀數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議采用ASICII中定義的通用串行通訊協(xié)議，包括一個起始位，一個停止位，8個數(shù)據(jù)位，一個奇偶校驗位,傳送波特率在1200～38400之間可選。其中地址幀用于標識請求的從站位置，功能碼用于表明請求類型，數(shù)據(jù)幀用于傳送具體數(shù)據(jù)或者控制命令[6]。PROFIBUS是一種不依賴于廠家的開放式總線標準，采用多主從結構，具有可靠性高、性能高、實時性好及其獨特的設計等優(yōu)點。本裝置采用PROFIBUS-DP協(xié)議，報文數(shù)據(jù)規(guī)范包括起始區(qū)、地址區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。起始區(qū)表明數(shù)據(jù)的起始，地址區(qū)負責標識訪問的設備，數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)格式采用PPO1的數(shù)據(jù)格式，包含編碼器的輸出值以及轉向、狀態(tài)等，從站響應數(shù)據(jù)規(guī)范采用相同的形式[7]。

圖4 SSI通訊協(xié)議時序圖

3 裝置設計

3.1 硬件設計

裝置硬件設計如圖5所示。其中DSP芯片采用TMS320LF2407A作為主控芯片，其主頻最高可達40MHz[8]。編碼器的接口與IO口相連，通過讀取IO口狀態(tài)來獲取各個碼盤的當前值。采用撥碼開關的硬件方式設置地址以及選擇具體的通訊協(xié)議。SSI采用IO口模擬的方式，MODBUS硬件接口電路直接與DSP內部的串行通訊接口(SCI)相連，對于PROFIBUS協(xié)議，采用西門子公司的從站專用協(xié)議轉換芯片SPC3，將串行數(shù)據(jù)轉化為并行數(shù)據(jù)，再通過DSP的并行外設接口進行通訊。各個協(xié)議的物理硬件接口電路芯片均選用485芯片。

3.2 光電轉換電路

新型絕對值編碼器設計了一個通用光電轉換電路，即可實現(xiàn)多圈的數(shù)據(jù)輸出[9]。光電元件選用SE2460和SD2440，光電接收元件接收的信號經(jīng)過放大、整形后形成方波信號再進入單片機處理。圖6(a)為編碼器的信號放大電路，其中電阻R1將編碼器上光敏接收元件的電流信號轉換為電壓信號，放大器N2和電阻R2、R3組成放大電路，小信號由IN_A1輸入，經(jīng)放大后由OUT_A1輸出。圖6(b)為A1信號的整形電路，OUT_A1信號經(jīng)比較器LM139轉換為方波信號，再經(jīng)鎖存器CD54HC573及數(shù)據(jù)總線送入單片機處理,經(jīng)譯碼并計算出編碼器角度值。

圖5 編碼器接口硬件結構圖

圖6 光電信號處理電路

3.3 軟件設計

圖7為軟件程序流程圖。首先進行系統(tǒng)初始化，讀取碼盤信號并轉化為16位數(shù)字格式，讀取設定地址值以及通訊協(xié)議選擇值，根據(jù)所選擇的協(xié)議類型執(zhí)行相應的協(xié)議轉換程序，判斷是否接收到相匹配的地址，若收到則進行相應的數(shù)據(jù)傳送[10]。同時，還可以對編碼器的狀態(tài)進行檢測，若讀取信號不正常，通知上位機，進行相應的處理，避免誤操作。

圖7 軟件流程圖

4 實際應用

本文利用絕對值編碼器作為反饋元件，在風電系統(tǒng)中拾取變槳控制系統(tǒng)的轉速和位置參數(shù)。變槳距控制系統(tǒng)對提高風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質量起到至關重要的作用，如圖8所示。E1為A編碼器，作為速度反饋元件，固定在變槳距電機上，且與電機轉子同軸安裝；E2為B編碼器，作為位置反饋元件，安裝在齒輪輸出軸上。

圖8 變槳電機控制圖

對于1.5kW風機的變槳系統(tǒng)A/B編碼器均采用12位多圈絕對值編碼器，每圈脈沖數(shù)為212＝4096 P/R，即一圈可記錄4096個絕對位置，有效地提高了變槳電機轉子轉動角度的測量精度。利用所設計的光電轉換電路將編碼器的光電檢測信號放大、整形，輸出的方波信號用于定位控制。編碼器輸出信號是多位輸出型，變槳系統(tǒng)的A/B編碼器與伺服控制器接口采用所設計的數(shù)據(jù)接口及協(xié)議轉換裝置可獲得并行輸出、串行輸出和總線型輸出。從而達到對變槳系統(tǒng)的精確位置和角度控制，實現(xiàn)快速跟蹤。

5 結束語

所設計的多圈絕對值編碼器具有結構簡單、精度高、慣量小、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、接口豐富、直接輸出數(shù)字量形式的絕對位置信號與控制單元連接方便等特點。通過實際應用，驗證了信息傳遞的可靠性，對位置和角度控制的準確性和實時性，將廣泛應用于中小功率伺服系統(tǒng)中。同時，基于DSP的多協(xié)議轉換與接口裝置的設計方法，可以作為標準化設計手段，針對不同接口協(xié)議的系統(tǒng)，只需進行相應的設置，有效地拓展了其應用領域。

[1]欒海英,劉學軍.基于CANopen協(xié)議絕對值光電編碼器的伺服位置控制的研究[J].制造業(yè)自動化,2013,35(9):151-153.

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[4]盛向偉.總線式多圈絕對值編碼器在頂桿小車位置控制系統(tǒng)中的應用[J].機械管理開發(fā),2009,24(1):98-99.

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[9]劉泉,盧新然,輕量化絕對式多圈光電編碼器研究[J].半導體光電,2013,34(4):588-590.

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

BU Shu-po，MENG Gui-fang，CHENG Lei

絕對值編碼器在工業(yè)生產(chǎn)中用于檢測角度、位置、速度和加速度。本文設計了一種只需單個高精度多碼道碼盤的多圈絕對值編碼器，減少了一個多碼道碼盤，簡化了機械設計難度。同時又設計了基于DSP芯片的數(shù)據(jù)轉換與接口裝置，擴展了其應用場合，使其適應不同現(xiàn)場總線的工業(yè)應用領域。通過在風電系統(tǒng)中的實際應用，實現(xiàn)了對風電控制系統(tǒng)變槳電機轉子旋轉速度和位置的精確測量和控制。

多圈絕對值編碼器；DSP；協(xié)議轉換；現(xiàn)場總線；變槳距系統(tǒng)

卜樹坡（1963 -），男，哈爾濱人，教授級高級工程師，主要研究方向為控制工程技術。

TH137

A

1009-0134(2014)06(上)-0124-04

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

2014-02-10

蘇州市科學技術局應用基礎研究計劃項目（SYG201248）