一種風力發電機組變槳系統用13 位絕對式光電編碼器設計

文/陳平易 魏琴 吳垠昊

風力發電變槳系統就是在額定風速附近（以上），依據風速的變化通過光電編碼器拾取變槳系統以及雙饋發電機轉子轉速或者位置隨時調節三個槳葉的槳距角，從而實現變槳系統對漿葉的精確定位和復位控制，一方面保證獲取最大的能量，同時減少風力對風力機的沖擊，為整個風力發電系統的發電效率和電能質量的提高發揮了重要的作用。

絕對式光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的角位置測量儀器。它精度高、慣量小、穩定性好，能直接輸出數字量形式的絕對位置信息。絕對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 技術難點

絕對式光電編碼器的碼盤由透明和不透明區組成，這些透明和不透明區按照一定編碼構成，碼盤上碼道的條紋就是數碼的位數。由于碼盤在制造工藝和光電元件安裝時的誤差，導致在編碼器轉動時碼盤在圖案轉換點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；主軸系統徑向晃動誤差，光敏陣列與碼盤的安裝誤差，導致編碼器誤碼、漏碼，影響產品精度，要求編碼器的機械結構及光敏陣列的安裝位置十分精確。

變槳系統要求編碼器輸出的信號必須經過嚴格的處理才能適應于控制和遠距離傳輸的要求。所以，軟硬件的設計必須考慮傳輸協議、諧振頻率、線間干擾、誤差分析及補償算法、故障信號定位和誤差源分析及校正等因素。

2 方案設計

2.1 光機部分結構設計

絕對式編碼器光機部分的機械配合方式采用雙軸承結構保證主軸、碼盤、光敏陣列的同心度；各結構件的尺寸配合、軸承安裝到基座中的擠壓力度影響編碼器碼盤的旋轉流暢性，影響光敏陣列信號輸出的穩定性。根據以上技術難度，設計光機部分各功能模塊安裝結構，保證編碼器性能達到最佳效果。如圖1所示為絕對式編碼器光機部分結構圖。

2.2 電路原理設計

根據絕對式光電編碼器的原理及光敏陣列的工作特性，完成信號處理電路原理設計，主要包括電源模塊、光敏陣列驅動模塊、信號處理模塊、RS485 輸出模塊、光電耦合器模塊等。

2.2.1 光敏陣列驅動模塊

實現光敏陣列的模數轉換，其中包含兩個模擬通道（未用）和一個數字通道，可實現16MHZ 的傳輸速率。該模塊配合SN74LVC07A 的邏輯緩存器，通過單片機編程對光敏陣列的數字信號進行讀取與運算。

2.2.2 信號處理模塊

本電路采用M430F135 單片機芯片，配合外部晶振提供精準的時鐘控制，實現數據的精準采集。FM25L04B 外部寄存器把二進制編碼與最終角度值通過查表對應并調用，實現角度輸出與編碼的轉換。

3 結果分析

根據絕對式光電編碼器的試驗方法、數據處理算法及技術指標要求，驗證標準樣品的性能指標。

在規定的溫度條件下，將編碼器與標準數顯表連接，在角度分度誤差測量裝置上進行測量。測量時在編碼器同一位置的正、反兩個方向各測量五次，按公式計算重復性。在編碼器的三個均勻分布的不同位置進行重復性的測量，取三個位置的 正和 反中的最大絕對值作為重復性的測量結果。測量結果應符合準確度等級為± 2′級，重復性為±2′的標準規定。

由圖2可以看出在0°～360°測量范圍內，位置與角度呈線性對應關系，正、反向測量的數據重合性較好。由圖3可以看出該產品在90°時的角度分度誤差最大，因此以90°作為單信號周期角度分度誤差的測量點。

經過數據處理分析，由比較法得出該絕對式光電編碼器樣品的角度分度誤差為±1.93′，單信號周期內角度分度誤差為±1.36′，測量結果符合準確度±2′級，角度分度誤差為±2′的標準要求。

4 結語

通過研究絕對式光電編碼器原理，以及其在風力發電變槳系統中的應用為指導，研究了絕對式光電編碼器的結構、數據采集、AD 轉換、比較、解碼、校正等數據處理，并將其應用于工藝設計、信號采集和轉換，實現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；實現了利用串行編碼方法，對13 位碼盤上的碼道進行精確編碼的方法，保證了編碼器在轉動過程中位置的唯一性和精確性。

圖1：絕對式編碼器光機部分結構圖

圖2：編碼器角度分度誤差分析圖表

圖3：編碼器單信號周期角度分度誤差分析圖表