新型多總線(xiàn)絕對(duì)值編碼器在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

卜樹(shù)坡，孟桂芳，程 磊

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程系，蘇州 215104）

新型多總線(xiàn)絕對(duì)值編碼器在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

卜樹(shù)坡，孟桂芳，程 磊

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程系，蘇州 215104）

0 引言

絕對(duì)值編碼器因其具有絕對(duì)參考零位，重新上電無(wú)需初始化等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)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(cè)，例如大型施工機(jī)械回轉(zhuǎn)臺(tái)，機(jī)器人控制，數(shù)控機(jī)床的行程控制以及風(fēng)電系統(tǒng)變槳電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)控制等[1]。單圈編碼器的測(cè)量精度及測(cè)量范圍已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的高精度、高可靠性運(yùn)行要求，多圈絕對(duì)值編碼器不僅可以精確測(cè)量一周之內(nèi)的位置，而且可以記錄輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，使測(cè)量范圍擴(kuò)大到單圈編碼器的幾百倍甚至上千倍，大大擴(kuò)展了編碼器的應(yīng)用領(lǐng)域[2,3]。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，針對(duì)不同總線(xiàn)間的數(shù)據(jù)協(xié)議互不兼容，不同數(shù)據(jù)協(xié)議的設(shè)備不能掛接到其它總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中去等問(wèn)題[4]，設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)與同步串行(SSI)通訊協(xié)議、PROFIBUS以及MODBUS三種目前應(yīng)用最為廣泛的總線(xiàn)協(xié)議相兼容的接口裝置。

1 多圈絕對(duì)值編碼器的結(jié)構(gòu)形式

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎的多圈絕對(duì)值編碼器,它包括單圈絕對(duì)值編碼器和多個(gè)帶有兩個(gè)碼道的減速齒輪。單圈絕對(duì)值編碼器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，由碼盤(pán)，光源，光電器件和遮光板組成。在一個(gè)碼盤(pán)上，刻有規(guī)則的多個(gè)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(diǎn)是輸出數(shù)字量每次只跳變一位，因此可檢測(cè)出錯(cuò)誤的跳變數(shù)據(jù)。對(duì)于減速齒輪，均采用相同的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。每個(gè)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(gè)齒輪，相當(dāng)于將多圈的碼盤(pán)分散到多個(gè)齒輪上，這樣可以節(jié)省一個(gè)多碼道碼盤(pán)。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換電路，即可實(shí)現(xiàn)多圈的數(shù)據(jù)輸出。對(duì)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(jié)構(gòu)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(bǔ)碼，屬于可靠性編碼，是一種錯(cuò)誤最小化的編碼方式[5]，如表1所示。

表1 幾種自然二進(jìn)制碼與格雷碼的對(duì)照

該新型結(jié)構(gòu)一方面實(shí)現(xiàn)了位置的多圈不重復(fù)測(cè)量，還節(jié)省了一個(gè)多碼道碼盤(pán)，簡(jiǎn)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(zhuǎn)換

所設(shè)計(jì)的協(xié)議轉(zhuǎn)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(hào)，經(jīng)整形、校正等信號(hào)調(diào)理過(guò)程后，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，再轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)各總線(xiàn)的物理接口電路，即可實(shí)現(xiàn)編碼器與多總線(xiàn)的兼容。

圖3 數(shù)據(jù)接口及協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置原理圖

SSI協(xié)議是高精度絕對(duì)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(jī)主動(dòng)式讀出方式，即在主控者發(fā)出的時(shí)鐘脈沖的控制下從最高有效位開(kāi)始同步傳送，其通訊協(xié)議的時(shí)序圖如圖4所示。首先搜索幀起始位，由時(shí)鐘脈沖的上升沿開(kāi)始定時(shí)，在監(jiān)測(cè)到高電平時(shí)間大于12us時(shí)，認(rèn)為是開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)，時(shí)長(zhǎng)為定時(shí)時(shí)間到讀取一個(gè)數(shù)據(jù)位，如此反復(fù)讀得25位數(shù)據(jù)。第26個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出的數(shù)據(jù)丟棄；第27個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿后下降沿的到來(lái)時(shí)間間隔應(yīng)大于或等于12us，那么第27個(gè)時(shí)鐘脈沖即為一幀新數(shù)據(jù)的開(kāi)始，否則為重讀。重讀數(shù)據(jù)可用于校驗(yàn)已得到的數(shù)據(jù)是否正確。MODBUS總線(xiàn)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(yàn)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(gè)起始位，一個(gè)停止位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位,傳送波特率在1200～38400之間可選。其中地址幀用于標(biāo)識(shí)請(qǐng)求的從站位置，功能碼用于表明請(qǐng)求類(lèi)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(lài)于廠家的開(kāi)放式總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用多主從結(jié)構(gòu)，具有可靠性高、性能高、實(shí)時(shí)性好及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。本裝置采用PROFIBUS-DP協(xié)議，報(bào)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(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)訪問(wèn)的設(shè)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(zhuǎn)向、狀態(tài)等，從站響應(yīng)數(shù)據(jù)規(guī)范采用相同的形式[7]。

圖4 SSI通訊協(xié)議時(shí)序圖

3 裝置設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

裝置硬件設(shè)計(jì)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(dá)40MHz[8]。編碼器的接口與IO口相連，通過(guò)讀取IO口狀態(tài)來(lái)獲取各個(gè)碼盤(pán)的當(dāng)前值。采用撥碼開(kāi)關(guān)的硬件方式設(shè)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(nèi)部的串行通訊接口(SCI)相連，對(duì)于PROFIBUS協(xié)議，采用西門(mén)子公司的從站專(zhuān)用協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片SPC3，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，再通過(guò)DSP的并行外設(shè)接口進(jìn)行通訊。各個(gè)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(zhuǎn)換電路

新型絕對(duì)值編碼器設(shè)計(jì)了一個(gè)通用光電轉(zhuǎn)換電路，即可實(shí)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(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形后形成方波信號(hào)再進(jìn)入單片機(jī)處理。圖6(a)為編碼器的信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，放大器N2和電阻R2、R3組成放大電路，小信號(hào)由IN_A1輸入，經(jīng)放大后由OUT_A1輸出。圖6(b)為A1信號(hào)的整形電路，OUT_A1信號(hào)經(jīng)比較器LM139轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，再經(jīng)鎖存器CD54HC573及數(shù)據(jù)總線(xiàn)送入單片機(jī)處理,經(jīng)譯碼并計(jì)算出編碼器角度值。

圖5 編碼器接口硬件結(jié)構(gòu)圖

圖6 光電信號(hào)處理電路

3.3 軟件設(shè)計(jì)

圖7為軟件程序流程圖。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，讀取碼盤(pán)信號(hào)并轉(zhuǎn)化為16位數(shù)字格式，讀取設(shè)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(lèi)型執(zhí)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，判斷是否接收到相匹配的地址，若收到則進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送[10]。同時(shí)，還可以對(duì)編碼器的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，若讀取信號(hào)不正常，通知上位機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免誤操作。

圖7 軟件流程圖

4 實(shí)際應(yīng)用

本文利用絕對(duì)值編碼器作為反饋元件，在風(fēng)電系統(tǒng)中拾取變槳控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和位置參數(shù)。變槳距控制系統(tǒng)對(duì)提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量起到至關(guān)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(jī)上，且與電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)控制圖

對(duì)于1.5kW風(fēng)機(jī)的變槳系統(tǒng)A/B編碼器均采用12位多圈絕對(duì)值編碼器，每圈脈沖數(shù)為212＝4096 P/R，即一圈可記錄4096個(gè)絕對(duì)位置，有效地提高了變槳電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量精度。利用所設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換電路將編碼器的光電檢測(cè)信號(hào)放大、整形，輸出的方波信號(hào)用于定位控制。編碼器輸出信號(hào)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(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)接口及協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置可獲得并行輸出、串行輸出和總線(xiàn)型輸出。從而達(dá)到對(duì)變槳系統(tǒng)的精確位置和角度控制，實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。

5 結(jié)束語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的多圈絕對(duì)值編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、慣量小、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、接口豐富、直接輸出數(shù)字量形式的絕對(duì)位置信號(hào)與控制單元連接方便等特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了信息傳遞的可靠性，對(duì)位置和角度控制的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，將廣泛應(yīng)用于中小功率伺服系統(tǒng)中。同時(shí)，基于DSP的多協(xié)議轉(zhuǎn)換與接口裝置的設(shè)計(jì)方法，可以作為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)手段，針對(duì)不同接口協(xié)議的系統(tǒng)，只需進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，有效地拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。

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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(duì)值編碼器在工業(yè)生產(chǎn)中用于檢測(cè)角度、位置、速度和加速度。本文設(shè)計(jì)了一種只需單個(gè)高精度多碼道碼盤(pán)的多圈絕對(duì)值編碼器，減少了一個(gè)多碼道碼盤(pán)，簡(jiǎn)化了機(jī)械設(shè)計(jì)難度。同時(shí)又設(shè)計(jì)了基于DSP芯片的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與接口裝置，擴(kuò)展了其應(yīng)用場(chǎng)合，使其適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)在風(fēng)電系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電控制系統(tǒng)變槳電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和位置的精確測(cè)量和控制。

多圈絕對(duì)值編碼器；DSP；協(xié)議轉(zhuǎn)換；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)；變槳距系統(tǒng)

卜樹(shù)坡（1963 -），男，哈爾濱人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭刂乒こ碳夹g(shù)。

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(xué)技術(shù)局應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（SYG201248）