CN104536461A - 风电偏航控制器用磁编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电偏航控制器用磁编码器，包括磁编码器本体以及随被测目标同步旋转的旋转轴；安装于所述旋转轴上，随旋转轴同步旋转的永磁体；设置于所述永磁体下方，采集所述永磁体角度变化信息并转换成相应脉冲信号进行输出的霍尔传感器；以及接收所述霍尔传感器输出的脉冲信号进行实时同步采集，并转换成风电机组偏航控制器相应脉冲数的MCU脉冲转换控制单元。本发明增加了MCU脉冲转换控制单元，有效的解决了其输出脉冲数有限的现状，使磁编码器具有良好的替换性。同时采用霍尔技术进行非接触无刻度位置检测，抗振动、抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种编码器，具体的说是涉及一种风电偏航控制器用磁编码器。
背景技术
目前风电机组偏航控制器的编码器多采用传统的光电编码器，偏航控制器的小齿轮需要与偏航系统主齿轮相咬合，振动较大，电信号也容易受到干扰，此种环境下极易造成光电编码器的损坏，频繁替换原光电编码器不仅费用较高，而且影响了风电机组的正常运行，进而会造成因机组停机维修而给用户造成巨大的经济损失。
磁编码器较光电编码器抗振动能力较强，在恶劣的工业现场不易损坏，用磁编码器取代电编码器是风电机组偏航控制器的发展趋势，但目前市面上现有的增量型磁编码器，其脉冲数相对固定，脉冲数可选择范围较窄，不如光电编码器灵活，无法直接替换现有设备中的光电编码器。如果替换前后的编码器脉冲数不同，那么则需要对偏航控制器整个控制系统的软件进行重新编程，工作量较大，而且有可能影响的整个系统的稳定性。
此外，风电机偏航控制器本身体积小，而编码器装在其内部，这就要求编码器的体积要更小，同时又具有抗电磁干扰能力，这对其电气设计而言是一个亟待解决的技术难题，目前国内外没有具备此功能的微型磁编码器。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种能适应风力发电现场恶劣的工作环境并能精确检测风机相对于参考零点的偏航角度的风电偏航磁控制器用磁编码器及其输出脉冲可编程控制方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
风电偏航控制器用磁编码器，包括磁编码器本体以及随被测目标同步旋转的旋转轴，其特征在于：
还包括：
安装于所述旋转轴上，随旋转轴同步旋转的永磁体；
设置于所述永磁体下方，采集所述永磁体角度变化信息并转换成相应脉冲信号进行输出的霍尔传感器；
以及接收所述霍尔传感器输出的脉冲信号进行实时同步采集，并转换成风电机组偏航控制器相应脉冲数的MCU脉冲转换控制单元。
所述MCU脉冲转换控制单元包括：
电源芯片；
实时同步采集所述霍尔传感器输出的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行转换处理的微控制芯片；
对所述微控制芯片输出的脉冲信号进行电平转换处理的模拟开关芯片；
以及用于连接外部电路的接插件。
所述永磁体优选两极圆柱状径向永磁体。
所述霍尔传感器优选霍尔传感器芯片AS5040；所述微控制芯片优选单片机STM32F103；所述模拟开关芯片优选ADG5433芯片。
进一步的，所述风电偏航控制器用磁编码器利用AS5040芯片的增量输出模式，将采集到的磁场信息以正交A/B和索引Index信号形式输出即输出增量式A、B、INDEX的脉冲信号；同时将AS5040芯片输出端的信号A_IN、B_IN、INDEX_IN送至STM32F103芯片的外部中断引脚，采用中断响应的方式对所述脉冲信号进行实时同步采集，并对采集到的脉冲信号进行实时处理转换相应脉冲信号，得到被测目标角位置变化信息即编码器旋转的圈数以及旋转方向。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明实现了增量型磁编码器的输出脉冲可编程控制，有效的解决了其输出脉冲数有限的现状，使磁编码器具有良好的替换性。
2、本发明体积微小，可使用与安装空间受限制的设备中。
3、本发明采用霍尔技术进行非接触无刻度位置检测，抗振动、抗干扰能力强，且在最高转速4500r/min下，脉冲不丢失(在-40℃至80℃温度下)。
附图说明
图1本发明所述风电偏航控制器用磁编码器外部结构示意图；
图2本发明所述风电偏航控制器用磁编码器安装位置示意图；
图3本发明所述风电偏航控制器用磁编码器-永磁铁的垂直安装位置示意图；
图4本发明所述风电偏航控制器用磁编码器原理框图；
图5本发明所述风电偏航控制器用磁编码器电路原理图；
图6为本发明所述风电偏航控制器用磁编码器步骤流程图。
图中：1、磁编码器本体，11、安装孔，2、旋转轴，3、永磁铁，4、霍尔传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
鉴于现有风电偏航磁控制器用磁编码器存在的弊端，现有增量型磁编码器的脉冲输出数量都是以2N倍数增加或者递减的，很不灵活，而光电编码器灵活性较好但是振动较大，电信号也容易受到干扰，替换频繁；需要设计一种技术方案使得使增量型的磁编码器的输出脉冲数可以像光电编码器一样灵活。
因此本发明的设计原理为：磁钢元件采用永磁体3，将其安装于编码器的旋转轴2上，使其随被测目标旋转，进而产生位置信息变化的磁场；霍尔传感器4与永磁体3配合，用于检测磁场变化信息；并发送至由单片机、模拟开关等组成微型控制单元MCU(霍尔传感器与MCU可集成于一块电子线路板上，安装于编码器内部)，用来接收和处理永磁体产生的磁场信息，并将其转化为PLC、计数器等数据处理设备能够识别的信号传递出去。其中信号处理是将传感器输出的脉冲数量进行转换得到工业现场实际需要的分辨率值，从而实现增量型磁编码器的输出脉冲编程控制。
基于上述目的，所述的风电偏航磁控制器用磁编码器，包括磁编码器本体1，随被测目标同步旋转的旋转轴2；安装于所述旋转轴2上，随旋转轴2同步旋转的永磁体3；设置于所述永磁体3下方，采集所述永磁体角度变化信息并转换成相应脉冲信号进行输出的霍尔传感器4；以及接收所述霍尔传感器输出的脉冲信号进行实时同步采集，并转换成风电机组偏航控制器的数据处理设备能够识别的信号的MCU脉冲转换控制单元。
其中，磁编码器本体1如图1所示，可在其底部三个相距120°的安装孔11，用来将其于被测对象连接在一起，从图2可以看出，将其安装于偏航控制器的壳体内部，用于测量机舱相对于参考零点的位置。
永磁体3采用两极圆柱状径向永磁体，可固定于编码器旋转轴2的顶端，并使得该永磁体1位于所述AS5040芯片的上方，永磁体与芯片封装表面的间距为1.3mm具有较好的使用效果，其位置图如图3所示。
霍尔传感器4选用霍尔传感器芯片AS5040，利用霍尔效应，当磁编码器旋转轴随着被测目标转动时，磁钢-永磁体也随之同步转动，磁钢转动的角度将会对应一个磁场信息，鉴于霍尔传感器芯片集成了DSP数字处理技术，将会对磁场的模拟信号进行处理，并将其转换成我们可以读取的角位置信息，实现了非接触无刻度位置检测，其抗振动、抗干扰能力强，且在最高转速4500r/min下，脉冲不丢失(在-40℃至80℃温度下)。具体的，在本发明中，我们使用的是AS5040芯片的增量输出模式，传感器芯片将采集到的磁场信息(不同的旋转角度会对应一个磁场信息)以正交A/B和索引(Index)信号形式输出，即图5中引脚A_IN、B_IN和INDEX_IN，其输出的增量式A、B、INDEX脉冲信号将作为被测目标角位置信息的判断依据；鉴于AS5040芯片的分辨率为0.35°，即每圈1024个位。脉冲A与脉冲B以正交的形式输出，即编码器每旋转一圈，引脚A和引脚B各输出256个脉冲，而INDEX引脚信号指示绝对值零位，可以用来判断编码器旋转的圈数，编码器每旋转一圈，INDEX引脚输出一个脉冲。同时由于A，B信号以正交形式输出，我们可以通过A和B脉冲信号的相位来判断编码器的旋转方向，即如果A脉冲信号超前于B脉冲信号，则为正转；B脉冲信号超前于A脉冲信号，则为反转。
由于AS5040芯片的正交A/B信号每圈各输出256个脉冲，而现在风力发电机组偏航控制器中的光电编码器每旋转一圈，其正交A/B信号各输出150个脉冲，为直接替换现有产品，不影响工业现场现有控制系统的稳定性、可靠性与安全行，我们增加了MCU脉冲转换控制单元，如图4所示，所述MCU脉冲转换控制单元包括：
电源芯片；
实时同步采集所述霍尔传感器输出的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行转换处理的微控制芯片-单片机STM32F103；
对所述微控制芯片输出的脉冲信号进行电平转换处理的模拟开关芯片-ADG5433芯片；
以及用于连接外部电路的接插件-HEADER5*2-200模块。
本发明要实现三部分功能，包括①角位置信息采集部分-由AS5040芯片实现；②脉冲转换部分-由STM32F103芯片实现；③电平转换部分-ADG5433芯片。因此，如图5中所示，将AS5040芯片将其输出端的信号A_IN、B_IN、INDEX_IN送至STM32F103芯片的外部中断引脚，采用中断响应的方式对此脉冲信号进行实时同步采集，并对采集到的脉冲信号进行实时处理，将其转换成每圈150个脉冲的正交A/B信号和每圈一个脉冲的INDEX_IN信号。其处理过程为通电后，当编码器旋转时，AS5040芯片采集位置变化信息并输出相应的脉冲信息，将STM32F103芯片接受到的脉冲数转换成实际需要的脉冲数；最后，将转换后的脉冲信号送入ADG5433芯片中，将3.3V的电平信号通过模拟开关变换为工业现场需要的24V电平信号，从而实现了增量型磁编码器的输出脉冲可编程控制，有效的解决了其输出脉冲数有限的现状，使磁编码器具有良好的替换性。
具体的，将信号A_IN、B_IN、INDEX_IN送至STM32F103芯片的外部中断引脚，采用中断响应的方式对A_IN、B_IN、INDEX_IN脉冲信号进行实时同步采集，并通过软件对采集到的脉冲信号进行实时处理，将其转换成每圈150个脉冲的正交A/B信号和每圈一个脉冲的INDEX_IN信号。其具体软件流程图如图6所示，通电后，进行初始化，当编码器旋转时，接收输入A_IN、B_IN、INDEX_IN脉冲信号判断所述三路脉冲信号边沿是否有效，若上述脉冲信号为有效边沿，则开始判断其为上升沿还是下降沿，如若无效则返回上一级判断；边沿状态判断结束后，则可根据边沿状态判断能否确定旋转方向(通过读取A,B的边沿信息，确定A和B的相位差进而判断出旋转方向)，如果上述条件满足，则旋转方向可判定，那么说明编码器运行状态正确，此时便可将接受到的脉冲数转换成实际需要的脉冲数，否则，则回到上一级状态，重新判断。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.风电偏航控制器用磁编码器，包括磁编码器本体以及随被测目标同步旋转的旋转轴，其特征在于：
还包括：
安装于所述旋转轴上，随旋转轴同步旋转的永磁体；
设置于所述永磁体下方，采集所述永磁体角度变化信息并转换成相应脉冲信号进行输出的霍尔传感器；
以及接收所述霍尔传感器输出的脉冲信号进行实时同步采集，并转换成风电机组偏航控制器相应脉冲数的MCU脉冲转换控制单元。
2.根据权利要求1所述的风电偏航控制器用磁编码器，其特征在于：所述MCU脉冲转换控制单元包括：
电源芯片；
实时同步采集所述霍尔传感器输出的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行转换处理的微控制芯片；
对所述微控制芯片输出的脉冲信号进行电平转换处理的模拟开关芯片；
以及用于连接外部电路的接插件。
3.根据权利要求1所述的风电偏航控制器用磁编码器，其特征在于：所述永磁体优选两极圆柱状径向永磁体。
4.根据权利要求1所述的风电偏航控制器用磁编码器，其特征在于：所述霍尔传感器优选霍尔传感器芯片AS5040；所述微控制芯片优选单片机STM32F103；所述模拟开关芯片优选ADG5433芯片。
5.根据权利要求4所述的风电偏航控制器用磁编码器，其特征在于：所述风电偏航控制器用磁编码器利用AS5040芯片的增量输出模式，将采集到的磁场信息以正交A/B和索引Index信号形式输出即输出增量式A、B、INDEX的脉冲信号；同时将AS5040芯片输出端的信号A_IN、B_IN、INDEX_IN送至STM32F103芯片的外部中断引脚，采用中断响应的方式对所述脉冲信号进行实时同步采集，并对采集到的脉冲信号进行实时处理转换相应脉冲信号，得到被测目标角位置变化信息即编码器旋转的圈数以及旋转方向。
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