CN112902955A - 风机叶片转速传感器和风机叶片姿态测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风机叶片转速传感器和风机叶片姿态测量方法。本发明实施例的风机叶片转速传感器，包含壳体以及集成在壳体中的：惯性测量模块，用于测量轮毂转角参数；采集模块，用于采集并校正轮毂转角参数；解算模块，与采集模块相连，用于解算校正后的轮毂转角参数，获取风机叶片的姿态；接口模块，用于输出风机叶片的姿态。本发明内置三轴加速度计和三轴陀螺仪的组合，可有效消除风机振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、风机偏航影响，能够输出稳定可靠的转角数据；采用微机电技术，无可动部件，能承受较大的瞬时冲击和振动，适应环境能力强；同时，无转轴，可安装在轮毂内腔附件的任意位置，且可水平安装或垂直安装。
Description
技术领域
本发明涉及风电技术领域，特别涉及一种风机叶片转速传感器和风机叶片姿态测量方法。
背景技术
变桨距风力发电机组在额定风速以下时叶片攻角处于零度附近，此时，叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可看作等同于定桨距风力发电机。在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率基本保持不变。由于桨距角可以随风速大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的捕获风能，又可以在高风速时保持输出功率平稳，不致引起发电机的过载，还能在风速过大(超出切出风速)时通过顺桨(叶片的几何攻角趋于零升力的状态)防止对风力发电机组的损坏。因此，变桨距风力发电机组通过转速传感器在叶片变浆时的PID（Proportional-Integral-Derivative，比例-积分-微分）控制中进行角度测量反馈。
现有技术中，风机叶片转速传感器一般基于光电原理的编码器、基于加速度计测角技术的传感器和基于陀螺仪测角速度的传感器。
由于风机振动和强风瞬时冲击的影响，基于光电原理的编码器无法有效适应环境能力，很容易出现故障，而导致变浆控制失效造成严重的安全事故。
基于加速度计测角技术的传感器，其测角部件不能在动态环境下保证测量精度。加速度计测角是利用静态环境下测倾斜角度在加速度计的敏感轴上产生的重力分量，如果在转动环境下，加速度计除了能够检测到倾斜造成的重力分量，还可以检测到运动产生的线性加速度，和向心加速度，即加速度计值为a=ag+ai，ag为重力分量，ai为线性加速度。利用反正弦公式解算出的倾斜角度会被引入线性加速度误差。同样，存在角振动情况下，加速度计敏感轴也会检测到角加速度。由于无法剥离出真正的重力分量，倾斜角度的测量误差会更大，只能在静态环境下不存在角振动、线性加速度干扰时，倾斜角度的测量才是最准确的。
而基于陀螺仪测角速度的传感器，在测角速部件长时间运行时存在漂移，积分时引入不可消除的误差，无法精确测量转角。
发明内容
根据本发明实施例，提供了一种风机叶片转速传感器，包含壳体，以及，集成在壳体中的：
惯性测量模块，惯性测量模块用于测量轮毂转角参数；
采集模块，采集模块与惯性测量模块相连，用于采集并校正轮毂转角参数；
解算模块，解算模块与采集模块相连，用于解算校正后的轮毂转角参数，获取风机叶片的姿态；
接口模块，接口模块用于输出风机叶片的姿态。
进一步，惯性测量模块中集成有：三轴陀螺仪和三轴加速度计，三轴陀螺仪和三轴加速度计用于测量轮毂转角参数。
进一步，轮毂转角参数包含：三轴加速度计测量的空间坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化，以及，三轴陀螺仪测量的空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化。
进一步，采集模块包含：ADC采样电路，ADC采样电路与惯性测量模块相连，用于采集轮毂转角参数，并对轮毂转角参数进行滤波以完成校正。
进一步，解算模块包含：数字信号处理器，数字信号处理器与ADC采样电路相连，用于对ADC采样电路校正后的轮毂转角参数进行解算获取风机叶片的姿态，风机叶片的姿态包含：风机叶片的俯仰角和横滚角。
根据本发明实施例的风机叶片转速传感器，通过三轴加速度计和三轴陀螺仪的组合方式并采取内置方式，可有效消除风机振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、风机偏航影响，能够输出稳定可靠的转角数据；采用微机电技术，无可动部件，能承受较大的瞬时冲击和振动，适应环境能力强；同时，无转轴，可安装在轮毂内腔附件的任意位置，且可水平安装或垂直安装。
根据本发明又一实施例，提供了基于上述实施例的风机叶片转速传感器的风机叶片姿态测量方法，包含如下步骤：
初始化风机叶片转速传感器；
惯性测量模块测量轮毂转角参数；
采集模块采集轮毂转角参数并进行滤波，完成轮毂转角参数的校正；
解算模块通过捷联算法解算获得风机叶片的姿态；
接口模块输出风机叶片的姿态。
进一步，惯性测量模块测量轮毂转角参数前还包含如下步骤：
对惯性测量模块中集成的三轴加速度计和三轴陀螺仪分别进行轴向安装误差校准、测试和标定；
调整采集模块的滤波参数。
进一步，对所述三轴加速度计和所述三轴陀螺仪分别进行测试和标定的内容包含：对三轴加速度计的零点温补、灵敏度、测倾值的偏置进行测试和标定；对三轴陀螺仪的常温下刻度、常温下零偏进行测试和标定。
进一步，轮毂转角参数包含：三轴加速度计测量的空间坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化参数；三轴陀螺仪测量的空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化参数。
进一步，捷联算法解算获得风机叶片的姿态包含如下步骤：
对轮毂转角参数进行比力坐标变换运算；
对比力坐标变换运算后的轮毂转角参数进行导航解算，获得风机叶片所对应的导航坐标系；
对轮毂转角参数进行姿态矩阵解算，获得轮毂转角参数所对应的姿态矩阵；
根据风机叶片所对应的导航坐标系和姿态矩阵，进行姿态解算，获得并向接口模块输出风机叶片的姿态。
根据本发明实施例的风机叶片姿态测量方法，通过加速度计、陀螺仪组合方式，通过数据融合的方式有效实现轮毂转角测量，能够有效消除风机振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、风机偏航影响，从而输出稳定可靠的轮毂转角数据。
要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并 且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。
附图说明
图1为根据本发明实施例风机叶片转速传感器的结构原理框图；
图2为根据本发明实施例风机叶片转速传感器的立体图；
图3为根据本发明实施例风机叶片转速传感器的安装状态示意图；
图4为根据本发明实施例风机叶片转速传感器的三轴陀螺仪、三轴加速度计在空间坐标中XYZ方向上所测量的轮毂转角参数的原理示意图；
图5为根据本发明实施例风机叶片姿态测量方法的流程图；
图6为根据本发明实施例风机叶片姿态测量方法中对三轴加速度计和三轴陀螺仪进行测试与标定的方法流程图；
图7为根据本发明实施例风机叶片姿态测量方法的捷联算法的方法流程图；
图8为图7的原理示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。
首先，将结合图1~4描述根据本发明实施例的风机叶片转速传感器，用于风机叶片的轮毂转角的测定，其应用场景很广。
如图1、2所示，本发明实施例的风机叶片转速传感器，具有壳体5，以及，集成在壳体5中的：惯性测量模块1、采集模块2、解算模块3和接口模块4。
具体地，如图1、4所示，惯性测量模块1中集成有三轴陀螺仪11和三轴加速度计12，
三轴陀螺仪11和三轴加速度计12用于测量轮毂转角参数，其中，三轴加速度计12测量空间
坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化，即OX、OY、OZ方向上所分别产生的加速度变化
、
、
；三轴陀螺仪11测量空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化，
即OX、OY、OZ方向的轴向方向产生的角速率变化
、
、
，从而获取包含加速度变化参
数和角速率变化参数的轮毂转角参数。惯性测量模块1同时集成三轴加速度计12和三轴陀
螺仪11，本发明实施例的风机叶片转速传感器采用 MEMS（微机电）技术，无可动部件，能承
受较大瞬时冲击和振动，适应环境能力强。同时，本发明实施例的惯性测量模块1没有转轴，
如图3所示，可安装在风机叶片轮毂内腔附件的任意位置，可水平安装也可以垂直安装。
具体地，如图1所示，采集模块2与惯性测量模块1相连，采集模块2包含：ADC采样电路21，ADC采样电路21与惯性测量模块1相连，用于采集轮毂转角参数，并对轮毂转角参数进行滤波以完成校正。在本实施例中，ADC采样电路21采用扩展卡尔曼滤波（EKF）进行滤波。
进一步，在本实施例中，ADC采样电路21采用16bitsADC分辨率、多通道、125KHzSPS，并支持SPI接口，高采样时有效要达到13bits，通道切换时间短，可靠性高，同时，满足400Hz的数据采集能力，采样周期内数据处理能力能达到2.5mS以内。
具体地，如图1所示，解算模块3包含：数字信号处理器31，数字信号处理器31与ADC采样电路21相连，用于对ADC采样电路21校正后的轮毂转角参数，融合三轴陀螺仪11和三轴加速度计12采集的数据，解算获取包含风机叶片的俯仰角和横滚角的风机叶片的姿态，能够有效消除风机振动影响和长期持续运转下的陀螺仪漂移和风机偏航影响，从而能够输出稳定可靠的轮毂转角数据。
进一步，在本实施例中，数字信号处理器31的支持单指令周期浮点数运算，系统时钟处理速度在72MHz及以上，满足外设接口要求，如Uart,Can,spi.i2c等，可靠性高。
具体地，如图2所示，接口模块4用于输出风机叶片的姿态，在本实施例中，接口模块4采用M12 5芯接口，采用RS485 Modbus协议，可选CAN2.0或CAN OPEN。
当组装时，为了提前筛选出批次不良器件，将器件问题排除在产品生产之前，需要先对三轴陀螺仪11和三轴加速度计12等关键性器件进行如下测试工作：器件关键指标常温下测试、器件长时间稳定性测试、器件老化测试、器件可靠性测试和器件温度性能测试；以及，为了满足测量精度要求，需要对三轴陀螺仪11和三轴加速度计12进行独立标定，并需要做轴向安装误差校准，并作测试验证和二次软件校正：三轴加速度计12的零点温补测试、修正、验证；三轴加速度计12的灵敏度测试、修正、验证；三轴陀螺仪11与三轴加速度计12的安装校准、软件校正；三轴陀螺仪11的常温下刻度校正；三轴陀螺仪11的常温下零偏校正；三轴加速度计12的测倾值的偏置校正；扩展卡尔曼滤波的参数调整。测试和标定工作需要配套有角位置转台的高低温湿热交变箱、单轴速率转台、正交装置、大理石水平基准台、高精度角位置转台、三轴角位置转台、六自由度平台、数据采集器等，并可以使用Matlab软件对测试数据作分析、判断，筛选出合格的器件供使用。
如上，在根据本发明实施例的风机叶片转速传感器中，采用三轴加速度计12和三轴陀螺仪11组合并内置的数据采集和布置方式，同时通过三轴加速度及和三轴陀螺仪11的数据融合的数据处理方法，可有效消除风机振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、风机偏航影响，能够输出稳定可靠的转角数据；采用微机电技术，无可动部件，能承受较大的瞬时冲击和振动，适应环境能力强；同时，无转轴，可安装在轮毂内腔附件的任意位置，且可水平安装或垂直安装。
以上结合附图1~4描述了根据本发明实施例的风机叶片转速传感器。进一步地，本发明还可以应用于风机叶片姿态测量方法。
如图5~8所示，本发明实施例的风机叶片姿态测量方法，基于上述实施例的风机叶片转速传感器，具有如下步骤：
根据本发明又一实施例，提供了基于上述实施例的风机叶片转速传感器的风机叶片姿态测量方法，包含如下步骤：
在S1中，如图5所示，初始化风机叶片转速传感器。
在S2中，如图5所示，惯性测量模块1的三轴加速度计12测量空间坐标中XYZ方向上
所分别产生的加速度变化参数，即OX、OY、OZ方向上所分别产生的加速度变化
、
、
；
三轴陀螺仪11测量空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化，即OX、OY、OZ方
向的轴向方向产生的角速率变化
、
、
，从而获取包含加速度变化参数和角速率变
化参数的轮毂转角参数。
进一步，如图6所示，为了满足测量精度要求，三轴加速度计12和三轴陀螺仪11测量轮毂转角参数之前，需要对三轴陀螺仪11和三轴加速度计12进行独立测试标定，并需要做轴向安装误差校准，并测试验证和二次软件校正，具有如下步骤：
在S201中，如图6所示，对三轴加速度计12和三轴陀螺仪11分别进行轴向安装误差校准、测试和标定；进一步，在本实施例中，对所述三轴加速度计12和所述三轴陀螺仪11分别进行测试和标定的内容包含：对三轴加速度计12的零点温补、灵敏度、测倾值的偏置进行测试和标定；对三轴陀螺仪11的常温下刻度、常温下零偏进行测试和标定；三轴陀螺仪11与三轴加速度计12的安装校准、软件校正。在本实施例中，测试和标定工作需要配套有角位置转台的高低温湿热交变箱、单轴速率转台、正交装置、大理石水平基准台、高精度角位置转台、三轴角位置转台、六自由度平台、数据采集器等，并可以使用matlab软件对测试数据作分析、判断，筛选出合格的器件供使用。
在S202中，如图6所示，调整采集模块2的滤波参数。
在S3中，如图5所示，采集模块2采集轮毂转角参数并进行滤波，完成轮毂转角参数的校正；在本实施例中，采集模块2包含ADC采样电路21，采用扩展卡尔曼滤波进行滤波。
进一步，在本实施例中，ADC采样电路21采用16bitsADC分辨率、多通道、125KHzSPS，并支持SPI接口，高采样时有效要达到13bits，通道切换时间短，可靠性高，同时，满足400Hz的数据采集能力，采样周期内数据处理能力能达到2.5mS以内。
在S4中，如图5所示，解算模块3通过捷联算法解算获得风机叶片的姿态，在本实施例中，解算模块3包含数字信号处理器31，支持单指令周期浮点数运算，系统时钟处理速度在72MHz及以上，满足外设接口要求，如Uart,Can,spi.i2c等，可靠性高，包含如下步骤：
在S41中，如图7~8所示，对轮毂转角参数进行比力坐标变换运算。
在S42中，如图7~8所示，对比力坐标变换运算后的轮毂转角参数进行导航解算，获得风机叶片所对应的导航坐标系。
在S43中，如图7~8所示，对轮毂转角参数进行姿态矩阵解算，获得轮毂转角参数所对应的姿态矩阵。
在S44中，如图7~8所示，根据风机叶片所对应的导航坐标系和姿态矩阵，进行姿态解算，获得并向接口模块4输出风机叶片的姿态。
在S5中，如图5所示，接口模块4输出风机叶片的姿态，在本实施例中，接口模块4采用M12 5芯接口，采用RS485 Modbus协议，可选CAN2.0或CAN OPEN。
如上，在根据本发明实施例的风机叶片姿态测量方法中，通过加速度计、陀螺仪组合方式，通过数据融合的方式有效实现轮毂转角测量，能够有效消除风机振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、风机偏航影响，从而输出稳定可靠的轮毂转角数据。
以上，参照图1~8描述了根据本发明实施例的风机叶片转速传感器，内置三轴加速度计12和三轴陀螺仪11，并根据通过数据融合的方式，可有效消除风机振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、风机偏航影响，能够输出稳定可靠的转角数据；采用微机电技术，无可动部件，能承受较大的瞬时冲击和振动，适应环境能力强；同时，无转轴，可安装在轮毂内腔附件的任意位置，且可水平安装或垂直安装。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种风机叶片转速传感器，其特征在于，包含壳体，以及，集成在所述壳体中的：
惯性测量模块，所述惯性测量模块用于测量轮毂转角参数；
采集模块，所述采集模块与所述惯性测量模块相连，用于采集并校正所述轮毂转角参数；
解算模块，所述解算模块与所述采集模块相连，用于解算校正后的所述的轮毂转角参数，获取风机叶片的姿态；
接口模块，所述接口模块用于输出所述风机叶片的姿态。
2.如权利要求1所述风机叶片转速传感器，其特征在于，所述惯性测量模块中集成有：三轴陀螺仪和三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和所述三轴加速度计用于测量所述轮毂转角参数。
3.如权利要求2所述风机叶片转速传感器，其特征在于，所述轮毂转角参数包含：所述三轴加速度计测量的空间坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化，以及，所述三轴陀螺仪测量的空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化。
4.如权利要求1或2所述风机叶片转速传感器，其特征在于，所述采集模块包含：ADC采样电路，所述ADC采样电路与所述惯性测量模块相连，用于采集所述轮毂转角参数，并对所述轮毂转角参数进行滤波以完成校正。
5.如权利要求4所述风机叶片转速传感器，其特征在于，所述解算模块包含：数字信号处理器，所述数字信号处理器与所述ADC采样电路相连，用于对所述ADC采样电路校正后的所述轮毂转角参数进行解算获取风机叶片的姿态，所述风机叶片的姿态包含：风机叶片的俯仰角和横滚角。
6.基于权利要求1~5任一项所述风机叶片转速传感器的风机叶片姿态测量方法，其特征在于，包含如下步骤：
初始化所述风机叶片转速传感器；
所述惯性测量模块测量轮毂转角参数；
所述采集模块采集所述轮毂转角参数并进行滤波，完整所述轮毂转角参数的校正；
所述解算模块通过捷联算法解算获得风机叶片的姿态；
所述接口模块输出所述风机叶片的姿态。
7.如权利要求6所述风机叶片姿态测量方法，其特征在于，所述惯性测量模块测量所述轮毂转角参数前还包含如下步骤：
对惯性测量模块中集成的所述三轴加速度计和所述三轴陀螺仪分别进行轴向安装误差校准、测试和标定；
调整所述采集模块的滤波参数。
8.如权利要求7所述风机叶片姿态测量方法，其特征在于，对所述三轴加速度计和所述三轴陀螺仪分别进行测试和标定的内容包含：对所述三轴加速度计的零点温补、灵敏度、测倾值的偏置进行测试和标定；对所述三轴陀螺仪的常温下刻度、常温下零偏进行测试和标定。
9.如权利要求6所述风机叶片姿态测量方法，其特征在于，所述轮毂转角参数包含：所述三轴加速度计测量的空间坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化参数；所述三轴陀螺仪测量的空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化参数。
10.如权利要求9所述风机叶片姿态测量方法，其特征在于，所述捷联算法解算获得风机叶片的姿态包含如下步骤：
对所述轮毂转角参数进行比力坐标变换运算；
对所述比力坐标变换运算后的所述轮毂转角参数进行导航解算，获得风机叶片所对应的导航坐标系；
对所述轮毂转角参数进行姿态矩阵解算，获得所述轮毂转角参数所对应的姿态矩阵；
根据所述风机叶片所对应的导航坐标系和所述姿态矩阵，进行姿态解算，获得并向所述接口模块输出所述风机叶片的姿态。
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