一种高精度增量式编码器在直驱风力发电系统中的应用胡书举1,2, 李建林1, 王剑飞1, 许洪华1(1.中国科学院电工研究所,北京 100080;2.中国科学院研究生院,北京 100049)摘 要:在使用永磁同步发电机的直驱型风力发电系统中,转子位置和速度的精确检测对实现高性能电机控制非常重要。
在转速较低时,常规增量式编码器难以满足测量精度的要求。
鉴于此,采用一种高精度的增量式编码器(RF53),其每转输出8192个脉冲,且与数字信号处理器(D SP)的接口电路简单,同时具有较强的抗干扰能力。
试验结果表明:采用RF53作为永磁直驱试验系统的编码器,可以获得良好的永磁电机控制性能,能够较好地满足试验中,在转速相对较低时(约200r/m in的中速运行范围)对码盘测量精度的要求。
关键词:直驱型风电系统;永磁同步发电机;矢量控制;增量式编码器中图分类号:TN762 TM315 文献标识码:A 文章编号:1673-6540(2008)04-0006-04Applicati on of a H i gh-Precision Incre m ental Encoderi n D irect-D ri ve W i nd Po w er Syste mH U Shu-ju1,2, L I J ian-lin1, WA NG J ian-fei1, XU H ong-hua1(1.I nstitute o fE lectrica lEngineeri n g CAS,Beiji n g100080,China;2.Graduate Un i v ersity of CAS,Beiji n g100049,China)Abstrac t:In direct-drive w i nd power sy stem using per m anentm agne t synchronous generator(P M SG),the pre-c ise detecti on o f rotor positi on and speed is much i m portant t o realize high-perfor m ance m otor contro.l Espec i a lly t o lo w-speed circu m stance,conventiona l inc re m enta l encoder i s d ifficu lt to sa ti sfy the requ irem ent o fm easurem ent reso-l u tion.T he re f o re a high-precisi on incre m enta l encode r w ith8192pu l ses per ro tati on is adopted,wh ich w ill be appli ed eas il y,and hav e si m ple i nterface w it h DSP and good perfor m ance against i nterfe rence and no ise.T he exper i m enta l re-su lts prove that us i ng RF53as encoder f o r d irect-dr i ve experi m ent sy stem,can ach i eve good PM SG control perfor m-ance,and sa ti sfy the m easure m ent requ irem ent o f experi m ent syste m ope ra ting at comparati ve l y low speed(abou t200 rp m).K ey word s:d irect-d rive w i nd po w er s ystem;p er manen t magne t syn chronou s generator;vector con tro;l incre m en tal encoder0 引 言在目前的变速恒频风电系统中,使用双馈异步发电机(DFI G)的双馈式系统和使用永磁同步发电机(P MSG)的直驱式系统占据主流地位[1]。
这些系统通常采用矢量控制方法,其中对转子位置和速度的检测是实现高性能控制的关键条件[2]。
光电旋转编码器具有良好的性能,可分为绝对式编码器、增量式编码器和混合式编码器。
其中增量式编码器主要用于测量转子速度;绝对式编码器主要用于测量转子的空间位置;混合式编码器是增量式编码器和绝对式编码器的组合。
增量式编码器结构简单,响应快,易于小型化;绝对式光电轴角编码器同增量式相比,具有固定零点,输出代码是轴角的单值函数,抗干扰能力强,掉电后再起动无须重新标定,无累积误差等优点,但是制造工艺复杂,成本较高,不易实现小型化;混合式编码器可以同时测量转子的空间位置和转速,功能齐全,但是结构较为复杂,价格相对较高[3]。
因此,增量式编码器作为一种性价比较高的器件,已经在风力发电系统中得到了较多应用。
实验室构建的直驱型风力发电系统变速恒频6运行,额定转速约为200r/m in,采用增量式编码器,输出信号经过简单的处理即可直接进入数字信号处理器(DSP)。
但是由于转速相对较低,采用常规的增量式编码器,难以满足测量精度的要求;采用模拟量编码器(如S i n/cos(正弦波)编码器)虽然可以极大地提高低速运行条件下的精度,但是码盘信号处理电路比较复杂[4]。
因此,本系统选择一种高精度的增量式编码器RF53。
其每转输出8192个脉冲,用于测量直驱风电试验系统中P M SG转子位置和转速,编码器与电机控制器之间接口电路简单,能够获得较好的控制性能。
1 增量式编码器光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种,目前应用非常广泛。
光电编码器由光源、码盘和光电接收器组成。
码盘是编码器中最重要的器件,由明暗相间的条纹构成;发光二极管等电子元件组成光源;由光电元件和接收处理元件检测并输出若干脉冲信号。
由于光电码盘与电机同轴,当电机旋转时,码盘与电机同速旋转,发光元件发出的光被码盘狭缝切割成断续光线,并被接收元件接收产生初始信号,该信号经接收电路处理后,输出脉冲或代码信号。
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能获得当前电机的转速信息[5]。
增量式编码器的结构如图1所示。
增量式编码器直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z(A、B两组脉冲相位差90 ,Z为每转发出的一个脉冲)。
其优点有:原理构造简单,机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰能力强,可靠性高,适合于长距离传输;其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
增量式编码器轴旋转时,有相应的相位输出,其旋转方向的判别以及脉冲数量的增减,需借助后级处理器的判断和计数来实现,其计数起点可任意设定,并可实现多圈的无限累加和测量。
通常当主轴以顺时针方向旋转时,A通道信号位于B通道之前;当主轴逆时针旋转时,A通道信号则位于B通道之后。
由此判断主轴是正转还是反图1 增量式编码器结构图转。
Z脉冲用于决定零位置或标识位置,可用于校正每转编码器产生的脉冲个数,进一步将误差控制在每一转之内,避免积累误差的产生。
当运行环境存在较强的电磁干扰,或编码器与接收系统之间存在很长的距离时,可采用长线驱动器线路。
数据的发送和接收在2个互补的通道中进行,使干扰受到抑制。
此外,总线驱动器的发送和接收都是以差动方式进行的。
因此,可以有效地抑制共模干扰,这种传送方式在采用直流5V系统时可与RS-422兼容,并且可以在恶劣的条件(电缆长,干扰强等)下使用。
2 8192脉冲高精度增量式编码器DANAHER(丹纳赫)8192脉冲高精度编码器RF53,通常用于无刷直流电机和无齿曳引牵引机。
其防护等级为I P54,直径为53mm,供电电源为直流5V,最大电流为100mA,为增量式编码器,换向功能可选;输出信号包括A、B、N、 A、 B、 N(N信号即为通常的Z信号),最大频率为100 k H z,图2为输出信号示意图。
顺时针旋转时A 超前B90 。
信号输出电路使用差分线路驱动器ET7272,其电路图如图3所示。
ET7272通常应用于光电编码器和工业控制中,能够适应比较恶劣的工作环境,驱动电缆可以超过100m,具有较高的可靠性;输出传送方式为RS-422。
图2 输出信号示意图在变速恒频风力发电系统中,为保证良好的7图3 ET 7272电路图电机控制性能,编码器的反馈信号必须能够提供足够的脉冲,保证良好的转速和位置测量精度。
当电机转速较低时,若采用传统的增量式编码器,在单位时间内产生的脉冲数量有限,对测量精度会造成较大的影响。
如:当同步速为1500r/m i n时,采用2048脉冲增量式编码器可以获得较好的控制效果,但是当同步速为200r/m in 时,再采用2048脉冲编码器就会使测量精度大大降低。
鉴于实验室的直驱风电系统额定转速为227r/m i n ,实际中可以对应半直驱风电系统的转速范围,因此采用RF53高精度增量式编码器,既可以保证较准确的测量精度,又能方便地获取码盘信号。
3 在直驱风电试验系统中的应用P M SG 结构简单,不需要转子励磁,效率高,便于维护。
由P M SG 和全功率变流器构成的直接驱动型风电系统,具有更高的效率和可靠性,能够适应更宽的风速范围,容易实现电网电压故障条件下的不间断并网运行[6]。
永磁直驱风电系统又可以分为低速直接驱动型(没有齿轮箱)和中速半直驱型(带有低变速比的齿轮箱)。
图4是直驱风电系统试验结构图。
以商用变频器、异步电机和减速机模拟风力机,驱动P M SG,通过背靠背全功率变流器与电网连接。
其中变频器采用西门子高性能矢量控制变频器,驱动三相笼型异步电机作为原动机,异步电机的额定转速为1480r /m i n ,减速机的降速比为6 1,P M SG 的额定转速为227r /m i n 。
电机侧变流器为三相脉宽调制(P WM )变流器,功率器件采用绝缘栅极晶体管(I GBT)。
图4 直驱风电系统试验结构图图5为电机侧变流器的控制结构图。
DSP 采用T M S320F2407。
由编码器RF53获取P M SG 的转速信息,输出A 、B 、Z 三路信号,经过码盘信号调理电路,进入DSP 的光电编码器接口。
其中信号调理电路对RF53的输出信号进行了隔离放大。
试验中只使用A 、B 、Z 信号即可满足控制要求。
![一种带有隔磁装置的高精度多圈磁电绝对值编码器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/e636e02cf02d2af90242a8956bec0975f465a4ba.png)
