刘胜强
国家电投集团广西电力有限公司运营服务分公司，广西 南宁 530000
摘要:在风力发电机的风速风向检测方面以机械式为主，传送带和压力传感器相结合的方式，皮带长时间使用后会磨损，压力传感器在低风速下薄膜振动很小，精度非常差，检测量程受限;精密风速检测系统以多普勒为原理，但原理复杂、造价昂贵且环境适应性差;超声波技术原理简单，技术可靠，无需机械配合部件，与现在信号处理方法结合后同样也可以达到较高精度。本文采用超声波检测原理和时差计算程序设计了高精密风速检测系统。
关键词:风力发电;风速;嵌入式;检测系统;超声波
1风力发电机的高精密风速检测系统原理
在两维空间中，按照360°空间均匀分布8个超声波传感器，超声波的传播途径受风速影响，8个传感器采集的风速转换成向量，最后合成一个风速矢量v，风速受温度、气压等影响因素不在考虑范围。本系统8个角度中，以东南西北4个方向的计算结果作为基准，其余4个方向计算出的结果用于校准风速。
2高精密风速检测的硬件系统
2.1风速检测硬件总体系统架构
按照功能需要设计硬件模块，DSP主控模块用于检测采集数据和计算，驱动电路为超声波传感器提供能量，ADC数据采集电路用来保证系统采集数据的有效性。由于风速检测硬件安装在风力发电机上方，因此对硬件稳定性、环境适应性等都有较高要求。主控模块作为超声波检测系统的核心，需要保证与上位机通讯的同时，同步产生8路高速方波激励脉冲信号，模块占空比等参数可调。在主控模块采集到超声波信号后计算风速，发射通道和驱动电路产生PWM脉冲信号，最后以超声波传感器稳定输出信号为主，高速数据采集电路包括调理电路和ADC通道，调理电路为量程可调，ADC通道有16位数据地址，50μV的分辨率满足系统要求。
2.2方波驱动电路
传感器产生超声波时需要实现机械能和超声波之间的转换，核心处理电路在引脚HIN和LIN上产生200kHz方波，最后将激励信号转化为超声波能量。IＲ2110是一种专用的高速脉冲芯片，芯片电源采用+5V电源，并连接两个电容滤除高低频率的电源噪声［7］，输出部分连接到2个MOS管，输出信号和MOS管之间的匹配电阻为100Ω，输出信号同时连接10μF和0．1μF滤波电容，2个MOS管组成半桥电路并由OUT输出激励脉冲信号。由于方波脉冲频率为200kHz，选择合适的栅极电阻Ｒ493和Ｒ494对于驱动MOS来说非常重要。栅极电阻值太小会造成栅极驱动电压过冲，导致开关管过快导通。同样，电阻值过大会导致过阻尼，并延长开关管的开通时间，因此，过小或过大的栅极电阻都会影响栅极驱动的效果。
2.3高速数据采集电路
发射驱动电路产生的超声波信号中含有高频噪声，高速数据采集电路需要对微弱信号进行滤波放大，再将输出传输到核心处理模块中，核心放大器TLC6752的频率为80MHz，逐次逼近型ADC驱动放大器的功耗为7mW、采样速率为100KB/s，输入信号VIN+引脚连接49．9Ω的匹配电阻，放大器采用负反馈放大功能增加稳定性，信号经过ADC数据采集后经由SPI数据总线传输到核心处理模块中。在高速数据采集仪的前端设计一个放大电路，通常采用差分放大电路，由于其具有抗共模噪声能力强，失真小，信号建立通道时间短等优点。
3高精密风速检测的软件系统
高精密风速检测系统的硬件可以保证信号的稳定性，计算风速下超声波的时差和风向风速等参数时，需要使用核心处理器的程序对数据计算处理。
3.1时差提取程序
采用时差提取程序获得振荡信号的特征，首先，硬件系统开始接收信号，超声波正弦信号经过传播后变为调制振荡信号，从振荡信号中提取每2个波峰之间的差值，以最大波峰信号为特征波，根据2个特征波周期得出传播时间和距离，重复测量3组数据后确定有效时差特征，最后将提取的信号转化为风速。得到波峰数值后利用线性拟合的方法计算出每个脉冲过零点时的数值，具体求解过程如图所示，相邻2个波峰和波谷分别为A1和A2，根据2个点的坐标得出直线的斜率为A1/(A1－A2)，图例中过零点为1．8ms，零点时间加上硬件采用时间即为超声传播时间，同样的原理计算出其余数值。
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图1线性补偿计算过零点图
根据传播时间和速度就可以得出合成风速，从拟合结果可以看出拟合的有效值与实际数据相差不大，即风速基线基本一致，但拟合后的结果数据波动更小，因此还需要乘以一定的系数校准拟合数据更好。
3.2风向向量合成程序
在风向向量合成程序中，共有8个超声波通道接收信号，其中每2个平行向量为一组信号。在合成传感器的相对风速时，逆风状态下计算出2个合成向量为负，顺风状态下为正，在二维空间中将4个风速矢量合成，最后得到的向量表示为最终风向风速，合成向量长度即为实际风速，合成向量角度与风速角度一致，10次测量后求出算数平均值即可。
4高精密风速检测的试验验证
为验证高精密风速检测系统的可靠性，从硬件功能和系统功能分别验证，硬件功能采集超声波回波信号验证，系统功能采用搭建风速环境验证风速和风向的精度。
4.1超声波采集信号
超声波回波信号是方波驱动模块发出后再读取进检测系统的信号。微弱的电路噪声等并不会影响回波波形，波形在第5个波峰达到极大值并作为特征波，特征波后振荡开始衰减，这跟风速不稳定有关。为验证系统检测风速的精度，在密闭环境中测量静态下流动空气的风速，风速的平均值最低能达到0．016m/s，因此测量分辨率至少在0．01m/s，最大标准差为0．011m/s，证明系统运行稳定，测量数据的偏离误差很小，因此仪器对风速检测可以满足高精度的要求。
4.2风扇风速测量
分别验证风速和风向，测试风速时分别以低、中档吹向检测系统，在风扇关闭时密闭环境存在自然风，系统显示为0．2m/s的风速状态，另外2个档位分别稳定在1．7m/s和2．4m/s，风速精度可以达到0．1m/s。搭建风速试验环境，用风扇测试风速检测系统，旋转风扇测试风向，用中档风吹向高精密风速检测系统并旋转0°～120°，在旋转过程中由于手持操作造成风向不稳定的状态，在60°和120°两种角度下短暂停留一段时间，转动圈数范围内角度误差可以控制在5°内，系统启动和响应速度都可以满足要求。
5结束语
本文采用超声波原理设计了风力发电机高精密风速检测系统，首先分析风速检测原理，然后对风速检测硬件系统、发送200kHz方波的驱动模块和16位高精度数据采集模块进行设计，设计时差提取程序判断风速，风向向量合成程序计算风向，搭建基于风扇的风速风向试验平台。分析结果显示，通过采集超声波回波信号来验证硬件部分性能,结果显示硬件部分能满足系统精度需要;搭建了基于风扇的风速风向试验平台验证系统性能,试验结果显示设计的风速测量系统精度为0.1 m/s,风向精度为5°,满足设计要求。
参考文献:
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