基于Arduino的風機轉速信號模擬裝置設計

方建文，賴永林，胡仁濤，李 冰

（1.大唐云南發電有限公司新能源分公司，云南 昆明 650000；2.華北電力大學 自動化系，河北 保定 071000）

隨著石油、天然氣及煤炭等可開采量日益衰減，其價格也在不斷攀升，同時傳統能源的使用帶來的氣候變化也逐漸威脅到人類自身的生存與發展。風力發電機組控制系統是整個風力發電機組的大腦，是機組安全可靠運行和實現最佳運行的保證。風電機組維護是風電企業的重要組成工作，如何通過風機定檢和反事故措施落實確保風機的安全運行是每個風電企業生產管理者需要重點思考的問題。

在風力發電系統中旋轉設備較多，針對旋轉設備的速度反饋主要采用接近式傳感器和增量式編碼器[1]，如變槳與偏航系統的電機轉速反饋、轉子軸的轉速反饋、發電機軸端速度反饋、滑環處的轉速反饋等。在對風電機組檢修或故障維修時，需要采集旋轉部件的轉速來對風機設備機器控制系統進行測試，但根據《風力發電廠運行規程》[2]、《風機檢修維護管理規定》，“風電機組維護檢修時，必須使風電機組處于停機狀態”，因此在對風機停機檢修時，所有設備均處于停止狀態，無法直接讀取旋轉部件速度信號。

本文通過對風電機組速度反饋傳感器工作原理進行分析，設計了基于Arduino單片機的風機轉速模擬裝置，利用單片機定時器設計實現產生脈沖輸出信號，通過薄板式電感產生渦流信號激勵接近式傳感器工作，通過串口觸摸屏實現對轉速的控制，實現風電機組在停機狀態下輸出風機旋轉部件轉速信號的模擬。

1 風機風輪轉速信號采集工作原理

本文以維斯塔斯V80-1800風機風輪超速保護系統轉速信號采集為例。V80-1800風機超速保護系統采用一個VOG（Vestas Overspeed Guard，VOG）模塊，通過采集接近式傳感器的輸出信號頻率作為判斷風機是否超速的依據。當VOG模塊在單位時間內接收到的信號頻率超過設置的保護值時，串聯在安全鏈上的繼電器斷開，觸發風機急停保護裝置，避免風機因為超速發生安全事故[3]。維斯塔斯超速保護系統原理圖如圖1所示。

圖1 維斯塔斯超速保護系統原理圖

V80-1800風機的VOG傳感器采用的是瑞士Carlo Gavazzi公司生產的型號為EI3010 PP電感式接近開關，可以在不與目標物實際接觸的情況下檢測靠近傳感器的金屬目標物。EI3010 PP電感式接近開關的內部結構如圖2所示。

圖2 電感式接近開關內部結構圖

電感式接近開關是一種利用電渦流效應感知物體的傳感器，當金屬物體處于一個交變的磁場中，在金屬內部會產生交變的電渦流，該渦流又會反作用于產生它的磁場這樣一種物理效應。利用這一原理，以高頻振蕩器中的電感線圈作為檢測元件，當被測金屬物體接近電感線圈時產生了渦流效應，引起振蕩器振幅或頻率的變化，從而達到檢測目的。電感式接近開關采用軸向安裝，風機的風輪鎖定盤上均勻開有24個孔，當風機工作時，鎖定盤掃過電感式接近開關，當非開孔位置位于接近開關前端時，由于金屬材料內產生的渦流效應，電感式接近開關LC振蕩器振蕩減弱，而當開孔位置位于接近開關前端時，LC振蕩器振蕩頻率不變。當非開孔位置與開孔位置依次轉過接近開關前端時，接近開關輸出端輸出經過變換處理后的二進制開關信號，VOG控制器通過計算二進制開關信號的頻率從而計算出風機轉速。電感式接近開關進行風機速度檢測時安裝位置如圖3所示。

圖3 電感式接近開關安裝位置圖

2 硬件系統設計

風機轉速信號模擬裝置硬件系統結構圖如圖4所示。

圖4 風機轉速信號模擬裝置硬件系統結構圖

系統采用Arduino UNO作為控制主板，Arduino UNO是基于ATmega328P的Arduino開發板[4]。它有14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可用于PWM輸出）、6個模擬輸入引腳，1個16MHz的晶體振蕩器，1個USB接口，ATmega328有32KB Flash存儲空間（其中0.5KB被用于存儲bootloader），2KB的SRAM和1KB的EEPROM，可通過Arduino IDE對Arduino UNO編程，具有良好的拓展性，可實現各種不同應用的二次開發。

EEPROM采用24C02器件用于存放本次所選擇風機型號并作為下次開機時的默認風機型號。由于風場大部分風機型號相同，因此每次檢測時風機型號如與上次檢測相同，則不必每次都重新進行風機型號選擇，減少工作人員操作的工作量。

電子開關采用CD4052差分4通道數字控制模擬開關，其具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。用于接收單片機發來的脈沖控制信號為薄片型PCB電感提供激勵電流。

由于接近式傳感器與風輪轉盤之間間隙很小，因此設計了薄片型PCB電感接收電子開關控制信號，產生脈沖渦流模擬轉子轉盤轉動時對轉速傳感器的激勵。薄片型PCB電感采用印刷電路板雙面螺旋設計，中間通過通孔相連。薄片型PCB電感周圍設置了7個微型柱狀磁鐵，用于進行檢測時吸附在轉盤表面。如圖5所示。

圖5 薄片型PCB電感

串口觸摸屏采用廣州大彩光電科技有限公司F系列4.3寸電容觸摸屏，分辨率為800*480，具有65K色、16位RGB，內置矢量字體、邊緣抗鋸齒處理，支持JPEG、PNG（半透/全透）壓縮，支持任意大小圖片存儲，通信方式為RS232/TTL電平，擁有按鈕、文本、下拉菜單、進度條、滑塊、儀表、動畫、二維碼、曲線、數據記錄等各種組態控件，內置虛擬數字、字符鍵盤，支持中英文輸入法，易于開發與應用。系統部分界面如圖6所示。

圖6 系統界面（部分）

3 軟件系統設計

3.1 脈沖信號產生設計

通過利用Arduino單片機的定時器中斷，實現控制IO端口輸出不同頻率的脈沖信號。Arduino UNO接收串口觸摸屏送來的不同轉速參數計算中斷時長并對定時器初始值進行設置，在不同的中斷服務周期控制IO端口輸出相應的電平信號，IO端口控制電子開關的通斷實現薄片型PCB電感輸出轉速渦流信號[3]。

Arduino UNO有三個定時器，本文采用Timer1定時器實現模擬正交脈沖信號頻率的控制，Timer1為16位定時器，最大計數器值65535。Arduino UNO時鐘以16MHz運行，計數器的一個刻度值表示1/16，000，000秒（~63ns），當計數器達到其最大值時產生溢出中斷。通過對時鐘頻率進行分頻處理，控制定時計數器的增量速度以滿足不同頻率控制需求。

為了方便用戶使用，Arduino提供了Timer1庫函數TimerOne.zip，用戶使用時直接調用庫函數進行對Timer1進行初始化即可，其初始化和啟動中斷服務部分代碼如下：

Timer1.initialize（init_value）;//初始化Timer1定時器，設置中斷時長，us

Timer1.attachInterrupt（orthogonal）;//啟動中斷服務函數orthogonal（）

3.2 Arduino與串口觸摸屏通信設計

Arduino UNO有一個全雙工串口，通過引腳0（RX）和1（TX）與串口觸摸屏進行數據傳輸，波特率最高可達115200，接收串口觸摸屏發來的控制參數、轉速及控制命令等，實現對輸出脈沖信號頻率的控制。

大彩公司串口觸摸屏一條完整的指令幀格式（不帶CRC校驗）為：

?

當指令參數大于一個字節時，高字節在前、低字節在后，指令最大長度為1024字節（包含幀頭和幀尾）。

Arduino UNO通過串口接收到觸摸屏發來的參數及控制信息，并對數據進行解析，提取出設置參數、轉控制命令等信息，實現對定時器初始值設置、轉速脈沖信號輸出的控制。Arduino UNO串口通信過程如圖7所示。

圖7 單片機串口通信過程

4 實驗結果與分析

為了驗證風機轉速信號模擬裝置的有效性與實用性，對該裝置在實驗室進行了實驗驗證。通過將薄片式電感放置于接近式傳感器前端，通過控制界面選擇相應型號的風機進行轉速模擬，啟動模擬裝置產生脈沖信號，薄片式電感激勵接近式傳感器，輸出不同方波頻率時的輸出信號如圖8所示。

圖8 不同輸出頻率時接近式開關輸出波形

由圖8可知，接近式傳感器接收到的渦流信號與風機轉盤旋轉時激勵接近式傳感器信號一致，通過觸摸屏改變轉速時，接近式傳感器輸出信號頻率與風機旋轉時接近式傳感器所發出的信號頻率一致。測試結果表明，所設計的風機轉速模擬裝置可有效實現在風機停機狀態下模擬風機轉動時對接近式傳感器的激勵，實現風機停機狀態下產生轉速模擬信號。該裝置目前已在大唐集團多個風場投入使用，應用效果良好，有效提高了風機停機檢修時的工作效率。