阅读说明：本技术 一种编码器零位信号丢失补偿装置及方法 (Encoder zero signal loss compensation device and method ) 是由 刘嘉明 余诗宝 吴立建 王海洋 崔杰 付厚 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种编码器零位信号丢失补偿装置及方法,将补偿装置分别与所述编码器和变流器连接；当发电机主轴旋转一圈,则带动编码器旋转一圈,产生光栅刻度数值个A脉冲信号和B脉冲信号；补偿装置中的处理器判断此时是否出现一次Z脉冲信号,若否,则处理器进行Z脉冲信号补偿,在在零位信号计数周之后自动生成一个Z脉冲信号并给到变流器。本发明的用于风力发电机和变流器的编码器Z脉冲丢失补偿方法,可以用较少的成本,降低Z脉冲丢失导致的停机故障概率。(The invention discloses a device and a method for compensating zero position signal loss of an encoder, wherein the compensating device is respectively connected with the encoder and a converter; when the main shaft of the generator rotates for a circle, the encoder is driven to rotate for a circle, and a grating scale numerical value A pulse signal and a grating scale numerical value B pulse signal are generated; and a processor in the compensation device judges whether a Z pulse signal appears once, if not, the processor performs Z pulse signal compensation, and automatically generates a Z pulse signal after the zero position signal is counted for several weeks and supplies the Z pulse signal to the converter. The encoder Z pulse loss compensation method for the wind driven generator and the converter can reduce the shutdown fault probability caused by Z pulse loss with less cost.)

一种编码器零位信号丢失补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及风力发电机和变流器系统领域，具体涉及一种用于风力发电机和变流器系统的编码器零位信号(也称Z脉冲信号)丢失补偿装置及方法。

背景技术

双馈风力发电机转速检测对于电机控制至关重要。目前实际编码器是通过八芯电缆传递A+，A-，B+，B-，Z+，Z-脉冲信号以及给编码器供电。其中，增量式编码器由光栅盘和光电检测装置组成，当编码器旋转，由于光栅的存在，光电检测装置能够产生脉冲信号A+，A-，B+，B-，Z+，Z-。其中，A+/A-，B+/B-脉冲信号代表光栅盘刻度，两者相位相差90°(相差0.25个周期)的连续脉冲输出，用它可以辨别正转还是反转，速度值等。Z脉冲信号是指零位信号，编码器旋转一圈发出一个信号，可以用来测量转速、周期。

传统方式如图1所示，发电机编码器200从塔顶通过电缆连接到塔底，信号需要经过很长的走线。双馈风力发电机转速通过增量式编码器传递A、B、Z脉冲信号到变流器转速计算单元进行计算和检测，编码器安装在塔顶发电机转轴尾端，A+，A-，B+，B-，Z+，Z-脉冲信号从塔顶通过电缆传递到塔底变流器300，由于线缆走线较长以及电磁干扰耦合，风场实际运行过程中容易出现Z脉冲丢失情况。以2MW风电机组为例，从塔顶双馈电机转轴到塔底变流器，编码器线缆长度超过80m。实际存在编码器线缆屏蔽线接地不良，以及编码器线缆走线不合理(和主电缆捆绑或者靠的太近，易耦合电磁干扰)，使得Z脉冲信号畸变，导致变流器侧检测不到Z脉冲，进而产生Z脉冲丢失情况。而且Z脉冲的宽度相对A、B脉冲信号，脉冲宽度更窄，脉冲占空比只有A、B脉冲信号的一半，因此Z脉冲信号更易受影响。

风场现场的处理措施主要是屏蔽层单点接地，以及线缆整理，减少干扰耦合，但效果有限。也有提出通过编码板解码板，改用光纤方式传递ABZ信号，但是存在成本高，安装不方便的问题。伺服领域有提出Z脉冲干扰及丢失检测方法，检测Z脉冲丢失则停机报警，未涉及如何补偿Z脉冲信号。现有技术一般是通过DSP处理转速并检测Z脉冲信号，不能补偿Z脉冲信号。针对风电领域实际应用情况，因此需要研发一种用于风力发电机和风力变流器的编码器Z脉冲丢失进行补偿的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风力发电机和变流器系统的编码器Z脉冲丢失补偿装置及方法，通过补偿装置检测A、B脉冲信号，补偿Z脉冲丢失部分，消除Z脉冲丢失故障；即使出现Z脉冲丢失情况，本发明也能够补偿Z脉冲信号，实现容易，成本较低，降低风机因Z脉冲丢失情况而导致的停机故障，提高并网发电率。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于风力发电机的编码器零位信号丢失补偿装置，所述编码器为增量式编码器，所述增量式编码器的主体安装于所述风力发电机的发电机主轴上，所述补偿装置分别与所述编码器和风力发电机的变流器连接，所述编码器发出的脉冲信号包含第一相连续脉冲信号、与所述第一相连续脉冲信号相位相差四分之一个周期的第二相连续脉冲信号以及零位信号；所述补偿装置至少包含一处理器，其根据接收到的脉冲信号，检测是否产生零位信号丢失情况以及在零位信号丢失时产生一零位信号补偿信号，所述零位信号补偿信号被提供给变流器。

优选地，所述处理器为可编程逻辑器件CPLD。

优选地，所述补偿装置还包含以下的一种或多种：信号接口处理电路，接收所述编码器发出的脉冲信号，通过光耦器件将所述脉冲信号的差分信号转换为单端信号且实现信号隔离，并将处理后的脉冲信号传送到所述处理器；电平匹配电路，与所述变流器中的变流器转速处理单元连接，用于对所述处理器的输出信号与所述变流器的输入信号进行电平匹配。

优选地，所述第一相连续脉冲信号、第二相连续脉冲信号和零位信号分别为A脉冲信号、B脉冲信号和Z脉冲信号。

优选地，所述处理器包含：用于A、B、Z脉冲信号计数的脉冲计数单元，其通过检测A、B脉冲信号的上升沿或下降沿进行脉冲计数；用于检测是否产生Z脉冲信号丢失情况的Z脉冲丢失判断单元，其通过检测Z脉冲信号的上升沿或下降沿来判断是否产生Z脉冲信号丢失情况；用于产生Z脉冲补偿信号的补偿单元。

本发明还提供了一种基于如上文所述的编码器零位信号丢失补偿装置的编码器零位信号丢失补偿方法，该方法包含以下步骤：将补偿装置分别与编码器和变流器连接；当发电机主轴旋转一圈，则带动所述编码器旋转一圈，产生光栅刻度数值个第一相连续脉冲信号和第二相连续脉冲信号；所述补偿装置中的处理器判断此时是否出现一次零位信号，若否，则所述处理器进行零位信号补偿，在零位信号计数周期之后自动生成一个零位补偿信号并给到变流器。

优选地，所述第一相连续脉冲信号、第二相连续脉冲信号和零位信号分别为A脉冲信号、B脉冲信号和Z脉冲信号；A脉冲信号、B脉冲信号的相位相差四分之一个周期，Z脉冲宽度是A、B脉冲宽度的一半。

优选地，当A、B脉冲信号计数到光栅刻度值的数目时，根据当前编码器转速和A、B脉冲信号之间的相位关系，计算并判断出现Z脉冲信号的Z脉冲信号计数周期，包含以下：

Z脉冲信号计数周期为：式中，N是编码器的转速；K表示风力发电机每转一圈共产生K个脉冲信号，K＝倍频系数*编码器光栅刻度数值；编码器的转速N为：式中，M是编码器输出脉冲个数；T_D是设定的一段时间。

优选地，通过检测A、B脉冲信号的上升沿或下降沿来进行脉冲计数

优选地，通过检测Z脉冲信号的上升沿或下降沿来判断是否出现Z脉冲信号丢失情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的用于风力发电机和变流器的编码器Z脉冲丢失补偿方法，可以用较少的成本，降低Z脉冲丢失导致的停机故障概率。

附图说明

图1为现有技术的发电机编码器从塔顶通过电缆连接到塔底的示意图；

图2为本发明的用于风力发电机和变流器系统的编码器Z脉冲丢失补偿装置示意图；

图3为本发明的风力发电机增量式编码器输出信号示意图；

图4为本发明的补偿装置设计原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2-图4结合所示，本发明提供了一种用于风力发电机和变流器系统的编码器Z脉冲丢失补偿装置100，其包含依次连接的信号接口处理电路1、处理器2(例如CPLD，一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的可编程逻辑器件)和电平匹配电路3。所述补偿装置100分别与塔顶的风力发电机编码器200和塔底的变流器300连接。所述补偿装置100设置在塔底变流器的编码器信号进线处，本发明将补偿装置靠近变流器进线处，能够降低信号线耦合干扰。

本实施中，未经处理的A、B、Z脉冲信号(例如A+，A-，B+，B-，Z+，Z-脉冲信号)经过所述信号接口处理电路1，信号接口处理电路1通过光耦器件将A+A-/B+B-/Z+Z-差分信号转换为单端信号并且实现信号隔离，并将处理后的脉冲信号传送到CPLD处理芯片。

本发明的增量式编码器主体安装于风力发电机的发电机主轴上，编码器包含光栅盘和光电检测装置，当发电机主轴旋转时，编码器旋转，由于光栅的存在，光电检测装置能够产生脉冲信号A+，A-，B+，B-，Z+，Z-。其中，A+/A-，B+/B-脉冲信号代表光栅盘刻度，A、B脉冲信号二者相位相差90°，用它可以辨别编码器是正转还是反转、速度值等；Z脉冲信号是指零位信号，编码器旋转一圈，则光电检测装置发出一个Z脉冲信号，可以用来测量编码器的转速与周期。

CPLD作为处理核心，其用于检测是否产生Z脉冲丢失情况以及在Z脉冲丢失的时候产生一个Z脉冲补偿信号；本发明的CPLD作为补偿装置的处理器2，能够并行处理输入信号。

其中，处理器2(例如CPLD)包含：用于A、B脉冲计数的脉冲计数单元，用于检测是否产生Z脉冲丢失情况的Z脉冲丢失判断单元，以及用于补充Z脉冲补偿信号的补偿单元。在发电机旋转，小风速情况由于脉冲宽度较大不会出现脉冲丢失情况；在大风速情况，若Z出现脉冲丢失，补偿装置即将发挥作用。

值得说明的是，本发明的处理器2不仅限于上述CPLD，还可采用其他处理器；本发明采用CPLD做信号逻辑处理，主要考虑到CPLD成本较低。

所述电平匹配电路3与变流器转速处理单元连接，该电平匹配电路3可以进行电平转换，其用于处理器2输出信号和变流器转速处理单元的输入信号之间的电平匹配，即使得前后级的电压相近或相同。

本发明还提供一种用于风力发电机和变流器系统的编码器Z脉冲丢失补偿方法，通过在塔底变流器的编码器信号进线端口处接入补偿装置100(图4所示)，编码器信号经过补偿装置之后再传给变流器转速处理单元，使得双馈风力发电机转速通过传递A、B、Z脉冲到变流器转速计算单元进行计算和检测。本发明的编码器Z脉冲丢失补偿方法具体包含以下步骤：

步骤S1：设计上述的补偿装置100，包含依次连接的信号接口处理电路1、处理器2和输出电平匹配电路3，如图4所示。

步骤S2：将所述补偿装置100安装在塔底变流器的编码器信号进线处，改动小，安装方便。

步骤S3：当发电机主轴旋转一圈，Z脉冲信号出现一次，A、B、Z脉冲关系如图3所示，即编码器旋转一圈，会产生光栅刻度数值个A、B脉冲信号(光栅刻度数值固定不变，例如2048刻度，就会产生2048个A、B脉冲，此时在未有脉冲丢失情况下应该出现一次Z脉冲)，Z脉冲信号是编码器旋转一周产生一个Z脉冲；本发明通过A、B脉冲计数，并当A、B脉冲信号达到一圈脉冲数(例如2048个脉冲)的时候，判断此时是否出现Z脉冲：如果在此发电机主轴转速条件下，Z脉冲计数时间T_Z范围内没有检测到Z脉冲信号，则通过补偿装置100中的CPLD进行Z脉冲信号补偿，在T_Z计数周期(图3中的90°脉冲周期，原本应该出现Z脉冲信号的时间)后面自动生成一个Z脉冲信号，即在图3中的相应的四分之一A/B脉冲宽度后自动生成一个Z脉冲补偿信号并给到变流器转速处理单元。

示例地，本发明通过检测A、B脉冲的上升沿或下降沿来进行脉冲计数。

另一示例中，本发明通过CPLD进行补偿是指：当A、B脉冲计数到光栅刻度值的数目时，根据当前编码器转速和A、B脉冲信号的相位关系，判断Z脉冲应该出现的时间，如果未出现Z脉冲，则通过CPLD发出一个Z脉冲信号，来补偿丢失的Z脉冲信号。其中，判断是否出现Z脉冲是通过检测Z脉冲的上升沿或下降沿进行判断。

具体地，设在一定时间T_D(单位：s)内，测得旋转编码器输出脉冲个数M，风力发电机每转一圈共产生K个脉冲(K＝倍频系数*编码器光栅刻度数值)，则当前电机转速N(也相当于编码器的转速)为：

由于Z脉冲宽度只有AB脉冲宽度的一半，得Z脉冲计数时长T_Z为：

综上所述，本发明通过装置检测A、B脉冲，来补偿Z脉冲丢失部分，消除Z脉冲丢失故障；即使出现Z脉冲丢失情况，本发明也能够补偿Z信号，实现容易，成本较低，降低风机因Z脉冲丢失情况而导致的停机故障，提高并网发电率。

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。