李研達(dá)，薛 琦

(1.安陽(yáng)師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，河南安陽(yáng) 455000；2.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 引言

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)方面以機(jī)械式為主，傳送帶和壓力傳感器相結(jié)合的方式，皮帶長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)磨損[1]，壓力傳感器在低風(fēng)速下薄膜振動(dòng)很小,精度非常差，檢測(cè)量程受限；精密風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)以多普勒為原理，但原理復(fù)雜、造價(jià)昂貴且環(huán)境適應(yīng)性差[2]；超聲波技術(shù)原理簡(jiǎn)單,技術(shù)可靠，無(wú)需機(jī)械配合部件，與現(xiàn)在信號(hào)處理方法結(jié)合后同樣也可以達(dá)到較高精度。本文采用超聲波檢測(cè)原理和時(shí)差計(jì)算程序設(shè)計(jì)了高精密風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)。

1 超聲波風(fēng)速檢測(cè)原理

超聲波風(fēng)速檢測(cè)原理如圖1所示。在兩維空間中，按照360°空間均勻分布8個(gè)超聲波傳感器，超聲波的傳播途徑受風(fēng)速影響，8個(gè)傳感器采集的風(fēng)速轉(zhuǎn)換成向量[3]，最后合成一個(gè)風(fēng)速矢量v，風(fēng)速受溫度、氣壓等影響因素不在考慮范圍。

圖1 風(fēng)速檢測(cè)原理

將東西兩個(gè)相對(duì)方向的速度、時(shí)間、距離建立風(fēng)速檢測(cè)模型：

(1)

同理，以相同的原理建立南北方向的模型：

(2)

式中：v為風(fēng)速；θ為風(fēng)速與不同方向的傳感器之間的角度；t1和t2分別為能量發(fā)射后東西方向接收順逆風(fēng)信號(hào)的時(shí)間；t3和t4分別為能量發(fā)射后南北方向接收順逆風(fēng)信號(hào)的時(shí)間。

本系統(tǒng)8個(gè)角度中，以東南西北4個(gè)方向的計(jì)算結(jié)果作為基準(zhǔn)，其余4個(gè)方向計(jì)算出的結(jié)果用于校準(zhǔn)風(fēng)速。聯(lián)立式(1)和式(2)求解出風(fēng)速和角度。

2 高精密風(fēng)速檢測(cè)的硬件系統(tǒng)

按照功能需要設(shè)計(jì)硬件模塊，DSP主控模塊用于檢測(cè)采集數(shù)據(jù)和計(jì)算，驅(qū)動(dòng)電路為超聲波傳感器提供能量[4]，ADC數(shù)據(jù)采集電路用來(lái)保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的有效性。

2.1 風(fēng)速檢測(cè)硬件總體系統(tǒng)架構(gòu)

由于風(fēng)速檢測(cè)硬件安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上方，因此對(duì)硬件穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性等都有較高要求，硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。主控模塊作為超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的核心，需要保證與上位機(jī)通訊的同時(shí)，同步產(chǎn)生8路高速方波激勵(lì)脈沖信號(hào)，模塊占空比等參數(shù)可調(diào)[5]。在主控模塊采集到超聲波信號(hào)后計(jì)算風(fēng)速，發(fā)射通道和驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，最后以超聲波傳感器穩(wěn)定輸出信號(hào)為主，高速數(shù)據(jù)采集電路包括調(diào)理電路和ADC通道[6]，調(diào)理電路為量程可調(diào)，ADC通道有16位數(shù)據(jù)地址，50 μV的分辨率滿足系統(tǒng)要求。

圖2 風(fēng)速檢測(cè)硬件系統(tǒng)

2.2 方波驅(qū)動(dòng)電路

傳感器產(chǎn)生超聲波時(shí)需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和超聲波之間的轉(zhuǎn)換，核心處理電路在引腳HIN和LIN上產(chǎn)生200 kHz方波，最后將激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波能量，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。IR2110是一種專用的高速脈沖芯片，芯片電源采用+5 V電源，并連接兩個(gè)電容濾除高低頻率的電源噪聲[7]，輸出部分連接到2個(gè)MOS管，輸出信號(hào)和MOS管之間的匹配電阻為100 Ω，輸出信號(hào)同時(shí)連接10 μF和0.1 μF濾波電容，2個(gè)MOS管組成半橋電路并由OUT輸出激勵(lì)脈沖信號(hào)。

圖3 方波驅(qū)動(dòng)電路

由于方波脈沖頻率為200 kHz，選擇合適的柵極電阻R493和R494對(duì)于驅(qū)動(dòng)MOS來(lái)說(shuō)非常重要。柵極電阻值太小會(huì)造成柵極驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)沖，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管過(guò)快導(dǎo)通。同樣，電阻值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致過(guò)阻尼，并延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間，因此，過(guò)小或過(guò)大的柵極電阻都會(huì)影響柵極驅(qū)動(dòng)的效果。合適的柵極電阻應(yīng)該使驅(qū)動(dòng)電路的品質(zhì)因數(shù)(Q值)在0.5(過(guò)阻尼)～1(臨界阻尼)之間。一般可以選擇Q值為0.55即可，這樣可以快速打開(kāi)和關(guān)閉器件，也不會(huì)產(chǎn)生有害的諧振。驅(qū)動(dòng)后的頻率上下管的驅(qū)動(dòng)會(huì)相互導(dǎo)通，信號(hào)Sign+和Sign-的具體波形如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PWM波

2.3 高速數(shù)據(jù)采集電路

發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的超聲波信號(hào)中含有高頻噪聲，高速數(shù)據(jù)采集電路需要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行濾波放大，再將輸出傳輸?shù)胶诵奶幚砟K中[8]，具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示，核心放大器TLC6752的頻率為80 MHz，逐次逼近型ADC驅(qū)動(dòng)放大器的功耗為7 mW、采樣速率為100 KB/s，輸入信號(hào)VIN+引腳連接49.9 Ω的匹配電阻[9]，放大器采用負(fù)反饋放大功能增加穩(wěn)定性，信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC數(shù)據(jù)采集后經(jīng)由SPI數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)胶诵奶幚砟K中。

圖5 高速數(shù)據(jù)采集電路

在高速數(shù)據(jù)采集儀的前端設(shè)計(jì)一個(gè)放大電路，通常采用差分放大電路，由于其具有抗共模噪聲能力強(qiáng)，失真小，信號(hào)建立通道時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。單通道運(yùn)算放大器電路的參數(shù)最重要的是壓擺率，這與輸入信號(hào)及芯片帶寬等都有關(guān)系，簡(jiǎn)化后的計(jì)算公式為

SR=2πfmaxA/106

(3)

式中：SR為差分放大電路的壓擺率；fmax為最大輸入脈沖頻率，fmax=200 kHz；A為最大輸入電壓幅值。

根據(jù)式(3)計(jì)算出差分放大電路的參數(shù)，統(tǒng)計(jì)整理如表1所示。

3 高精密風(fēng)速檢測(cè)的軟件系統(tǒng)

高精密風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)的硬件可以保證信號(hào)的穩(wěn)定性，計(jì)算風(fēng)速下超聲波的時(shí)差和風(fēng)向風(fēng)速等參數(shù)時(shí)，需要使用核心處理器的程序?qū)?shù)據(jù)計(jì)算處理。

3.1 時(shí)差提取程序

采用時(shí)差提取程序獲得振蕩信號(hào)的特征，具體提取算法如圖6所示，首先，硬件系統(tǒng)開(kāi)始接收信號(hào)，超聲波正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)傳播后變?yōu)檎{(diào)制振蕩信號(hào)，從振蕩信號(hào)中提取每2個(gè)波峰之間的差值，以最大波峰信號(hào)為特征波[10]，根據(jù)2個(gè)特征波周期得出傳播時(shí)間和距離，重復(fù)測(cè)量3組數(shù)據(jù)后確定有效時(shí)差特征，最后將提取的信號(hào)轉(zhuǎn)化為風(fēng)速。

圖6 時(shí)差提取程序

設(shè)置相同的檢測(cè)距離，根據(jù)振蕩信號(hào)的波峰數(shù)值提取出前14次的振蕩波峰，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 多次波峰數(shù)值

得到波峰數(shù)值后利用線性擬合的方法計(jì)算出每個(gè)脈沖過(guò)零點(diǎn)時(shí)的數(shù)值，具體求解過(guò)程如圖7所示，相鄰2個(gè)波峰和波谷分別為A1和A2，根據(jù)2個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)得出直線的斜率為A1/(A1-A2),圖例中過(guò)零點(diǎn)為1.8 ms，零點(diǎn)時(shí)間加上硬件采用時(shí)間即為超聲傳播時(shí)間，同樣的原理計(jì)算出其余數(shù)值。

圖7 線性補(bǔ)償計(jì)算過(guò)零點(diǎn)圖

根據(jù)傳播時(shí)間和速度就可以得出合成風(fēng)速，合成風(fēng)速的具體原理見(jiàn)圖8，利用擬合后的風(fēng)速和實(shí)際風(fēng)速對(duì)比如表3所示，從擬合結(jié)果可以看出擬合的有效值與實(shí)際數(shù)據(jù)相差不大，即風(fēng)速基線基本一致，但擬合后的結(jié)果數(shù)據(jù)波動(dòng)更小，因此還需要乘以一定的系數(shù)校準(zhǔn)擬合數(shù)據(jù)更好。

圖8 風(fēng)向向量合成程序

表3 擬合風(fēng)速結(jié)果 m/s

3.2 風(fēng)向向量合成程序

在風(fēng)向向量合成程序中，共有8個(gè)超聲波通道接收信號(hào)，其中每2個(gè)平行向量為一組信號(hào)，具體風(fēng)向向量合成程序如圖8所示。在合成傳感器的相對(duì)風(fēng)速時(shí)，逆風(fēng)狀態(tài)下計(jì)算出2個(gè)合成向量為負(fù)[11]，順風(fēng)狀態(tài)下為正，在二維空間中將4個(gè)風(fēng)速矢量合成，最后得到的向量表示為最終風(fēng)向風(fēng)速，合成向量長(zhǎng)度即為實(shí)際風(fēng)速，合成向量角度與風(fēng)速角度一致，10次測(cè)量后求出算數(shù)平均值即可。

3.3 風(fēng)向角度修正

在判斷風(fēng)速檢測(cè)方向時(shí)，由于東南西北4條通道合成后的結(jié)果存在的誤差比較大，經(jīng)過(guò)另外4條通道校準(zhǔn)后可以修正到檢測(cè)數(shù)據(jù)與風(fēng)速合成保持一致，但由于螺紋等結(jié)構(gòu)配合問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化算法程序是不能修正的，因此必須通過(guò)實(shí)際測(cè)量完成修正。螺紋安裝配合公差原理見(jiàn)圖9，螺紋寬度為14 mm，高度為1.4 mm，按照標(biāo)準(zhǔn)加工時(shí)會(huì)存在±0.15 mm的制造公差，因此計(jì)算出角度偏差α約為±0.8°，此數(shù)值必須人為修正風(fēng)向計(jì)算程序。

圖9 螺紋安裝配合公差

4 高精密風(fēng)速檢測(cè)的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證高精密風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，從硬件功能和系統(tǒng)功能分別驗(yàn)證，硬件功能采集超聲波回波信號(hào)驗(yàn)證，系統(tǒng)功能采用搭建風(fēng)速環(huán)境驗(yàn)證風(fēng)速和風(fēng)向的精度。

4.1 超聲波采集信號(hào)

超聲波回波信號(hào)是方波驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出后再讀取進(jìn)檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)，具體采集結(jié)果如圖10所示。微弱的電路噪聲等并不會(huì)影響回波波形，波形在第5個(gè)波峰達(dá)到極大值并作為特征波[12]，特征波后振蕩開(kāi)始衰減，這跟風(fēng)速不穩(wěn)定有關(guān)。

圖10 回波信號(hào)波形

為驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)風(fēng)速的精度，在密閉環(huán)境中測(cè)量靜態(tài)下流動(dòng)空氣的風(fēng)速，采集風(fēng)速和擬合的平均風(fēng)速見(jiàn)圖11，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)求平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)在表4中，經(jīng)過(guò)3次數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)速的平均值最低能達(dá)到0.016 m/s，因此測(cè)量分辨率至少在0.01 m/s，最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.011 m/s，證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)的偏離誤差很小，因此儀器對(duì)風(fēng)速檢測(cè)可以滿足高精度的要求。

圖11 擬合效果圖

4.2 風(fēng)扇風(fēng)速測(cè)量

搭建風(fēng)速試驗(yàn)環(huán)境，用風(fēng)扇測(cè)試風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)，

表4 零風(fēng)速驗(yàn)證結(jié)果統(tǒng)計(jì)

分別驗(yàn)證風(fēng)速和風(fēng)向，測(cè)試風(fēng)速時(shí)分別以低、中檔吹向檢測(cè)系統(tǒng)，如圖12所示。風(fēng)速檢測(cè)結(jié)果具體見(jiàn)圖13，在風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)密閉環(huán)境存在自然風(fēng)，系統(tǒng)顯示為0.2 m/s的風(fēng)速狀態(tài)，另外2個(gè)檔位分別穩(wěn)定在1.7 m/s和2.4 m/s，風(fēng)速精度可以達(dá)到0.1 m/s。

圖12 測(cè)試方案簡(jiǎn)圖

圖13 風(fēng)速信號(hào)波形

旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇測(cè)試風(fēng)向，用中檔風(fēng)吹向高精密風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)并旋轉(zhuǎn)0°～120°，具體結(jié)果見(jiàn)圖14，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于手持操作造成風(fēng)向不穩(wěn)定的狀態(tài)，在60°和120°兩種角度下短暫停留一段時(shí)間，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)范圍內(nèi)角度誤差可以控制在5°內(nèi)，系統(tǒng)啟動(dòng)和響應(yīng)速度都可以滿足要求。

圖14 風(fēng)向信號(hào)波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用超聲波原理設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)高精密風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)，首先分析風(fēng)速檢測(cè)原理，然后對(duì)風(fēng)速檢測(cè)硬件系統(tǒng)、發(fā)送200 kHz方波的驅(qū)動(dòng)模塊和16位高精度數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)差提取程序判斷風(fēng)速，風(fēng)向向量合成程序計(jì)算風(fēng)向，搭建基于風(fēng)扇的風(fēng)速風(fēng)向試驗(yàn)平臺(tái)。分析結(jié)果顯示，在不同風(fēng)速風(fēng)向模式下，風(fēng)速測(cè)量精度為0.1 m/s，風(fēng)向精度為5°。