基于微控制器的风机超速保护装置及安全链动作方法

摘要

本发明涉及基于微控制器的风机超速保护装置及安全链动作方法，其装置包括微控制器，光耦，编码开关，串口电平转换芯片，三极管和继电器。其方法包括以下步骤：微控制器进行初始化；读取超速设定值；计算实际转速值；判断是否超速。本发明的检测精度超过了目前FPGA的0.1Hz，达到0.01Hz，而且便于嵌入式扩展，可以将实时数据导出便于数据分析。

说明书

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及风机超速保护装置及安全链动作方法。

背景技术

我国具有较为丰富的风能资源，随着《可再生能源法》及后续一系列政策的颁布，国家从多个方面对风力发电给予支持和鼓励，我国的风电行业步入快速发展的阶段。风力发电中的安全链系统是整个系统中的重中之重，因此风机的超速保护也显得格外重要。目前国内超速保护装置多采用FPGA实现，FPGA以其快速的响应速度和测量精度得到广大用户的喜爱，当转速频率在100Hz时，精度可以达到0.1Hz。然而FPGA成本比较高，而且目前调试需到安装位置进行调试，非常不适合调试人员调试和进行数据分析。目前有些公司也开发基于微控制器的超速保护装置，然而技术尚不成熟，测量的精度有待提高。

发明内容

针对现有技术的不足，为了解决现有微控制器测量精度不高和采用FPGA保护装置不易进行数据分析等问题，本发明提供一种基于微控制器的超速检测方法和基于串口的数据分析方案：

基于微控制器的风机超速保护装置，其特征在于包括：

编码开关，用于设定电机的超速设定值；

光耦，用于对金属传感器的数字信号进行电平转换，转换为脉冲TTL信号；

微控制器，用于将光耦的脉冲TTL信号转换成电机实际转速，并与编码开关设定的超速设定值进行比较，输出控制三极管导通/闭合的控制信号，同时输出数字信号至串口电平转换芯片；

三极管，输出数字信号驱动继电器的开闭；

继电器，输出数字信号至外部安全链；

串口电平转换芯片，用于微控制器与PC机进行串口通信。

所述微控制器采用STC11F32XE单片机，微控制器机器周期是10s。

基于微控制器的风机安全链动作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)微控制器进行初始化；

步骤2)读取编码开关的超速设定值；

步骤3)计算实际转速值；

步骤4)判断是否超速：

如果实际转速值大于超速设定值，安全链断开；

如果实际转速值不大于超速设定值，返回步骤2)。

所述计算实际转速值具体为根据光耦发出的两个相邻脉冲信号的时间差得到频率，根据频率计算出电机的实际转速值。

本发明具有以下有益效果及优点：

当检测100Hz频率时，检测的精度超过了目前FPGA的0.1Hz，达到0.01Hz，而且便于嵌入式扩展，可以将实时数据导出便于数据分析。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的原理框图；

图3是本发明的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明解决其技术问题所采用的硬件技术方案是：微控制器的中断引脚与光耦连接，光耦与外部金属传感器连接，微控制器IO输入引脚与编码开关连接，微控制器的IO输出管脚与三极管连接，三级管与继电器连接，继电器串入外部安全链，微控制器的串行口与max232芯片连接，微控制器的晶振保证微控制器的机器周期能被10^-6整除。

本发明解决其技术问题所采用的软件技术方案是：当微控制器的中断引脚检测到转速信号的下降沿，立即开始设定定时器/计数器的初值(此初值为进入中断到设定初值时定时器/计数器增加的值)，计数溢出后采用自定义变量保存溢出次数。这样就可以在转速信号的两个下降沿之间记录下定时器/计数器计数的个数，从而计算出转速信号的频率。当转速信号频率超过超速设定值时，通过继电器输出控制安全链断开。

编码开关与微控制器直接相连，单个编码开关可以通过旋转，在4个引脚上组合出16种状态(这里只用了10种)，微控制器通过采集4个引脚的状态，可以判断出编码开关当前对应的0-15的数字。这里应用3个编码开关分别对应设定速度的X10、X1、X0.1位。例如设定69.2Hz，可以设定三个编码开关为6、9、2。

外部金属传感器安装在风力发电机旋转部分的特定金属旁边，如果特定金属只有一个，则当风力发电机转动一圈，金属传感器会产生一个脉冲。这个脉冲是24V电平，不能直接与微控制器相连接，所以金属传感器与光耦直接连接，光耦与微控制器直接连接。

微控制器通过编码开关计算出设定超速值，通过金属传感器的转速脉冲信号计算出当前转速，如果当前转速超过设定超速值，则会控制继电器使安全链断开。

微控制器的输出电流有限，继电器控制端需要很大电流，因此加入三极管与微控制器直接相连、三接管与继电器控制端直接相连，达到增加驱动电流的目的。继电器的输出端串入安全链，当超速时可以将安全链断开。

微控制器可以与PC机进行通讯，但微控制器电平为TTL电平，PC机串口电平为RS232电平，因此在微控制器和PC机之间加入串口电平转换芯片。微控制器与此芯片直接相连，此芯片再与PC机直接相连。

本发明为了提高微控制器测量精度方法的原理是：假设电机转动一圈，金属传感器输出一个脉冲。设转速信号两个下降沿之间的时间为T，定时器/计数器计数误差为δt，计算的频率误差为δf，则频率误差的绝对值为：假设微控制器机器周期是10^-6s，则频率误差绝对值的极限$>\left|\delta f_{\max }\right|=\underset{\mathrm{\delta t}\to {10}^{-6}}{\lim }\left|\mathrm{\delta f}\right|=\underset{\mathrm{\delta t}\to {10}^{-6}}{\lim }\left|\left(\frac{\mathrm{\delta t}}{T^2+T\times \mathrm{\delta t}}\right)\right|=\left|\frac{{10}^{-6}}{T^2+T\times {10}^{-6}}\right|.$>从公式可以看出，δf_max与T成反比。当f＝100Hz时，T＝0.01s，则δf_max≤±0.01Hz。

在图2中，微控制器(3)采用STC11F32XE单片机，微控制器(3)通过读取超速频率设定(2)，得到超速频率设定值，当转速脉冲输入(5)下降沿到来时，微控制器(3)产生中断，定时器/计数器记录下两个转速脉冲下降沿之间的计数值，实时运算当前的转速频率，当转速频率大于超速频率设定(2)，继电器输出(1)使安全链断开。串口通讯(4)可以与监控软件进行实时通讯，便于进行数据分析。

本实施例中，晶振频率为12M，微控制器(3)的机器周期是1微妙，定时器/计数器的计数脉冲是1微妙，当检测设定超速频率为50Hz时，周期为0.02s，检测的精度为$>\pm \frac{{10}^{-6}}{T^2+T\times {10}^{-6}}=\pm \frac{{10}^{-6}}{{0.02}^2+0.02\times {10}^{-6}}=\pm 0.0025\left(\mathrm{Hz}\right),$>小于检测精度0.01Hz。