李研達，薛 琦

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

0 引言

在風力發(fā)電機的風速風向檢測方面以機械式為主，傳送帶和壓力傳感器相結(jié)合的方式，皮帶長時間使用后會磨損[1]，壓力傳感器在低風速下薄膜振動很小,精度非常差，檢測量程受限；精密風速檢測系統(tǒng)以多普勒為原理，但原理復(fù)雜、造價昂貴且環(huán)境適應(yīng)性差[2]；超聲波技術(shù)原理簡單,技術(shù)可靠，無需機械配合部件，與現(xiàn)在信號處理方法結(jié)合后同樣也可以達到較高精度。本文采用超聲波檢測原理和時差計算程序設(shè)計了高精密風速檢測系統(tǒng)。

1 超聲波風速檢測原理

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

圖1 風速檢測原理

將東西兩個相對方向的速度、時間、距離建立風速檢測模型：

(1)

同理，以相同的原理建立南北方向的模型：

(2)

式中：v為風速；θ為風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信號的時間；t3和t4分別為能量發(fā)射后南北方向接收順逆風信號的時間。

本系統(tǒng)8個角度中，以東南西北4個方向的計算結(jié)果作為基準，其余4個方向計算出的結(jié)果用于校準風速。聯(lián)立式(1)和式(2)求解出風速和角度。

2 高精密風速檢測的硬件系統(tǒng)

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

2.1 風速檢測硬件總體系統(tǒng)架構(gòu)

由于風速檢測硬件安裝在風力發(fā)電機上方，因此對硬件穩(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系統(tǒng)的核心，需要保證與上位機通訊的同時，同步產(chǎn)生8路高速方波激勵脈沖信號，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后計算風速，發(fā)射通道和驅(qū)動電路產(chǎn)生PWM脈沖信號，最后以超聲波傳感器穩(wěn)定輸出信號為主，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 風速檢測硬件系統(tǒng)

2.2 方波驅(qū)動電路

傳感器產(chǎn)生超聲波時需要實現(xiàn)機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，最后將激勵信號轉(zhuǎn)化為超聲波能量，設(shè)計電路如圖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，并連接兩個電容濾除高低頻率的電源噪聲[7]，輸出部分連接到2個MOS管，輸出信號和MOS管之間的匹配電阻為100 Ω，輸出信號同時連接10 μF和0.1 μF濾波電容，2個MOS管組成半橋電路并由OUT輸出激勵脈沖信號。

圖3 方波驅(qū)動電路

由于方波脈沖頻率為200 kHz，選擇合適的柵極電阻R493和R494對于驅(qū)動MOS來說非常重要。柵極電阻值太小會造成柵極驅(qū)動電壓過沖，導(dǎo)致開關(guān)管過快導(dǎo)通。同樣，電阻值過大會導(dǎo)致過阻尼，并延長開關(guān)管的開通時間，因此，過小或過大的柵極電阻都會影響柵極驅(qū)動的效果。合適的柵極電阻應(yīng)該使驅(qū)動電路的品質(zhì)因數(shù)(Q值)在0.5(過阻尼)～1(臨界阻尼)之間。一般可以選擇Q值為0.55即可，這樣可以快速打開和關(guān)閉器件，也不會產(chǎn)生有害的諧振。驅(qū)動后的頻率上下管的驅(qū)動會相互導(dǎo)通，信號Sign+和Sign-的具體波形如圖4所示。

圖4 驅(qū)動信號的PWM波

2.3 高速數(shù)據(jù)采集電路

發(fā)射驅(qū)動電路產(chǎn)生的超聲波信號中含有高頻噪聲，高速數(shù)據(jù)采集電路需要對微弱信號進行濾波放大，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)動放大器的功耗為7 mW、采樣速率為100 KB/s，輸入信號VIN+引腳連接49.9 Ω的匹配電阻[9]，放大器采用負反饋放大功能增加穩(wěn)定性，信號經(jīng)過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)計一個放大電路，通常采用差分放大電路，由于其具有抗共模噪聲能力強，失真小，信號建立通道時間短等優(yōu)點。單通道運算放大器電路的參數(shù)最重要的是壓擺率，這與輸入信號及芯片帶寬等都有關(guān)系，簡化后的計算公式為

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)計算出差分放大電路的參數(shù)，統(tǒng)計整理如表1所示。

3 高精密風速檢測的軟件系統(tǒng)

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

3.1 時差提取程序

采用時差提取程序獲得振蕩信號的特征，具體提取算法如圖6所示，首先，硬件系統(tǒng)開始接收信號，超聲波正弦信號經(jīng)過傳播后變?yōu)檎{(diào)制振蕩信號，從振蕩信號中提取每2個波峰之間的差值，以最大波峰信號為特征波[10]，根據(jù)2個特征波周期得出傳播時間和距離，重復(fù)測量3組數(shù)據(jù)后確定有效時差特征，最后將提取的信號轉(zhuǎn)化為風速。

圖6 時差提取程序

設(shè)置相同的檢測距離，根據(jù)振蕩信號的波峰數(shù)值提取出前14次的振蕩波峰，結(jié)果見表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算出每個脈沖過零點時的數(shù)值，具體求解過程如圖7所示，相鄰2個波峰和波谷分別為A1和A2，根據(jù)2個點的坐標得出直線的斜率為A1/(A1-A2),圖例中過零點為1.8 ms，零點時間加上硬件采用時間即為超聲傳播時間，同樣的原理計算出其余數(shù)值。

圖7 線性補償計算過零點圖

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

圖8 風向向量合成程序

表3 擬合風速結(jié)果 m/s

3.2 風向向量合成程序

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

3.3 風向角度修正

在判斷風速檢測方向時，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)過另外4條通道校準后可以修正到檢測數(shù)據(jù)與風速合成保持一致，但由于螺紋等結(jié)構(gòu)配合問題，通過優(yōu)化算法程序是不能修正的，因此必須通過實際測量完成修正。螺紋安裝配合公差原理見圖9，螺紋寬度為14 mm，高度為1.4 mm，按照標準加工時會存在±0.15 mm的制造公差，因此計算出角度偏差α約為±0.8°，此數(shù)值必須人為修正風向計算程序。

圖9 螺紋安裝配合公差

4 高精密風速檢測的試驗驗證

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

4.1 超聲波采集信號

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

圖10 回波信號波形

為驗證系統(tǒng)檢測風速的精度，在密閉環(huán)境中測量靜態(tài)下流動空氣的風速，采集風速和擬合的平均風速見圖11，對測量數(shù)據(jù)求平均值、標準差等統(tǒng)計在表4中，經(jīng)過3次數(shù)據(jù)顯示，風速的平均值最低能達到0.016 m/s，因此測量分辨率至少在0.01 m/s，最大標準差為0.011 m/s，證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)的偏離誤差很小，因此儀器對風速檢測可以滿足高精度的要求。

圖11 擬合效果圖

4.2 風扇風速測量

搭建風速試驗環(huán)境，用風扇測試風速檢測系統(tǒng)，

表4 零風速驗證結(jié)果統(tǒng)計

分別驗證風速和風向，測試風速時分別以低、中檔吹向檢測系統(tǒng)，如圖12所示。風速檢測結(jié)果具體見圖13，在風扇關(guān)閉時密閉環(huán)境存在自然風，系統(tǒng)顯示為0.2 m/s的風速狀態(tài)，另外2個檔位分別穩(wěn)定在1.7 m/s和2.4 m/s，風速精度可以達到0.1 m/s。

圖12 測試方案簡圖

圖13 風速信號波形

旋轉(zhuǎn)風扇測試風向，用中檔風吹向高精密風速檢測系統(tǒng)并旋轉(zhuǎn)0°～120°，具體結(jié)果見圖14，在旋轉(zhuǎn)過程中由于手持操作造成風向不穩(wěn)定的狀態(tài)，在60°和120°兩種角度下短暫停留一段時間，轉(zhuǎn)動圈數(shù)范圍內(nèi)角度誤差可以控制在5°內(nèi)，系統(tǒng)啟動和響應(yīng)速度都可以滿足要求。

圖14 風向信號波形

5 結(jié)束語

本文采用超聲波原理設(shè)計了風力發(fā)電機高精密風速檢測系統(tǒng)，首先分析風速檢測原理，然后對風速檢測硬件系統(tǒng)、發(fā)送200 kHz方波的驅(qū)動模塊和16位高精度數(shù)據(jù)采集模塊進行設(shè)計，設(shè)計時差提取程序判斷風速，風向向量合成程序計算風向，搭建基于風扇的風速風向試驗平臺。分析結(jié)果顯示，在不同風速風向模式下，風速測量精度為0.1 m/s，風向精度為5°。