熊文凱，李劍白

(1.深圳市英科達(dá)光電技術(shù)有限公司，518067，廣東，深圳；2.江西省科學(xué)院，330029，南昌)

0 引言

光電編碼器是集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化測角儀器，它采用光電的方法將角位移量實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，是工業(yè)自動(dòng)化和測量系統(tǒng)中基礎(chǔ)的傳感器。

風(fēng)力發(fā)電作為綠色能源，是我國政府大力扶持和重點(diǎn)發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)。大型MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為當(dāng)今發(fā)展的主流，多釆用變槳距、偏航和變速恒頻控制系統(tǒng)等新技術(shù)，以提高風(fēng)力發(fā)電效率，避免過載對風(fēng)機(jī)的損壞和保證風(fēng)電上網(wǎng)質(zhì)量。一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組通常使用多臺(tái)不同用途的編碼器。風(fēng)機(jī)用編碼器因工況惡劣，技術(shù)含量高，學(xué)科綜合性強(qiáng)，市場一直為國外少數(shù)公司壟斷，國內(nèi)尚無成熟產(chǎn)品。深圳市英科達(dá)光電技術(shù)有限公司在國家和地方政府支持下，開展了風(fēng)機(jī)用光電編碼器國產(chǎn)化研究工作。其中，用于變速恒頻控制系統(tǒng)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋的《風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用增量式光電編碼器》獲國家科技部創(chuàng)新基金支持，研發(fā)工作取得了重要進(jìn)展，研制的CXB-90A(金屬光柵盤)和CXB-90B(玻璃光柵盤)2種產(chǎn)品經(jīng)檢測、型式試驗(yàn)、風(fēng)場裝機(jī)實(shí)用考核表明：性能指標(biāo)全部滿足立項(xiàng)要求，順利通過國家科技部創(chuàng)新基金項(xiàng)目驗(yàn)收。

1 光電編碼器原理及在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的作用

1.1 光電編碼器的基本原理

根據(jù)角度代碼形成方法的不同，編碼器又分為增量式和絕對式兩大類。對增量(最小角分辨率)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)后輸出角度代碼的稱為增量式。絕對式光電編碼器將角度信息刻制存貯在圓玻璃盤(稱碼盤)上，經(jīng)處理后輸出的角位置信息是轉(zhuǎn)角的單值函數(shù)，掉電后再工作不用重新標(biāo)定。增量式一般用于測速，絕對式多用于角位置的測量。

本項(xiàng)目主要用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)的速度反饋，屬于增量式編碼器。

典型的增量式光電編碼器原理如圖1所示。它由主軸、主光柵、指示光柵、光源和光電接收元件組成。通常，主光柵在玻璃盤上整周均勻刻制(復(fù)制)等間距的透光和不透光的扇形柵線。指示光柵在玻璃板上刻制與主光柵等柵距的一簇扇形柵線。主光柵與編碼器主軸固連，隨主軸一起旋轉(zhuǎn)。光源、指示光柵和光電接收元件與編碼器機(jī)座連接不動(dòng)。光源發(fā)出恒定光束，照射在主光柵盤上，主光柵隨主軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，主光柵和指示光柵重疊部份，構(gòu)成光柵付，對光束進(jìn)行調(diào)制，形成莫爾條紋(moire fringe)，通過光電轉(zhuǎn)換后輸出與轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的光電信號(hào)，經(jīng)電子學(xué)處理并與計(jì)算機(jī)連接后，可實(shí)現(xiàn)角位移的動(dòng)態(tài)測量和實(shí)時(shí)控制。

圖1 增量式光電編碼器原理

1.2 光電編碼器在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的作用

目前MW級(jí)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用變速恒頻技術(shù)，在變速恒頻發(fā)電機(jī)組中，雙饋式變速恒頻機(jī)型是風(fēng)電行業(yè)的主流，工作原理如圖1所示。風(fēng)機(jī)葉輪通過多級(jí)齒輪增速箱驅(qū)動(dòng)交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用增量式光電編碼器是風(fēng)電主控制系統(tǒng)的重要組成部分，它安裝在發(fā)電機(jī)主軸上，對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量并反饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率f2，保證定子頻率f1恒定，即應(yīng)滿足：

f1=Pfm±f2

式中：f1為定子電流頻率，要求與電網(wǎng)頻率相同；fm為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率，fm=n/60；P為電機(jī)的極對數(shù)；f2為轉(zhuǎn)子電流頻率。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n由增量式編碼器實(shí)時(shí)測量。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，即Pfm變化時(shí)，若通過變流器控制f2相應(yīng)變化，可使f1保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，也就實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理

2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

1963年中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所因發(fā)展軍用“靶場動(dòng)態(tài)光電測試設(shè)備”的需要，在國內(nèi)率先開始研制光電編碼器，探討莫爾條紋的應(yīng)用方法，并著手解決碼盤(光柵盤)的制備技術(shù)。經(jīng)過40多年的發(fā)展，國內(nèi)已有編碼器生產(chǎn)企業(yè)數(shù)十家，產(chǎn)品基本上可滿足工業(yè)低端數(shù)控設(shè)備(例如低精度數(shù)控機(jī)床、繡花機(jī)、紡織機(jī)等)的需要。而一些軍用編碼器則集中在中國科學(xué)院的個(gè)別研究所，僅有極少量的供應(yīng)，價(jià)格昂貴。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)工業(yè)用光電編碼器市場，在數(shù)量上國內(nèi)廠家占有量為75%，國外進(jìn)口為25%；但產(chǎn)值上則反過來，國內(nèi)僅占25%，而國外則占75%，平均單臺(tái)產(chǎn)值差9倍，國內(nèi)工業(yè)用中高端編碼器市場，基本被國外產(chǎn)品所占據(jù)。

而風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用光電編碼器因技術(shù)含量高，研制難度大，目前國內(nèi)尚無成熟產(chǎn)品，市場和技術(shù)全被國外少數(shù)企業(yè)壟斷。

2.2 國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

國外從事研發(fā)和生產(chǎn)光電編碼器的國家和廠商數(shù)不勝數(shù)，但真正在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)有所建樹，并成為主流風(fēng)機(jī)編碼器供應(yīng)廠商的就廖廖無幾，當(dāng)前對國內(nèi)風(fēng)電最具影響力的國外編碼器生產(chǎn)廠有2家：一是堡盟旗下的德國霍伯納(Baumer Huebner)[1]，從事重載編碼器的研發(fā)和生產(chǎn)已有70多年歷史；二是瑞典萊納林德(LEINELIDE)[2]，成立于1967年，有40多年編碼器研發(fā)和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品售往世界30多個(gè)國家和地區(qū)。

由于各國對綠色能源的高度重視，世界風(fēng)電設(shè)備得到飛速發(fā)展，風(fēng)機(jī)中應(yīng)用的光電編碼器技術(shù)日新月異，當(dāng)前的發(fā)展趨勢為:提高對惡劣工況的適應(yīng)能力；釆用集光、機(jī)、電一體化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和電磁兼容性；加強(qiáng)絕緣，提高軸電流防護(hù)能力；完善密封、三防措施，擴(kuò)展海上風(fēng)場應(yīng)用。

3 主要研究內(nèi)容

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝的地域?qū)拸V，運(yùn)行在高空野外，使用環(huán)境復(fù)雜，工作條件極其惡劣， 無人值守，可靠性要求極高。此外，尚要求絕緣性好，有優(yōu)異的軸電流防護(hù)能力。

本項(xiàng)目根據(jù)國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)廠家的需求，選擇國內(nèi)用量較大的型號(hào)，進(jìn)行國產(chǎn)化研發(fā)。

3.1 釆用光機(jī)電一體化的讀數(shù)系統(tǒng)

光機(jī)電一體化的讀數(shù)系統(tǒng)如圖3所示，主要由光源、光柵盤(玻璃或金屬)、探測器和處理電路及線性驅(qū)動(dòng)器4個(gè)部分組成。LED發(fā)出恒定光束，經(jīng)準(zhǔn)直鏡，變成一束平行光，照射在光柵盤上，光柵盤裝在編碼器主軸上，隨其旋轉(zhuǎn)，對光進(jìn)行調(diào)制。接收光電二極管按相位陣列布置，即對應(yīng)光柵每一對柵線(一明一亮)均布4個(gè)光電二極管，將莫爾條紋信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移周期相同，相位互差90°的4個(gè)正弦信號(hào)。若釆用含20個(gè)光電二極管的列陣，可同時(shí)接收5個(gè)光柵周期的光電信號(hào)，將轉(zhuǎn)換后的光電信號(hào)的同名端連接在一起，可輸出經(jīng)5個(gè)周期積分、差分后的高質(zhì)量光電信號(hào)A(sinθ)，B(cosθ)。

圖3 光電系統(tǒng)組成框圖

由于采用平行光束和相位陣列接收元件，光柵盤與光源和光敏元件之間的距離增加到0.7 mm左右時(shí)，仍能獲得優(yōu)質(zhì)的莫爾條紋光電信號(hào)，比原主光柵與指示光柵間隙0.07 mm拉大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，該間隙非常安全，在強(qiáng)沖擊振動(dòng)下也不會(huì)劃傷光柵盤。

采用光電二極管陣列，同時(shí)完成移相，積分、差分，大幅度消除了光柵盤復(fù)制存在的諸多缺陷(如不均勻，疵點(diǎn)，斷線等)的影響。以上措施為國內(nèi)現(xiàn)工藝水平復(fù)制的玻璃光柵盤，特別是金屬光柵盤在高精度編碼器中的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

光電二極管的陣列布置，減小了光強(qiáng)分布不均勻的影響，可不用電位器，同時(shí)大幅度提高了電磁兼容性。

3.2 軸系絕緣，提高軸電流防護(hù)能力

發(fā)電機(jī)由于定子鐵芯的局部磁阻大或定、轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻等都會(huì)引起定子磁場不平衡，這種磁通的不對稱會(huì)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上感應(yīng)出電動(dòng)勢，在轉(zhuǎn)子軸兩端產(chǎn)生電壓，這就是軸電壓。軸電壓由軸頸、油膜，軸承、基座及基礎(chǔ)底層構(gòu)成通路，在回路內(nèi)產(chǎn)生很大的電流,即為軸電流。這部分軸電流會(huì)造成編碼器及發(fā)電機(jī)組的損壞。在實(shí)際運(yùn)行中，軸電壓一般較高，可達(dá)數(shù)百伏至上千伏。通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用編碼器電絕緣耐壓應(yīng)達(dá)2.5 kV才認(rèn)為是安全的。

本項(xiàng)目在軸承外環(huán)與編碼器主體之間釆用特殊絕緣結(jié)構(gòu)，其耐壓超過2.5 kV，可保證軸電壓不會(huì)因“擊穿”而形成軸電流。其難點(diǎn)是絕緣件材料的選擇，因裝在軸承外環(huán)上，同軸度要求較嚴(yán)，除絕緣性能外還要考慮材料的強(qiáng)度、剛度、可加工性和溫度特性。

3.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用增量式編碼器組成

圖4是本項(xiàng)目研發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用增量式光電編碼器組成圖。件2、件3分別是絕緣件和絕緣軸承，采取雙重絕緣結(jié)構(gòu)，可保證達(dá)到軸電流防護(hù)要求；件8是高精度2048CPR金屬盤，抗沖擊振動(dòng)；件7是將發(fā)光管LED、準(zhǔn)直鏡、光電二極管相位陣列集成為模塊化的光電系統(tǒng)，簡化了裝調(diào)，大幅度提高了光電信號(hào)質(zhì)量；在一個(gè)編碼器機(jī)殼中相隔90°安置了2塊光電系統(tǒng)模塊(件7)，件10線路板上也有2套各自獨(dú)立的處理電路與2塊光電模塊相對應(yīng)，在電氣上可實(shí)現(xiàn)了雙編碼器冗余。此外，該編碼器設(shè)計(jì)的殼體堅(jiān)固，密封優(yōu)良，可滿足風(fēng)機(jī)的裝載要求。

圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用增量式光電編碼器組成圖

3.4 與國外同類產(chǎn)品性能對比

研制成功的CXB-91A和CXB-90B風(fēng)力發(fā)電機(jī)用編碼器與替代的國外同類產(chǎn)品性能對比，如表1。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)用編碼器性能對比表

通過比較可知，本項(xiàng)目所研制的編碼器已全面達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

經(jīng)測試，本編碼器已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，并通過采用金屬碼盤代替常規(guī)的玻璃碼盤，抗沖擊振動(dòng)和可靠性明顯提高。該編碼器經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的長期實(shí)際應(yīng)用考核，充分證明其穩(wěn)定性和可靠性，現(xiàn)已大批量裝機(jī)使用替代進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備關(guān)鍵傳感器之一光電編碼器的國產(chǎn)化。