專利名稱：智能處理位置信號(hào)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉Aic電機(jī)系統(tǒng)的領(lǐng)域，例如用于風(fēng)力機(jī)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。更具 體而言，本發(fā)明涉及智能處理位置信號(hào)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其中所述位置信號(hào) 指示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位置。
背景技術(shù)：
對(duì)于設(shè)置為向電網(wǎng)產(chǎn)生電功率的風(fēng)力機(jī)來說，功率效率是關(guān)鍵的參數(shù)。
為了提供高功率效率，必須以盡可能少的關(guān)機(jī)(shutdown)事件將風(fēng)力機(jī) 連接到電網(wǎng)。
使風(fēng)力機(jī)關(guān)機(jī)的一種公知的差錯(cuò)來源是功率發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置感測 (sensing )或位置編碼。例如，雙反饋感應(yīng)型發(fā)電機(jī)需要精確感測發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子的角位置，例如在+/-1'之內(nèi)，以便控制系統(tǒng)將來自發(fā)電機(jī)的電功 率信號(hào)匹配到電網(wǎng)，從而可靠而平穩(wěn)地向電網(wǎng)傳輸電功率。歸因于高 電流，即使短期的差錯(cuò)或無位置信號(hào)也會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的緊急關(guān)機(jī)， 從而導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的總功率效率變差。此外，即使位置信號(hào)的微小差錯(cuò) 也會(huì)造成來自發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的不希望的電壓峰，從而降低輸送到電網(wǎng)的 電功率的質(zhì)量。
^^知通常稱為位置編碼器的位置感測裝置，最終會(huì)在其輸出的位置信 號(hào)中產(chǎn)生差錯(cuò)。此外，這樣的裝置通常被機(jī)械地連接到發(fā)電機(jī)的軸，因而 包括以發(fā)動(dòng)機(jī)的軸的速度(例如，1500rpm或更高)運(yùn)轉(zhuǎn)的部件。因此， 位置編碼器的軸承等等具有有限的壽命，于是，早期檢測位置編碼器的問 題對(duì)于避免位置編碼器的完全損壞是極其重要的，位置編碼器的完全損壞 將使風(fēng)力機(jī)關(guān)機(jī)直到更換了位置編碼器。還可能僅基于來自發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)向其輸送功率的電網(wǎng)的電輸出信號(hào) 來計(jì)算轉(zhuǎn)子的角位置。這消除了對(duì)于機(jī)械位置編碼器的需要。然而，這樣
的計(jì)算是復(fù)雜的并需要大量的處理功率。此外，如果電網(wǎng)上的電壓很低， 那么計(jì)算的值是不可靠的，并且當(dāng)電網(wǎng)電壓為零時(shí)，不可能進(jìn)行計(jì)算。

發(fā)明內(nèi)容
因此，根據(jù)上述描述，本發(fā)明的一個(gè)目的為提供一種電功率發(fā)電機(jī)系 統(tǒng)，其能夠改善對(duì)從位置編碼器接收的位置信號(hào)的處理以便能夠以減少的 關(guān)機(jī)數(shù)量更可靠地操作發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。
在第一方面，本發(fā)明提供了一種電功率發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括 一功率發(fā)電機(jī)，其包括連接到軸的轉(zhuǎn)子；
一位置編碼器，所述位置編碼器被配置為通過機(jī)械連接到所述軸來感
測所述轉(zhuǎn)子的角位置，并產(chǎn)生代表所述轉(zhuǎn)子的角位置的位置信號(hào)；以及 一處理器，其優(yōu)選為數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，并被配置為 一從所述位置編碼器接收所述位置信號(hào)； —響應(yīng)所述位置信號(hào)提供所述轉(zhuǎn)子的計(jì)算的角位置； 一基于早先接收的位置信號(hào)提供所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)的角位置；以及 —基于至少一種預(yù)定的控制算法，從所述計(jì)算的角位置和所迷估 計(jì)的角位置產(chǎn)生處理的角位置。
因?yàn)檫@樣的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)考慮了基于來自位置編碼器的最新位置信號(hào)和 基于早先的位置輸入兩者而計(jì)算的角位置來提供處理的角位置，因此這樣 的處理的角位置將比基于來自位置編碼器的一個(gè)單一位置信號(hào)直接計(jì)算的 角位置更加可靠。因此，所述處理的角位置不易受到從位置編碼器所接收 的位置信號(hào)中的差錯(cuò)的影響。
歸因于估計(jì)的角位置，可以檢測出位置信號(hào)中的差錯(cuò)并且在某種程度 上還可以校正這樣的差錯(cuò)，即使在位置編碼器短時(shí)段內(nèi)停止運(yùn)行的情況下， 也可以提供控制算法，使得通過完全依賴于在這個(gè)時(shí)段內(nèi)的估計(jì)的角位置， 處理的角位置足夠可靠地維持功率發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的正常操作。隨后將描述計(jì)算并利用估計(jì)的角位置以產(chǎn)生更可靠的處理的角位置的更具體的方法。
其功率產(chǎn)生功能依賴于對(duì)轉(zhuǎn)子位置精確了解的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，例如雙反
饋感應(yīng)型發(fā)電機(jī)，將較少地受到會(huì)造成差的電力質(zhì)量或緊急關(guān)機(jī)的位置編
碼器差錯(cuò)的影響，并且即使在位置編碼器永久故障的情況下，系統(tǒng)也將有
時(shí)間以受控的方式關(guān)機(jī)而不需要緊急關(guān)機(jī)。
根據(jù)上述內(nèi)容，根據(jù)所述第 一方面的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)非常適合于其中可靠
操作和高功率效率是關(guān)鍵參數(shù)的風(fēng)力機(jī)和其他的功率發(fā)電機(jī)?？梢詼p小由
位置編碼器問題所造成的風(fēng)力機(jī)停止產(chǎn)生電功率的時(shí)長。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的現(xiàn) 代發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括數(shù)字信號(hào)處理器，因此可以完全通過在這樣的處理器上 運(yùn)行的軟件來執(zhí)行位置信號(hào)的必要處理。然而，如果需要，所述處理或其 一部分還可以包括才莫擬處理部分。
下面，將描述優(yōu)選的實(shí)施例，尤其是關(guān)于所述預(yù)定控制算法的實(shí)施例。 處理器可包括校正單元，所述校正單元被配置為在計(jì)算角位置之前檢 測和校正位置信號(hào)中的預(yù)定類型的差錯(cuò)，由此對(duì)期望的位置信號(hào)進(jìn)行預(yù)過 濾，以去除來自位置編碼器的位置信號(hào)中的已知類型的臨時(shí)差錯(cuò)。由此， 基于校正的位置信號(hào)計(jì)算的角位置信號(hào)變得更加可靠，因此可以避免由已 知類型的臨時(shí)差錯(cuò)所導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)關(guān)機(jī)。具體而言，可以基于位置編 碼器的預(yù)先存儲(chǔ)的特性(例如，其角分辨率)來校正差錯(cuò)，由此利用從位 置編碼器接收的位置信號(hào)中的冗余信息。還可以基于功率發(fā)電機(jī)的預(yù)先存 儲(chǔ)的特性(例如，其最大可能的角加速度)來校正差錯(cuò)，由此可以拒絕位 置信號(hào)中這樣的值，該值反映出特定發(fā)電機(jī)物理上不可能的角加速度。校
正位置信號(hào)中的差4晉優(yōu)選包括下列步驟中的 一個(gè)或多個(gè)1)去除可能由電 噪聲或系統(tǒng)的數(shù)字部分中的"懸浮(hanging)"位所造成的峰；2)去除 可能由系統(tǒng)的數(shù)字部分中的一個(gè)或多個(gè)"懸浮"位造成的值偏移；3)限制 可能由各種因素造成的超過預(yù)定值的角加速度；以及4)補(bǔ)償可能由干擾 信號(hào)或丟失而造成的每周旋轉(zhuǎn)的非預(yù)期的脈沖數(shù)目。
處理器優(yōu)選包括估計(jì)單元，該估計(jì)單元包括鎖相環(huán)(PLL)即包括本 領(lǐng)域公知的積分器和PI調(diào)節(jié)器,其中估計(jì)單元基于早先的角位置輸入產(chǎn)生
7估計(jì)的角位置。以該方式，使用PLL以過濾輸入角位置，并由此估計(jì)哪個(gè) 角位置是期望的，從而可以評(píng)價(jià)角位置值的可靠性。處理器可被配置為， 取決于例如評(píng)價(jià)哪一個(gè)被認(rèn)為是最可靠的來進(jìn)行選擇以將角位置或估計(jì)的 角位置作為輸入施加到估計(jì)單元。
預(yù)定的控制算法被配置為使得處理的角位置是來自PLL的輸出，由此 提供由PLL基于先前的角位置輸入而過濾的角位置的可靠測量。具體而 言，通過外推算法例如通過假設(shè)轉(zhuǎn)子角速度恒定，由處理的角位置計(jì)算估 計(jì)的角位置，從而領(lǐng)先一個(gè)樣本獲得角位置的良好估計(jì)。
處理器優(yōu)選包括差錯(cuò)處理單元，所述差錯(cuò)處理單元被配置為基于比較 角位置與估計(jì)的角位置來檢測差錯(cuò)，其中在檢測出差錯(cuò)的情況下差錯(cuò)處理 單元選擇將估計(jì)的角位置作為輸入施加到估計(jì)單元。如果沒有檢測出差錯(cuò)， 選擇基于最新的位置信號(hào)輸入計(jì)算出的角位置信號(hào)作為到估計(jì)單元的輸 入。在簡單的實(shí)施例中，在角位置與估計(jì)的角位置之間的差異超過預(yù)定的 值或偏離超過特定的百分比的情況下，差錯(cuò)處理單元檢測出差錯(cuò)。然而， 還可以使用更復(fù)雜的算法或標(biāo)準(zhǔn)用于檢測差錯(cuò)。
在一個(gè)實(shí)施例中，差錯(cuò)處理單元被配置為在檢測到差錯(cuò)的情況下選擇 輸出估計(jì)的角位置作為處理的角位置。優(yōu)選地，計(jì)算的角位置和估計(jì)的角 位置中的最可靠的一個(gè)值被輸出作為處理的角位置。由此，在該實(shí)施例中， 差錯(cuò)處理單元是軟件開關(guān)，其在沒有檢測出差錯(cuò)的情況下輸出計(jì)算的角位 置，而在檢測出差錯(cuò)的情況下輸出估計(jì)的角位置。
差錯(cuò)處理單元可^皮配置為產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)，該差錯(cuò)信號(hào)指示在位置編碼 器中存在差錯(cuò)。這樣的差錯(cuò)信號(hào)可以用于呼叫可以更換位置編碼器的服務(wù) 人員，或者，差錯(cuò)信號(hào)可以由控制系統(tǒng)使用以啟動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的受控關(guān)機(jī)。 具體而言，在預(yù)定的時(shí)長期間檢測出預(yù)定數(shù)目的差錯(cuò)之后，差錯(cuò)處理單元 產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)。因此，可以在幾個(gè)臨時(shí)差錯(cuò)的期間保持正常操作，該差錯(cuò)
信號(hào),iu^時(shí)直到在限定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生大數(shù)目的差錯(cuò)。因此，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的
功率效率得到提高，同時(shí)還提供了安全裕度而不需要緊急關(guān)機(jī)。
位置編碼器基本上可以是任何類型的位置編碼器，但優(yōu)選是輸送電位置信號(hào)的位置編碼器。具體而言，編碼器可以以三線數(shù)字位置信號(hào)的形式輸送位置信號(hào)，例如，光學(xué)型位置編碼器以電脈沖形式輸送三線信號(hào)，其中兩個(gè)線提供了對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子的每個(gè)部分旋轉(zhuǎn)的脈沖，而 一個(gè)線提供了對(duì)應(yīng)
于轉(zhuǎn)子的每個(gè)整周旋轉(zhuǎn)的脈沖(復(fù)位信號(hào))。具體而言，以至少2KHz的取樣頻率，例如5KHz的取樣頻率，還可能大于10KHz的取樣頻率，來取樣位置信號(hào)。
如果功率發(fā)電機(jī)是雙反饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是特別適合的，因?yàn)檫@樣的發(fā)電機(jī)類型需要指示出轉(zhuǎn)子位置的精確角位置信號(hào)以便在連接到電網(wǎng)時(shí)能夠適當(dāng)?shù)剡\(yùn)作。
發(fā)電機(jī)系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)被配置為接收處理的角位置并由此控制下列中的至少一個(gè)1)功率發(fā)電機(jī)到電網(wǎng)的電連接，以及2)功率發(fā)電機(jī)的振動(dòng)電平(level)。在1)情況下，歸因于可靠的處理的角位置，可以獲得具有高功率效率和高電力質(zhì)量的可靠操作。在2)的情況下，通過精確和可靠的處理的角位置，可以有效和穩(wěn)定地衰減由發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的振動(dòng)電平。
優(yōu)選地，處理器被配置為檢測位置編碼器中的差錯(cuò)并由此產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)，其中控制系統(tǒng)被配置為響應(yīng)該差錯(cuò)信號(hào)啟動(dòng)與電網(wǎng)的受控?cái)嚅_過程。通過這樣的差錯(cuò)處理，即使在位置編碼器完全損壞的情況下，也可以消除緊急關(guān)才幾。
在第二方面，本發(fā)明提供了包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的功率發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)力4幾。所述風(fēng)力機(jī)優(yōu)選被配置為向電網(wǎng)輸送電功率，其中處理的角位置用于消除歸因于位置編碼器中的差錯(cuò)的緊急關(guān)機(jī)，例如，如上述第一方面所描述的。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的兩個(gè)單獨(dú)方面可以互相組合，描述用于第一方面的實(shí)施例也可以適用于第二方面。


現(xiàn)在參照附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，圖中圖1示例了功率發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的基本部件；圖2示例了一種處理器實(shí)施例；圖3示例了另一處理器實(shí)施例；圖4示例了第三處理器實(shí)施例；
圖5示例了來自位置編碼器的位置信號(hào)中的可能的差錯(cuò)；以及圖6示例了連接到電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。
附圖具體示例了實(shí)施本發(fā)明的方法，但不應(yīng)被解釋為限制落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的其他可能的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1示例了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的基本部件。電功率發(fā)電機(jī)GEN包括由軸驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。在用于風(fēng)力機(jī)的發(fā)電機(jī)情況下，葉片通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)GEN的軸。發(fā)電機(jī)GEN具有多個(gè)相位，每一個(gè)相位產(chǎn)生可以用于將電能供給到電網(wǎng)(例如，公共電網(wǎng))的電功率信號(hào)。位置編碼器ENC被機(jī)械地連接到發(fā)電機(jī)軸以感測轉(zhuǎn)子的角位置，其中轉(zhuǎn)子的角位置是用于控制多種類型的發(fā)電機(jī)例如雙反饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的重要參數(shù)。
通常通過較剛性(stiff)的耦合將位置編碼器ENC連接到軸，因而即使位置編碼器ENC相對(duì)于發(fā)電機(jī)軸的小的不對(duì)準(zhǔn)也會(huì)^f吏位置編碼器ENC中的軸承磨損。典型的位置編碼器ENC基于光學(xué)來讀取與軸一起旋轉(zhuǎn)的盤，盤被角度地分為黑色和白色的區(qū)段，例如，每整周旋轉(zhuǎn)共1024個(gè)區(qū)段。光學(xué)傳感器用于遵從黑色和白色區(qū)段的通過而產(chǎn)生脈沖形式的位置信號(hào)PS。
然后，通過處理器DSP (優(yōu)選為數(shù)字信號(hào)處理器DSP)處理位置信號(hào)PS,其將位置信號(hào)PS內(nèi)在地轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏恢?，該角位置反?yīng)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位置。在處理器中進(jìn)行進(jìn)一步處理，以便得到例如將在下面進(jìn)一步描述的更可靠的處理的角位置PAP。具體而言，可以使用這樣的處理的角位置PAP來控制發(fā)電機(jī)GEN到電網(wǎng)的電耦合，由此，在位置信號(hào)PS中存在臨時(shí)差錯(cuò)的情況下獲得更可靠的操作而不需要關(guān)機(jī)。在位置編碼器ENC完全癱瘓的情況下，處理的角位置PAP基于較早的位置信號(hào)PS輸入，由此允許足夠長的正常操作以避免緊急關(guān)機(jī)。下面將描述處理器的不同實(shí)施例。
圖2示例了根據(jù)本發(fā)明的處理器DSP的實(shí)施例。在處理器DSP中接收來自位置編碼器的位置信號(hào)PS，并且該位置信號(hào)PS被輸入到角位置計(jì)算單元ACU，計(jì)算單元ACU相應(yīng)地計(jì)算角位置AP。應(yīng)該理解，該角位置AP的計(jì)算將高度依賴于位置信號(hào)PS的類型。然而，在位置信號(hào)PS為每整周旋轉(zhuǎn)中的多個(gè)脈沖的形式的情況下，ACU將包括計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)直到每整周旋轉(zhuǎn)的已知的脈沖數(shù)目，然后脈沖的計(jì)數(shù)被直接轉(zhuǎn)變?yōu)? -360'范圍中的角位置AP或相似的角度表達(dá)。優(yōu)選地，位置信號(hào)PS包括每整周旋轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖形式的復(fù)位信號(hào)，其能啟動(dòng)對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的精確角位置的準(zhǔn)確的角度補(bǔ)償(offset)。
然后，將計(jì)算的角位置AP作為輸入施加給預(yù)定的控制算法CA，控制算法CA包括差錯(cuò)處理單元EHU。差錯(cuò)處理單元EHU比較計(jì)算的角位置AP與從估計(jì)單元EST接收的估計(jì)的角位置EAP,該估計(jì)單元EST包括這樣的算法，該算法被設(shè)置為優(yōu)選考慮幾個(gè)早先的輸入樣本來預(yù)言下一個(gè)樣本值(即，下一個(gè)預(yù)期的角位置)，由此產(chǎn)生可靠的估計(jì)的角位置。
差^l晉處理單元EHU通過該比較來決定計(jì)算的角位置AP和估計(jì)的角位置EAP中的哪一個(gè)可以被認(rèn)為是最可靠的，然后輸出這兩個(gè)中的最可靠的一個(gè)作為到估計(jì)單元EST的輸入EI。優(yōu)選地， 一個(gè)樣本一個(gè)樣本地進(jìn)行該比較，并且可以基于計(jì)算AP與EAP值之間的簡單的差異來進(jìn)行選擇。如果差異超過某一預(yù)定的值或百分比，便決定將估計(jì)的角位置EAP作為輸入EI提供到估計(jì)單元EST,因?yàn)榭梢詉人為是錯(cuò)誤的位置信號(hào)PS造成了大的偏差。該過程確保了僅僅將最可靠的值輸入到估計(jì)單元EST中，由此增加了估計(jì)的角位置EAP的質(zhì)量。在示例的實(shí)施例中，預(yù)定的控制算法CA的輸出，進(jìn)而處理器DSP的最終輸出，即處理的角位置PAP，也由估計(jì)單元EST產(chǎn)生，如將要結(jié)合圖4所示例的實(shí)施例所進(jìn)行的更詳細(xì)的解釋。
圖3示例了另一處理器DSP實(shí)施例。該DSP實(shí)施例與圖2的實(shí)施例的區(qū)別僅僅與差錯(cuò)處理單元EHU和估計(jì)單元EST有關(guān)。在圖3中，差錯(cuò)處理單元不僅決定將AP和EAP中哪一個(gè)作為輸入EI提供到估計(jì)單元EST，例如上面所解釋。差錯(cuò)處理單元EHU還輸出處理的角位置PAP，即作為AP和EAP中被認(rèn)為最可靠的一個(gè)。在差錯(cuò)處理單元EHU決定了 AP —定是4昔誤的情況下，EAP作為處理的角位置PAP凈皮輸出，而在沒有檢測出差錯(cuò)的情況下，AP作為處理的角位置PAP^皮輸出。
圖4示例了又一處理器DSP實(shí)施例。與圖2的實(shí)施例相比，在角計(jì)算單元ACU的前面包括了預(yù)過濾器或校正單元CORR。該校正單元CORR響應(yīng)位置信號(hào)產(chǎn)生校正的CPS。校正單元CORR可以分析位置信號(hào)PS以檢測可能會(huì)臨時(shí)(即，在單樣本中或在少數(shù)的隨后的樣本中)發(fā)生的多種不同類型的差錯(cuò)，由此便能夠檢測出差錯(cuò)，多個(gè)隨后的樣本是必須考慮的。在長的時(shí)長中觀察到了差錯(cuò)的情況下，校正單元CORR優(yōu)選被配置為產(chǎn)生這樣的差錯(cuò)信號(hào)，該差錯(cuò)信號(hào)可以用于呼叫服務(wù)人員和/或以受控的形式關(guān)閉發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。然而，優(yōu)選僅僅檢測并校正臨時(shí)差錯(cuò)，使得可以維持正常操作。隨后將參考圖5來解釋可以檢測出的差錯(cuò)的實(shí)例。
在圖4中，差錯(cuò)處理單元EHU的作用對(duì)應(yīng)于參考圖2所解釋的，然而，在該實(shí)施例中，如果檢測出了角位置AP信號(hào)中的差錯(cuò)，差錯(cuò)處理單元EHU可以產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)ERRS。該差錯(cuò)信號(hào)ERRS可以用于以受控的方式關(guān)閉發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)差錯(cuò)處理單元EHU選擇永久提供EAP作為到估計(jì)單元EST的輸入EI，由此以提供足夠長的可接受質(zhì)量的處理角位置PAP，以確保在受控關(guān)機(jī)期間的正常操作。
此外，與圖2相比，圖4的差錯(cuò)處理單元EHU具有兩個(gè)額外的輸入，即1)來自第二位置編碼器設(shè)備的額外的位置信號(hào)EPS,該第二位置編碼器設(shè)備連接用于感測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位置，以及2)來自發(fā)電機(jī)的電輸入GI,其作為到無傳感器計(jì)算單元SCU的輸入，以僅僅基于來自發(fā)電機(jī)的該電輸入GI (即，不包括任何機(jī)械位置傳感器)計(jì)算又一角位置AP2。這在本領(lǐng)域是公知的。
在主位置編碼器失效的情況下，例如，在其故障的情況下，差錯(cuò)處理單元EHU可以使用這些冗余的角位置數(shù)據(jù)AP2、 EPS以支持基于主位置編碼器的角位置AP。這有助于維持正常操作直到替換了主位置編碼器。在這樣的情況下，差錯(cuò)處理單元將產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)ERRS,但卻可以安全地維持操作，由此發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以維持功率產(chǎn)生直到更換了主位置編碼器。為了減少對(duì)處理器DSP計(jì)算能力的要求，優(yōu)選地，無傳感器計(jì)算單元SCU僅僅在基于主位置編碼器的角位置AP中檢測出了差錯(cuò)的情況下是激活的。相同的情況可應(yīng)用于考慮到來自額外的位置編碼器的位置信號(hào)EPS所需的額外計(jì)算。
在圖4中，估計(jì)單元EST包括鎖相環(huán)PLL，其接收輸入EI并響應(yīng)于輸入EI的序列進(jìn)一步產(chǎn)生處理的角位置PAP，由此提供過濾的處理的角位置PAP,該P(yáng)AP被i人為比直接計(jì)算的角位置AP更可靠。應(yīng)該理解，PLL的設(shè)計(jì)包括多個(gè)變量，例如帶寬，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以選擇這些變量以便適合于發(fā)電機(jī)、位置編碼器等等的特性。此外，這些變量的選擇將依賴于輸出角位置的使用。由此，處理器DSP可以包括兩個(gè)或更多的PLL，這些PLL用以輸出適合于各不同目的的各估計(jì)或處理的角位置PAP,例如，這樣的多個(gè)PLL可具有不同的帶寬。
圖5示例了對(duì)于特定類型的位置編碼器，其位置信號(hào)中的一些典型的差錯(cuò)，這些典型的差錯(cuò)可以基于校正單元CORR中的檢測而被檢測和校正，如參考圖4的實(shí)施例所解釋的。圖5示例了對(duì)位置信號(hào)PS中脈沖的計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)針對(duì)轉(zhuǎn)子軸每整周旋轉(zhuǎn)360'所接收的4096個(gè)脈沖中的每一個(gè)。轉(zhuǎn)子軸每旋轉(zhuǎn)一周，還預(yù)期位置編碼器提供一個(gè)復(fù)位脈沖。 一種類型的差錯(cuò)為例如在一個(gè)樣本時(shí)長的位置信號(hào)PS中的干擾峰或尖峰El,其由先前(preceding)數(shù)字電路中的"懸浮(hanging)"位、或電噪聲等等造成。校正單元CORR優(yōu)選通過比較樣本值與之前的樣本值來檢測這樣的峰E1，如果當(dāng)前的樣本值超過預(yù)定的改變，那么當(dāng)前的樣本值便被檢測為峰E1，并且該值可以被忽略或校正，即，檢測為峰的樣本值可以被校正為從之前的值所預(yù)期的值。
另一類型的差錯(cuò)為值偏移E2， E2是與所預(yù)期的值相比具有升高的(或降低的)值的多個(gè)后續(xù)樣本，例如其受先前數(shù)字電路(例如，位置編碼器中的數(shù)字輸出電路)中的一個(gè)或多個(gè)"懸浮"位的影響。校正單元CORR可以容易地檢測并校正大的偏移，但是在小偏移的情況下，偏移不能被校正單元CORR檢測出。然而，在該情況下，通過包括估計(jì)單元EST的環(huán)路至少可以抑制偏移E2的影響。
可以這樣檢測超過特定的發(fā)電機(jī)的可能加速的加速E3，即通過例如計(jì)算多個(gè)樣本的角加速度并比較該計(jì)算結(jié)果與預(yù)先存儲(chǔ)的值，其中預(yù)先存儲(chǔ)的值對(duì)應(yīng)于特定發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以產(chǎn)生的最大角加速度。如果計(jì)算的角加速度超過該值，其必然歸因于位置信號(hào)中的差錯(cuò)。例如，超過轉(zhuǎn)子的最大可能角加速度的這樣的加速度E3可以如此被校正，即將多個(gè)樣本中的值校正為轉(zhuǎn)子的最大可能角加速度。這雖然仍然不是完全的校正，但因?yàn)榭紤]了物理限制，因此至少更加接近真實(shí)值。然后，包括估計(jì)單元EST的環(huán)路將減小剩余的差錯(cuò)。
差錯(cuò)E4表示早于預(yù)期而接收的復(fù)位信號(hào)。該信號(hào)可以這樣檢測，如果計(jì)數(shù)器例如僅僅達(dá)到預(yù)期的4096中的3000，復(fù)位信號(hào)必然是干擾信號(hào)因而應(yīng)該被忽略，因?yàn)榭梢詻Q定只有離預(yù)期的脈沖最大數(shù)目+/-—個(gè)樣本內(nèi)的復(fù)位信號(hào)才是可,皮接受的。
差錯(cuò)E5與差錯(cuò)E4相反，即，丟失的復(fù)位信號(hào)或復(fù)位信號(hào)到達(dá)得太晚，即，在接收到預(yù)期的最大數(shù)目脈沖(例如，所示例的4096)之后?？梢孕拚摬铄e(cuò)，因?yàn)樵跊]有接收到復(fù)位信號(hào)的情況下，最遲在檢測到預(yù)期最大脈沖數(shù)目之后的一個(gè)樣本處復(fù)位計(jì)數(shù)器。如果在幾個(gè)這樣的校正之后根本沒有接收到復(fù)位信號(hào)，校正單元便產(chǎn)生指示了位置編碼器已被損壞的差錯(cuò)信號(hào)，因?yàn)殄e(cuò)誤地接收了太多的脈沖，或錯(cuò)誤地未接收復(fù)位信號(hào)。
通過選擇適宜的算法，可以在預(yù)過濾或校正單元CORR中已經(jīng)將這些差錯(cuò)E1、 E2、 E3、 E4、 E5檢測并校正。如果在校正單元CORR中未檢測或適宜地校正某一差錯(cuò)，將導(dǎo)致偏離的角位置AP,該偏離的角位置AP將最可能在差錯(cuò)處理單元EHU中被檢測為差錯(cuò)和/或至少在估計(jì)單元EST中被過濾，使得處理的角位置PAP不會(huì)受到單一或少數(shù)錯(cuò)誤樣本的嚴(yán)重影響。
差錯(cuò)E6示例了真實(shí)角轉(zhuǎn)子位置的錯(cuò)誤過濾，其歸因于位置編碼器被稍微偏心地安裝到轉(zhuǎn)子軸，因而輸出了沒有精確反應(yīng)真實(shí)轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào)。錯(cuò)-溪過濾E6還可以歸因于位置編碼器的旋轉(zhuǎn)部分與位置編碼器外殼之間的振蕩或振動(dòng)，這將導(dǎo)致不能精確遵從真實(shí)轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào)，但是該位置信號(hào)將受這樣的振蕩/振動(dòng)調(diào)制。在校正單元CORR中可能不能檢測和校正這樣的過濾差錯(cuò)，但是在包括估計(jì)單元EST的環(huán)路中將可以消除或至少抑制這樣的差錯(cuò)E6，因此差錯(cuò)E6將不會(huì)顯著地影響處理的角位置PAP。
圖6示例了連接到電網(wǎng)EG的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，例如風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。位置編碼器ENC被連接到發(fā)電機(jī)GEN，例如雙反饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，以感測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位置。位置編碼器產(chǎn)生三個(gè)信號(hào)來響應(yīng)每個(gè)角分辨率一次的第 一脈沖信號(hào)A、對(duì)應(yīng)于第 一脈沖A但在時(shí)間上偏移了的第二脈沖信號(hào)B、以及形式為每整周360'旋轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖的復(fù)位信號(hào)Z。這些信號(hào)A、B、 Z由處理器DSP接收，其產(chǎn)生處理的角位置PAP來響應(yīng)，如上面所解釋的。此外，如上所述，處理器DSP被配置為在檢測出位置編碼器ENC故障的情況下產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)ERRS?？刂葡到y(tǒng)CS處理電功率從發(fā)電機(jī)GEN到電網(wǎng)EG的匹配。為了這樣做，控制系統(tǒng)CS接收處理的角位置PAP，并且控制系統(tǒng)被配置為接收差錯(cuò)信號(hào)ERRS，以能夠啟動(dòng)受控關(guān)機(jī)來響應(yīng)。在風(fēng)力機(jī)的情況下，可以在一秒內(nèi)執(zhí)行受控關(guān)機(jī)。
將遵從的精確差錯(cuò)處理策略依賴于特定的設(shè)置中的多個(gè)因子，然而通過上面所解釋的處理的角位置PAP,發(fā)電機(jī)系統(tǒng)將具有提高的可能性維持正常操作。在位置編碼器ENC故障的情況下，至少發(fā)電機(jī)系統(tǒng)將具有足夠時(shí)間以進(jìn)行受控關(guān)機(jī)?？傊景l(fā)明提供了具有改善的功率效率的電功率發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，該改善的功率效率歸因于減小了對(duì)感測角轉(zhuǎn)子位置時(shí)的差錯(cuò)的敏感性。該系統(tǒng)包括具有轉(zhuǎn)子的功率發(fā)電機(jī)、以及連接的感測轉(zhuǎn)子的角位置并由此產(chǎn)生位
置信號(hào)的位置編碼器。處理器接收位置信號(hào)，計(jì)算角位置以響應(yīng)，基于早先接收的位置信號(hào)計(jì)算估計(jì)的角位置，并最終基于計(jì)算的角位置和估計(jì)的角位置產(chǎn)生處理的角位置。該處理的角位置是對(duì)轉(zhuǎn)子位置的更可靠的測量，因?yàn)槠浠谙惹暗奈恢幂斎?，?yōu)選幾個(gè)先前的位置輸入。這提供了對(duì)位置信號(hào)的短期差錯(cuò)的高免疫性，對(duì)于例如風(fēng)力機(jī)，這意味著可以在位置編碼器臨時(shí)故障的情況下維持正常操作，并且在完全失效的情況下，能將操作維持得足夠長以避免緊急關(guān)機(jī)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，處理器被配置為預(yù)過濾位置信號(hào)，即，在計(jì)算角位置之前進(jìn)行檢測并校正。還優(yōu)選包括差錯(cuò)處理，該差錯(cuò)處理基于對(duì)估計(jì)的角位置與計(jì)算的角位置的比較，并由此確定到基于鎖相環(huán)的估計(jì)器的輸入，該估計(jì)器還用于提供處理的角位置。雖然通過特定的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但不能以任何方式將其解釋為局限于呈現(xiàn)的實(shí)例。應(yīng)該根據(jù)所附權(quán)利要求解釋本發(fā)明的范圍。在權(quán)利要求的上下文中，術(shù)語"包括"或"包含"不排除其他可能的單元或步驟。此外，所提及的"一"或"一個(gè)"不應(yīng)被解釋為排除了多個(gè)。不應(yīng)將與附圖中指示的單元相關(guān)的權(quán)利要求中的參考標(biāo)記解釋為限制本發(fā)明的范圍。此外，在不同的權(quán)利要求中提及的單獨(dú)的特征可能有利地進(jìn)行組合，并且不同權(quán)利要求中對(duì)這些特征的提及并不排除特征的組合是不可能和有利的。
權(quán)利要求
1. 電功率發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括功率發(fā)電機(jī)(GEN)，包括通過軸驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子；位置編碼器(ENC)，被配置為通過至所述軸的機(jī)械連接來感測所述轉(zhuǎn)子的角位置，并產(chǎn)生表示所述轉(zhuǎn)子的角位置的位置信號(hào)(PS)；以及處理器(DSP)，其被配置為響應(yīng)所述位置信號(hào)(PS)計(jì)算角位置(AP)；基于早先接收的位置信號(hào)計(jì)算估計(jì)的角位置(EAP)；以及基于所述計(jì)算的角位置(AP)和所述估計(jì)的角位置(EAP)產(chǎn)生處理的角位置(PAP)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述處理器(DSP)包括校正單元 (CORR)，所述校正單元(CORR)被配置為在計(jì)算所述角位置(AP)之前檢測并校正所述位置信號(hào)(PS)中的預(yù)定類型的差錯(cuò)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述處理器(DSP)被配置為基于所 述位置編碼器(ENC)的預(yù)先存儲(chǔ)的特性例如其角分辨率來校正所述位置 信號(hào)(PS)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3的系統(tǒng)，其中所述處理器(DSP)被配置為基 于所述功率發(fā)電機(jī)的預(yù)先存儲(chǔ)的特性例如其最大可能的角加速度來校正所 述位置信號(hào)(PS)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2-4中的任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中對(duì)所述位置信號(hào)(PS) 中差錯(cuò)的校正包括下列中的至少一項(xiàng)去,(E1)，去除值偏移(E2)， 限制超過預(yù)定值的角加速度(E3)，以及補(bǔ)償每周旋轉(zhuǎn)的非預(yù)期數(shù)目的脈 沖(E4， E5)。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述處理器(DSP) 包括估計(jì)單元(EST)，所述估計(jì)單元(EST)包括鎖相環(huán)(PLL)，其 中所述估計(jì)單元(EST)基于早先的角位置輸入(EI)產(chǎn)生所述估計(jì)的角 位置(PAP )。
7. 才艮據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述處理器(DSP)被配置為進(jìn)行選 擇以將所述角位置(AP)或所述估計(jì)的角位置(EAP)作為輸入(EI)施 加到所述估計(jì)單元(EST)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7的系統(tǒng)，其中所述處理的角位置(PAP)由所 述鎖相環(huán)(PLL)輸出。
9. 根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中所述估計(jì)的角位置(EAP)是通過 外推(EX)算法例如通過假設(shè)所述轉(zhuǎn)子的角速度恒定，從所述處理的角位 置(PAP)中計(jì)算。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求6-9中的任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述處理器 (DSP )包括差錯(cuò)處理單元(EHU )，所述差錯(cuò)處理單元(EHU )被配置為基于比較所述角位置(AP)與所述估計(jì)的角位置(EAP)來檢測差錯(cuò)， 以及其中所述差錯(cuò)處理單元(EHU)在檢測出差錯(cuò)的情況下選擇將所述估 計(jì)的角位置(EAP)作為輸入(EI)施加到所述估計(jì)單元(EST)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中所述差錯(cuò)處理單元(EHU )被配置 為在所述角位置(AP)與所述估計(jì)的角位置(EAP)之間的差異超過預(yù)定 值的情況下可以檢測到差錯(cuò)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11的系統(tǒng)，其中所述差錯(cuò)處理單元(EHU) 被配置為在檢測出差錯(cuò)的情況下選擇將所述估計(jì)的角位置(EAP)輸出作 為所述處理的角位置(PAP)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10-12中的任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述差錯(cuò)處理單 元(EHU)被配置為產(chǎn)生指示出在所述位置編碼器(ENC)中存在差錯(cuò)的 差錯(cuò)信號(hào)(ERRS)，例如在預(yù)定的時(shí)長期間檢測出預(yù)定數(shù)目的差錯(cuò)之后 產(chǎn)生所述差錯(cuò)信號(hào)(ERRS)。
14. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述位置編碼器 (ENC)產(chǎn)生的所述位置信號(hào)(PS)是三線數(shù)字位置信號(hào)(A， B， Z)，例如，以至少2KHz例如5KHz的取樣頻率取樣的位置信號(hào)(PS )。
15. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述功率發(fā)電機(jī) (GEN)是雙反饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)。
16. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括控制系統(tǒng)(CS)， 所述控制系統(tǒng)(CS)被配置為接收所述處理的角位置(PPS)并由此控制 下列中的至少一項(xiàng)所述功率發(fā)電機(jī)(GEN)到電網(wǎng)(EG)的電連接， 以及所述功率發(fā)電機(jī)(GEN)的振動(dòng)電平。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為檢測所述位置 編碼器(ENC)中的差錯(cuò)并由此產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)(ERRS),以及其中所述 控制系統(tǒng)(CS);陂配置為響應(yīng)于所述差錯(cuò)信號(hào)(ERRS)啟動(dòng)從所述電網(wǎng)(EG)的受控?cái)嚅_過程。
18. —種風(fēng)力機(jī)，包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中的任何一項(xiàng)的功率發(fā)電機(jī) 系統(tǒng)，例如， 一種配置用于向電網(wǎng)(EG)輸送電功率的風(fēng)力機(jī)，其中所述 處理的角位置(PPS)用于消除由所述位置編碼器(ENC)中的差錯(cuò)造成 的緊急關(guān)機(jī)。
全文摘要
提供一種智能處理位置信號(hào)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括具有轉(zhuǎn)子的功率發(fā)電機(jī)、以及連接的用于感測所述轉(zhuǎn)子的角位置并由此產(chǎn)生位置信號(hào)的位置編碼器。一種處理器接收所述位置信號(hào)，計(jì)算角位置以響應(yīng)，基于早先接收的位置信號(hào)計(jì)算估計(jì)的角位置，并最終基于所述計(jì)算的角位置和所述估計(jì)的角位置產(chǎn)生處理的角位置。因?yàn)樗鎏幚淼慕俏恢没谠缦鹊奈恢幂斎耄运鎏幚淼慕俏恢檬撬鲛D(zhuǎn)子位置的更可靠的測量。這提供了對(duì)于所述位置信號(hào)中的短期差錯(cuò)的高免疫力，并且對(duì)于例如風(fēng)力機(jī)，這意味著在所述位置編碼器臨時(shí)故障的情況下可以維持正常操作，以及在完全失效的情況下可以足夠長地維持操作以避免緊急關(guān)機(jī)。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101465551SQ20081018600
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者F·B·本迪克森, K·B·拉森, M·L·勞 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)有限公司