专利名称：应用于风机控制系统的高精度温度检测装置及检测方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于风力发电机的温度检测技术，特别是涉及一种高精度的温度检测装置及方法。
背景技术：
近年来，在国家政策的大力扶持下，风电设备制造业进入了黄金期，制造技术和生产能力快速发展，获得了技术和生产经验的积累，尤其是在国内的能源供需矛盾问题越来越严重和电力需求上升的情况下，风电产业得到迅速发展。风电控制系统主要用来确保风力发电机的安全、可靠、高效运行。而温度信息是风电控制系统中的重要参量(齿轮箱油温、高速度轴温度、发电机温度、前主轴承温度、后主轴承温度、控制器环境温度)，风电控制系统要求对温度进行精确测量和控制，在风电行业中钼(PT)热电阻是一种应用广泛的温度传感器，它具有体积小、准确度高、测温范围宽、稳定性好等特点，但它同时也存在非线性的缺点，因此在利用PT热电阻进行精确温度测量时，除要克服测量电路自身的噪声干扰外，还要对PT电阻的非线性进行矫正。传统的PT电阻测温方式，有两线制和三线制两种方式。这两种方式都由信号板提供一个恒流源，恒定的电流流过随温度变化的电阻，产生变化的电压值。CPU根据变化的电压值计算出温度的变化。两线制的测量方法受线路电阻的影响较大，测量结果存在一定的误差；三线制测量方法可以较好的解决线路电阻的问题，但是需要增加一个模拟开关，频繁地在两个回路之间切换。而且，该测量方法缺乏通用性，如果信号板已经制作完成，就很难再扩展测温的路数。上述两种测量方式，不论两线制还是三线制都采用恒流源作为标准电源，而恒流源带载能力很弱，无法加载两路以上的PT电阻输入，否则就会造成较大的电源误差，因此，每一路PT电阻输入都必须对应单一的恒流源，不仅大大增加了成本，而且由于恒流源精度较低，也导致温度测量精度较低。针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的PT电阻测温技术及模块，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供用于风力发电机控制系统的高精度温度检测装置及方法。应用于风机控制系统的高精度温度检测装置，其特征在于包括:基准电压源，将来自外部电源的电压信号转化为需要的电压信号输出至分压电路；分压电路，用于将电阻与PT电阻串联在一起，并施以固定的基准电压，输出电压信号至H型滤波电路；型滤波电路，与PT电阻并联，用于滤除干扰噪声；输入端和输出端都是电压信号;过流保护电路，用于保护AD转换电路，接收来自JI型滤波电路的电压信号，输出电压信号至低通滤波电路；低通滤波电路，用于将滤波后的电压信号输出至AD转换电路；AD转换电路，用于将输入端的电压信号进行模数转换并输出数字电压信号至AD自校准电路和光耦隔离电路；AD自校准电路，用于对AD转换电路进行自校准，与AD转换电路相连接；高速光耦隔离电路，用于对DSP芯片进行保护，输入端接收来自AD转换电路的数字电压信号和DSP芯片的数字控制信号，输出数字电压信号至DSP芯片并将数字控制信号传输给AD转换电路；DSP芯片，用于对电压信号的分析处理，并与风机控制系统主站通信。所述AD转换电路由带有内置PGA寄存器的AD转换芯片和编码器组成，AD转换芯片输出选通信号至编码器；基准电压源输出的基准电压经开关芯片输出至AD转换芯片。所述AD自校准电路由2片开关芯片组成，基准电压源输出基准电压至开关芯片。应用于风机控制系统的高精度温度检测方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤I) AD转换电路初始化；步骤2)对AD转换电路的模拟量输入的通道进行自校准；步骤3)配置PGA参数，并进行电压数据的模数转换；步骤4)利用二次拟合方法将模数转换后的电压数字量转换成电阻值；步骤5)利用查表法和分段线性化方法得出电阻值对应的精确温度值；步骤6)通过DSP芯片将精确温度值上传至风机控制系统主站。所述自校准包括以下步骤:步骤I) AD转换芯片通过编码器选通开关芯片的相应通道；步骤2)当所选通道有效时，开关芯片将基准电压源接入AD转换芯片的相应输入通道；步骤3)以与开关芯片校准端口相连的模拟基准电压为基准，来标定AD转换芯片输出的数字信号。 所述配置PGA参数具体为通过对AD转换电路的AD转换芯片端口修改芯片内PGA寄存器的参数。所述二次拟合方法包括以下步骤:步骤I)根据电阻值与电压值的实测数据拟合出电阻与电压的二阶关系曲线；步骤2)利用快速求解平方根方法，根据二阶关系曲线的关系式Y = a X2+b X+c 计算出电阻值I = -b±」b2-4a(c-y) jla ;其中，Y为电压值，a、b和c为系数。所述快速求解平方根方法包括以下步骤:(I)将被开方的数据转换成二进制数，从低位向高位每2位为一组分开；(2)从高位的第一组开始逐次判断高位第一组数的最大平方根P ；如果高位为01则P为I ;如果高位为00则P为O ;
(3)通过高位第一组数除以最大平方根P计算出第一组的余数，并将该余数作为高位与下一组数组合在一起作为新的余数；(4)将P带入(4p+l)，判断新的余数是否大于(4p+l)；如果余数大于(4p+l)，则P的下一位为I ;否则为O ;(5)重复(2) (3) (4)步骤，直至所有组都计算完毕，此时P的所有位数组合在一起即为平方根。所述查表法具体为根据阻值分度表查询电阻值所对应的整数温度值。所述分段线性化方法具体为根据电阻值在电阻分度表中找出最相近的相邻的两个电阻值，将该两个电阻值对应的整数温度值作为起点和终点，起点和终点之间平均分为10份，计算出精度为0.1°c的温度值。本发明具有以下有益效果及优点:1.本发明采用恒压源法，利用一个基准电压源为16路PT电阻提供统一的标准电源，解决了现有的PTioo电阻恒流源设计方法中恒流源带载能力弱、精度低、成本高等缺点。2.本发明使用的AD芯片以及设计的AD电路使该PT电阻测量模块具有PGA(Programmable Gain Amplifier)功能，即当输入不同 PT 电阻(PT100、PT200、PT1000)时，只需要修改参数，不用修改电路板，就可以调整增益倍数，使整个模块能够轻而易举地适应不用类型的输入电阻。3.本发明利用DSP实现了二次拟合、反向求解、查找阻值分度表、分段线性化等算法，解决了恒压源法硬件电路和PT电阻分度表存在双重非线性的问题，消除了双重非线性对温度检测精度的影响，提高了测量精度，同时在二次拟合和反向求解的过程中设计了一种新颖的快速求解平方根算法，避免了使用DSP进行浮点、直接开平方运算，大大提高了DSP的运算效率和求解速度。


图1为本发明的装置结构图；图2为本发明的基准电压源电路图；图3为本发明的型滤波电路、过流保护电路与分压电路图；图4为本发明的低通滤波电路图；图5为本发明的AD转换电路图；图6为本发明的AD自校准电路图；图7为本发明的高速光耦隔离电路图；图8为本发明的测量原理图；图9为本发明的温度检测程序流程图；图10为本发明电阻值与电压值关系的二次拟合曲线；图11为本发明的快速求解平方根方法流程图。
具体实施例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。
温度测量装置原理:首先由图1所示的基准电压源为16路PT电阻提供标准5V电压源，经各路分压电路分压为2.5V，然后由π型滤波电路滤除50Hz工频干扰，为了防止输入端短路造成电路损坏，加入了过流保护电路，再经低通滤波电路滤除高频干扰，最后输入到ADS1256芯片各个输入管脚，进行电压的AD转换，由于本模块还要与控制系统主CPU进行通讯并编写PT电阻反向求解程序，通讯程序和求解程序都集成到DSP芯片中，为了保护DSP芯片，所以在ADS1256芯片与DSP芯片之间加入了高速光耦隔离电路。温度测量方法:将PT电阻串联进分压电路，当其所处的环境温度发生变化时，PT电阻的阻值也会发生近似于线性的变化，由于每路分压电路采用统一的分压电阻和电压值，因此当PT电阻阻值发生变化时，其电压也会发生变化，将变化的电压值输入ADS1256芯片中，通过分析该芯片输出的电压数字量，经过二次拟合、反向求解等算法可以反算出PT电阻的电阻值，再经过查找分度表、分段线性化等一系列计算就可以计算出此时对应的温度值。本发明硬件系统构成:图1为本发明的硬件系统结构图，由以下几个部分构成:基准电压源、η型滤波电路、过流保护电路、分压电路、AD转换电路、AD自校准电路、高速光耦隔离电路。本发明设计的基准电压源电路如图2所示。该电路的输入信号为5V电压，输出为
2.5V基准电压源。使用的电源芯片为AD公司的REF192芯片，该电压源精度很高，最大误差为±2mv，占量程的0.04%，最高输出电流为30mA。由于本模块使用2块ADS1256芯片提供16路PT电阻输入，因此每块芯片提供8路输入。根据图3所示的分压电路可以计算出每路PT电阻输入的最大电流为0.5mV, 16路输入总的最大电流为8mV。因此该基准电压源具有足够的带载能力来保证为16路PT电阻提供精确、稳定的电压源。这种恒压源的PT电阻测温方式利用一个基准电压源为16路PT电阻提供统一的标准电源，解决了现有的PT电阻恒流源设计方法中恒流源带载能力弱、精度低、成本高等缺点。本发明设计的π型滤波电路、过流保护电路与分压电路如图3的1、2、3部分所示。其中分压电路将5ΚΩ电阻与输入的PT电阻串联在一起，并施以固定的基准电压2.5V，当PT电阻的阻值随温度发生变化时，其两端的电压也会发生近似线性的变化。通过测量其两端电压，就可以反算出PT的阻值，进而求出PT电阻所处的环境温度；π型滤波电路输入、输出都是PT电阻两端的电压，主要用于滤除50Hz的工频干扰噪声；过流保护电路由0Ω电阻构成，串联在PT电阻两端的电压输入端，该电阻具有固定的通过电流上限，当前端电路发生短路时，该电阻随即断开，起到了保护后续电路的作用。本发明设计的低通滤波电路如图4所示。低通滤波电路为一阶低通滤波电路，其输入、输出皆为电压信号，该电路主要用来滤除PT电阻输入端由振动、电磁干扰引起的高
频噪声。 本发明设计的AD转换电路如图5所示。采用AD公司的高精度AD转换芯片ADS1256来对PT电阻两端的电压进行模数转换。ADS1256芯片为8通道24位高精度模数转换器，具有低功耗(正常模式下38mw，备用模式下0.4mw)、低非线性度(±0.001 % )、24位无数据丢失、23bit无噪声精度、高达30ksps采样率等特点，同时还内置可编程增益放大器(PGA)，PGA = I时，可提供高达25.3位的有效分辨率，PGA = 64时，可提供高达22.5位的有效分辨率，该PGA可以使测温模块方便的适应不同阻值范围的PT电阻(PT100、PT200、PT1000)，当接入不同PT电阻时，只需要通过图5中ADS1256芯片的DIN端口修改芯片内PGA寄存器的配置参数，就可以在保证转换精度的前提下，方便地适应不同PT电阻的检测。本发明设计的AD自校准电路由图5和图6所示的电路组成。自校准的流程如下:当对AINO通道进行校准时，通过ADS1256芯片的D1-D3端口输出选通信号，该信号通过Motorola公司的MC74HC138AD编码器的A0-A2端口，选通YO通道，YO通道的信号输入到如图6所示的AD公司ADG201开关芯片的YO输入端，当YO通道信号有效时，ADG201芯片将AINO信号源切换到Dl端，Dl端连接的是2.5V基准电压源，此时ADS1256的AINO通道输入的模拟信号为2.5V基准电压源，其输出的数字量即被作为基准来标定该校准该通道正常运行时的输出信号。以上就是AINO通道的自校准过程。该自校准电路主要用于ADS1256芯片的AIN0-AIN7通道在初始化时，利用基准电压源对AD转换芯片进行校准和标定，该自校准电路在提高检测精度的同时，还大大简化了校准、标定的过程。可以简单、便捷地完成校准和标定的过程。本发明设计的高速光耦隔离电路如图7所示。该电路采用HP公司的HCPL-092J高速光耦隔离芯片。其输入、输出均为数字信号。高速光耦隔离电路，两端分别连接AD转换电路和DSP芯片，用于对DSP芯片进行保护，用于传输DSP芯片访问AD转换电路的控制数据，以及AD转换电路返回给DSP芯片的数据，使AD转换电路与DSP芯片之间只传输数字量信号而不传递模拟电压。由于本发明设计的测温模块需要与风力发电机控制系统保持高速通讯，所以将通讯程序写入了 DSP芯片，同时二次拟合、快速求解方根、查找阻值分度表、分段线性化等反向求解算法和功能的程序也是在DSP中实现的，因此DSP的正常运行非常重要，必须进行保护。因此本发明设计了如图7所示的高速光耦隔离电路用来对DSP芯片和相关电路进行保护，避免因前端电路短路造成的损坏。DSP芯片采用TI公司的TMS320F2812芯片。在上述硬件电路的基础上，本发明检测温度的示意图如图8所示。接入的PT电阻在前端分压电路、H型滤波电路、过流保护电路和低通滤波电路以后，PT电阻两端的电压输入ADS1256相应的通道，转化成电压的数字量值，然后通过DSP中编写的温度检测程序反向求解出PT电阻所处环境的温度值。如图9所示，本发明设计的温度检测程序的整个流程为:1.利用DSP程序，通过ADS1256的SCLK和DIN管脚对芯片进行初始化，配置状态寄存器、模拟多路开关寄存器、AD控制寄存器、数据速度等寄存器的参数；2.利用图5、图6所示的自校准电路，并利用DSP程序通过ADS1256的SCLK、DIN管脚开启自校准，通过D1-D3管脚选通需要进行自校准的模拟量输入通道，并逐一完成所有通道的自校准过程；3.利用 DSP 程序,通过 ADS1256 的 SCLK、DIN 管脚配置 PGA 寄存器(ProgrammableGain Amplifier)参数,使模块适应当前的PT电阻阻值范围；4.开始进行模/数转换，令通道数N= 1，判断通道N当前是否已经完成模/数转换，如果尚未完成，则等待通道N完成模数转换的标志信息，如果已经完成转换，则读取通道N的数据寄存器；5.将通道N读取的电压数字量转换成通道N连接的PT电阻电阻值。为了精确地对通道N的电压数据进行反向求解，本发明设计了二次拟合方法，在模块使用前，给各个通道输入固定的电阻值，测量各通道对应的电压数字量值，根据电阻值与电压值的实测数据，在Matlab软件中编辑程序，拟合出电阻与电压的二阶关系曲线，如图10所示。该曲线关系式为 Y = -0.000001579695X2+8.12817861206X+1222.300144503886。式中 X 为电阻值，Y 为电压值。根据通道N读取的电压值Y，利用上述公式，就可以反向计算出电阻值X ;6.由于电压与电阻为二阶函数关系，所以反求电阻值X需要利用公式:X = -b±Jb2 -4a(c-y) ，式中 a =-0.000001579695，b = 8.12817861206，
c = 1222.300144503886。在上述公式中涉及开平方运算，但利用DSP进行开平方运算时不仅需要进行浮点数运算，而且需要调用DSP内置的开平方函数，同时该运算的次数也非常多(每ms几十次开平方运算)，因此极大地降低了 DSP的效率与运算速度。为了解决上述问题，本发明设计了一种新颖的如图11所示的快速求解方根算法。此算法的灵感来源于手算开平方的原理。我们先来看看10进制数据是如何手工计算开方的。先假设方根X由下式构成:X = 10p+q(I)公式⑴左右平方之后得:X2 = 100p2+20pq+q2(2)现在假设我们知道X2和P，希望求出q来，求出了 q也就求出了 X2的平方根X 了。将公式(2)改写为如下格式:q = (X2-1OOp2) / (20p+q) (3)这个算式左右都有q，因此无法直接计算出q来，因此需要猜值。以计算1234567890的平方根为例:首先将这个数每两位为一组分开，计算出最高位为3。也就是公式(3)中的P，余数为334，也就是公式(3)中的(X2-1OOp2)近似值，下面找到一个0_9的数q使它最接近满足公式(3)。先把P乘以20写在334左边:我们看到q为5时qX (60+q)的值最接近334，而且不超过334。接下来就是重复上面的步骤了，这里就不再赘述了。这个手工算法为10进制，可以很容易的将上述算法改为二进制，公式(3)改写为:q = (x2-4p2) / (4p+q) (4)以计算100( 二进制1100100)的平方根为例，每一步不再是把P乘以20 了，而是把P乘以4，也就是把P右移两位，而由于q的值只能为O或者1，所以只需要判断余数(x2-4p2)和(4p+l)的大小关系，如果余数大于等于(4p+l)那么平方根的位置上为1，否则为O。该方法的计算步骤为:(I)将被开方的数据转换成二进制数，从低位向高位每2位为一组分开；(2)从高位的第一组开始逐次判断P。例如:高位为01则P为1，高位为00则p为
O;(3)根据P计算余数,并将该步的余数作为高位与下一组数组合在一起作为新的(x2-4p2)；(4)将P带入(4p+l)，判断余数是否大于(4p+l)，如果余数大，则P的下一位为1，否则为O ;
(5)重复上述步骤，直至所有组都计算完毕，此时P的所有位数组合在一起即为平方根。根据上述算法，本发明编写的程序流程图如图11所示。图中Root为上述步骤中的P, Rem为每步计算后的余数,Divisor代表(4p+l),将二进制数从低位向高位每2位为一组分开，从高位的第一组开始逐次判断Root，根据Root计算Rem和Divisor,判断Rem是否大于Divisor,如果Rem大,则Root的下一位为I,否则为O,重复上述步骤,直至所有组都计算完毕，此时Root的所有位数组合在一起即为平方根。可以看出，整个求平方根的计算过程都是由左右移位、加减法构成，没有用到其它算法。左右移位和加减法都只需要一条汇编指令来完成，因此整个子程序的运算量非常小，大大提高了 DSP的运算速度和效率。7.经过上述步骤5、6就可以计算出电压值对应的精确电阻值。利用反求的电阻值，根据表I所示的PTlOO阻值分度表，本发明设计了查表法，先根据分度表建立两个数组，temperature_form[301]和 resistance_form[301],前者代表-10CTC到 20CTC 的温度值，每个数组变量代表一个整数温度值，后者代表分度表中每个温度对应的电阻值。当反求出电阻值以后，将该电阻值与resistance_form[301]数组中的变量依次进行比较,确定下大致范围以后，也就确定了对应的整数温度值。再利用分段线性化程序，将每个整数温度值平均分为10份。根据实测电阻值在电阻数组中相邻两个变量之间的位置就能够确定精度为0.1 °c的温度值。表1PT100阻值分度表
权利要求
1.应用于风机控制系统的高精度温度检测装置，其特征在于包括: 基准电压源，将来自外部电源的电压信号转化为需要的电压信号输出至分压电路；分压电路，用于将电阻与PT电阻串联在一起，并施以固定的基准电压，输出电压信号至π型滤波电路； H型滤波电路，与PT电阻并联，用于滤除干扰噪声；输入端和输出端都是电压信号；过流保护电路，用于保护AD转换电路，接收来自π型滤波电路的电压信号，输出电压信号至低通滤波电路； 低通滤波电路，用于将滤波后的电压信号输出至AD转换电路； AD转换电路，用于将输入端的电压信号进行模数转换并输出数字电压信号至AD自校准电路和光耦隔离电路； AD自校准电路，用于对AD转换电路进行自校准，与AD转换电路相连接； 高速光耦隔离电路，用于对DSP芯片进行保护，输入端接收来自AD转换电路的数字电压信号和DSP芯片的数字控制信号，输出数字电压信号至DSP芯片并将数字控制信号传输给AD转换电路； DSP芯片，用于对电压信号的分析处理，并与风机控制系统主站通信。
2.根据权利要求1所述的应用于风机控制系统的高精度温度检测装置，其特征在于: 所述AD转换电路由带有内置PGA寄存器的AD转换芯片和编码器组成，AD转换芯片输出选通信号至编码器；基准电压源输出的基准电压经开关芯片输出至AD转换芯片。
3.应用于风机控制系统的高精度温度检测装置，其特征在于: 所述AD自校准电路由2片开关芯片组成，基准电压源输出基准电压至开关芯片。
4.应用于风机控制系统的高精度温度检测方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤I) AD转换电路初始化； 步骤2)对AD转换电路的模拟量输入的通道进行自校准； 步骤3)配置PGA参数，并进行电压数据的模数转换； 步骤4)利用二次拟合方法将模数转换后的电压数字量转换成电阻值； 步骤5)利用查表法和分段线性化方法得出电阻值对应的精确温度值； 步骤6)通过DSP芯片将精确温度值上传至风机控制系统主站。
5.根据权利要求4所述的应用于风机控制系统的高精度温度检测方法，其特征在于: 所述自校准包括以下步骤: 步骤I) AD转换芯片通过编码器选通开关芯片的相应通道； 步骤2)当所选通道有效时，开关芯片将基准电压源接入AD转换芯片的相应输入通道； 步骤3)以与开关芯片校准端口相连的模拟基准电压为基准，来标定AD转换芯片输出的数字信号。
6.根据权利要求4所述的应用于风机控制系统的高精度温度检测方法，其特征在于: 所述配置PGA参数具体为通过对AD转换电路的AD转换芯片端口修改芯片内PGA寄存器的参数。
7.根据权利要求4所述的应用于风机控制系统的高精度温度检测装置及检测方法，其特征在于:所述二次拟合方法包括以下步骤: 步骤I)根据电阻值与电压值的实测数据拟合出电阻与电压的二阶关系曲线； 步骤2)利用快速求解平方根方法，根据二阶关系曲线的关系式Y = a X2+b X+c 计算出电阻值义=—b + ^Jb2 — 4a(c — y) j^a ； 其中，Y为电压值，a、b和c为系数。
8.根据权利要求7所述的应用于风机控制系统的高精度温度检测方法，其特征在于: 所述快速求解平方根方法包括以下步骤: (1)将被开方的数据转换成二进制数，从低位向高位每2位为一组分开； (2)从高位的第一组开始逐次判断高位第一组数的最大平方根P; 如果高位为Ol则P为I ;如果高位为00则P为O ; (3)通过高位第一组数除以最大平方根P计算出第一组的余数，并将该余数作为高位与下一组数组合在一起作为新的余数； (4)将P带入(4p+l)，判断新的余数是否大于(4p+l)； 如果余数大于(4p+l)，则P的下一位为I ;否则为O ; (5)重复(2)(3) (4)步骤，直至所有组都计算完毕，此时P的所有位数组合在一起即为平方根。
9.根据权利要求4所述的应用于风机控制系统的高精度温度检测装置及检测方法，其特征在于: 所述查表法具体为根据阻值分度表查询电阻值所对应的整数温度值。
10.根据权利要求4所述的应用于风机控制系统的高精度温度检测装置及检测方法，其特征在于: 所述分段线性化方法具 体为根据电阻值在电阻分度表中找出最相近的相邻的两个电阻值，将该两个电阻值对应的整数温度值作为起点和终点，起点和终点之间平均分为10份，计算出精度为0.1 °c的温度值。
全文摘要
本发明涉及应用于风机控制系统的高精度温度检测装置及检测方法，本发明的检测装置包括基准电压源、分压电路、π型滤波电路、过流保护电路、低通滤波、AD转换电路、AD自校准电路、高速光耦隔离电路和DSP芯片。检测方法为通过使用DSP实现二次拟合、快速求解方根、查找阻值分度表、分段线性化等反向求解算法，根据检测得到的PT两端电压值求解PT电阻值，进而反向求解出高精度温度值。本发明解决了恒压源法硬件电路和PT热电阻分度表存在双重非线性的问题，消除了双重非线性对温度检测精度的影响，提高了测量精度。并具有工作范围宽、测量精度高、自校准、可适应输入电阻宽阻值范围的特点。
文档编号G01K7/20GK103185645SQ201110451040
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者杜劲松, 刘意杨, 丛日刚, 吴景辉, 张清石 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所