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摘要：风电机组安全运行需要一款测风设备对机位周围的风速、风向进行测量，用于对机组的偏航、对风控制。测风设备精度、性能对机组的安全运行非常重要，它们能直接影响机组的安全运行。根据机组对测风仪设备的精度、性能要求，设计了一款超声波测风仪。该款超声波测风仪是应用于300米以下低空的测量风速、风向、环境温度的高精度仪器设备。本文给出了超声波测风仪的设计的基本原理及高可靠性硬件电路的设计及软件控制的设计思路及设计方法。研究设计的超声波测风仪可以应用于基于风电场复杂环境的场景中，具有可靠性高，抗干扰能力强等特点。

关键词：超声波测风仪；精密仪器；复杂环境；可靠性。

Abstract：The safe operation of wind turbines requires a wind measuring device to measure the wind speed and direction around the stand， which is used to control the unit's yaw and wind. The accuracy and performance of the wind measuring equipment are very important for the safe operation of the unit. They can directly affect the safe operation of the unit. According to the accuracy and performance requirements of the wind meter equipment， an ultrasonic wind meter is designed. The ultrasonic anemometer is a high-precision instrument and equipment for measuring wind speed， direction and ambient temperature at low altitude below 300 meters. This paper presents the basic principle of the design of the ultrasonic wind meter， the design of the high reliability hardware circuit and the design idea and method of the software control. The ultrasonic wind meter researched and designed can be used in the scene based on the complex environment of wind farm， with high reliability and strong anti-interference ability.

Keywords： ultrasonic anemometer; Precision instruments; Complex environment; Reliability  .

引言

在风力发电行业中，随着风电行业的不断发展，对风电机组使用的设备的可靠性、安全性、智能性要求的越来越高。风电机组上使用的风速、风向仪的测量精度、产品性能对机组安全运行、发电效率影响很大。目前风电机组上应用的多为机械式的风速风向仪，机械式的测量部件是旋转部件，在测量过程中会造成损耗大、寿命短同时不易测定瞬时风速，随着器件的摩擦阻力变大，会因老化造成仪器的精度变低。由此机械式因自身所固有的缺点将不再满足未来的需求。超声波测风仪是超声波检测在气体介质中的一种新的应用。其原理为利用发送声波脉冲，测量接收端的时间或频率差别来计算风速和风向的测量仪器。超声波测风不存在机械式测风仪固有的问题，且频响快，在被测风速范围内输出是线性的；能够测定任意指定方向的风速分量；能够从理论上进行标定。超声波测风仪在风电机组上应用普遍得到业主的认可，促进了风电行业智能化、可靠性、安全性的发展。由此本文设计了一种基于风电场复杂环境下的超声波测风仪。

1 基本原理

声波在所处环境中的传播速度与环境温度、密度、湿度、气压以及空气流速等因素有关。一般情况下除了空气流速变化外，其他因素在短时间内基本保持稳定。因而只要测量出某一方向上声音来回传播的时间，就可以求出相应的风速。 为了能够准确测量，采取相互垂直放置（成90°固定布置）的两对收发一体的超声波传感器，以固定频率发射超声波并测量两对顺、逆传播时间（t12、t21，t34 、t43），如图1所示。通过软件算法计算，可得到风速、风向数值。此类超声测风探头所测得的风为平均的水平风，在极坐标上表示出风速和风向，具体如图2所示。

超声波在空气中传播时，顺风与逆风方向传播存在一个速度差，当传播固定的距离时，此速度差反映成一个时间差，这个时间差与待测风速具有线性关系。

超声波测风仪测量首先1探头作为发射探头，2探头作为接收探头，进行测量时得到一个时间，然后2探头作为发射探头，1探头作为接收探头得到相对方向上的另一个时间。有图1所示。

设南北（或东西） 两超声收发器的距离为d（L），顺风传输时间为t12，逆风传输时间为t21，风速为VW，超声波传播速度为VS ，可得：

2 电路设计

随着现代数字信号处理技术的发展，采用数字化超声波风速风向测量的处理方法能进一步提高系统的测量精度和抗干扰能力。为了保证测量时差的精度，微控制器的处理速度的选择是一个关键点。经过多次实验比较后，选用 SMT32F429系列单片机作为系统核心，通过软件编程实现对超声波发射和接收控制，回波信号的处理与计算以及数据的分析处理功能。SMT32F4系列单片机不仅具有64位高效的微处理器， 还具有丰富的、功能强大的外围电路资源，它除了具备很好的数字／模拟信号处理能力外，还具备了极低功耗的特点。超声波测风仪硬件电路如图3所示。

2.1控制电路设计

超声波测风仪控制板是基于STM32F429进行设计研究的。STM32F429芯片基于高性能Arm®Cortex®-M4 32位RISC内核，工作频率高达180 MHz。Cortex-M4内核，支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型，具有一整套DSP指令和一个内存保护单元，使应用程序的安全性得到提升。利用芯片精确捕获对不同方向的风速信号时间和温度信号，芯片对测量的时间数据进行计算，并输出设计要求输出的风速、风向、温度值。

2.2 收发信号电路的设计

超声波测风仪信号输出电路设计，主要是有程序控制芯片，输出一个驱动信号，有外部发射电路对驱动信号进行处理后驱动超声波探头发出超声波信号。同时发射电路进行设计，提升电路抗共模干扰能力和信号精度的理念进行的设计。设计采用了隔离双向三极管，分离发射信号与输入信号。驱动信号同时也是超声波探头工作的控制信号及电源，由此对输出信号进行了推免升压。采用了线圈与MOS管的双向控制，把输出信号电压提升至150V。

超声波收发信号电路再接收超声波信号时，采用剔除共模干扰及高频振动信号的设计思路，电路中采用双向二极管进行了信号隔离，同时采用小容量电容接地剔除高频振动信号，大电流串入电路进行隔离直流信号及低频干扰信号。如图5所示。

超声波测风仪探头收发信号是按顺序依次收发信号的。由此在接收电路中设计了信号通道选通芯片CD4053B，通过芯片控制信号选通芯片引脚A、B、C进行通道的开关。选通芯片是一个具有三个独立数字控制输入的三重双通道模拟开关，依靠 A、B、C 三个引脚的电平决定 x、y 信号的输出，选通电路如图8所示，真值表如图6所示。

超声波探头接收的原始信号为±0.7V的方波，通过电压叠加后在1.8V至3.2V之间变化。经运放电路的放大处理，再有后端轨对轨运放输出 0V-5V 方波信号。再经过电阻分压得到 0V-3.3V 方波信号送入芯片 CP1/CP2 捕捉功能引脚 进行信号计算。该过程的波形处理变化如图7所示。其中处理电路的2.5V比较电路是通过运放芯片进行的设计。增强了信号的稳定性，使超声波测风仪测量性能得到很大的提高。

2.3 接口电路的设计

超声波测风仪接口电路主要是超声波测风仪向外输出和接收信号的转换处理电路，主要包括R485芯片信号处理电路，以及机组接收的信号输出协议的处理电路，在开发过程中设计了10种输出协议，在此仅对典型的输出协议进行介绍叙述。接口板输出采用8芯航插电路设计。同时电路设计了隔离及滤波电路，保证了内部信号电路与外部电路完全隔离。有效避免了外部干扰信号对内部电路信号的污染。测风仪供电电路也设计在接口电路。接口输出协议有电流环、电压、RS485、频率等。不同协议可以通过程序灵活切换。同时对接口电路8芯引脚进行了定义，如表1所示图9为接口电路设计。

2.4 加热电路的设计

为了保障超声波测风仪在寒冷的雨雪、冰冻的天气正常运行。对超声波测风仪进行了加热电路的设计。加热控制电路的设计采用冷启动，上电后通过芯片的控制加热启停。加热主要采用高可靠性的功率型MOS管和环形加热片组合式加热。电路中加入了PT1000传感器信号辅助芯片控制加热启停。加热电路示意图如图10所示。在温度信号传递的过程中采用电压比较器输出信号控制功率MOS管工作。测风仪内部设计2套加热板，每套加热板布局2个功率管，加热功率管的功率达到30W，环形加热片30W。整个测风仪加热功率最大可达到180W。完全可以满足测风仪冰冻环境下使用。

3 软件设计

超声波测风仪软件电路的设计，是基于STM32F429芯片进行设计的，主要包括了收发信号的控制、探头工作顺序的控制、接收信号的时间差计算算法、以及风速、风向信号的计算、接口协议输出的控制、温度采集的控制、串口收发信号的设计等。程序设计逻辑思路图如图11所示。详细阐明了测风仪控制程序的顺序。图14详细阐述了超声波测风仪系统结构。

3.1 信号收发处理

超声波收发处理模块中的超声波收发控制IP，产生时序信号控制超声波的收发。收发装置接收到收发控制信号后给超声波传感器进行发射，接收到返回超声波后，系统进行各种处理，得出风向、风速值，由芯片MCU控制并通过串口发送到机组主控系统。

3.1.1收发信号控制

超声波测风仪设定探头发射角为45°，中心频率300KHz，两对收发一体互相垂直放置的探头，在垂直发送超声波信号时，不会发生信号接收错误，因此设置超声波收发信号控制IP，超声波收发信号控制IP接收到控制信号，来控制超声波探头是发射信号还是接收信号。超声波发送脉冲信号由脉冲发生器产生，脉冲发生器通过分频获得300 KHz的脉冲信号，在发射时，采取每次连续发送10个周期的脉冲信号。接收到超声波收发控制发送的信号后，给发射探头发送超声波脉冲，接收到超声波返回信号第一个返回波，给计时器一个结束信号。计时器停止计时，MCU储存计时值。超声波收发模块流程如图14所示。

3.1.2风速、风向信号的数据处理

计算风速、风向值，是通过测量顺、逆风传播时间（设定t12、t21，t34 、t43），进行比较并做出相关计算得出最终结果。超声波发射时，超声波收发控制IP模块给计数器发送一个开始信号，计数器接收后开始计时，以50MHz内部时钟为计时采样周期，以确保计时精度；接收到返回脉冲的同时给出一个信号，计数器接收到这个信号就停止计数，计数器在这段时间内的计时即为超声波传播时间。

本设计有相互垂直放置的两对超声波探头，随着风速、风向的变化，t12、t21，t34 、t43都会有相应的变化，若直接按公式计算，则会出现负值，因此需要取VWx 、VWy绝对值或比较后进行相关处理再进行计算。超声波测风仪风向计算程序设计如图15所示。

4 实验分析

超声波测风仪使用专业的风洞实验室进行测量精度分析。超声波测风仪在3.5m/s至14m/s的风洞标准风速下的测量精度误差为0.2m/s波动。如表2所示。风洞测量选取的风速段时风电机组主要的运行风速环境。风电机组运行对测风仪精度误差要求为不大于0.5m/s。由实验结论得到，设计的该款超声波测风仪，完全满足风电机组生产运营使用。

5 结论

通过设计研究开发完成了一款可靠性高、抗干扰能力强的超声波测风仪。在开发过程中对信号接收处理电路进行了提升抗干扰能力的设计，信号可靠性提升设计，加热功率提升设计，测量精度优化设计。有效解决了现有风速仪的技术短板。能够有效解决风电场因风速仪引起的故障问题。大大提升了超声波测风仪在风电机组复杂环境下的运行稳定性。潜在的提高了风电机组的运行性能。对降低风电场运营成本，提升机组发电效率都具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]俞飞，姬鸿丽。低空风切换的分析与预报[J]，四川气象，2001（3）：18-19.

[2]潘仲明，祝琴.  压电换能阻抗匹配技术研究[J].应用声学，2007（6）：357-361.

[3]郭建中，林树玉，高伟，超声波换能器电感电容匹配电路的改进[J].压电与声学，2005（3）：257-259.

[4]甘江英，龚兆岗，张小花等。基于SOPC技术的超声波风速风向检测系统，2009-03-10.

[5]郑玲玲，徐刚，刘芳等。基于基于时差法的超声波测风系统，2012-12.

[6]程小畅。超声波回波信号解调及其包络相关时延估计算法[J].传感技术学报，2006（6）：2571-2573.

[7]唐娟。不同环境下的时延估计算法及其仿真研究[D]。南京：南京信息工程大学，2007：10-13.