MW级风机独立安全链中基于FPGA的超速保护设计与实现

　　风能是一种低密度能源，具有不稳定性和随机性的特点。控制技术是风机安全篼效运行的关键。因此独立可靠的安全链系统是每个MW级风机主控系统所必需的，而在独立安全链的每个环节中均采用简单可靠的硬件来实现。

　　上海电气自动化设计研究所有限公司研发的MW级大功率风机的控制系统中，独立安全链是完全自主研发的拥有自主知识产权的产品。本文阐述了其中的一个重要安全环节一超速保护的设计与实现。

　　随着现场可编程门阵列技术（FPGA）的技速发展。利用FPGA芯片实现梢确的纯硬件超速保护已成为可能，本文应用ALTERA公司的ACEX1K系列芯片的强大功能，来实现超速保护安全控制。

　　2风机安全链的特点风机的安全系统是失效-安个控制模式。由于独立安全链的存在，不会导致任何叶片向小的桨距角方向变距或导致风机的加速度旋转。风机的安全链是一个硬接线电路，所为触发紧急停机的触点都是串联的。安全环中的触点有：机舱中的紧急停机按钮：（2>塔底的紧急停机按钮。（3>风轮超速保护关（4）机舱振动开关。（5）变桨距系统正常。（6）风机控制器|丨：。常。（7）电路断流器/变频器正常r（8）解缆偏航正常。

　　如果安全链被打断，则个fi锁继电器被释放，此继电器可以被人T复位，也町以在电网故障后恢复时通过脉冲继电器复位。

　　但风机安全链不能远程复位。

　　如果风轮超速保护关的安全环节失效，则可能导致风机飞乍，造成无可挽间的经济损失。而风轮速度是独立。安全链系统中需要梢确测1的参数，为确保这个环节的可靠有效和必要的灵敏度，纯硬件的智能超速保护产品是非常重要的由于不能使用依赖于软件运行的智能控制器，R介现场n编程阵列芯片（FPGA）能实现纯硬件的智能超速保护。

　　3FPGA芯片的特点FPGA以编程方便灵活、集成度高、处理速度快、低功耗、高性价比、可靠性高等优点受到了广大电子设计人员的青睐。特别是在数字信号处理领域，fpga得到r广泛的应用。

　　ALTERA公司的ACEX1K系列芯片EP1K30TC144-3具有强大功能，其处理数据的速度能达到nS级。作为该设计系统中的主处理器，可以满足实时性的要求。其规模相当于5万门阵列，对应的配置芯片为EPC1.芯片多可用的丨0脚102个，可用RAM总共有24576Bits，大可用LE个数1728.足够满足系统设计的需要。

　　要使EP1K30TC144-3芯片能正常工作，需要两种电源，即VCC1NT和VCCIO.VCCIN1*是提供芯片内核T.作的电源，必须保持恒定的2.5V直流供电VCC10是芯片输人输出引脚工作电源，根据输人输出的设备不同，可以接2.5V、3.3V或5.0V.每个ACEX1K芯片都具有一个功能强大的内部fl阵列，可以用来实现内存和专门的复杂逻辑功能，也可以用来实现普通的简单逻辑的功能。这些逻辑功能的实现可以用VHDL编程语言或功能框描述来设计完成，并且编程烧谁的-次性写人的配置芯片中运行。

　　芯片的每个丨八）引脚兼容TTL标准和CMOS标准，并且有独立的配置寄存器，通过此寄存器的设置，可配置丨/0引脚的集电极开路方式，支持信号电平的转换，便于系统外围的扩展。

　　图I说明了超速保护的FPCA时序图。/s频率为1MHz晶振提供，进行分频后得lOOKHz作为计数脉冲=/t为风轮输人脉冲，范围在在0~99. 9Hz之间，fpgaUt为超速保护输出，高电平为输出报警状态。BH、B、BL为设定脉冲频率的BCD码，A1为脉宽采样的个数。

　　4超速保护安全链的实现原理）BCD码转换二进制数的实现方法将用BCD码设定的报骨频率0 -99.9HZ转换成二进制的数据，：要进行以下运算由干小数无法表示，所以在开始运算前把小数点向右移一位（即XX.'>XXX），同时把所测频率A也乘传感器与检测技术3杨刚。龙海燕。现代电子技术VHDL与数字系统设计。北京：电子工业出版社，2004 I徐兴康（1946-），男，汉族，上海电气自动化设计研究所有I1*公司教授高工。主要从事自动控制、电机拖动等方面的研究。朱*（1980-），女，汉族，上海电气自动化设计研究所有限公司勒理工祖师。主要从事自动控制、FPGA应用开发等方面的研究。李新育（1968-），男，汉族，上海电气自动化设计研究所有限公司工祖师。主要从事自动控制，DSP开发等方面的研究。

　　匚…匚二（上接第49页）表2各测置点邋度估值及误差温度祖若温度温度通笔任何功能，要使该模块实现某一特定功能，必须提供训练样本集U，d.l供模块学习，只有当训练指标y小于等于给定的任意小正数时，神经网络结束训练，内部SN9701管脚排列电路自动断开SS端输人通道，并目非易失性数字电位器把训练好的特征权值死保存起来，与此男时，D1S端输出低电平，指示训练结束，至此，神经网络模型训练宅毕，并且输出具有r=/U）的特定功能。

　　为了实现柏电阻温度传感器非线性补偿网络的功能，训练SN9701模块时，可用表丨中的V，和相应的4*值作为模块的训练羊本集m.，奴1将训练样本集分别周而ft始地输人到SN9701的样本学习输人端SS、丨N，当DIS端输出为0时（由发光二极管指示），神经网络模块自动停止训练样本集写人操作，网络训练结束，此时，切比雪夫神经网络模块SN9701具有上述补偿网络的功能。

　　4结束语神经网络作为一种分析、处理问题的新方法，已经在很多领域显示了强大的生命力。本文提出的利用切比雪夫神经网络建立铂电阻温度传感器非线性补偿模型，并用与之对应的神经网络模块SN9701实现的柏电阻非线性补偿的硬件方法，使补偿模型的表达式简单，梢度高，实际计算时计算量小，补偿模型的功能由硬件电路实现，大大改善了铂热电阻温度传感器在测控系统中的应用效果……考1普昭，邹阿金。Chebyshev神经网络模块SN9701及其应用国外电子2俞阿龙，吴达华。热电偶传感器的一种非线性补偿方法I.计量技术，3吕新明，孙海峰，马艳娥。基于函数链神经网络的热电阻非线性校正PrtraJC，Panda