本 科 毕 业 设 计
第 21 页 共44 页
平稳，与设计值的偏差应小于5%，制动过程不得有异常噪声。制动器在额定负载下闭合时，制动衬垫和制动盘的贴合面积应不小于设计面积的50%；制动衬垫周边与制动钳体的配合间隙任一处应不大于0.5mm。制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时进行自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的稳定。在偏航系统中，制动器可以采用常闭式和常开式两种结构形式，常闭式制动器是在有动力的条件下处于松开状态，常开式制动器则是处于锁紧状态。两种形式相比较并考虑失效保护，一般采用常闭式制动器。
采用滑动轴承的偏航系统，因轴瓦出于干摩擦和边界摩擦状态，摩擦阻力很大，加上下推力瓦上弹簧的压力，更加大了偏航时的阻力，因此采用这种轴承的偏航系统，停止偏航时，机舱不会被动偏离风向。
制动盘通常位于塔架或塔架与机舱的适配器上，一般为环状，制动盘的材质应具有足够的强度和韧性，如果采用焊接连接，材质还应具有比较好的可焊性，此外，在机组寿命期内制动盘不应出现疲劳损坏。制动盘的连接、固定必须可靠牢固，表面粗糙度应达到Ra。
1.弹簧 2.制动钳体 3.活塞 4.活塞杆 5.制动盘 6.制动衬块 7.接头 8.螺栓
图3.6 偏航制动器结构图制动钳由制动钳体和制动衬块组成。
制动钳体一般采用高强度螺栓连接用经过计算的足够的力矩固定于机舱的机架上。制动衬块应由专用的摩擦材料制成，一般推荐用铜基或铁基粉末冶金材料制成，铜基粉末冶金材料多用于湿式制动器，而铁基粉末冶金材料多用于干式制动器。一般每台风机的偏航制动器都备有2个可以geng换的制动衬块。
本 科 毕 业 设 计
4 偏航控制系统设计及结果分析
第 22 页 共44 页
风力机偏航控制系统从原理上来说是一个位置伺服控制系统，即偏航电动机带动风力机机舱负载使其根据传感器发出的信号，进行位置调整，以达到对风。工作原理即通过风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到微处理器，微处理器计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，微处理器发出一定的信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，达到对准风向的目的。
4.1 偏航系统控制过程分析
风速 风向 控制 决策 图4.1 偏航控制系统框架
叶轮转速检测 风机位置检测 控制 放大 偏航 机构 风机 4.1.1 自动偏航
为了使风力发电机吸收的功率最大，发挥最大效能，机舱必须准确对风；因此必须使叶轮法线方向与风向基本一致。当风向改变，超过允许误差范围时，系统计算机发出自动偏航指令，传感器和偏航电机组成的对风系统执行校正动作，使机舱准确对风。
在实际的偏航控制中，带有解缆传感器的自动偏航控制过程分析：连续一段时间检测风向情况；根据自动偏航风向标传感器ASS信号给出偏航控制指令。当ASS=00时，表明机舱己处于对风位置；若ASS=11，则表明进行的是钝角偏航，为了有效地防止电缆缠绕，读上次钝角偏航方向并取其反方向，记录此次偏航方向；若ASS=01，设置偏航电机正转，若ASS＝10，设置偏航电机反转；偏航电机工作后启动偏航计时器计时，控制偏航电机运转一定时间，再判断ASS是否为00，若ASS=00，表明机舱已对风，否则判断计时时间是否超过偏转360度所需时间，若计时时间超过偏转360度所需时间偏航电
本 科 毕 业 设 计
第 23 页 共44 页
机仍未停止工作，则停止偏航，向中心控制器发出安全停机信号和风向标故障信号。若ASS＝00，偏航计时时间不超过偏转360度所需时间时，控制偏航电机继续运转，直到ASS=00，向中心控制器发出自动偏航完成信号并复位自动偏航标志位。自动偏航传感器ASS状态示意图，如图5.1所示，参数说明和电机运行状态如表4.2所示。
图4.2 自动偏航传感器状态示意图（虚线表示风向标0度位置）
表4.1自动偏航传感器ASS说明和电机运行状态
ASS 00 01 10 11
设置
已对风（在偏航精度内）
锐角偏航 锐角偏航 钝角偏航
电机状态 停止 偏航电机正传 偏航电机反转 视上次偏航情况
4.1.2 90度侧风控制
在出现特大强风，遭遇切除风速以上的大风暴时，控制系统对机舱作90度侧风处理。由于90度侧风是在外界环境对风电机组有较大影响的情况下（例如出现特大强风），为了保证风电机组的安全所实施的措施，所以在90度侧风时，应当使机舱走最短路径，且屏蔽自动偏航指令；在侧风结束后应当抱紧偏航闸，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，确保风力发电机组的安全。
控制过程如下：根据90度侧风风向标传感器DSS的信号，当DSS=00时，表明机舱
本 科 毕 业 设 计
第 24 页 共44 页
已处于90度侧风位置；再判断DSS是否为10，若DSS=10，为了使机舱走最短路径，设置偏航电机反转；若DSS=11，设置偏航电机正转；此时启动偏航计时器开始计时。控制偏航电机运转一定时间，再判断DSS是否为00，若DSS=0，表明机舱已90度侧风，否则判断计时时间是否超过偏转360度所需时间，若计时时间超过偏转360度所需时间且偏航电机仍未停止工作，则停止偏航，向中心控制器发出安全停机信号和风向标故障信号。若DSS≠0，偏航计时时间不超过偏转360度所需时间时，控制偏航电机继续运转，直到DSS=00，向中心控制器发出90度侧风完成信号并复位90度侧风标志位。(DSS的参数说明如图4.3所示)。
10 11
00
00
90度侧风风向标传感器DSS如图所示：虚线表示向标0度位置，与虚线垂直的实线表示风向标90度位置，开关量00表示已90度侧风（误差范围为±5）
11 10 90度侧风风向标传感器DSS
图4.3 90度侧风风向标传感器DSS参数说明
4.1.3 人工偏航控制
人工偏航是指在自动偏航失败、人工解缆或者是在需要维修时，通过人工指令来进行的风力发电机偏航措施。
人工偏航控制过程如下：首先检测人工偏航起停信号。若此时有人工偏航信号，再检测此时系统是否正在进行偏航操作。若此时系统无偏航操作，封锁自动偏航操作，若系统此时正在进行偏航，清除自动偏航控制标志；然后读取人工偏航方向信号，判断与上次人工偏航方向是否一致，若一致，松偏航闸，控制偏航电机运转，执行人工偏航；若不一致，停止偏航电机工作，保持偏航闸为松闸状态，向相反方向进行运转并记录转向，直到检测到相应的人工偏航停止信号出现，停止偏航电机工作，抱闸，清除人工偏航标志。 4.1.4 自动解缆
自然界中的风是一种不稳定的资源，它的速度与风向是不定的。由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常偏航对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果风力发电机多次向同一方向转动，就会造成
本 科 毕 业 设 计
第 25 页 共44 页
电缆缠绕，绞死，甚至绞断，因此必须设法解缆。不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定。当达到其规定的解缆圈数时，系统应自动解缆，此时启动偏航电机向相反方向转动缠绕圈数解缆，将机舱返回电缆无缠绕位置。若因故障，自动解缆未起作用，风力发电机也规定了一个极值圈数，在纽缆达到极值圈数左右时，纽缆开关动作，报纽缆故障，停机等待人工解缆。在自动解缆过程中，必须屏蔽自动偏航动作。
自动解缆包括计算机控制的凸轮自动解缆和纽缆开关控制的安全链动作计算机报警两部分，以保证风电机组安全。
凸轮控制的自动解缆过程如下:根据角度传感器CW和CCW所记录的偏转角度情况，确定顺时针解缆还是逆时针解缆。首先松偏航闸，封锁传感器故障的报告，当需要解缆且记录CW为1时，控制偏转电机正转，当需要解缆且记录CCW为1时，控制偏转电机反转。在此过程中同时检测偏航中心传感器信号，直到偏航传感器中心信号为0，则结束解缆；此时停止偏航电机工作，系统处于待机状态，向中心控制器发出自动解缆完成信号。纽缆开关控制的安全链保护；若凸轮控制的自动解缆未能执行，则纽缆情况可能会更加严重，当纽缆达到极值圈数时（比如设定3圈），纽缆开关将动作，此开关动作将会触发安全链动作，向中心控制器发出紧急停机信号和不可自复故障信号，等待进行人工解缆操作。 4.1.5 阻尼刹车
为了保证刹车过程的稳定性，风力发电机的偏航系统中的阻尼刹车装置都是成对对称分布的，至少有两组四个刹车盘组成。
阻尼刹车的工作过程：当风力发电机收到偏航指令时，刹车机构动作。根据风速、风向及偏航系统调向的速度，来确定阻尼力矩的大小。阻尼力矩大小的调节是通过调节比例阀的开度的大小，从而调节液压流量的大小和液压力的大小。液压力的大小的改变同时也改变了刹车力矩的大小，刹车力矩的大小的变化也就反映了阻尼力矩的大小的变化。
4.2 偏航控制系统整体方案设计
本系统采用AT89C 52单片机作为核心器件,自制电位器和风向标为风向位置数据采集器件,A/DC0804为模数转换芯片,TL251-4为光敏隔离电路减小步进电机对单片的干扰作用,以L297为环行分配器和L298为功率放大器来驱动步进电机,通过控制步进电机带动转盘的转动来完成偏航转动。在实际大型的偏航控制系统中,利用4部电机来完成偏航。为了更好地观测好偏航系统的控制效果,以键盘和数码管显示为人机界面的结构方式。在算法方面,通过采集输入电压偏差值实现对步进电机的控制,从而完成对叶片角度