DSP技术在风力发电机组状态监测系统中的应用

吕跃刚，陈鹏原，刘浩

（华北电力大学 控制与计算机工程学院，北京 102206）

0 引言

在风电企业对风电机组的运行可靠性和科学管理提出更高要求的大背景下，机组远程在线状态监测和故障诊断系统应运而生。实时地监测与分析从现场采集的相关数据，不仅可以准确判断机组的运行情况，还可以提前发现故障，及时维修或者停机避免故障的进一步扩大，从而减少不必要的经济损失，因此，对现场数据进行准确地采集和处理具有重要的意义。

本文应用DSP技术进行数据采集和处理，采用手段减小了采样的误差，保证了数据的准确性和实时性。这里所使用的DSP为TI（Texas Instruments）公司的TMS320F2812，是目前国际市场上应用广泛且功能强大的定点DSP芯片。它既具有强大的事件管理能力，又具有强大的事件处理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的风电厂测控场合。

1 风力发电机组状态监测系统简介

针对风力发电系统的运行要求，结合先进的状态监测与故障诊断系统结构，本文提出了一种风力发电机组状态监测系统，该系统以风力发电机组齿轮箱等设备的振动信号等实际测量信号作为信号源。在现场数据处理器通过对特定测点上所安装的振动传感器的输出信号进行实时采集和处理，然后将计算结果通过CAN通信接口发送给上位机，最后由上位机对接收到的振动信号进行进一步分析，如频谱分析和倒频谱分析等。风场的工作人员根据上位机分析得到的数据和波形，可以判断机组的运行状况。基本结构如图1所示。

图1 状态监测系统基本结构Fig.1 The basic structure of the state monitoring system

图2 ADC模块采样通道的硬件处理Fig.2 The hardware processing of ADC sampling channel

2 基于TMS320F2812的数据处理器

TMS320F2812是32位的定点数字信号处理器，具有强大的控制和信号处理能力。拥有丰富的片内资源，如16个12位的AD转换通道、增强的CAN模块、两个事件管理器EVA和EVB、串行通信接口SCI、串行外围接口SPI以及通用输入/输出多路复用器GPIO等，丰富的外设模块使得它在工业控制中获得了广泛的应用。

在状态监测的数据处理系统中，主要使用该处理器的AD和增强的CAN模块以及通用输入/输出多路复用器GPIO，来完成对现场振动和温度数据的采集、处理和发送。由于AD采样的准确性对整个系统有着至关重要的影响，因此下文主要介绍如何减小采样的误差，以保证数据的准确性和实时性。

2.1 TMS320F2812的ADC模块

TMS320F2812内部集成了ADC转换模块，该模块具有如下的功能：

1）12位ADC核，内置了双采样－保持器（S/H）。

2）顺序采样模式或者同步采样模式。

③增效扩容项目在促进节能减排、保护河流生态环境、消除公共安全隐患、解决农村无电缺电问题、推动农村经济社会发展方面具有十分重要的意义。

3）16个转换通道，多路选择输入。

4）自动序列化，在单一时间段内最大能提供16个自动A/D转换，每个转换可编程对16个输入通道中的任何一个进行。

5）选择模拟输入：0V～3V。

为了防止输入ADC模块采样的电压过高或者输入电压为负电压时损坏DSP，本系统在ADC模块输入采用嵌位二极管进行限制电压，使输入电压范围在ADC模块正常工作的采样范围之内，某一通道的设计结果如图2所示。

ADC模块采样输入的模拟电压值和转换后的电压数值之间的对应关系为：

式中，V。为数字量输出；Vi为模拟量输入Vr为AD转换的参考电平，实际使用的过程中，将其与GND连在一块，此时Vr的值为0[5]。

2.2 ADC模块采样校正

TMS320F2812的ADC模块虽然有12位精度，但在实际的使用过程中发现ADC的转换结果误差较大，采样值和实际值之间的相对误差最大会超过实际值的15%。如果直接将此转换结果用于数据的处理，必然会降低数据精度，进而导致错误的诊断结果。为了提高ADC模块采样的精度，本系统通过硬件和软件两个方面解决该问题。

2.2.1 硬件处理

为了提高ADC模块采样的精度，首先最主要的还是得给ADC模块提供一个质量较高的输入信号，即要求输入信号在输入到ADC端口前需要经过适当的调理，本系统中使用的调理电路包括了一个放大电路和一个滤波电路，以保证输入信号的质量。调理电路的电路图如图3所示。

除此之外，还要采用适当的隔离技术，将ADC模块电源引脚和数字电源隔离。采样通道上的电容效应也可能会导致AD采样误差，如果条件允许，可以在每次转化完成后现将输入切换到参考地，然后在对信号进行下一次采样。另外如果采样电路部分是经过多路开关切换的，可以在多路开关输出上接下拉电阻到地。

图3 调理电路电路图Fig.3 Conditioning circuit schematic

图4 ADC模块转换特性曲线Fig.4 ADC module conversion characteristic curve

2.2.2 软件处理

虽然在硬件电路中加入了滤波电路，但仅从硬件角度考虑肯定是不够的，还需要在软件算法中加以配合，通常使用中值滤波法来进一步提高输入信号的质量。

根据F2812的原理可知F2812的ADC模块的参考电压的稳定性对于ADC模块的性能至关重要，而所用的参考电压是由ADCREFP和ADCREFM两个引脚的电压决定的，如果两个电压值出现静态噪声，就会给整个ADC模块带来动态噪声，影响A/D转换的精度。因此，在设计过程中一定要确保ADCREFP和ADCREFM的电压的稳定性。F2812的ADC模块的参考电压既可以选择内部提供，也可以选择外部提供。只需要通过配置ADCTRL3寄存器，来选择ADCREFP和ADCREFM作为输出，ADC模块采用内部提供参考电压或者ADCREFP和ADCREFM作为输入，采用外部输入电压作为参考电压[6]。为了获得更高的A/D转换精度，ADCREFP和ADCREFM之间电压差为1V，典型的ADCREFP引脚电压值为2（1±5%）V，ADCREFM引脚电压值为1（1±5%）V。

理想的12位ADC转换是没有增益误差和偏移误差的，但是实际上2812内部的ADC模块是存在增益误差和偏移误差的，这也是转换精度较差的主要原因。实际转换曲线和理想转换曲线如图4所示[7]。

为了消除增益误差和偏移误差所带来的偏差，我们就要对ADC模块进行软件校正。假设实际增益为m，实际偏移量为b，则模拟量输入x和数字量输出Y之间关系为：

很明显式中的m和b均为未知量，假设已知这两个量的数值，那么只要从ADC的缓冲寄存器得到转换结果数据Y，就能够根据式（2）计算得到实际的输入电压X。实际应用中可以通过两路精准源，提供给ADC的任意两个输入通道，如ADCINA0和ADCINA1。由于精准源的输入电压很容易确定，即为X1和X2；然后读取两个通道的转换结果获得Y1和Y2。这样根据ADC模块转换特性曲线就可以得到实际增益m和实际偏移量b：

此时，只要知道数字转换结果Y，就可以知道实际的输入量X=(Y－b)／m。

3 结束语

数据处理器发送给上位机的振动数据是一切分析的数据基础，可见数据的准确性对状态监测系统能否对整个机组进行有效的监测显得尤为重要。因为只有在上位机接收到的数据均为实际振动数据的前提下，才能真正地通过上位机的进一步分析得到机组的运行状况，因此，本文主要讨论了如何提高以TMS320F2812为核心的数据处理器的ADC模块的采样精度的问题。实验证明，通过改善硬件电路和软件算法，可有效提高ADC采样的精度，精度平均值能够达到0.2%甚至更高，完全满足了实际应用中的精度要求，从而确保了发送给上位机的数据与实际数据之间的准确性，对进一步的分析提供了良好的数据基础。

[1]中国电力企业联合会.2013年全国电力工业统计数据一览表[R].

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[4]安学利,赵明浩.基于支持向量机和多源信息的直驱风力发电机组故障诊断[J].电网技术,2011,35(4):117-122．

[5]刘娜,王丰,基于TMS320F2812 数据采集系统的设计[J].电子工业专用设备,2012:58-61.

[6]孙丽明,TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京:清华大学出版社,2011.

[7]顾卫钢,手把手教你学DSP—基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011:273-307.