基于DSP的风力发电机齿轮箱振动监控系统

杨宇等

摘 要：针对大型风力发电机机组对振动监控的要求，设计了风力发电机组振动监控系统。该系统中设计采集振动数据电路，并将数据送入以DSP为控制器的系统中，得到经算法分析后的有效数据。该系统还在PC电脑上编写了上位机的监控系统，使得DSP系统处理的数据在上位机上显示，经在实验平台上和现场仪器对比测量，效果良好。

关键词：风力发电机；振动监控；DSP控制器；上位机

引言

随着能源危机问题的凸显和可再生能源的逐步使用，风力发电被认为是目前最为成熟和高效的新能源发电技术之一。而机组振动的监测是保证风力发电机组正常运行的重要组成那个部分。为了方便对新建机组进行后续的设备故障诊断分析，设计了一整套完整的系统，并在实际的机组上实际使用并测量，达到了较好的测试效果。对解决工程中的状态监测与故障诊断提供了可靠的实践依据。

1 振动监控系统结构组成

系统由上位机与下位机及测速电路，ADC采样电路及其调理电路组成。其中下位机是由DSP嵌入式系统组成。

1.1 嵌入式DSP系统

DSP是数字信号处理器（Digital Signal processor）的简称，该类芯片主要具有以下三大特点：

（1）哈佛总线结构，专用乘法器，独特的DSP指令系统以及先进的集成电路优化设计，使得DSP具有快速的指令周期。（2）流水线操作技术使两个或更多不同的操作可以重叠执行，从而在不减小时钟周期的条件下缩短了每条指令的执行时间，增强了处理器的数据处理能力。（3）多机并行运行特性。DSP芯片的单机处理能力是有限的，而随着DSP芯片价格的不断降低和应用的广泛，多个DSP芯片并行处理已成为可能，可以运用这一特性，达到良好的高速实时处理的要求。

1.2 传感器信号输入电路

随着数字化技术的发展，先进传感器的集成度和稳定性进一步提升。振动传感器选用的是压电式加速度传感器，型号为CA-YD108。该类传感器精度较高，抗干扰能力较好，频率响应较宽，与之配套的调理器为YE5859B。

1.3 转速测量电路

风力发电机组的转速时由风轮机外接的增量式旋转光电码盘测量得到的，其内部算法为M/T法测速。M/T法测速要求：既检测Tc时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔的高频时钟个数M2，用来计算转速，称做M/T法测速。

电机的转速为n=■。

采用M/T法测速时，应保证高频时钟脉冲计数器与旋转编码器输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减小误差，只有等到编码器输出脉冲时，两计数器才可以开始计数或者停止计数。M/T法测速的测速范围要远大于M法测速和T法测速。

2 系统振动测点的布置

风力发电机组的振动信号是风电机组机械设备异常及故障信息的载体，那么选择合理的监测点及监测方法是获取有效故障信息的重要条件。因此，监测点选取的合理性会直接关系到能否对故障状态做出正确的监测。根据国家能源局于2011年8月6号批准的风力发电机组振动状态监测导则（NB/T31004-2011）行业标准，具体给出风力发电机组振动状态监测测点的最低要求如表1所示。图1为测点安装位置简图。

3 系统的实现

PC机监测软件：

（1）编写与下位机DSP系统，通信接口程序。

（2）对所接收到的数据，进行数据重组及校验。

（3）显示重组后的数据，设置报警功能（可自由设置报警阀线），并且能够保持重组数据。

4 系统通信

DSPSCIA串行通信的具体步骤如下：

（1）初始化DSP系统。

（2）配置SCIA串行通信模块：设置GPIO复用引脚、SCIA通信格式、波特率、中断使能等。

（3）将所需发送的16位整形数据拆分成，高8位和低8位。

（4）根据数据类型及通信协议编写数据载入及校验程序，当有数据要发送时，判断数据的类型，并且载入和校验计算完成后，发送所载入的数据及校验数据，并且等待下批数据。其流程图如图3所示。

5 PC监测程序设计

上位机通信接收，采用VB中MSComm控件实现与DSP的通讯，并且对数据进行重组及校验，采用MCGS组态软件设计监测界面，通过调用VB串口所接收到的数据，实现数据的显示等功能。实验条件，对旋转机械振动分析及故障实验平台的轴进行系统的整体调试，调理器采用YE5853A，压电式加速度传感器CA-YD-108/117，光电码盘型号为E6C2-CWZ6C，电机转速为1500rpm。具体连接图，如图4所示。

6 结束语

本系统经过在实验室振动台上测试，并取得实验数据。后使用成熟振动测试仪器测量数据，两者的实验数据误差较小，达到了测量要求并较好的对振动数据进行了分析，直接帮助振动分析与故障诊断。

参考文献

[1]杨宇，魏毅立.基于DSP的风力机系统及其模拟器的研究[J].工业控制计算机，2013.

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