STM32的风电机组传动部件远程状态监测装*

张轩，万书亭，吴章勤，刘荣海，赵建坤,2，李伟东

(1.华北电力大学机械工程系， 保定 071003; 2.华北电力大学云南电网公司研究生工作站； 3.云南电网公司电力科学研究院；)

* 基金项目：云南电科院风电机组传动部件远程状态监测装置研制(KY-N14042)。



张轩1,2，万书亭1，吴章勤3，刘荣海3，赵建坤1,2，李伟东1

(1.华北电力大学机械工程系， 保定 071003; 2.华北电力大学云南电网公司研究生工作站； 3.云南电网公司电力科学研究院；)

* 基金项目：云南电科院风电机组传动部件远程状态监测装置研制(KY-N14042)。

摘要:研制了一套基于STM32的风电机组传动部件远程状态监测装置，采用STM32单片机进行数据转换，设计了数据采集和分析系统的硬件电路,将转换的信号通过GPRS无线网络进行远程传输。根据希尔波特包络解调谱原理，对采集的数据进行处理分析，得到准确的结果。

关键词:STM32；风电机组；传动部件；远程监测；数据采集

引言

本文研制了一种基于STM32的风电机组传动部件远程监测装置，采用6点监测，并将采集的数据根据希尔波特包络解调谱原理进行频域分析，可以实现将数据从现场到远程监控平台的传输和控制。

1装置总体框架

风电机组传动部件远程状态监测装置的总体框架如图1所示，包括6路ICP加速度传感器、6路A/D采集模块、单片机数据处理模块和DTU无线传输装置和电源模块。

图1　装置总体框架

1.1硬件部分

(1) ICP加速度传感器

ICP加速度传感器内置信号调理电路。在4 mA恒流源供电下，ICP传感器会产生偏置电压。随着加速度的变化，输出电压范围为±5 V。

(2) A/D采集模块

6路A/D采集模块包括低通滤波电路模块、差分电压转换电路模块、24位A/D转换芯片和参考电压电路模块。A/D芯片采用ADS1271模数转换芯片，低通滤波为贝塞尔四阶低通滤波器。

采用STM公司的 STM32单片机，型号为STM32F103RBT6(以下简称STM32)，并有丰富的外设。

(4) DTU无线传输装置

采用宏电H7710DTU，通过通用GPRS网络连接Internet，远程通过访问服务器就可以调用数据。

(5) 电源模块

电源模块包括+12 V电压源、+5 V电压源、+3.3 V电压源、-12 V电压源和4 mA恒流源。

1.2软件部分

软件部分包括STM32程序和上位机程序。STM32程序包含：信号采集、信号转换以及与上位机通信，上位机程序包含图形界面的显示、数据的存储、数据的分析以及与STM32的通信。

2远程状态监测装置硬件设计

2.1A/D采集模块设计

每一路A/D采集通道信号都经过低通滤波、差分转换，之后进入A/D转换芯片中，如图2所示。

2.3 尿液检查完成率 结果(表2)显示：初次问卷调查时，行尿液检查者37例(62.7%)；再次问卷调查时，行尿液检查者51例(86.4%)，与初次调查时差异有统计学意义(P<0.05)。其中，讲座组再次问卷调查时自愿行尿液检查的人数较初次问卷调查时增加(95.0% vs 45.0%, P<0.05)。

图2　采集模块框图

6个A/D采集芯片通过级联的方式连接在一起。ADS1271 是Σ-ΔADC，驱动时钟最高达27 MHz。在高速模式下，过采样比为256；在高精度模式下，过采样比达到512。芯片的输出最高数据率为105.4 kbps。ADS1271 的数字输出端通过SPI 协议进行通信，考虑到所选用的微控制器STM32的硬件SPI接口数量有限，因此，将6片ADS1271 两两级联,这样只用一个SPI接口就可以读取6路的A/D转换数据。由于12位A/D芯片ADS1271 的输入信号要求为共模电压2.5 V 的差分信号，并且设置参考电压VREF 为2.5 V，即差分输入电压的满偏值为2.5 V。为保证参考电压的精度和低噪声，选用了参考电压芯片REF3125 作为2.5 V 高精度电压的输出。

前端滤波器采用四阶贝塞尔有源低通滤波器，低通滤波器采用OPA37高速运算放大器，能够有效滤掉ICP传感器产生的杂波干扰。由于ADS1271的最高采样率为100 kHz，所以贝塞尔低通滤波器3 dB截止频率设计为50 kHz。低通滤波模块如图3所示。

图3　低通滤波模块

ADS1271模数转换芯片采用级联的方式连接，只需其中的一个芯片连接STM32单片机就可以实现对6路信号的读取，如图4所示。ADS1271通过CLK、SCLK、DRDY、DOUT四个引脚和STM32单片机进行SPI通信。ADS1271的级联方式为ADS1271的DOUT端接到下一级ADS1271的DIN端。在ADS1271的模拟电源AVDD端和数字电源端DVDD端都并联有10 μF和0.1 μF的去耦电容。在ADS1271的差分输入端也并有去耦电容。

图4　A/D转换

2.2差分转换电路设计

差分转换电路是将ICP加速度传感器的信号转换为差分信号。差分转换电路的输入为ICP加速度传感器经过低通滤波电路后的信号，输出为经过差分化的差分信号。差分信号能够有效地降低共模噪声，提高信号信噪比。差分运放选用的是OPA1632，由于模数转换芯片的差分信号共模电压为2.5 V，因此OPA1632 的VOCM引脚的共模输入电压为2.5 V参考电压，保证差分运放输出端电压以2.5 V 共模电压为中心对称。同时，由于振动传感器的电压波动范围是±5 V，为了配合模数芯片±2.5 V的差动电压范围，需要配置差动运放的增益为1/2，从而保证差分转换后的信号能够在A/D转换模块的量程范围内。差分转换电路如图5所示。

图5　差分转换电路

2.3单片机数据处理模块设计

单片机数据处理模块由STM32单片机最小系统、SD

卡模块和RS485转换模块组成。STM32单片机能够快速读取A/D采集模块的信号，快速地存入到SD卡模块中，并能够通过RS485总线发送给DTU数据传输模块。

RS485转换电路采用MAX3485芯片，STM32单片机通过异步串行口USART和MAX3485芯片相连。由于RS485通信是半双工通信，所以另外需要STM32单片机的另外一个I/O口与MAX3485芯片相连接，从而控制MAX3485芯片是接收RS485总线数据还是向RS485总线发送数据。

图6　基压电路图

SD卡模块用于存储大量采集数据，SD卡是最适合单片机用于外部存储的设备。STM32单片机和SD卡模块只有4个I/O端口相连接。这4个I/O口是STM32单片机的SPI通信口，理论通信速率为18 Mbps。外部SD卡存储器最大容量达32 GB，选择尺度很大，更换也很方便，而且方便移动，编程也比较简单，是单片机大容量外部存储器的首选。

2.4参考电压电路设计

参考电压电路的作用是为ADS1271产生2.5 V的参考电压。ADS1271转换芯片的输入信号要求为共模电压2.5 V 的差分信号，并且设置参考电压VREF 为2.5 V，即差分输入电压的满偏值为2.5 V。为保证参考电压的精度和低噪声，选用了参考电压芯片REF3125 作为2.5 V 高精度参考电压的输出，同时，为了提高2.5 V参考源的驱动能力，采用OPA350集成运算放大器搭建电压跟随器电路。经过OPA350集成运算放大器后的2.5 V参考电压驱动能力更强，同时，纹波更小。基压电路如图6所示。

3基于希尔波特包络解调谱原理的频域分析

一个信号波形中的全部频率分量相移90°后所得的时间信号叫做原信号的希尔波特变换[2]。希尔波特变换在时间域的数学描述如下：

而在频率域中的数学描述为:

希尔波特变换的一个最主要的应用就是进行带通信号的解调。用希尔波特变换把一个实信号表示成复信号,由此研究实信号的包络、瞬时相位和瞬时频率[2]。设窄带信号x(t)为:

因此,构成解析信号:

则相位调制信号φ(t)为：

根据相位调制与频率调制的关系得到实信号x(t)的频率调制信号为:

4系统测试

通过对包络信号进行频率分析, 可以比较精确地确定出故障发生的部位和层次，通过分析包络信号的频次和强度来得到诊断信息。对滚动轴承来说,它可以有效地识别出边频带,从而找出调制信号的特性[3],然后再结合机械设备本身, 进行故障诊断。将传感器安装在有故障的机组上，采集的信号通过DTU传到上位机，然后对采集的信号进行频谱分析，如图7、图8所示。

图7　主轴承轴向包络图

图8　主轴承水平方向包络图

从图9中可以看出，在低频段出现大量高速轴齿轮转频的倍频，在主轴承轴向包络图中3倍频处幅值最大，并非1倍频最大，说明此高速轴或与轴连接的齿轮可能出现故障。

结语

本文研制了一套基于STM32的风电机组传动部件远程状态监测装置，并通过对故障风机的监测，达到了预期的效果。采用的STM32芯片，能够达到采集精度，并且安装调试简单，能够对风机的振动信号进行实时的采集与传输。

图9　齿轮箱固定齿圈包络图

参考文献

[1] 杨文华.风电场监控系统现状和发展趋势综述[J].宁夏电力，2011(4):51-56．

[2] 高红斌.滚动轴承故障包络信号分析及物理模拟[J].机械工程与自动化,2008(2):91-93,97.

[3] 马波,魏强,徐春林,等.基于Hilbert变换的包络分析及其在滚动轴承故障诊断中的应用[J].北京化工大学学报：自然科学版,2004(6)：95-97.

[4] 陈艳艳,尹少平,王灵梅.风电远程监测与诊断系统数据通信研究[J].华东电力,2013(1):148-151.

[5] 辛卫东,马志勇,滕伟，等. 振动监测技术在风电机组齿轮箱故障诊断中的应用[J].中国电力,2012(5):77-80.

张轩(硕士),研究方向为状态监测与故障诊断、无损检测。

(责任编辑：杨迪娜收修改稿日期：2015-04-09)

Zhang Xuan1,2,Wan Shuting1,Wu Zhangqin3,Liu Ronghai3,Zhao Jiankun1,2,Li Weidong1

(1.College of Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;

2.Electric PowerResearch Institute,Yunnan Electric Power Test&Research Institute Group Co.,Ltd.;

3.Graduate Workstation of North China Electric Power University&Yunnan Electric Power Grid Corporation)

Abstract：The wind turbines driving part remote condition monitoring device is designed based on the STM32,which adopts the STM32 MCU to convert data.The hardware circuits of data acquisition and analysis system are projected.The converted signal can be remote transferred through the GPRS wireless network.According to the principle of envelope demodulation spectrum hill potter,the design can obtain the accurate results by analysis of the collected data.

Key words:STM32;wind turbines;driving part;remote monitoring;data acquisition

中图分类号:TP216

文献标识码:A