《電子技術(shù)應(yīng)用》
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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片振動無線檢測系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第5期
陳廣華, 田 德, 李 琪
華北電力大學(xué) 可再生能源學(xué)院, 北京102206
摘要: 設(shè)計了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片振動的無線檢測系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計思路,振動傳感器選用TZDM22-55,單片機(jī)選用高性能的ATMEGA32,無線收發(fā)模塊選用NRF24E1芯片,,上位機(jī)采用LabVIEW編程。系統(tǒng)平時工作在休眠狀態(tài),,工作時通過軟中斷請求喚醒,。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)傳輸信號數(shù)據(jù)可靠。系統(tǒng)集成度高,,功耗小,,結(jié)構(gòu)簡單,工作穩(wěn)定可靠,,抗干擾能力強(qiáng),。
中圖分類號: TP274
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
文章編號: 0258-7998(2012)05-0080-04
Wind turbine blade wireless vibration detection system
Chen Guanghua, Tian De, Li Qi
School of Renewable Energy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China
Abstract: Design a wireless vibration detection system of wind turbine blade. Adopting modular design ideas,, selected TZAM22-55 as vibration sensor, high-performance ATMEGA32 as SCM, NRF24E1 as wireless transmitter module,supervisory computer software was programed using LabView. System usually in the dormant, data collectiong and trandmission through software interrupt. Test results show that system transmission signal data are reliable. System is high integration, low power consumption, structure simple,stable and reliable,strong anti-interference ability.
Key words : wind turbine; blade vibration; wireless detection

    隨著人類對能源需求的不斷增加,,以及化石能源造成的環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問題的出現(xiàn),,能源安全已成為世界各國面臨的最重要的問題,。風(fēng)能是目前最有開發(fā)利用前景的可再生清潔能源,風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要方式而備受關(guān)注[1],。截止2010年底,全球風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到2億千瓦,。已經(jīng)有100多個國家開始發(fā)展風(fēng)電,,裝機(jī)容量超過100萬千瓦的國家有20個。我國除臺灣外累計風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)4 400萬千瓦,,已經(jīng)超過美國成為裝機(jī)第一的風(fēng)電大國[2],。

    葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件,葉片質(zhì)量好壞直接關(guān)系著機(jī)組運(yùn)行的安全性,。機(jī)組的載荷主要由葉片產(chǎn)生,,葉片承受的載荷主要有吸收風(fēng)載的氣動載荷、本身的重力載荷以及轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的離心力載荷,。隨著機(jī)組容量不斷增大,,葉片的長度也越來越長,為了降低成本,,薄殼結(jié)構(gòu)的葉片也變得越來越輕巧,結(jié)構(gòu)的撓性變得越大,。葉片在旋轉(zhuǎn)過程中受到大氣邊界層的剪切風(fēng),、隨機(jī)陣風(fēng)、塔影效應(yīng),、變槳,、偏航、氣動的不平衡,、葉片本身彈性恢復(fù)等因素影響,,形成了復(fù)雜的激振源,由此引發(fā)的多因素的結(jié)構(gòu)耦合振動越發(fā)引起重視,。振動的主要形式表現(xiàn)為揮舞,、擺陣和扭轉(zhuǎn)振動。因此,,檢測葉片在不同風(fēng)速下的振動特性,,分析其振動機(jī)理,對于指導(dǎo)葉片設(shè)計和機(jī)組安全運(yùn)行有著重要的意義,。
    由于風(fēng)力機(jī)葉片特殊的工作方式,,傳統(tǒng)的測振方式無法安裝在葉片上。本研究設(shè)計了一套低功耗的無線振動采集系統(tǒng),,可以把振動傳感器模塊安裝在葉片內(nèi)部某一半徑位置,,上位機(jī)的收發(fā)模塊安裝在機(jī)艙中,上位機(jī)可以放在塔筒底部,,它們之間采用RS485通信,。系統(tǒng)采用ATMEGA32單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的核心,,用NRF24E1低功耗的收發(fā)芯片作為無線通信模塊,上位機(jī)通過LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化顯示,,并且可以通過軟件編程使單片機(jī)和無線發(fā)射模塊工作在更低的功耗狀態(tài),。
1 系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。選用的高性能低頻傳感器把振動信號傳輸給單片機(jī),,數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后無線收發(fā)模塊通過半雙工的通信模式傳輸出去。平時不工作時,,系統(tǒng)處于休眠狀態(tài),,上位機(jī)有數(shù)據(jù)采集的中斷信號發(fā)出以后,即可把系統(tǒng)從休眠狀態(tài)中喚醒,,啟動收發(fā)模塊,,檢驗(yàn)通道是否暢通,然后把存儲在單片機(jī)中的數(shù)據(jù)發(fā)射出去,,當(dāng)接收端確認(rèn)正確接收后,,系統(tǒng)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)[3-4]。接收部分通過RS485完成和計算機(jī)的通信,,采用LabVIEW圖形化的編程語言對數(shù)據(jù)做最后的接收,、顯示和處理。


2 系統(tǒng)硬件
    振動傳感器要安裝在旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)葉片上,,不能經(jīng)常拆卸,,因此要考慮固定和系統(tǒng)的功耗問題。采用低功耗的元器件是本系統(tǒng)的一個重要特色,。系統(tǒng)原理圖如圖2所示,。

2.1傳感器選擇  
    系統(tǒng)選用TZDM22-55振動傳感器,它采用了銻化銦薄膜磁敏電阻作為敏感元件,,配以放大整形線路用金屬外殼封轉(zhuǎn),,輸出信號為準(zhǔn)正弦波的交變電壓信號。安裝時將傳感器緊固在一側(cè)的振動體上,,當(dāng)振動體在傳感器敏感的測量方向上振動時,,傳感器內(nèi)部的振動磁鋼相應(yīng)地強(qiáng)制振動,安裝在振動磁鋼旁的磁敏元件能夠感應(yīng)出磁鋼引起的磁場變化,,并產(chǎn)生一個交變電壓信號,,經(jīng)過電路的處理放大后,輸出與被測振動參數(shù)(頻率和幅值大?。┫鄬?yīng)的交變電壓信號,。工作電壓VDC 5~24 V,振動頻率范圍0.3 Hz~3 kHz,使用溫度范圍-25℃~+75℃,,防護(hù)等級IP65~IP67,。無振動時輸出近似2.5 V的直流電平,噪音小于30 mV,;有振動輸出時,,輸出電壓幅值50 mV~4.8 V之間。兩根電源線,,一根信號輸出線,。具有體積小、頻響寬,、接線簡單,、分辨率高、靈敏度高,、壽命長等特點(diǎn),。有振動和無振動時的輸出波形見圖3。

2.2單片機(jī)的選擇
    系統(tǒng)選用了ATMEL公司的ATMEGA32單片機(jī)[5-7],。其內(nèi)核具有豐富的指令集,,所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接,使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立的寄存器,。具有32 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,,1 KB EEPROM, 2 KB SRAM,32個通用I/O端口,,32個通用工作寄存器,用于邊界掃描的JTAG接口,,支持片內(nèi)調(diào)試與編程,,3個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷,可編程串行USART,,面向字節(jié)的兩線串行接口,,8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器,,一個SPI串行端口,,以及6個可以通過軟件進(jìn)行選擇的睡眠模式。
2.3 時鐘電路
    時鐘電路選用DS1302,。工作電壓2.0 V~5.5 V,,2.0 V時工作電流小于300 nA。DS1302內(nèi)部提供了一個31×8 bit的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器,,還增加了主電源和備份電源的雙電源引腳,在主電源關(guān)閉的情況下,,也能保持時鐘的連續(xù)運(yùn)行。通過三線(RST,、I/O,、SCLK)串行方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,,能夠向單片機(jī)提供包括秒、分,、時,、日、月,、年等在內(nèi)的實(shí)時時間信息,,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄,并可對月末日期,、閏年天數(shù)自動進(jìn)行調(diào)整,。
2.4 無線傳輸模塊
    采用了NORDIC公司生產(chǎn)的nRF24E1[8-9]。該模塊的無線收發(fā)器工作于2.4 GHz的ISM頻段,有多達(dá)125個頻點(diǎn),,能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn),、點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信,同時可采用改頻和跳頻來避免干擾,。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示,。NRF24E1內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核,2.4 GHz無線收發(fā)器,100 kS/s的9路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置 RC振蕩器,、SPI接口,、UART接口、 PWM輸出,、看門狗和喚醒定時器以及專門的穩(wěn)壓電路,。所有高頻元件包括振蕩器、電感等全部集成在芯片內(nèi)部,,因此芯片的性能穩(wěn)定,,受外界環(huán)境的影響很小。
    NRF24E1采用36腳QFN(6 mm×6 mm)封裝,,體積小,、功耗低,非常適用于對體積和功耗要求較高的應(yīng)用場合,;最大傳輸速率可達(dá)1 Mb/s,,靈敏度為-90 dBm,最大發(fā)射功率為0 dBm,;在較為理想的環(huán)境中,,室內(nèi)傳輸距離可達(dá)30~40 m,室外傳輸距離可達(dá)100~200 m,;其工作電壓為1.9~3.3 V,,工作溫度范圍為-40 ℃~+80 ℃。
    信號采集和發(fā)射模塊的電路原理圖如圖5所示,單片機(jī)的D6口接收傳感器的脈沖信號,,PB0~PB2口與DS1302的RST ,、I/O、SCLK引腳相連,,單片機(jī)通過TXD和RXD與發(fā)射模塊進(jìn)行通信,。32.768 kHz的晶振為時鐘芯片提供計時脈沖。nRF24E1的運(yùn)行程序放在外部串行EEPROM中,開始工作時,內(nèi)部引導(dǎo)程序會自動把主程序?qū)隨RAM中并執(zhí)行,。

3 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

 


    單片機(jī)選用內(nèi)部自帶的1 MHz晶振,,B口接收DS1302的時間數(shù)據(jù),D6口接收振動信號,。單片機(jī)收到上位機(jī)采集信號的請求后,,通過INIT0中斷把單片機(jī)從睡眠模式中喚醒,然后給nRF24E1返回一個準(zhǔn)備完畢的信號“*”,。初始化NRF24E1,,首先送握手信號“#”,待確認(rèn)后,,調(diào)用發(fā)射程序,,把數(shù)據(jù)通過USART發(fā)給接收模塊,當(dāng)監(jiān)測到UCSAR的TXC為置位時,,發(fā)送結(jié)束,,系統(tǒng)重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。發(fā)射數(shù)據(jù)時NFRF24E1工作在ShockBurst模式下,,可使數(shù)據(jù)發(fā)送時間大大縮短,。軟件采用了LabVIEW語言編程,可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集和分析處理,。單片機(jī)控制的軟件流程如圖6所示,。
4 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)
    系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室組裝調(diào)試成功后,在室內(nèi)轉(zhuǎn)動的吊扇葉片上進(jìn)行了測試,,測試數(shù)據(jù)如圖7所示,。圖7(a)是葉片慢速轉(zhuǎn)動時的部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線,, 圖7(b)是給了一個激勵后的振動數(shù)據(jù)曲線,。采集的數(shù)據(jù)結(jié)果表明,系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠,,對激勵信號反應(yīng)靈敏,,能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)葉片的低頻振動信號進(jìn)行可靠的采集。

    該系統(tǒng)以計算機(jī)為上位機(jī),,利用無線通信方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組葉片振動測量,,解決了一般有線測量方法在葉片上難以安裝的難題。通過選用低功耗的器件以及電路的優(yōu)化設(shè)計和軟件的處理,使系統(tǒng)能夠工作在更低功耗狀態(tài),,抗干擾性更強(qiáng),,并具有良好的人機(jī)對話界面,系統(tǒng)整體集成度高,,擴(kuò)展性強(qiáng),,軟件編程簡單,可開發(fā)能力強(qiáng),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,該系統(tǒng)能夠滿足葉片低頻振動測量的需要。
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