專利名稱：用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種振動分析儀，尤其是一種用于采集、分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動分析儀，屬于電氣控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于安裝在比較高的塔筒頂部，離地高度通常都在70米以上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要承受風(fēng)力和機(jī)組內(nèi)主軸及發(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)動能，這些都將造成風(fēng)機(jī)的振動，如果振幅過大，必將給離地如此之高的風(fēng)機(jī)帶來不良影響，甚至是嚴(yán)重破壞，所以實時監(jiān)測風(fēng)機(jī)振動，并在振幅超過設(shè)定閾值時及時報警和進(jìn)行智能化干預(yù)就顯得尤為重要，振動分析儀的作用便是完成這項工作?，F(xiàn)有技術(shù)的振動分析儀，都是采用ARM處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和處理，ARM是一個高端的單片機(jī)，其優(yōu)點是控制功能比較強(qiáng)，其不足之處是數(shù)學(xué)運算能力較弱，現(xiàn)有使用ARM處理器的振動分析儀，在數(shù)學(xué)運算和信號處理上存在不足，自身不能實現(xiàn)傾角計算和頻譜計算功能，也無法實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)振動分析很有用處的傾角輸出和頻譜輸出。同時，現(xiàn)有技術(shù)的振動分析儀，由于采用簡單的數(shù)字輸出型加速度傳感器、缺少同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器等元器件，因此還存在采樣效率低、雙軸采集不同步、反應(yīng)速度較慢，分辨率低，線性度較差等不足。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述不足，本實用新型提出一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)用振動分析儀，它由精密MEMS加速度傳感器、光電隔離模塊、串行通訊模塊、繼電器、參數(shù)存儲器、同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DSP處理器構(gòu)成，通過精密MEMS加速傳感器采集風(fēng)機(jī)的振動信息，通過同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行高速采樣并將振動信息轉(zhuǎn)換成DSP處理器能夠識別的數(shù)據(jù)，通過DSP處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)運算、分析和處理，并通過串行通訊模塊實時輸出當(dāng)前的各種振動數(shù)據(jù)信息，通過光電隔離模塊和繼電器輸出電氣控制信號給PLC或其他后續(xù)硬件，控制風(fēng)電機(jī)組對超過設(shè)定閾值的振動情況采取相應(yīng)措施，本實用新型的耐機(jī)械沖擊能力強(qiáng)、控制精度高、響應(yīng)時間快，且能實現(xiàn)傾角輸出和頻譜輸出。本實用新型解決其技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案是一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動分析儀，包括精密MEMS加速度傳感器、光電隔離模塊、串行通訊模塊、繼電器和參數(shù)存儲器，其結(jié)構(gòu)特點為振動分析儀的計算和控制系統(tǒng)采用了 DSP處理器，在DSP處理器的信號輸入端還設(shè)置了同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端連接DSP處理器的輸入端，同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接精密MEMS加速度傳感器的輸出端，精密MEMS加速度傳感器的輸入端采集風(fēng)機(jī)的振動數(shù)據(jù)；參數(shù)存儲器也連接在DSP處理器上，參數(shù)存儲器與DSP處理器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，DSP處理器的控制信號輸出端連接光電隔離模塊的輸入端，光電隔離模塊的輸出端連接繼電器的輸入端，繼電器的輸出端連接PLC或其他后續(xù)硬件；DSP處理器的通訊信號輸出端連接串行通訊模塊的輸入端，串行通訊模塊的輸出端連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的信號顯示設(shè)備，DSP處理器將接收到的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、處理和比對，然后通過串行通訊模塊輸出通訊信息，當(dāng)比對超過設(shè)定閾值后，DSP處理器還將通過光電隔離模塊和繼電器輸出電氣控制信號。上述用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動分析儀，所述DSP處理器為32位、內(nèi)存不低于3 字節(jié)，帶有SCI、SPI、MCBSP、CAN通訊總線的DSP數(shù)字信號處理器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是由于本實用新型所述的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動分析儀采用了 32位的DSP處理器，該處理器比現(xiàn)有技術(shù)采用的ARM處理器具有更強(qiáng)的數(shù)學(xué)運算和信號處理能力，能實現(xiàn)更復(fù)雜和更高精度的算法，便于本實用新型在DSP 處理器內(nèi)置入傾角計算程序和頻譜計算程序，能實現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)所不能實現(xiàn)的傾角及頻譜的計算、處理和輸出。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在安裝時，風(fēng)機(jī)各相關(guān)組件總是存在一個固定的安裝角度，在經(jīng)受長期的振動后，風(fēng)機(jī)可能會逐漸發(fā)生傾斜，各相關(guān)組件之間也可能逐漸發(fā)生偏移，這種傾斜和偏移對風(fēng)機(jī)的正常工作是有影響的，傾斜或偏移的量大了，就會對風(fēng)機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，但這種傾斜和偏移往往是肉眼難以識別的，本實用新型通過傾角輸出的方式來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)傾斜及相關(guān)組件偏移的監(jiān)測，通過精密MEMS加速度傳感器監(jiān)測到重力加速度分量，并計算該分量轉(zhuǎn)化成傾角的角度值，然后通過串行通訊模塊將其角度值顯示到人機(jī)界面上，供用戶適時了解。本實用新型還在DSP處理器內(nèi)設(shè)定了風(fēng)機(jī)及各相關(guān)組件正確的傾角值，當(dāng)監(jiān)測到的傾角值與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值的差異超出范圍時，DSP處理器還將通過光電隔離模塊和繼電器輸出電氣控制信號給PLC或其他后續(xù)硬件，以控制風(fēng)電機(jī)組對超過設(shè)定閾值的傾斜或偏移采取相應(yīng)措施，預(yù)防事故發(fā)生。另外，風(fēng)電機(jī)組在工作時，葉片在轉(zhuǎn)動，帶動主軸、變速箱、發(fā)電機(jī)等多個部件旋轉(zhuǎn)，這眾多的旋轉(zhuǎn)部件都有各自的旋轉(zhuǎn)速度，產(chǎn)生各自不同的頻率，在正常的工況條件下， 這些頻率都會處在各自的頻譜范圍內(nèi)，但當(dāng)某一部件發(fā)生故障時，對應(yīng)頻譜的幅值或者位置就會發(fā)生改變，偏離正常的范圍，所以，監(jiān)測各旋轉(zhuǎn)部件的頻譜，對盡量發(fā)現(xiàn)故障、預(yù)防事故具有重要意義，本實用新型通過在DSP處理器內(nèi)嵌入了快速傅里葉變換算法，可以精確的測量和捕捉風(fēng)機(jī)中處于本實用新型的頻譜分析范圍內(nèi)各部件的頻譜數(shù)據(jù)，然后通過串行通訊模塊將其頻譜圖顯示到人機(jī)界面上，供用戶適時了解。本實用新型還可以在參數(shù)存儲器內(nèi)設(shè)定風(fēng)機(jī)各運轉(zhuǎn)部件在正常運轉(zhuǎn)時的頻譜范圍值，當(dāng)監(jiān)測到的頻率值超出設(shè)定的頻譜范圍值時，預(yù)示某一部份硬件可能出現(xiàn)了故障，DSP處理器將通過光電隔離模塊和繼電器輸出電氣控制信號給PLC或其他后續(xù)硬件，以控制風(fēng)電機(jī)組采取相應(yīng)措施，預(yù)防事故發(fā)生。
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)原理的示意框圖；圖2是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本實用新型設(shè)置在DSP處理器內(nèi)的HR濾波器的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
如圖1-3所示，本實用新型的第一種具體實施方式
為一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動分析儀，包括精密MEMS加速度傳感器、光電隔離模塊、串行通訊模塊、繼電器和參數(shù)存儲器、DSP處理器和同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本實施例的精密MEMS加速度傳感器采用的基于MEMS的變?nèi)菔胶诵牡募铀俣扔嬕约皟A角儀芯片，該芯片能分別感知基于水平面的X通道和Y通道-IgHg的加速度以及-90° +90°的傾角，帶寬為28Hz，滿足風(fēng)電機(jī)組的常見頻率范圍。而該芯片具有 0. 0025°的傾角輸出分辨率與0. 0000278g的加速度輸出分辨率，能滿足風(fēng)機(jī)振動、傾角的測量。該芯片具有模擬輸出和數(shù)字輸出的兩種接口，其中模擬輸出以2. 5V為0加速度(傾角)偏移量，2V/g(90° )的靈敏度；而數(shù)字輸出能夠提供11位精度的數(shù)字輸出。芯片內(nèi)部集成溫度傳感器，能夠自行校正溫度帶來的影響。該芯片能夠耐受IOOOOg的沖擊，溫度耐受范圍為-40C +125° C。本實施例的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了 16位同步采樣芯片，能夠保證在低群延遲的基礎(chǔ)上進(jìn)行多通道同步的采樣保持編碼操作，能保證X，Y通道信號的同步特性。采樣速率可達(dá)64KS/S，數(shù)字分辨率能達(dá)到0. 0000305g，基本同傳感器的輸出精度吻合，能夠最大化的保留原始精度，該芯片具有內(nèi)部的參考電壓源和可編程增益放大器，通過對控制字的設(shè)定，能夠適應(yīng)不同量程、靈敏度的傳感器，該芯片同時通過多通道緩沖串行口與處理器進(jìn)行數(shù)字通訊。本實施例的計算和控制系統(tǒng)采用了 32位的DSP處理器，具有最高150MHz的工作頻率，36K字節(jié)的內(nèi)存，128K字節(jié)的FLASH空間，并帶有諸如SCI、SPI、MCBSP、CAN的多種通訊總線，能夠根據(jù)需求開發(fā)多種通訊方式，其中MCBSP用于和同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器做高速數(shù)據(jù)通訊，SCI用于和上位機(jī)通訊，SPI用于和參數(shù)存儲器傳輸數(shù)據(jù)。在本實施例中，同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端連接DSP處理器的輸入端，同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接精密MEMS加速度傳感器的輸出端，精密MEMS加速度傳感器的輸入端采集風(fēng)機(jī)的振動數(shù)據(jù)；參數(shù)存儲器也連接在DSP處理器上，參數(shù)存儲器與DSP處理器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，DSP處理器的控制信號輸出端連接光電隔離模塊的輸入端，光電隔離模塊的輸出端連接繼電器的輸入端，繼電器的輸出端連接PLC或其他后續(xù)硬件；DSP處理器的通訊信號輸出端連接串行通訊模塊的輸入端，串行通訊模塊的輸出端連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的信號顯示設(shè)備，DSP處理器將接收到的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、處理和比對，然后通過串行通訊模塊輸出通訊信息，當(dāng)比對超過設(shè)定閾值后，DSP處理器還將通過光電隔離模塊和繼電器輸出電氣控制信號。在本實施例中，在DSP處理器內(nèi)設(shè)置了 HR濾波器程序，該HR濾波器程序是一個工作頻率為(TO. 05Hz,采樣頻率為4Hz的低通濾波程序，在HR濾波程序內(nèi)，設(shè)紐為輸入信號序列、輸入信號序列依次為紐、Xn-!> Xn-2、X -3……Xn-n，設(shè)hn序列為濾波器的系數(shù)，濾波器系數(shù)依次為h0、hi、h2、h3……h(huán)n，依次用輸入信號乘以濾波器系數(shù)并求和，即 XnXhO+X^Xhl+ Xn_2Xh2+Xn_3Xh3+……+ Xn_nXhn，就得到濾波后的輸出信號撲，該HR濾波器抑制0. 05Hz以上的信號，并將0. 05Hz以下的信號設(shè)為重力加速度信號foc，設(shè)G為重力加速度9. 8m/s2,設(shè)a為軸向與水平面的傾角Gx=GX sin (a)a=arcsin(Gx/G)DSP處理器計算出a值，并通過串行通訊模塊輸出到人機(jī)界面顯示屏上，即實現(xiàn)了傾角輸出。[0023]上述用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動分析儀，其特點是在DSP處理器內(nèi)設(shè)置了基2-FFT快速傅里葉變換算法，設(shè)置采樣頻率Fs為40Hz，最大信號頻率Fmax與采樣頻率Fs根據(jù)耐奎斯特采樣定律有如下關(guān)系Fs 彡 2*Fmax由上式可知，F(xiàn)max最大能輸出20Hz的頻譜頻率，設(shè)Χ(ω)為頻域信號，x(t)為輸
入時域采樣信號，傅里葉積分變換由如下數(shù)學(xué)方式實現(xiàn)從上式可知，該傅里葉積分處理的是一個連續(xù)的時域信號，由于在精密MEMS加速度傳感器后面設(shè)置了同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將加速度信號變化成了離散的數(shù)字信號，于是傅里葉變換函數(shù)變?yōu)榱巳缦碌仁?br> M-IHW=SxiC^Ff， -礎(chǔ)
41w^ _ β在基2-FFT快速傅里葉變換算法中，設(shè)Nik，k為正整數(shù)，利用WN的周期性和對稱性，把一個N項序列，分為兩個N/2項的子序列，每個N/2點DFT變換需要2次運算，再用N 次運算把兩個N/2點的DFT變換組合成一個N點的DFT變換，總的運算次數(shù)就變成N+2 (N/2) 2=N+N2/2將這種“一分為二”的方法不斷進(jìn)行下去，直到分成兩兩一組的離散傅里葉運算單元，那么N點的DFT變換就只需要Nlog2N次的運算，N在IOM點時，運算量為10240次，將 40Hz的采樣速率聲場χ序列，交由FFT算法進(jìn)行處理，得到X頻譜序列，也就實現(xiàn)了 (Γ20Ηζ 范圍內(nèi)的頻譜輸出的功能。精密MEMS加速度傳感器是以2. 5V作為0加速度(傾角)的偏移電壓，輸出的電壓波形為以傾角作為低頻量、加速度作為高頻波形的疊加。當(dāng)模塊水平放置時，傾角為0°， 輸出波形全部為加速度波形，傾角和加速度都能得到正確的結(jié)果?？紤]到現(xiàn)實使用環(huán)境， 模塊的安裝不可能完全水平放置，總會存在按照傾角，甚至在有的安裝點還必須垂直安裝，這樣輸出的波形就會是一個直疊加一個低頻量，在傾角的計算中，這就反應(yīng)了安裝傾角。設(shè)采樣信號s(ri)中，S(O)為第一個采樣點，設(shè)差值d(0)=s(0)，消除固有偏差的信號 acc (0) =0, d (1) =S (1) -S (0)；可得 acc (1) =acc (0) +d (1)，依次類推可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律d (1) =s (1) -S (0)，acc (1) =acc (0) +d (1)d (2) =s (2) -S (1)，acc (2) =acc (1) +d (2)d (3) =s (3) -S (2)，acc (3) =acc (2) +d (3)..............................d (N) =s (N) -S (N-I)，acc (N) =acc (N-I) +d (N)通過強(qiáng)制把第一個采樣點保存為0，而后續(xù)保存兩兩采樣點的差值的方法，能夠消除安裝傾角帶來的固有偏差，使得加速度(特別是較小幅度的振動)的波形變得明顯。風(fēng)機(jī)在運行的過程中，風(fēng)機(jī)上不同的機(jī)械部件存在一個不同固有頻率，這些固有頻率下的振動，會導(dǎo)致對應(yīng)的機(jī)械部件發(fā)生共振，這種共振對風(fēng)機(jī)的安全會產(chǎn)生較嚴(yán)重的危害。所以理論上我們需要在已知固有頻率的基礎(chǔ)上，設(shè)置以該固有頻率為中心頻率的帶通濾波器，通過對同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器返回的振動幅值進(jìn)行濾波就能有效地檢測出該固有頻率的振動幅值。由于是在對一個無限長度的信號做有限長度的處理，這樣無形中就為信號加上了矩形窗，由于矩形窗會導(dǎo)致頻譜發(fā)生變化，帶來頻譜泄露。為了使能量最大程度的集中在主瓣中，我們需要對輸入信號進(jìn)行加窗處理。窗口函數(shù)根據(jù)需要可以選擇漢寧窗，海明窗或者布萊克曼窗，本實施例的窗口函數(shù)采用漢寧窗。本實施例采用HR作為加速度帶通濾波器、傾角低通濾波器。對于不同的中心頻率的設(shè)定，我們只需要擬定一個歸一化數(shù)字中心頻率F0’，設(shè)歸一化采樣頻率FS’=N*F0’ (N 為固定常數(shù))，這樣我們只需要修改歸一化采樣頻率FS’與實際采樣頻率FS的抽取比例S， 就能調(diào)節(jié)濾波器的實際中心頻率F0，而抽取比例的取值往往很大(FS=32kHz時，0. 2Hz 5Hz 的范圍對應(yīng)S范圍為20000 800)，可見5Hz時的頻率誤差為5/800=0. 00625Hz，而0. 2Hz時頻率誤差低至0. 00001Hz，滿足0. OlHz頻率分辨率的要求。這樣只需要一組HR濾波系數(shù)， 就能滿足整個可設(shè)置FO范圍的帶通濾波，對于不同的通頻帶帶寬的要求，可以設(shè)計FO相同，而級數(shù)不同的FIR濾波系數(shù)。由于FIR為線性相位濾波器，對于某一個HR傳遞函數(shù)而言，并非是一個最小相位系統(tǒng)，只有最小相位系統(tǒng)的單位沖擊響應(yīng)才具有最小的延遲。根據(jù)《信號與系統(tǒng)分析》證明， 所有零點和極點都在單位圓以內(nèi)的系統(tǒng)為因果穩(wěn)定的最小相位系統(tǒng)。由于HR傳遞函數(shù)的極點已經(jīng)全部在單位圓內(nèi)，只需要把HR傳遞函數(shù)中的位于單位圓以外的零點映射到單位圓以內(nèi)，就可以完成FIR濾波器的最小延遲化的改進(jìn)。改進(jìn)后的HR傳遞函數(shù)并不會改變?yōu)V波器的幅頻特性，而響應(yīng)速度卻有明顯的提高。傾角低通FIR濾波器使用類似的方式設(shè)計與改進(jìn)，所不同的是角度低通濾波器采用固定的FS，以保證角度的刷新速度。在本實施例中，濾波器是根據(jù)已知的機(jī)械部件的固有頻率，來確定濾波器的中心頻率，這樣能很準(zhǔn)確地知道這個頻率下的振動幅度，采用FFT快速傅立葉變換，對一個離散時間序列做頻譜分析。設(shè)FFT運算長度定為IOM點，這樣在FS=40Hz的情況下，頻譜分析范圍為(Γ20Ηζ，頻譜輸出點數(shù)為512點，頻譜分辨率為G0/2)/(10M/2)=0. 0391Hz。在本實施例中，采用了 M0DBUS-RTU作為外部串行通訊協(xié)議，采用了協(xié)議中進(jìn)行寄存器讀寫操作的03、04、16功能號作為模塊已定義功能號。其中03功能用于讀取用戶參數(shù)， 04功能用于讀取振動、角度、頻譜等運算結(jié)果，16功能號用于用戶參數(shù)寫入操作。
權(quán)利要求1.一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動分析儀，包括精密MEMS加速度傳感器、光電隔離模塊、 串行通訊模塊、繼電器和參數(shù)存儲器，其特征在于振動分析儀的計算和控制系統(tǒng)采用了 DSP處理器，在DSP處理器的信號輸入端設(shè)置了同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端連接DSP處理器的輸入端，同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接精密MEMS加速度傳感器的輸出端，精密MEMS加速度傳感器的輸入端采集風(fēng)機(jī)的振動數(shù)據(jù)；參數(shù)存儲器也連接在DSP處理器上，參數(shù)存儲器與DSP處理器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，DSP處理器的控制信號輸出端連接光電隔離模塊的輸入端，光電隔離模塊的輸出端連接繼電器的輸入端，繼電器的輸出端連接PLC 或其他后續(xù)硬件；DSP處理器的通訊信號輸出端連接串行通訊模塊的輸入端，串行通訊模塊的輸出端連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的信號顯示設(shè)備，DSP處理器將接收到的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、 處理和比對，然后通過串行通訊模塊輸出通訊信息，當(dāng)比對超過設(shè)定閾值后，DSP處理器還將通過光電隔離模塊和繼電器輸出電氣控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動分析儀，其特征在于所述DSP 處理器為32位、內(nèi)存不低于36k字節(jié)，帶有SCI、SPI、MCBSP、CAN通訊總線的DSP數(shù)字信號處理器。
專利摘要本實用新型公開了一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動分析儀，它由精密MEMS加速度傳感器、光電隔離模塊、串行通訊模塊、繼電器、參數(shù)存儲器、同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DSP處理器構(gòu)成，通過精密MEMS加速傳感器采集風(fēng)機(jī)的振動信息，通過同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器將振動信息轉(zhuǎn)換成DSP處理器能夠識別的數(shù)據(jù)，通過DSP處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)運算、分析和處理，并通過串行通訊模塊實時輸出當(dāng)前的各種振動數(shù)據(jù)信息，通過光電隔離模塊和繼電器輸出電氣控制信號給PLC或其他后續(xù)硬件，控制風(fēng)電機(jī)組對超過設(shè)定閾值的振動情況采取相應(yīng)措施，本實用新型的耐機(jī)械沖擊能力強(qiáng)、控制精度高、響應(yīng)時間快，且能實現(xiàn)傾角輸出和頻譜輸出。
文檔編號G01H1/00GK201964950SQ20112006338
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者張宇行, 李泳林, 苗強(qiáng) 申請人:成都阜特科技有限公司