基于MMA7260QT的風力發電機振動在線監測系統

蘇鳳岐

內蒙古科技大學機械學院，內蒙古包頭 014010

基于MMA7260QT的風力發電機振動在線監測系統

蘇鳳岐

內蒙古科技大學機械學院，內蒙古包頭 014010

本文設計一種風力發電機振動在線監測系統，介紹監測系統的工作原理、硬件電路組成及軟件設計方法。該系統具有過載保護、報警制動、參數設置、實時顯示、高精度等優點。

MMA7260QT；振動；窗函數；信號采集；FIR數字濾波器

0 引言

風力發電機是將風能轉換成電能的設備，風能通過葉輪帶動主軸、增速箱、發電機組轉換成電能。發電機組的狀態監測和故障預測、診斷是目前風力發電機設備維修、維護管理的主要手段，其狀態監測的方法很多，主要有力、位移、振動、噪聲、溫度、壓力等監測。由于振動引起的機械損壞比率很高，目前在診斷技術上應用最多的是機械振動信號檢測， 風力發電機運行狀態通常可從振動數據上體現出來，目前國內大型風力發電機組振動監測設備基本上是整機進口，價格昂貴。為此我們開發了基于加速度傳感器MMA7260QT、C8051F350型單片機的振動在線監測系統，具有振動數據實時監測、分析以及超限報警制動等功能。

1 系統整體設計

風力發電機故障診斷的基本方法是時域監測、頻域分析診斷，核心思想是利用加速度傳感器檢測振動情況，由計算機對振動數據進行采樣、濾波，提取有效振動頻帶內的信號，通過分析有效頻帶內的峰值振動頻率來判斷風機運行是否正常[1]。

采集系統主要包括傳感器、電源電路、單片機系統和通訊電路。圖1為系統硬件框圖。

圖1 系統框圖

1.1 振動傳感器

圖2 MMA7260QT應用電路圖

振動測量采用MMA7260QT 作為振動傳感器，MMA7260QT采用了信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，并且提供4個量程可選，同時帶有低通濾波并已做零g補償。芯片提供休眠模式，最低供電電流3μA 。

MMA7260QT的關鍵組成部分加速度感應單元，利用半導體材料經過刻蝕加工成基于可變電容原理的機械結構。當芯片受到外力產生加速度時，相當于兩個極板之間的發生了相對變化，從而將加速度變化以電容值變化的形式體現出來。再通過內部電路將電容轉化為電壓變化，經過濾波、放大處理后輸出。

通過引腳1 、2 的輸入搭配，可實現對加速度范圍和靈敏度的選擇。

1.2 單片機系統

C8051F350是一款完全集成的混合信號片上系統型MCU，具有高速、低功耗、集成度高、功能強大、體積小巧等優點，其內部有一個全差分24位A/D轉換器，該轉換器具有在片內校準功能。兩個獨立的抽取濾波器可被編程到lkHz的采樣率。可使用內部的電壓基準，也可用差分外部基準進行比率測量。由2.7V～3.6 V低壓供電，其功能已達到板卡級水平，使得片外功能器件減少。硬件實現的SMBus/ I2C、增強型UART和SPI串行接口，4個通用的16位定時器，具有3個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器/定時器陣列（PCA），片內上電復位、電源電壓監視和溫度傳感器；片內電壓比較器，17個端口I/O（允許5V輸入）。可編程增益放大器（PGA）對ADC輸入進行放大，可設置的放大倍數為 1、2、4、8、16、32、64 和 128[2]。

1.3 通訊模塊

C8051F350與PC機或者其它設備交換數據是借助于RS-485串行通信來實現的。發送和接收要約定具體的數據格式和波特率（通信協議）。通信參數為9600，n，8，1。在配置每個控制器的時候，在一個網絡上的所有設備都必須選擇相同的串口參數。波特率9 600，1個起始位，8個數據位，1個停止位，無奇偶校驗位[4，6]。

2 軟件設計

2.1 下位機軟件設計

下位機軟件的主要功能是檢測和標定振動數據，按要求將數據上傳至主機，并接受PC機配置，包括有效頻帶寬度、報警閾值、數據標定初值等。

數據標定是下位機編程的一個重要部分，它把采集的振動數據與實際加速度對應起來。

設傳感器在加速度為正最大值f(xx+i)時輸出為xx+i，加速度為為負最大值f(xi)時輸出為xi，認為傳感器是線性的，當傳感器輸出任意量x時，加速度值f (x)可用下式計算：

2.2 上位機軟件設計

分析報警軟件的主要功能是從下位機接收有效頻帶內振動信號數據，對數據進行FIR帶通濾波；以通帶內信號的合成矢量峰峰值作為依據判斷發電機振動情況，同時檢測發電機轉速，若轉速或振動值超限發出相應報警信號。

數字濾波器的設計是該模塊的難點。采用工程中應用廣泛的窗函數法，通過反復比較、調整，選用漢明窗設計FIR帶通濾波器。

設濾波器的理想頻率響應函數為Hd(ejω)，則其對應的單位脈沖響應為：

用窗函數法設計濾波器的基本原理是用有限長度單位脈沖響應序列h(n)去逼近理想的單位脈沖響應序列hd(n)。通常理想單位脈沖響應hd(n)往往都是無限長序列，而且是非因果的，所以用窗函數w(n)將hd(n)進行截斷并作加權處理得到：

h(n)就是實際設計的FIR數字濾波器的單位脈沖響應序列，其頻率響應函數為：

其中，N為所選窗函數w(n)的長度。如果要求濾波器具有線性相位特性，則h(n)必須滿足：

2.3 方法改進及實現

設計中選用FIR型濾波器 ，即滿足h(n) = ±h(N? 1 ?n)且N為奇數。選用漢明窗對理想濾波器的單位脈沖響應進行截斷，漢明窗函數為：

改進的窗函數能獲得明顯較小的第一副瓣電平，且可隨著參數的選擇力求使旁瓣的幅度與主瓣的寬度之間達到更好的匹配，選到合適的窗函數，這一特點體現出了該窗函數的優越性。

PC機的監控和配置程序采用VB編寫，可用圖表實時監測振動峰值隨時間的變化情況，對機組狀態評估、剩余壽命預測和設備維護等。并配置分析報警模塊與傳感器模塊。在通信協議方面，加入和校驗、超時判斷和錯誤重傳機制，最大限度保證了通信的可靠性。

3 結論

振動監測技術是保障大型風電機組可靠運行、降低維護成本、延長機組使用壽命的重要技術手段。在我國風電行業推廣應用狀態監測技術，實現風機由事后維修方式向預知維護方式轉變是大勢所趨。本設計采用RS485串行總線接口實現了遠程高精度振動測量，具有性價比和精度高、智能化的優點。系統可廣泛應用于機組設備運行的遠程監控。

[1]易良榘.簡易振動診斷現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]馬忠梅等.單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[3]丁康，李魏華，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4]新華龍電子有限公司.C8051F350/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[S].潘琢金譯，2005，7.

[5]潘浩，李洪彪，張朝暉.一種基于RS485總線的通信系統[J].儀器儀表學報，2003(4)：467-468.

TM315

A

1674-6708（2010）30-0231-02

蘇鳳岐，高級實驗師，工作單位：內蒙古科技大學