STM32的風電機組傳動部件遠程狀態監測裝*

張軒，萬書亭，吳章勤，劉榮海，趙建坤,2，李偉東

(1.華北電力大學機械工程系， 保定 071003; 2.華北電力大學云南電網公司研究生工作站； 3.云南電網公司電力科學研究院；)

* 基金項目：云南電科院風電機組傳動部件遠程狀態監測裝置研制(KY-N14042)。

?

張軒1,2，萬書亭1，吳章勤3，劉榮海3，趙建坤1,2，李偉東1

(1.華北電力大學機械工程系， 保定 071003; 2.華北電力大學云南電網公司研究生工作站； 3.云南電網公司電力科學研究院；)

* 基金項目：云南電科院風電機組傳動部件遠程狀態監測裝置研制(KY-N14042)。

摘要:研制了一套基于STM32的風電機組傳動部件遠程狀態監測裝置，采用STM32單片機進行數據轉換，設計了數據采集和分析系統的硬件電路,將轉換的信號通過GPRS無線網絡進行遠程傳輸。根據希爾波特包絡解調譜原理，對采集的數據進行處理分析，得到準確的結果。

關鍵詞:STM32；風電機組；傳動部件；遠程監測；數據采集

引言

本文研制了一種基于STM32的風電機組傳動部件遠程監測裝置，采用6點監測，并將采集的數據根據希爾波特包絡解調譜原理進行頻域分析，可以實現將數據從現場到遠程監控平臺的傳輸和控制。

1裝置總體框架

風電機組傳動部件遠程狀態監測裝置的總體框架如圖1所示，包括6路ICP加速度傳感器、6路A/D采集模塊、單片機數據處理模塊和DTU無線傳輸裝置和電源模塊。

圖1　裝置總體框架

1.1硬件部分

(1) ICP加速度傳感器

ICP加速度傳感器內置信號調理電路。在4 mA恒流源供電下，ICP傳感器會產生偏置電壓。隨著加速度的變化，輸出電壓范圍為±5 V。

(2) A/D采集模塊

6路A/D采集模塊包括低通濾波電路模塊、差分電壓轉換電路模塊、24位A/D轉換芯片和參考電壓電路模塊。A/D芯片采用ADS1271模數轉換芯片，低通濾波為貝塞爾四階低通濾波器。

采用STM公司的 STM32單片機，型號為STM32F103RBT6(以下簡稱STM32)，并有豐富的外設。

(4) DTU無線傳輸裝置

采用宏電H7710DTU，通過通用GPRS網絡連接Internet，遠程通過訪問服務器就可以調用數據。

(5) 電源模塊

電源模塊包括+12 V電壓源、+5 V電壓源、+3.3 V電壓源、-12 V電壓源和4 mA恒流源。

1.2軟件部分

軟件部分包括STM32程序和上位機程序。STM32程序包含：信號采集、信號轉換以及與上位機通信，上位機程序包含圖形界面的顯示、數據的存儲、數據的分析以及與STM32的通信。

2遠程狀態監測裝置硬件設計

2.1A/D采集模塊設計

每一路A/D采集通道信號都經過低通濾波、差分轉換，之后進入A/D轉換芯片中，如圖2所示。

2.3 尿液檢查完成率 結果(表2)顯示：初次問卷調查時，行尿液檢查者37例(62.7%)；再次問卷調查時，行尿液檢查者51例(86.4%)，與初次調查時差異有統計學意義(P<0.05)。其中，講座組再次問卷調查時自愿行尿液檢查的人數較初次問卷調查時增加(95.0% vs 45.0%, P<0.05)。

圖2　采集模塊框圖

6個A/D采集芯片通過級聯的方式連接在一起。ADS1271 是Σ-ΔADC，驅動時鐘最高達27 MHz。在高速模式下，過采樣比為256；在高精度模式下，過采樣比達到512。芯片的輸出最高數據率為105.4 kbps。ADS1271 的數字輸出端通過SPI 協議進行通信，考慮到所選用的微控制器STM32的硬件SPI接口數量有限，因此，將6片ADS1271 兩兩級聯,這樣只用一個SPI接口就可以讀取6路的A/D轉換數據。由于12位A/D芯片ADS1271 的輸入信號要求為共模電壓2.5 V 的差分信號，并且設置參考電壓VREF 為2.5 V，即差分輸入電壓的滿偏值為2.5 V。為保證參考電壓的精度和低噪聲，選用了參考電壓芯片REF3125 作為2.5 V 高精度電壓的輸出。

前端濾波器采用四階貝塞爾有源低通濾波器，低通濾波器采用OPA37高速運算放大器，能夠有效濾掉ICP傳感器產生的雜波干擾。由于ADS1271的最高采樣率為100 kHz，所以貝塞爾低通濾波器3 dB截止頻率設計為50 kHz。低通濾波模塊如圖3所示。

圖3　低通濾波模塊

ADS1271模數轉換芯片采用級聯的方式連接，只需其中的一個芯片連接STM32單片機就可以實現對6路信號的讀取，如圖4所示。ADS1271通過CLK、SCLK、DRDY、DOUT四個引腳和STM32單片機進行SPI通信。ADS1271的級聯方式為ADS1271的DOUT端接到下一級ADS1271的DIN端。在ADS1271的模擬電源AVDD端和數字電源端DVDD端都并聯有10 μF和0.1 μF的去耦電容。在ADS1271的差分輸入端也并有去耦電容。

圖4　A/D轉換

2.2差分轉換電路設計

差分轉換電路是將ICP加速度傳感器的信號轉換為差分信號。差分轉換電路的輸入為ICP加速度傳感器經過低通濾波電路后的信號，輸出為經過差分化的差分信號。差分信號能夠有效地降低共模噪聲，提高信號信噪比。差分運放選用的是OPA1632，由于模數轉換芯片的差分信號共模電壓為2.5 V，因此OPA1632 的VOCM引腳的共模輸入電壓為2.5 V參考電壓，保證差分運放輸出端電壓以2.5 V 共模電壓為中心對稱。同時，由于振動傳感器的電壓波動范圍是±5 V，為了配合模數芯片±2.5 V的差動電壓范圍，需要配置差動運放的增益為1/2，從而保證差分轉換后的信號能夠在A/D轉換模塊的量程范圍內。差分轉換電路如圖5所示。

圖5　差分轉換電路

2.3單片機數據處理模塊設計

單片機數據處理模塊由STM32單片機最小系統、SD

卡模塊和RS485轉換模塊組成。STM32單片機能夠快速讀取A/D采集模塊的信號，快速地存入到SD卡模塊中，并能夠通過RS485總線發送給DTU數據傳輸模塊。

RS485轉換電路采用MAX3485芯片，STM32單片機通過異步串行口USART和MAX3485芯片相連。由于RS485通信是半雙工通信，所以另外需要STM32單片機的另外一個I/O口與MAX3485芯片相連接，從而控制MAX3485芯片是接收RS485總線數據還是向RS485總線發送數據。

圖6　基壓電路圖

SD卡模塊用于存儲大量采集數據，SD卡是最適合單片機用于外部存儲的設備。STM32單片機和SD卡模塊只有4個I/O端口相連接。這4個I/O口是STM32單片機的SPI通信口，理論通信速率為18 Mbps。外部SD卡存儲器最大容量達32 GB，選擇尺度很大，更換也很方便，而且方便移動，編程也比較簡單，是單片機大容量外部存儲器的首選。

2.4參考電壓電路設計

參考電壓電路的作用是為ADS1271產生2.5 V的參考電壓。ADS1271轉換芯片的輸入信號要求為共模電壓2.5 V 的差分信號，并且設置參考電壓VREF 為2.5 V，即差分輸入電壓的滿偏值為2.5 V。為保證參考電壓的精度和低噪聲，選用了參考電壓芯片REF3125 作為2.5 V 高精度參考電壓的輸出，同時，為了提高2.5 V參考源的驅動能力，采用OPA350集成運算放大器搭建電壓跟隨器電路。經過OPA350集成運算放大器后的2.5 V參考電壓驅動能力更強，同時，紋波更小。基壓電路如圖6所示。

3基于希爾波特包絡解調譜原理的頻域分析

一個信號波形中的全部頻率分量相移90°后所得的時間信號叫做原信號的希爾波特變換[2]。希爾波特變換在時間域的數學描述如下：

而在頻率域中的數學描述為:

希爾波特變換的一個最主要的應用就是進行帶通信號的解調。用希爾波特變換把一個實信號表示成復信號,由此研究實信號的包絡、瞬時相位和瞬時頻率[2]。設窄帶信號x(t)為:

因此,構成解析信號:

則相位調制信號φ(t)為：

根據相位調制與頻率調制的關系得到實信號x(t)的頻率調制信號為:

4系統測試

通過對包絡信號進行頻率分析, 可以比較精確地確定出故障發生的部位和層次，通過分析包絡信號的頻次和強度來得到診斷信息。對滾動軸承來說,它可以有效地識別出邊頻帶,從而找出調制信號的特性[3],然后再結合機械設備本身, 進行故障診斷。將傳感器安裝在有故障的機組上，采集的信號通過DTU傳到上位機，然后對采集的信號進行頻譜分析，如圖7、圖8所示。

圖7　主軸承軸向包絡圖

圖8　主軸承水平方向包絡圖

從圖9中可以看出，在低頻段出現大量高速軸齒輪轉頻的倍頻，在主軸承軸向包絡圖中3倍頻處幅值最大，并非1倍頻最大，說明此高速軸或與軸連接的齒輪可能出現故障。

結語

本文研制了一套基于STM32的風電機組傳動部件遠程狀態監測裝置，并通過對故障風機的監測，達到了預期的效果。采用的STM32芯片，能夠達到采集精度，并且安裝調試簡單，能夠對風機的振動信號進行實時的采集與傳輸。

圖9　齒輪箱固定齒圈包絡圖

參考文獻

[1] 楊文華.風電場監控系統現狀和發展趨勢綜述[J].寧夏電力，2011(4):51-56．

[2] 高紅斌.滾動軸承故障包絡信號分析及物理模擬[J].機械工程與自動化,2008(2):91-93,97.

[3] 馬波,魏強,徐春林,等.基于Hilbert變換的包絡分析及其在滾動軸承故障診斷中的應用[J].北京化工大學學報：自然科學版,2004(6)：95-97.

[4] 陳艷艷,尹少平,王靈梅.風電遠程監測與診斷系統數據通信研究[J].華東電力,2013(1):148-151.

[5] 辛衛東,馬志勇,滕偉，等. 振動監測技術在風電機組齒輪箱故障診斷中的應用[J].中國電力,2012(5):77-80.

張軒(碩士),研究方向為狀態監測與故障診斷、無損檢測。

(責任編輯：楊迪娜收修改稿日期：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

中圖分類號:TP216

文獻標識碼:A