張軒，萬(wàn)書亭，吳章勤，劉榮海，趙建坤,2，李偉東

(1.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系， 保定 071003; 2.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站； 3.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院；)

* 基金項(xiàng)目：云南電科院風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)部件遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置研制(KY-N14042)。

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張軒1,2，萬(wàn)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(xué)機(jī)械工程系， 保定 071003; 2.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站； 3.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院；)

* 基金項(xiàng)目：云南電科院風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)部件遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置研制(KY-N14042)。

摘要:研制了一套基于STM32的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)部件遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，采用STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的硬件電路,將轉(zhuǎn)換的信號(hào)通過GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。根據(jù)希爾波特包絡(luò)解調(diào)譜原理，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

關(guān)鍵詞:STM32；風(fēng)電機(jī)組；傳動(dòng)部件；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集

引言

本文研制了一種基于STM32的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)部件遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置，采用6點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并將采集的數(shù)據(jù)根據(jù)希爾波特包絡(luò)解調(diào)譜原理進(jìn)行頻域分析，可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的傳輸和控制。

1裝置總體框架

風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)部件遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jī)數(shù)據(jù)處理模塊和DTU無(wú)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(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路。在4 mA恒流源供電下，ICP傳感器會(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)換電路模塊、24位A/D轉(zhuǎn)換芯片和參考電壓電路模塊。A/D芯片采用ADS1271模數(shù)轉(zhuǎn)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(jī)，型號(hào)為STM32F103RBT6(以下簡(jiǎn)稱STM32)，并有豐富的外設(shè)。

(4) DTU無(wú)線傳輸裝置

采用宏電H7710DTU，通過通用GPRS網(wǎng)絡(luò)連接Internet，遠(yuǎn)程通過訪問服務(wù)器就可以調(diào)用數(shù)據(jù)。

(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(jī)程序。STM32程序包含：信號(hào)采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換以及與上位機(jī)通信，上位機(jī)程序包含圖形界面的顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的分析以及與STM32的通信。

2遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1A/D采集模塊設(shè)計(jì)

每一路A/D采集通道信號(hào)都經(jīng)過低通濾波、差分轉(zhuǎn)換，之后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換芯片中，如圖2所示。

2.3 尿液檢查完成率 結(jié)果(表2)顯示：初次問卷調(diào)查時(shí)，行尿液檢查者37例(62.7%)；再次問卷調(diào)查時(shí)，行尿液檢查者51例(86.4%)，與初次調(diào)查時(shí)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。其中，講座組再次問卷調(diào)查時(shí)自愿行尿液檢查的人數(shù)較初次問卷調(diào)查時(shí)增加(95.0% vs 45.0%, P<0.05)。

圖2　采集模塊框圖

6個(gè)A/D采集芯片通過級(jí)聯(lián)的方式連接在一起。ADS1271 是Σ-ΔADC，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘最高達(dá)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(dá)到512。芯片的輸出最高數(shù)據(jù)率為105.4 kbps。ADS1271 的數(shù)字輸出端通過SPI 協(xié)議進(jìn)行通信，考慮到所選用的微控制器STM32的硬件SPI接口數(shù)量有限，因此，將6片ADS1271 兩兩級(jí)聯(lián),這樣只用一個(gè)SPI接口就可以讀取6路的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。由于12位A/D芯片ADS1271 的輸入信號(hào)要求為共模電壓2.5 V 的差分信號(hào)，并且設(shè)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(yùn)算放大器，能夠有效濾掉ICP傳感器產(chǎn)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(shè)計(jì)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(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用級(jí)聯(lián)的方式連接，只需其中的一個(gè)芯片連接STM32單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)6路信號(hào)的讀取，如圖4所示。ADS1271通過CLK、SCLK、DRDY、DOUT四個(gè)引腳和STM32單片機(jī)進(jìn)行SPI通信。ADS1271的級(jí)聯(lián)方式為ADS1271的DOUT端接到下一級(jí)ADS1271的DIN端。在ADS1271的模擬電源AVDD端和數(shù)字電源端DVDD端都并聯(lián)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(zhuǎn)換

2.2差分轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

差分轉(zhuǎn)換電路是將ICP加速度傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。差分轉(zhuǎn)換電路的輸入為ICP加速度傳感器經(jīng)過低通濾波電路后的信號(hào)，輸出為經(jīng)過差分化的差分信號(hào)。差分信號(hào)能夠有效地降低共模噪聲，提高信號(hào)信噪比。差分運(yùn)放選用的是OPA1632，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的差分信號(hào)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(yùn)放輸出端電壓以2.5 V 共模電壓為中心對(duì)稱。同時(shí)，由于振動(dòng)傳感器的電壓波動(dòng)范圍是±5 V，為了配合模數(shù)芯片±2.5 V的差動(dòng)電壓范圍，需要配置差動(dòng)運(yùn)放的增益為1/2，從而保證差分轉(zhuǎn)換后的信號(hào)能夠在A/D轉(zhuǎn)換模塊的量程范圍內(nèi)。差分轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5　差分轉(zhuǎn)換電路

2.3單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊由STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、SD

卡模塊和RS485轉(zhuǎn)換模塊組成。STM32單片機(jī)能夠快速讀取A/D采集模塊的信號(hào)，快速地存入到SD卡模塊中，并能夠通過RS485總線發(fā)送給DTU數(shù)據(jù)傳輸模塊。

RS485轉(zhuǎn)換電路采用MAX3485芯片，STM32單片機(jī)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(jī)的另外一個(gè)I/O口與MAX3485芯片相連接，從而控制MAX3485芯片是接收RS485總線數(shù)據(jù)還是向RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖6　基壓電路圖

SD卡模塊用于存儲(chǔ)大量采集數(shù)據(jù)，SD卡是最適合單片機(jī)用于外部存儲(chǔ)的設(shè)備。STM32單片機(jī)和SD卡模塊只有4個(gè)I/O端口相連接。這4個(gè)I/O口是STM32單片機(jī)的SPI通信口，理論通信速率為18 Mbps。外部SD卡存儲(chǔ)器最大容量達(dá)32 GB，選擇尺度很大，更換也很方便，而且方便移動(dòng)，編程也比較簡(jiǎn)單，是單片機(jī)大容量外部存儲(chǔ)器的首選。

2.4參考電壓電路設(shè)計(jì)

參考電壓電路的作用是為ADS1271產(chǎn)生2.5 V的參考電壓。ADS1271轉(zhuǎn)換芯片的輸入信號(hào)要求為共模電壓2.5 V 的差分信號(hào)，并且設(shè)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(shí)，為了提高2.5 V參考源的驅(qū)動(dòng)能力，采用OPA350集成運(yùn)算放大器搭建電壓跟隨器電路。經(jīng)過OPA350集成運(yùn)算放大器后的2.5 V參考電壓驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，同時(shí)，紋波更小?；鶋弘娐啡鐖D6所示。

3基于希爾波特包絡(luò)解調(diào)譜原理的頻域分析

一個(gè)信號(hào)波形中的全部頻率分量相移90°后所得的時(shí)間信號(hào)叫做原信號(hào)的希爾波特變換[2]。希爾波特變換在時(shí)間域的數(shù)學(xué)描述如下：

而在頻率域中的數(shù)學(xué)描述為:

希爾波特變換的一個(gè)最主要的應(yīng)用就是進(jìn)行帶通信號(hào)的解調(diào)。用希爾波特變換把一個(gè)實(shí)信號(hào)表示成復(fù)信號(hào),由此研究實(shí)信號(hào)的包絡(luò)、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率[2]。設(shè)窄帶信號(hào)x(t)為:

因此,構(gòu)成解析信號(hào):

則相位調(diào)制信號(hào)φ(t)為：

根據(jù)相位調(diào)制與頻率調(diào)制的關(guān)系得到實(shí)信號(hào)x(t)的頻率調(diào)制信號(hào)為:

4系統(tǒng)測(cè)試

通過對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻率分析, 可以比較精確地確定出故障發(fā)生的部位和層次，通過分析包絡(luò)信號(hào)的頻次和強(qiáng)度來(lái)得到診斷信息。對(duì)滾動(dòng)軸承來(lái)說(shuō),它可以有效地識(shí)別出邊頻帶,從而找出調(diào)制信號(hào)的特性[3],然后再結(jié)合機(jī)械設(shè)備本身, 進(jìn)行故障診斷。將傳感器安裝在有故障的機(jī)組上，采集的信號(hào)通過DTU傳到上位機(jī)，然后對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如圖7、圖8所示。

圖7　主軸承軸向包絡(luò)圖

圖8　主軸承水平方向包絡(luò)圖

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

結(jié)語(yǔ)

本文研制了一套基于STM32的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)部件遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，并通過對(duì)故障風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的效果。采用的STM32芯片，能夠達(dá)到采集精度，并且安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集與傳輸。

圖9　齒輪箱固定齒圈包絡(luò)圖

參考文獻(xiàn)

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張軒(碩士),研究方向?yàn)闋顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、無(wú)損檢測(cè)。

(責(zé)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(hào):TP216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A