基于MMA7260QT的风力发电机振动在线监测系统

苏凤岐

内蒙古科技大学机械学院，内蒙古包头 014010

基于MMA7260QT的风力发电机振动在线监测系统

苏凤岐

内蒙古科技大学机械学院，内蒙古包头 014010

本文设计一种风力发电机振动在线监测系统，介绍监测系统的工作原理、硬件电路组成及软件设计方法。该系统具有过载保护、报警制动、参数设置、实时显示、高精度等优点。

MMA7260QT；振动；窗函数；信号采集；FIR数字滤波器

0 引言

风力发电机是将风能转换成电能的设备，风能通过叶轮带动主轴、增速箱、发电机组转换成电能。发电机组的状态监测和故障预测、诊断是目前风力发电机设备维修、维护管理的主要手段，其状态监测的方法很多，主要有力、位移、振动、噪声、温度、压力等监测。由于振动引起的机械损坏比率很高，目前在诊断技术上应用最多的是机械振动信号检测， 风力发电机运行状态通常可从振动数据上体现出来，目前国内大型风力发电机组振动监测设备基本上是整机进口，价格昂贵。为此我们开发了基于加速度传感器MMA7260QT、C8051F350型单片机的振动在线监测系统，具有振动数据实时监测、分析以及超限报警制动等功能。

1 系统整体设计

风力发电机故障诊断的基本方法是时域监测、频域分析诊断，核心思想是利用加速度传感器检测振动情况，由计算机对振动数据进行采样、滤波，提取有效振动频带内的信号，通过分析有效频带内的峰值振动频率来判断风机运行是否正常[1]。

采集系统主要包括传感器、电源电路、单片机系统和通讯电路。图1为系统硬件框图。

图1 系统框图

1.1 振动传感器

图2 MMA7260QT应用电路图

振动测量采用MMA7260QT 作为振动传感器，MMA7260QT采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，同时带有低通滤波并已做零g补偿。芯片提供休眠模式，最低供电电流3μA 。

MMA7260QT的关键组成部分加速度感应单元，利用半导体材料经过刻蚀加工成基于可变电容原理的机械结构。当芯片受到外力产生加速度时，相当于两个极板之间的发生了相对变化，从而将加速度变化以电容值变化的形式体现出来。再通过内部电路将电容转化为电压变化，经过滤波、放大处理后输出。

通过引脚1 、2 的输入搭配，可实现对加速度范围和灵敏度的选择。

1.2 单片机系统

C8051F350是一款完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有高速、低功耗、集成度高、功能强大、体积小巧等优点，其内部有一个全差分24位A/D转换器，该转换器具有在片内校准功能。两个独立的抽取滤波器可被编程到lkHz的采样率。可使用内部的电压基准，也可用差分外部基准进行比率测量。由2.7V～3.6 V低压供电，其功能已达到板卡级水平，使得片外功能器件减少。硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART和SPI串行接口，4个通用的16位定时器，具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA），片内上电复位、电源电压监视和温度传感器；片内电压比较器，17个端口I/O（允许5V输入）。可编程增益放大器（PGA）对ADC输入进行放大，可设置的放大倍数为 1、2、4、8、16、32、64 和 128[2]。

1.3 通讯模块

C8051F350与PC机或者其它设备交换数据是借助于RS-485串行通信来实现的。发送和接收要约定具体的数据格式和波特率（通信协议）。通信参数为9600，n，8，1。在配置每个控制器的时候，在一个网络上的所有设备都必须选择相同的串口参数。波特率9 600，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验位[4，6]。

2 软件设计

2.1 下位机软件设计

下位机软件的主要功能是检测和标定振动数据，按要求将数据上传至主机，并接受PC机配置，包括有效频带宽度、报警阈值、数据标定初值等。

数据标定是下位机编程的一个重要部分，它把采集的振动数据与实际加速度对应起来。

设传感器在加速度为正最大值f(xx+i)时输出为xx+i，加速度为为负最大值f(xi)时输出为xi，认为传感器是线性的，当传感器输出任意量x时，加速度值f (x)可用下式计算：

2.2 上位机软件设计

分析报警软件的主要功能是从下位机接收有效频带内振动信号数据，对数据进行FIR带通滤波；以通带内信号的合成矢量峰峰值作为依据判断发电机振动情况，同时检测发电机转速，若转速或振动值超限发出相应报警信号。

数字滤波器的设计是该模块的难点。采用工程中应用广泛的窗函数法，通过反复比较、调整，选用汉明窗设计FIR带通滤波器。

设滤波器的理想频率响应函数为Hd(ejω)，则其对应的单位脉冲响应为：

用窗函数法设计滤波器的基本原理是用有限长度单位脉冲响应序列h(n)去逼近理想的单位脉冲响应序列hd(n)。通常理想单位脉冲响应hd(n)往往都是无限长序列，而且是非因果的，所以用窗函数w(n)将hd(n)进行截断并作加权处理得到：

h(n)就是实际设计的FIR数字滤波器的单位脉冲响应序列，其频率响应函数为：

其中，N为所选窗函数w(n)的长度。如果要求滤波器具有线性相位特性，则h(n)必须满足：

2.3 方法改进及实现

设计中选用FIR型滤波器 ，即满足h(n) = ±h(N− 1 −n)且N为奇数。选用汉明窗对理想滤波器的单位脉冲响应进行截断，汉明窗函数为：

改进的窗函数能获得明显较小的第一副瓣电平，且可随着参数的选择力求使旁瓣的幅度与主瓣的宽度之间达到更好的匹配，选到合适的窗函数，这一特点体现出了该窗函数的优越性。

PC机的监控和配置程序采用VB编写，可用图表实时监测振动峰值随时间的变化情况，对机组状态评估、剩余寿命预测和设备维护等。并配置分析报警模块与传感器模块。在通信协议方面，加入和校验、超时判断和错误重传机制，最大限度保证了通信的可靠性。

3 结论

振动监测技术是保障大型风电机组可靠运行、降低维护成本、延长机组使用寿命的重要技术手段。在我国风电行业推广应用状态监测技术，实现风机由事后维修方式向预知维护方式转变是大势所趋。本设计采用RS485串行总线接口实现了远程高精度振动测量，具有性价比和精度高、智能化的优点。系统可广泛应用于机组设备运行的远程监控。

[1]易良榘.简易振动诊断现场实用技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[3]丁康，李魏华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]新华龙电子有限公司.C8051F350/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[S].潘琢金译，2005，7.

[5]潘浩，李洪彪，张朝晖.一种基于RS485总线的通信系统[J].仪器仪表学报，2003(4)：467-468.

TM315

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1674-6708（2010）30-0231-02

苏凤岐，高级实验师，工作单位：内蒙古科技大学