风力发电机组叶片振动无线检测系统-.doc

随着人类对能源需求的不断增加,以及化石能源造成的环境污染、温室效应等问题的出现,能源安全已成为世界各国面临的最重要的问题。风能是目前最有开发利用前景的可再生清洁能源,风力发电作为风能利用的主要方式而备受关注[1]。截止2010年底,全球风电装机容量已达到2亿千瓦。已经有100多个国家开始发展风电,装机容量超过100万千瓦的国家有20个。我国除台湾外累计风电装机容量已达4400万千瓦,已经超过美国成为装机第一的风电大国[2]。 叶片是风力发电机组吸收风能的关键部件,叶片质量好坏直接关系着机组运行的安全性。机组的载荷主要由叶片产生,叶片承受的载荷主要有吸收风载的气动载荷、本身的重力载荷以及转动时产生的离心力载荷。随着机组容量不断增大,叶片的长度也越来越长,为了降低成本,薄壳结构的叶片也变得越来越轻巧,结构的挠性变得越大。叶片在旋转过程中受到大气边界层的剪切风、随机阵风、塔影效应、变桨、偏航、气动的不平衡、叶片本身弹性恢复等因素影响,形成了复杂的激振源,由此引发的多因素的结构耦合振动越发引起重视。振动的主要形式表现为挥舞、摆阵和扭转振动。因此,检测叶片在不同风速下的振动特性,分析其振动机理,对于指导叶片设计和机组安全运行有着重要的意义。 由于风力机叶片特殊的工作方式,传统的测振方式无法安装在叶片上。本研究设计了一套低功耗的无线振动采集系统,可以把振动传感器模块安装在叶片内部某一半径位置,上位机的收发模块安装在机舱中,上位机可以放在塔筒底部,它们之间采用RS485通信。系统采用ATMEGA32单片机作为数据采集和数据处理的核心,用NRF24E1低功耗的收发芯片作为无线通信模块,上位机通过LabVIEW编程实现数据的图形化显示,并且可以通过软件编程使单片机和无线发射模块工作在更低的功耗状态。 1系统组成 本系统采用模块化设计思路,系统结构框图如图1所示。选用的高性能低频传感器把振动信号传输给单片机,数据经过处理后无线收发模块通过半双工的通信模 风力发电机组叶片振动无线检测系统* 陈广华,田德,李琪 华北电力大学可再生能源学院,北京102206 摘要设计了一种风力发电机组叶片振动的无线检测系统。采用模块化设计思路,振动传感器选用TZDM22-55,单片机选用高性能的ATMEGA32,无线收发模块选用NRF24E1芯片,上位机采用LabVIEW编程。系统平时工作在休眠状态,工作时通过软中断请求唤醒。测试结果表明该系统传输信号数据可靠。系统集成度高,功耗小,结构简单,工作稳定可靠,抗干扰能力强。 关键词风力发电机组;叶片振动;无线检测 中图分类号TP274文献标识码B文章编号0258-7998201205-0080-04 Wind turbine blade wireless vibration detection system Chen Guanghua,Tian De,Li Qi School of Renewable Energy,North China Electric Power University,Beijing102206,China AbstractDesign a wireless vibration detection system of wind turbine blade.Adopting modular design ideas,selected TZAM22-55as vibration sensor,high-perance ATMEGA32as SCM,NRF24E1as wireless transmitter module,supervisory com-puter software was programed using LabView.System usually in the dormant,data collectiong and trandmission through software in-terrupt.Test results show that system transmission signal data are reliable.System is high integration,low power consumption,struc-ture simple,stable and reliable,strong anti-interference ability. Key wordswind turbine;blade vibration;wireless detection *基金项目国家科技支撑计划2009BAA22B02 系统时钟 单片机 传感器 收发模块 电源图2系统原理图 式传输出去。平时不工作时,系统处于休眠状态,上位机有数据采集的中断信号发出以后,即可把系统从休眠状态中唤醒,启动收发模块,检验通道是否畅通,然后把存储在单片机中的数据发射出去,当接收端确认正确接收后,系统重新进入休眠状态 [3-4] 。接收部分通过RS485完 成和计算机的通信,采用LabVIEW 图形化的编程语言对数据做最后的接收、显示和处理。 2系统硬件 振动传感器要安装在旋转的风力机叶片上,不能经常拆卸,因此要考虑固定和系统的功耗问题。采用低功耗的元器件是本系统的一个重要特色。系统原理图如图2所示。 2.1传感器选择 系统选用TZDM22-55振动传感器,它采用了锑化铟薄膜磁敏电阻作为敏感元件,配以放大整形线路用金属外壳封转,输出信号为准正弦波的交变电压信号。安装时将传感器紧固在一侧的振动体上,当振动体在传感器敏感的测量方向上振动时,传感器内部的振动磁钢相应地强制振动,安装在振动磁钢旁的磁敏元件能够感应出磁钢引起的磁场变化,并产生一个交变电压信号,经过电路的处理放大后,输出与被测振动参数频率和幅值大小相对应的交变电压信号。工作电压V DC 524V ,振动频率范围0.3Hz3kHz ,使用温度范围-25℃75℃,防护等级IP65IP67。无振动时输出近似2.5V 的直流电平,噪音小于30mV ;有振动输出时,输出电压幅值 50mV4.8V 之间。两根电源线,一根信号输出线。具有 体积小、频响宽、接线简单、分辨率高、灵敏度高、寿命长等特点。有振动和无振动时的输出波形见图3。 2.2单片机的选择 系统选用了ATMEL 公司的ATMEGA32单片机 [5-7] 。 其内核具有丰富的指令集,所有的寄存器都直接与算术逻辑单元ALU 相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。具有32KB 的系统内可编程Flash ,1KB EEPROM,2KB SRAM ,32 个通用I/O 端口,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG 接口,支持片内调试与编程,3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器T /C ,片内/外中断,可编程串行USART ,面向字节的两线串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益TQFP 封装的 ADC ,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI 串行端口,以及6个可以通过软件进行选择的睡 眠模式。 2.3时钟电路 时钟电路选用DS1302。工作电压2.0V5.5V ,2.0V 时工作电流小于300nA 。DS1302内部提供了一个31 8bit 的用于临时性存放数据的RAM 寄存器,还增加了 主电源和备份电源的双电源引脚,在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。通过三线RST 、I/O 、 SCLK串行方式与单片机进行数据传送,能够向单片机 提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息,实现数据与出现该数据的时间同时记录,并可对月末日期、闰年天数自动进行调整。 2.4无线传输模块 采用了NORDIC 公司生产的nRF24E1[8-9]。该模块的无线收发器工作于2.4GHz 的ISM 频段,有多达125个频点,能够实现点对点、点对多点的无线通信,同时可采用改频和跳频来避免干扰。内部结构如图4所示。 NRF24E1内部集成了增强型8051内核,2.4GHz 无线收 发器,100kS/s 的9路10位模数转换器,内置RC 振荡器、SPI 接口、UART 接口、PWM 输出、看门狗和唤醒定时器以及专门的稳压电路。所有高频元件包括振荡器、电感等全部集成在芯片内部,因此芯片的性能稳定,受外界环境的影响很小。 NRF24E1采用36脚QFN6mm 6mm封装,体积小、 功耗低,非常适用于对体积和功耗要求较高的应用场合;最大传输速率可达1Mb/s ,灵敏度为-90dBm ,最大发射功率为0dBm ;在较为理想的环境中,室内传输距离可达3040m ,室外传输距离可达100200m ;其工作电压为1.93.3V ,工作温度范围为-40℃80℃。 信号采集和发射模块的电路原理图如图5所示,单片机的D6口接收传感器的脉冲信号,PB0PB2口与 DS1302的RST 、I/O 、SCLK 引脚相连,单片机通过TXD 和RXD 与发射模块进行通信。32.768kHz 的晶振为时钟 芯片提供计时脉冲。nRF24E1的运行程序放在外部串行 EEPROM 中,开始工作时,内部引导程序会自动把主程序 导入SRAM 中并执行。 低频振动传感器 单片机 收发模块 计算机LabVIEW 单片机收发模块 图1系统硬件结构框图 485 3系统软件的实现 单片机选用内部自带的1MHz晶振,B口接收DS1302的时间数据,D6口接收振动信号。单片机收到上位机采集信号的请求后,通过INIT0中断把单片机从睡眠模式中唤醒,然后给nRF24E1返回一个准备完毕的信号“*”。初始化NRF24E1,首先送握手信号“”,待确认后,调用发射程序,把数据通过USART发给接收模块,当监测到UCSAR的TXC为置位时,发送结束,系统重新进入睡眠状态。发射数据时NFRF24E1工作在ShockBurst 模式下,可使数据发送时间大大缩短。软件采用了LabVIEW 语言编程,可以方便地实现系统对数据的采集和分析处理。单片机控制的软件流程如图6所示。 4系统测试数据 系统在实验室组装调试成功后,在室内转动的吊扇叶片上进行了测试,测试数据如图7所示。图7a是叶片慢速转动时的部分数据曲线,图7b是给了一个激励后的振动数据曲线。采集的数据结果表明,系统数据传输稳定可靠,对激励信号反应灵敏,能够对风机叶片的低频振动信号进行可靠的采集。 该系统以计算机为上位机,利用无线通信方式实现 上接第79页 器,或通过无线模块直接发送给地面接收设备,最后由地面计算机完成对风速的解算任务,实现测风目的。参考文献 [1]周伟静.一种基于小型无人机的风场测量方法[J].测试 技术学报,2009,234297-302. [2]周树道.基于非惯性运动状态的气象无人机测风方法 研究[J].传感技术学报,2011,241155-158. [3]新华龙电子.C8051F120/1/2/3/4/5/6/7系列混合信号ISP Flash 微控制器数据手册[DB/OL].http//.[4]王丽秋.基于u-blox 高灵敏精确定位系统[J].微计算 机信息,2010,262167-169. [5]黄成功.小型无人机空速测量系统设计[J].计算机测量 与控制,200981512-1516. [6]飞思卡尔.MPXV7002DP 用户手册.http//www.freescale. com. [7]王丽颖.基于HMC1022磁阻传感器的数字电子罗盘的 设计与实现[J].电子测量技术,20091108-111. [8]曹茂永.仪用放大器AD620及其应用[J].电测与仪表, 20001049-52. [9]ADI.ADXL345用户手册.http//.[10]Bosch.BMP085用户手册.http//www.bosch-.[11]张恒.基于AT89S52和FAT16的SD 卡读写系统设计 [J].单片机与嵌入式系统应用,2009853-58.[12]李晓强.无人机飞行控制系统的硬件设计与研究[D]. 西安西安理工大学,2008. 收稿日期2012-01-08 作者简介 周树道,男,1964年生,教授,主要研究方向信号与信息处理。 系统初始化 系统睡眠 数据采集 系统唤醒 启动发射程序 返回 Y N 发射程序启动 USAR 初始化 送校验字 数据发射 发射完毕 返回 Y N 图6程序流程图 风电机组叶片振动测量,解决了一般有线测量方法在叶片上难以安装的难题。通过选用低功耗的器件以及电路 的优化设计和软件的处理,使系统能够工作在更低功耗状态,抗干扰性更强,并具有良好的人机对话界面,系统整体集成度高,扩展性强,软件编程简单,可开发能力强。实验结果表明,该系统能够满足叶片低频振动测量的需要。参考文献 [1]贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京国防工业 出版社,2006. [2]李俊峰.中国风电发展报告2011[M].北京中国环境科学 出版社,2011. [3]李朝青.无线发送/接收IC 芯片及其实据通信技术选编 [M].北京北京航空航天大学出版社,2003. [4]周林,殷侠.数据采集与分析技术[M].西安西安电子科技 大学出版社,2005. [5]耿德根.AVR 高速嵌入式单片机原理与应用[M].北京 北京航空航天大学出版社,2001. [6]沈文.AVR 单片机C 语言开发入门指导[M].北京清华 大学出版社,2003. [7]赵亮,候国锐.单片机C 语言编程与实例[M].北京人民 邮电出版社,2003. [8]Nordic white paper.nRF24E1product specification[EB/OL]. [2011-11-06].http//www.nvlsi.no/files/product/data_sheet/nRF24E1_prod_vl_0.pdf.2003-07. [9]nRF24E1and nRF24E2RF layouts[DB/OL].[2011-11-06]. http//. 收稿日期2011-11-26 作者简介 陈广华,男,1973年生,博士,主要研究方向风力发电技术。 田德,男,1958年生,教授,博士生导师,主要研究方 向风力发电技术。