风力发电机组叶片振动无线检测系统

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
       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4 400万千瓦，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VDC 5～24 V，振动频率范围0.3 Hz~3 kHz，使用温度范围-25℃~+75℃，防护等级IP65~IP67。无振动时输出近似2.5 V的直流电平，噪音小于30 mV；有振动输出时，输出电压幅值50 mV~4.8 V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32 KB的系统内可编程Flash，1 KB EEPROM, 2 KB 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2.0 V~5.5 V，2.0 V时工作电流小于300 nA。DS1302内部提供了一个×8 bit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2.4 GHz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,2.4 GHz无线收发器,100 kS/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QFN(6 mm×6 mm)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1 Mb/s，灵敏度为-90 dBm，最大发射功率为0 dBm；在较为理想的环境中，室内传输距离可达30～40 m，室外传输距离可达100～200 m；其工作电压为1.9～3.3 V，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，PB0～PB2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。32.768 kHz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。
   
   ３ 系统软件的实现