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风力发电机振动采集系统的设计

2020-05-22 来源:好走旅游网
第40卷第1期 2017年2月 电子器件 Chinese Journal of Electron Devices Vo1.40 No.1 Feb.2017 Design of Wind Turbine Vibration Acquisition System CHU Shikai,QIN Huibin (Institute ofElectron Devices and Applciation,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang 310018,China) Abstract:Aiming at the role of vibration analysis in the condition detection and fault location of wind turbine.the vibration acquisition system is designed based on ADXL335 three axis acceleration sensor.STM32 iS used for analog digital conversion.For the ̄equency aliasing in the process of signal acquisition,a six order Butterworth low-pass ilfter was designed,and the Savitzky-Golay smoothing algorithm is used for noise signal elimination.Tests indicate the designed filter can effectively filter out the noise signals of above 600 Hz:vibration acceleration error can be controlled within 0.5%:Savitzky—Golay smoothing algorithm can effectively eliminate the noise in the signa1. Key words:vibration;wind turbine;ADXL335;butterworth;Savitzky-Golay EEACC:826O doi:10.3969/j.issn.1005-9490.20l7.01.044 风力发电机振动采集系统的设计 褚世凯,秦会斌 (杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所,浙江杭州310018) 摘 要:针对振动分析在风力发电机状态检测及故障定位中的作用。设计了基于ADXL335三轴加速度传感器的振动采集系 统,并通过STM32实现模数转换。对信号采集过程中出现的频率混叠,设计了六阶巴特沃斯低通滤波器,采用Savitzky.Golay 平滑算法对信号中掺杂的噪声进行去噪。测试结果表明:所设计滤波器可有效滤除600 Hz以上的信号,振动加速度的误差可 控制在0.5%以内;Savitzky.Golay平滑算法可有效消除信号中的噪声。 关键词:振动;风力发电机;ADXL335;巴特沃斯;Savitzky.Golay 中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2017)01-0232-05 风力发电机是风能开发的主要设备,其结构复 杂,运行环境恶劣,因此风力发电机故障频发。根据 实践。风力发电机常见故障主要集中在机械部件上, 如齿轮箱、低速轴、高速轴以及发电机等[】]。机械 振动包含的信息丰富,在故障时的反应迅速,且测量 方便。因此目前风力发电机的状态检测与故障定位 主要基于振动信号的分析。 赵志宏[2]等针对滚动轴承振动信号的不规则 性和复杂性,提出一种基于小波包变换与样本熵的 轴承故障诊断方法。郑近德[3 等针对滚动轴承不 同故障振动信号具有不同复杂性的特点,提出基于 多尺度熵和支持向量机的滚动轴承故障诊断方法。 张淑清[4]等将局部均值分解近似熵和模糊C均值 聚类方法结合,将机械振动信号局部均值分解后所 得PF分量的近似熵作为特征向量,输人到模糊C 收稿日期:2016一O1-08 修改日期:2016-02-26 均值聚类分类器中,实现了不同类型机械故障的分 类识别。Bafroui[5]等将小波能谱熵应用于齿轮箱故 障诊断,通过采集齿轮箱升速过程中的动态信号,并 加以分析,实现了齿轮箱不同转速条件下的动态过 程故障诊断。Hernandez—Vargas[6】等针对异步电机 转子断条和轴承故障的早期检测问题,提出奇异值 分解和信息熵相结合的方法。 现有研究主要聚焦于对振动的数字信号处理。 在振动信号采集方面并没有太多的关注。但是所采 集信号的准确度对后期的信号分析有着非常大的影 响。对于采样过程中出现的频率混叠也只能在采集 过程中进行处理。因此本文设计了风力发电机振动 采集系统.采用了六阶巴特沃斯模拟低通滤波器对 传感器的模拟输出进行处理,同时采用了Savitzky. Golay数据平滑算法进行信号除噪。 第1期 褚世凯。秦会斌:风力发电机振动采集系统的设计 233 1 方案设计 振动采集系统的硬件结构如图1所示,利用 3 巴特沃斯滤波器的设计 在等步长的离散采样过程中会出现混叠现象, 在数学上早已通过傅里叶分析进行过证明。当发生 ADXL335三轴加速度传感器采集风力发电机的振 动。为了避免ADC过程中的频率混叠现象,本文有 针对性的设计了低通滤波电路。通过STM32的 频率混叠时,原始信号中就会夹杂原本不存在信号 与频率,其直接结果就是对所采集信号造成干扰。 Butterworth滤波器在其通带内幅值响应最为平坦, 其阻频带的频率衰减不够出色,这方面的不足可通 过增加滤波器的阶数来弥补。随着阶数的增加电路 ADC模块进行模拟信号的采集,同时STM32将采集 的数据转换为加速度值。采集的数字信号通常都难 以避免的掺杂着噪声 7]。如电路板之间由于器件耦 合而产生的毛刺,信号采集过程中出现的周期性干 扰。以及各种恶劣环境因素的影响。这些干扰噪声 的频率带宽比较大,对原始信号的影响也比较严重, 所以需要对信号进行平滑处理,以达到减小噪声的 目的。最终将采集的数据通过串口发送给上位机。 图1系统结构图 2 ADXL335的应用 本文选取了ADXL335三轴加速度传感器,它可 测量±3 g 以内的加速度,具有1.8 V一3.6 V的宽工 作电压范围,可抵御10 000 g 的冲击[8]。ADXL335 的灵敏度与电压成正相关,在电压为2 V时其灵敏 度为195 mV/g ,电压每升高0.1 V灵敏度也随之升 高约10 mV/g 。ADXL芯片内每个输出端都接有一 个32 kQ的电阻.如果在输出引脚上外接一个适当 的电容,那就可构成简单的低通滤波电路。从而达到 控制输出带宽的目的,本文中在输出引脚 oU y0 Z。 别接0.01 电容,使其输出带宽为600 Hz。为了减少电源中的噪声.通常会将ADXL335 V 端外接一个去耦电容,一般可采用0.1 的电 容。其应用电路如图2所示。 V GND 图2 ADXL335应用电路 的复杂度也随之提升,因此首先需要找出满足需求 的最低阶数。对此可通过式(1)进行计算: n —n= 21g( a ̄/ —aJ)  (1) 式中,Ot 为最小阻带衰减,∞ 为阻带频率,09 为截 止频率。本文中 2=20 dB,03 =900 Hz,09 =600 Hz,K=1。将参数代人式(1)可得n=5.666 480,因 此巴特沃斯滤波器的阶数至少为6阶。 巴特沃斯低通滤波器的电路实现有多种,本文 通过3个二阶无限增益多端反馈电路(简称MFB) 的级联来实现我们所需的六阶巴特沃斯低通滤波 器。二阶MFB低通滤波电路如图3所示。 GND 图3二阶MFB低通滤波电路 此电路有着下面的关系式: 2一赢 鼬 =麦 + 1+ K=R2/R1 对以上各式进行整理可得: Rl=R2/K 尺 : ± ‘[ c + 面 ] (3) R =—— CC1C2 2一 2  式中, 为增益,日与C为归一化系数,对于六阶巴 特沃斯滤波器, 与c的值如表1所示。 234 电 子 器表1六阶巴特沃斯低通滤波器的设计系数 件 第40卷 变 。根据这一特点可对计算出的电阻电容值进 行调整。最终计算出的各电阻电容值如表2所示。 因此最终设计的六阶巴特沃斯低通滤波电路如图4 所示。 表2计算出的电阻电容值 实际中各种电阻值更容易获得.因此在设计时 先设定好C 与C 的值,然后根据式(3)计算出各 电阻值。在电路中如果把所有电阻乘以某个常数. 同时电容除以这个常数,那么滤波器的特性不 图4六阶巴特沃斯低通滤波电路 4数据处理 4.1数据转换 法对滑动窗口内的数据进行线性拟合的一种方法,它 被广泛的运用于数据流平滑除燥【】 。相对于其他类 似的平滑方法,Savitzky.Golay平滑能够消除采样信号 中有较大误差的数据点。同时保留相对极大值、极小值 和宽度等分布特l生.尽量保证原始数据的不失真_1 。 假设有一组数据 ( ),其中 =-k,…,0,…,k, 即共有2k+1个连续点。有一个 阶的多项式(如 在信号经过了低通滤波器的处理后,采用 STM32f103rbt6进行模拟信号的采集。STM32flO3rbt6 是一款基于CortexM3内核的32 bit微处理器.其外设 齐全,开发与调试都非常方便 1 。STM32f103RBT6 的ADC是十二位逐次逼近型模数转换器,其最大转 换速率为1 MHz。在信号采集中,一般将采样率设定 为目标频率的3倍一4倍即可,本文将采样率设为3 kHz。同时本文采用DMA方式进行数据传输,大大提 式(6))对这组数据进行拟合: Y( )=bo+bi+b2i +…+6 (6) 对于拟合的效果可用式(7)表示: 高了效率。对于STM32采集的数字信号,需要通过 两步才能转化为加速度值。第1步是将所采集的数 据转化为电压,其计算公式为: = -・A=∑[y( )一 ( )] =∑[∑6 一一 ( )】 (7) A越小则说明拟合的效果越好。为了使A最小,可 (4) 令A对各系数的导数为0。即: dD[data&(0xOFFF)] Z 式中, 为参考电压,本文中的参考电压为3.3 V, data为模数转换后的16 bit结果,由于是12 bit的 得: OA==0,r=0'1,2,…,凡 (8) ADC,且对齐方式为右对齐,所以我们需要先将数据 的高四位清零。 第2步是将电压转化为实际的加速度值,其计 壶{主[ br 一圳)】 } ∑2i 【∑6J 一 ( )】=0 ∑b =∑ ) =算公式为: V-1.5+ ̄o 一—(9) (10) r 、 式中r=0,1,…,n。对式(9)化简可得: —0.325 式中,1.5为传感器0 g 输出电压, 为经过软件校 准后所添加的偏移量,O.325为传感器在3.3 V电源 下的灵敏度。 4.2 Savitzky.Golay平滑算法的应用 Savitzky.Golay平滑算法是在时域内利用最小二乘 旦确定k与n的值。再将待拟合的2k+1个数 据 ( )代人上式中即可求出拟合多项式的系数。然 后把中间点的横坐标输入得出的拟合多项式中,即可 一得到中间点在前后各k个点的基础上的最佳拟合。 第1期 褚世凯.秦会斌:风力发电机振动采集系统的设计 235 5 系统测试 5.1滤波电路幅频特性测试 在测试过程中我们将信号发生器产生的不同频率 的正弦信号作为输入,用示波器观察输出信号相对输 入信号的幅频变化。本实验测试了1 200 Hz以下的信 号.600 Hz以下以及900 Hz以上的正弦信号每间隔 40 Hz测试一次。频率在600 Hz一900 Hz之间,频率 间隔20 Hz。在将得到的数据进行整理之后我们得 到了实际模拟滤电路的幅频特性曲线,如图5所示。 磐 频率/Hz 图5滤波电路幅频特性曲线 从图5可知,最终设计出的滤波器特性基本符 合本文的设计指标。但是其通带不够平坦,且增益 一直小于1,经分析这主要是由于实际电阻电容值 的偏差所致。 5.2数据精度测试 本文通过测量静态加速度的方式对数据精度进 行测试,实验中让x轴、Y轴与z轴分别垂直于地 面,然后对采集的数据与标准的垂直加速度(1 g ) 进行对比。在实验中由于无法将每个轴完全准确地 垂直于地面,本文采用多次测量.然后去除最大值与 最小值,再将数据进行平均,以达到误差的最小化。 每组实验中测量次数为12次,每次测量过后将传感 器重新校准。采取如上所述的方法,本文最终获得 了10组数据,如表3所示。 表3数据统计结果 从表3可以看出,所采集加速度准确度较高,其 中偏差最大的值为1.004 7 g ,相对标准值误差为 0.47%。 5.3数据平滑效果测试 Savitzky—Golay平滑算法中窗口较大可以得到 更好的去噪效果,但是随着窗口的增加计算量也会 增加,因此需要在二者之间进行平衡。拟合阶数较 小可得到较好的去噪效果,过大则会使曲线变得毛 糙。本文中窗口取15,拟合阶数取4,图6(a)为原 始振动信号,图6(b)为经过Savitzky—Golay平滑的 振动信号。 薹 tirne/s (a)原始 0 。雹 害 time/s (b)SavitzkyGolay处理后 图6 Savitzky_Golay的振动信号 通过对比可知,Savitzky.Golay平滑算法能够消 除除信号中偏差较大的点,同时保留原始信号的纹 理细节。同时有研究表明,Savitzky.Golay平滑算法 能够有效提高所采集数据的精度¨引。 6 结论 本文设计了基于ADXL335三轴加速度传感器 的风力发电机振动采集系统,针对信号采集过程中 的频率混叠以及掺杂的噪声.设计了6阶巴特沃斯 低通滤电路,采用了Savitzky—Golay算法进行去噪。 从测试结果来看,本设计实现了振动信号的准确采 集,从而为后期的数据处理奠定了基础。 参考文献: [1]娄海英.风机振动检测与监控分析系统[D].北京交通大 学.2008. 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