1、隨著人類對能源需求的不斷增加,以及化石能源造成的環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問題的出現(xiàn),能源安全已成為世界各國面臨的最重要的問題。風(fēng)能是目前最有開發(fā)利用前景的可再生清潔能源,風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要方式而備受關(guān)注1。截止2010年底,全球風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到2億千瓦。已經(jīng)有100多個國家開始發(fā)展風(fēng)電,裝機(jī)容量超過100萬千瓦的國家有20個。我國除臺灣外累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)4400萬千瓦,已經(jīng)超過美國成為裝機(jī)第一的風(fēng)電大國2。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件,葉片質(zhì)量好壞直接關(guān)系著機(jī)組運(yùn)行的安全性。機(jī)組的載荷主要由葉片產(chǎn)生,葉片承受的載荷主要有吸收風(fēng)載的氣動載荷、本身的重力載荷以及轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的離心力

2、載荷。隨著機(jī)組容量不斷增大,葉片的長度也越來越長,為了降低成本,薄殼結(jié)構(gòu)的葉片也變得越來越輕巧,結(jié)構(gòu)的撓性變得越大。葉片在旋轉(zhuǎn)過程中受到大氣邊界層的剪切風(fēng)、隨機(jī)陣風(fēng)、塔影效應(yīng)、變槳、偏航、氣動的不平衡、葉片本身彈性恢復(fù)等因素影響,形成了復(fù)雜的激振源,由此引發(fā)的多因素的結(jié)構(gòu)耦合振動越發(fā)引起重視。振動的主要形式表現(xiàn)為揮舞、擺陣和扭轉(zhuǎn)振動。因此,檢測葉片在不同風(fēng)速下的振動特性,分析其振動機(jī)理,對于指導(dǎo)葉片設(shè)計(jì)和機(jī)組安全運(yùn)行有著重要的意義。由于風(fēng)力機(jī)葉片特殊的工作方式,傳統(tǒng)的測振方式無法安裝在葉片上。本研究設(shè)計(jì)了一套低功耗的無線振動采集系統(tǒng),可以把振動傳感器模塊安裝在葉片內(nèi)部某一半徑位置,上位機(jī)的收發(fā)

3、模塊安裝在機(jī)艙中,上位機(jī)可以放在塔筒底部,它們之間采用RS485通信。系統(tǒng)采用ATMEGA32單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的核心,用NRF24E1低功耗的收發(fā)芯片作為無線通信模塊,上位機(jī)通過LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化顯示,并且可以通過軟件編程使單片機(jī)和無線發(fā)射模塊工作在更低的功耗狀態(tài)。1系統(tǒng)組成本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。選用的高性能低頻傳感器把振動信號傳輸給單片機(jī),數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后無線收發(fā)模塊通過半雙工的通信模風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片振動無線檢測系統(tǒng)*陳廣華,田德,李琪(華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院,北京102206摘要:設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片振動的無線檢測系統(tǒng)。采用模

4、塊化設(shè)計(jì)思路,振動傳感器選用TZDM22-55,單片機(jī)選用高性能的ATMEGA32,無線收發(fā)模塊選用NRF24E1芯片,上位機(jī)采用LabVIEW編程。系統(tǒng)平時(shí)工作在休眠狀態(tài),工作時(shí)通過軟中斷請求喚醒。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)傳輸信號數(shù)據(jù)可靠。系統(tǒng)集成度高,功耗小,結(jié)構(gòu)簡單,工作穩(wěn)定可靠,抗干擾能力強(qiáng)。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;葉片振動;無線檢測中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:0258-7998(201205-0080-04Wind turbine blade wireless vibration detection systemChen Guanghua,Tian De,Li Qi(Sch

5、ool of Renewable Energy,North China Electric Power University,Beijing102206,ChinaAbstract:Design a wireless vibration detection system of wind turbine blade.Adopting modular design ideas,selected TZAM22-55as vibration sensor,high-performance ATMEGA32as SCM,NRF24E1as wireless transmitter module,super

6、visory 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

7、,strong anti-interference ability.Key words:wind turbine;blade vibration;wireless detection*基金項(xiàng)目:國家科技支撐計(jì)劃(2009BAA22B02系統(tǒng)時(shí)鐘單片機(jī)傳感器收發(fā)模塊電源圖2系統(tǒng)原理圖式傳輸出去。平時(shí)不工作時(shí),系統(tǒng)處于休眠狀態(tài),上位機(jī)有數(shù)據(jù)采集的中斷信號發(fā)出以后,即可把系統(tǒng)從休眠狀態(tài)中喚醒,啟動收發(fā)模塊,檢驗(yàn)通道是否暢通,然后把存儲在單片機(jī)中的數(shù)據(jù)發(fā)射出去,當(dāng)接收端確認(rèn)正確接收后,系統(tǒng)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)3-4。接收部分通過RS485完成和計(jì)算機(jī)的通信,采用LabVIEW 圖形化的編程語言對數(shù)據(jù)做最后

8、的接收、顯示和處理。2系統(tǒng)硬件振動傳感器要安裝在旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)葉片上,不能經(jīng)常拆卸,因此要考慮固定和系統(tǒng)的功耗問題。采用低功耗的元器件是本系統(tǒng)的一個重要特色。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。2.1傳感器選擇系統(tǒng)選用TZDM22-55振動傳感器,它采用了銻化銦薄膜磁敏電阻作為敏感元件,配以放大整形線路用金屬外殼封轉(zhuǎn),輸出信號為準(zhǔn)正弦波的交變電壓信號。安裝時(shí)將傳感器緊固在一側(cè)的振動體上,當(dāng)振動體在傳感器敏感的測量方向上振動時(shí),傳感器內(nèi)部的振動磁鋼相應(yīng)地強(qiáng)制振動,安裝在振動磁鋼旁的磁敏元件能夠感應(yīng)出磁鋼引起的磁場變化,并產(chǎn)生一個交變電壓信號,經(jīng)過電路的處理放大后,輸出與被測振動參數(shù)(頻率和幅值大小相對應(yīng)的交變電

9、壓信號。工作電壓V DC 524V ,振動頻率范圍0.3Hz3kHz ,使用溫度范圍-25+75,防護(hù)等級IP65IP67。無振動時(shí)輸出近似2.5V 的直流電平,噪音小于30mV ;有振動輸出時(shí),輸出電壓幅值50mV4.8V 之間。兩根電源線,一根信號輸出線。具有體積小、頻響寬、接線簡單、分辨率高、靈敏度高、壽命長等特點(diǎn)。有振動和無振動時(shí)的輸出波形見圖3。2.2單片機(jī)的選擇系統(tǒng)選用了ATMEL 公司的ATMEGA32單片機(jī)5-7。其內(nèi)核具有豐富的指令集,所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU 相連接,使得一條指令可以在一個時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個獨(dú)立的寄存器。具有32KB 的系統(tǒng)內(nèi)可編程Fla

10、sh ,1KB EEPROM,2KB SRAM ,32個通用I/O 端口,32個通用工作寄存器,用于邊界掃描的JTAG 接口,支持片內(nèi)調(diào)試與編程,3個具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T /C ,片內(nèi)/外中斷,可編程串行USART ,面向字節(jié)的兩線串行接口,8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝的ADC ,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器,一個SPI 串行端口,以及6個可以通過軟件進(jìn)行選擇的睡眠模式。2.3時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路選用DS1302。工作電壓2.0V5.5V ,2.0V 時(shí)工作電流小于300nA 。DS1302內(nèi)部提供了一個31×8bit 的用于臨時(shí)性存放數(shù)

11、據(jù)的RAM 寄存器,還增加了主電源和備份電源的雙電源引腳,在主電源關(guān)閉的情況下,也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。通過三線(RST 、I/O 、SCLK串行方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,能夠向單片機(jī)提供包括秒、分、時(shí)、日、月、年等在內(nèi)的實(shí)時(shí)時(shí)間信息,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄,并可對月末日期、閏年天數(shù)自動進(jìn)行調(diào)整。2.4無線傳輸模塊采用了NORDIC 公司生產(chǎn)的nRF24E18-9。該模塊的無線收發(fā)器工作于2.4GHz 的ISM 頻段,有多達(dá)125個頻點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信,同時(shí)可采用改頻和跳頻來避免干擾。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。NRF24E1內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核,2.4GHz

12、無線收發(fā)器,100kS/s 的9路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置RC 振蕩器、SPI 接口、UART 接口、PWM 輸出、看門狗和喚醒定時(shí)器以及專門的穩(wěn)壓電路。所有高頻元件包括振蕩器、電感等全部集成在芯片內(nèi)部,因此芯片的性能穩(wěn)定,受外界環(huán)境的影響很小。NRF24E1采用36腳QFN(6mm ×6mm封裝,體積小、功耗低,非常適用于對體積和功耗要求較高的應(yīng)用場合;最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s ,靈敏度為-90dBm ,最大發(fā)射功率為0dBm ;在較為理想的環(huán)境中,室內(nèi)傳輸距離可達(dá)3040m ,室外傳輸距離可達(dá)100200m ;其工作電壓為1.93.3V ,工作溫度范圍為-40+80。信號采集和發(fā)

13、射模塊的電路原理圖如圖5所示,單片機(jī)的D6口接收傳感器的脈沖信號,PB0PB2口與DS1302的RST 、I/O 、SCLK 引腳相連,單片機(jī)通過TXD 和RXD 與發(fā)射模塊進(jìn)行通信。32.768kHz 的晶振為時(shí)鐘芯片提供計(jì)時(shí)脈沖。nRF24E1的運(yùn)行程序放在外部串行EEPROM 中,開始工作時(shí),內(nèi)部引導(dǎo)程序會自動把主程序?qū)隨RAM 中并執(zhí)行。低頻振動傳感器單片機(jī)收發(fā)模塊計(jì)算機(jī)LabVIEW單片機(jī)收發(fā)模塊圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖4853系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)選用內(nèi)部自帶的1MHz晶振,B口接收DS1302的時(shí)間數(shù)據(jù),D6口接收振動信號。單片機(jī)收到上位機(jī)采集信號的請求后,通過INIT0中斷把單片機(jī)

14、從睡眠模式中喚醒,然后給nRF24E1返回一個準(zhǔn)備完畢的信號“*”。初始化NRF24E1,首先送握手信號“#”,待確認(rèn)后,調(diào)用發(fā)射程序,把數(shù)據(jù)通過USART發(fā)給接收模塊,當(dāng)監(jiān)測到UCSAR的TXC為置位時(shí),發(fā)送結(jié)束,系統(tǒng)重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)NFRF24E1工作在ShockBurst 模式下,可使數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間大大縮短。軟件采用了LabVIEW 語言編程,可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集和分析處理。單片機(jī)控制的軟件流程如圖6所示。4系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室組裝調(diào)試成功后,在室內(nèi)轉(zhuǎn)動的吊扇葉片上進(jìn)行了測試,測試數(shù)據(jù)如圖7所示。圖7(a是葉片慢速轉(zhuǎn)動時(shí)的部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線,圖7(b是給了一個激勵后的振

15、動數(shù)據(jù)曲線。采集的數(shù)據(jù)結(jié)果表明,系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠,對激勵信號反應(yīng)靈敏,能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)葉片的低頻振動信號進(jìn)行可靠的采集。該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為上位機(jī),利用無線通信方式實(shí)現(xiàn) (上接第79頁器,或通過無線模塊直接發(fā)送給地面接收設(shè)備,最后由地面計(jì)算機(jī)完成對風(fēng)速的解算任務(wù),實(shí)現(xiàn)測風(fēng)目的。參考文獻(xiàn)1周偉靜.一種基于小型無人機(jī)的風(fēng)場測量方法J.測試技術(shù)學(xué)報(bào),2009,23(4:297-302.2周樹道.基于非慣性運(yùn)動狀態(tài)的氣象無人機(jī)測風(fēng)方法研究J.傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011,24(1:155-158.3新華龍電子.C8051F120/1/2/3/4/5/6/7系列混合信號ISP機(jī)信息,2010,26(2:167-16

16、9.5黃成功.小型無人機(jī)空速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)測量與控制,2009(8:1512-1516.6飛思卡爾.MPXV7002DP 用戶手冊..7王麗穎.基于HMC1022磁阻傳感器的數(shù)字電子羅盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.電子測量技術(shù),2009(1:108-111.8曹茂永.儀用放大器AD620及其應(yīng)用J.電測與儀表,2000(10:49-52.J.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009(8:53-58.12李曉強(qiáng).無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與研究D.西安:西安理工大學(xué),2008.(收稿日期:2012-01-08作者簡介:周樹道,男,1964年生,教授,主要研究方

17、向:信號與信息處理。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)睡眠數(shù)據(jù)采集?系統(tǒng)喚醒啟動發(fā)射程序返回Y N發(fā)射程序啟動USAR 初始化送校驗(yàn)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)射發(fā)射完畢?返回YN圖6程序流程圖風(fēng)電機(jī)組葉片振動測量,解決了一般有線測量方法在葉片上難以安裝的難題。通過選用低功耗的器件以及電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和軟件的處理,使系統(tǒng)能夠工作在更低功耗狀態(tài),抗干擾性更強(qiáng),并具有良好的人機(jī)對話界面,系統(tǒng)整體集成度高,擴(kuò)展性強(qiáng),軟件編程簡單,可開發(fā)能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠滿足葉片低頻振動測量的需要。參考文獻(xiàn)1賀德馨.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué)M.北京:國防工業(yè)出版社,2006.2李俊峰.中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2011M.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2011.3李朝青.無線發(fā)送/接收IC 芯片及其實(shí)據(jù)通信技術(shù)選編M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.4周林,殷俠.數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.5耿德根.AVR 高速嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京:北京航空航天大