DSP技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂躍剛，陳鵬原，劉浩

（華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

在風(fēng)電企業(yè)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性和科學(xué)管理提出更高要求的大背景下，機(jī)組遠(yuǎn)程在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)與分析從現(xiàn)場(chǎng)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，不僅可以準(zhǔn)確判斷機(jī)組的運(yùn)行情況，還可以提前發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)維修或者停機(jī)避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，從而減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失，因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確地采集和處理具有重要的意義。

本文應(yīng)用DSP技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，采用手段減小了采樣的誤差，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。這里所使用的DSP為TI（Texas Instruments）公司的TMS320F2812，是目前國際市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛且功能強(qiáng)大的定點(diǎn)DSP芯片。它既具有強(qiáng)大的事件管理能力，又具有強(qiáng)大的事件處理能力和嵌入式控制功能，特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的風(fēng)電廠測(cè)控場(chǎng)合。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行要求，結(jié)合先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本文提出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱等設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)等實(shí)際測(cè)量信號(hào)作為信號(hào)源。在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理器通過對(duì)特定測(cè)點(diǎn)上所安裝的振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，然后將計(jì)算結(jié)果通過CAN通信接口發(fā)送給上位機(jī)，最后由上位機(jī)對(duì)接收到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析，如頻譜分析和倒頻譜分析等。風(fēng)場(chǎng)的工作人員根據(jù)上位機(jī)分析得到的數(shù)據(jù)和波形，可以判斷機(jī)組的運(yùn)行狀況。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure of the state monitoring system

圖2 ADC模塊采樣通道的硬件處理Fig.2 The hardware processing of ADC sampling channel

2 基于TMS320F2812的數(shù)據(jù)處理器

TMS320F2812是32位的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力。擁有豐富的片內(nèi)資源，如16個(gè)12位的AD轉(zhuǎn)換通道、增強(qiáng)的CAN模塊、兩個(gè)事件管理器EVA和EVB、串行通信接口SCI、串行外圍接口SPI以及通用輸入/輸出多路復(fù)用器GPIO等，豐富的外設(shè)模塊使得它在工業(yè)控制中獲得了廣泛的應(yīng)用。

在狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，主要使用該處理器的AD和增強(qiáng)的CAN模塊以及通用輸入/輸出多路復(fù)用器GPIO，來完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送。由于AD采樣的準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響，因此下文主要介紹如何減小采樣的誤差，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

2.1 TMS320F2812的ADC模塊

TMS320F2812內(nèi)部集成了ADC轉(zhuǎn)換模塊，該模塊具有如下的功能：

1）12位ADC核，內(nèi)置了雙采樣－保持器（S/H）。

2）順序采樣模式或者同步采樣模式。

③增效擴(kuò)容項(xiàng)目在促進(jìn)節(jié)能減排、保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境、消除公共安全隱患、解決農(nóng)村無電缺電問題、推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面具有十分重要的意義。

3）16個(gè)轉(zhuǎn)換通道，多路選擇輸入。

4）自動(dòng)序列化，在單一時(shí)間段內(nèi)最大能提供16個(gè)自動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，每個(gè)轉(zhuǎn)換可編程對(duì)16個(gè)輸入通道中的任何一個(gè)進(jìn)行。

5）選擇模擬輸入：0V～3V。

為了防止輸入ADC模塊采樣的電壓過高或者輸入電壓為負(fù)電壓時(shí)損壞DSP，本系統(tǒng)在ADC模塊輸入采用嵌位二極管進(jìn)行限制電壓，使輸入電壓范圍在ADC模塊正常工作的采樣范圍之內(nèi)，某一通道的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

ADC模塊采樣輸入的模擬電壓值和轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

式中，V。為數(shù)字量輸出；Vi為模擬量輸入Vr為AD轉(zhuǎn)換的參考電平，實(shí)際使用的過程中，將其與GND連在一塊，此時(shí)Vr的值為0[5]。

2.2 ADC模塊采樣校正

TMS320F2812的ADC模塊雖然有12位精度，但在實(shí)際的使用過程中發(fā)現(xiàn)ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果誤差較大，采樣值和實(shí)際值之間的相對(duì)誤差最大會(huì)超過實(shí)際值的15%。如果直接將此轉(zhuǎn)換結(jié)果用于數(shù)據(jù)的處理，必然會(huì)降低數(shù)據(jù)精度，進(jìn)而導(dǎo)致錯(cuò)誤的診斷結(jié)果。為了提高ADC模塊采樣的精度，本系統(tǒng)通過硬件和軟件兩個(gè)方面解決該問題。

2.2.1 硬件處理

為了提高ADC模塊采樣的精度，首先最主要的還是得給ADC模塊提供一個(gè)質(zhì)量較高的輸入信號(hào)，即要求輸入信號(hào)在輸入到ADC端口前需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，本系統(tǒng)中使用的調(diào)理電路包括了一個(gè)放大電路和一個(gè)濾波電路，以保證輸入信號(hào)的質(zhì)量。調(diào)理電路的電路圖如圖3所示。

除此之外，還要采用適當(dāng)?shù)母綦x技術(shù)，將ADC模塊電源引腳和數(shù)字電源隔離。采樣通道上的電容效應(yīng)也可能會(huì)導(dǎo)致AD采樣誤差，如果條件允許，可以在每次轉(zhuǎn)化完成后現(xiàn)將輸入切換到參考地，然后在對(duì)信號(hào)進(jìn)行下一次采樣。另外如果采樣電路部分是經(jīng)過多路開關(guān)切換的，可以在多路開關(guān)輸出上接下拉電阻到地。

圖3 調(diào)理電路電路圖Fig.3 Conditioning circuit schematic

圖4 ADC模塊轉(zhuǎn)換特性曲線Fig.4 ADC module conversion characteristic curve

2.2.2 軟件處理

雖然在硬件電路中加入了濾波電路，但僅從硬件角度考慮肯定是不夠的，還需要在軟件算法中加以配合，通常使用中值濾波法來進(jìn)一步提高輸入信號(hào)的質(zhì)量。

根據(jù)F2812的原理可知F2812的ADC模塊的參考電壓的穩(wěn)定性對(duì)于ADC模塊的性能至關(guān)重要，而所用的參考電壓是由ADCREFP和ADCREFM兩個(gè)引腳的電壓決定的，如果兩個(gè)電壓值出現(xiàn)靜態(tài)噪聲，就會(huì)給整個(gè)ADC模塊帶來動(dòng)態(tài)噪聲，影響A/D轉(zhuǎn)換的精度。因此，在設(shè)計(jì)過程中一定要確保ADCREFP和ADCREFM的電壓的穩(wěn)定性。F2812的ADC模塊的參考電壓既可以選擇內(nèi)部提供，也可以選擇外部提供。只需要通過配置ADCTRL3寄存器，來選擇ADCREFP和ADCREFM作為輸出，ADC模塊采用內(nèi)部提供參考電壓或者ADCREFP和ADCREFM作為輸入，采用外部輸入電壓作為參考電壓[6]。為了獲得更高的A/D轉(zhuǎn)換精度，ADCREFP和ADCREFM之間電壓差為1V，典型的ADCREFP引腳電壓值為2（1±5%）V，ADCREFM引腳電壓值為1（1±5%）V。

理想的12位ADC轉(zhuǎn)換是沒有增益誤差和偏移誤差的，但是實(shí)際上2812內(nèi)部的ADC模塊是存在增益誤差和偏移誤差的，這也是轉(zhuǎn)換精度較差的主要原因。實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線和理想轉(zhuǎn)換曲線如圖4所示[7]。

為了消除增益誤差和偏移誤差所帶來的偏差，我們就要對(duì)ADC模塊進(jìn)行軟件校正。假設(shè)實(shí)際增益為m，實(shí)際偏移量為b，則模擬量輸入x和數(shù)字量輸出Y之間關(guān)系為：

很明顯式中的m和b均為未知量，假設(shè)已知這兩個(gè)量的數(shù)值，那么只要從ADC的緩沖寄存器得到轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)Y，就能夠根據(jù)式（2）計(jì)算得到實(shí)際的輸入電壓X。實(shí)際應(yīng)用中可以通過兩路精準(zhǔn)源，提供給ADC的任意兩個(gè)輸入通道，如ADCINA0和ADCINA1。由于精準(zhǔn)源的輸入電壓很容易確定，即為X1和X2；然后讀取兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果獲得Y1和Y2。這樣根據(jù)ADC模塊轉(zhuǎn)換特性曲線就可以得到實(shí)際增益m和實(shí)際偏移量b：

此時(shí)，只要知道數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果Y，就可以知道實(shí)際的輸入量X=(Y－b)／m。

3 結(jié)束語

數(shù)據(jù)處理器發(fā)送給上位機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)是一切分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可見數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否對(duì)整個(gè)機(jī)組進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。因?yàn)橹挥性谏衔粰C(jī)接收到的數(shù)據(jù)均為實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)的前提下，才能真正地通過上位機(jī)的進(jìn)一步分析得到機(jī)組的運(yùn)行狀況，因此，本文主要討論了如何提高以TMS320F2812為核心的數(shù)據(jù)處理器的ADC模塊的采樣精度的問題。實(shí)驗(yàn)證明，通過改善硬件電路和軟件算法，可有效提高ADC采樣的精度，精度平均值能夠達(dá)到0.2%甚至更高，完全滿足了實(shí)際應(yīng)用中的精度要求，從而確保了發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的準(zhǔn)確性，對(duì)進(jìn)一步的分析提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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