基于DSP的發(fā)電機(jī)軸系扭振量測(cè)量方法及其硬件實(shí)現(xiàn)

劉沄滔

摘 要：文章從發(fā)電機(jī)軸系的扭振特性入手，理論上分析了扭振量的測(cè)量方法。并開發(fā)出一套以DSP為核心的測(cè)量系統(tǒng)，先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理，然后利用事件管理器的捕獲模塊實(shí)現(xiàn)多通道的高精度測(cè)頻，并通過16位D/A芯片將扭振信號(hào)以模擬量形式輸出。最后給出了在RTDS上的實(shí)測(cè)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)軸系；扭振；脈沖時(shí)序檢測(cè)；DSP；RTDS

中圖分類號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）21-0001-02

隨著火電機(jī)組容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)的軸系越來越長(zhǎng)，這就使得扭振的發(fā)生越來越成為可能。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響大軸的疲勞壽命，甚至造成發(fā)電機(jī)大軸斷裂。因此，近二十年來，軸系扭振的學(xué)術(shù)關(guān)注度越來越高。

1 發(fā)電機(jī)軸系扭振形式分析

1.1 扭振的形成

沒有扭振時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)軸系等速旋轉(zhuǎn)，設(shè)角速度為W；當(dāng)發(fā)生扭振時(shí)，軸系的回轉(zhuǎn)角速度將在原來的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)量，設(shè)為W+Wr。該變化會(huì)使某一時(shí)刻角位移產(chǎn)生波動(dòng)，如圖1所示。

如果我們能精確地測(cè)出每個(gè)時(shí)刻軸上某點(diǎn)的角位移量，在時(shí)間軸上畫出，這就是扭振量的時(shí)域圖。直接測(cè)量角位移存在較大難度，由于角速度是角位移的微分，便可以通過測(cè)量角速度來間接獲得角位移，而角速度又可以通過頻率的測(cè)量得到。因此，只需要測(cè)量出傳感器脈沖的瞬時(shí)頻率值就能夠還原出扭振信號(hào)。

1.2 脈沖時(shí)序法的基本原理

由傳感器測(cè)取的信號(hào)是脈沖頻率調(diào)制（PPM）信號(hào)，其中編碼器每轉(zhuǎn)所發(fā)出的脈沖信號(hào)是載波信號(hào)，扭振信號(hào)是調(diào)制信號(hào)，相當(dāng)于前述的m（t）。

設(shè)齒輪數(shù)為N，正常穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為n，傳感器輸出的脈沖頻率為：

度的變化，也就是扭振量。

2 扭振測(cè)量的軟、硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)量板的功能框圖

如圖2所示，傳感器出來的4路信號(hào)首先經(jīng)過預(yù)處理電路的濾波和整形，得到標(biāo)準(zhǔn)的PPM（脈沖位置調(diào)制）信號(hào)，將該信號(hào)隔離送到DSP處理，解調(diào)出來的結(jié)果通過DAC輸出，經(jīng)運(yùn)放跟隨后送下一級(jí)。本文同時(shí)兼顧了傳感器故障診斷的功能，當(dāng)檢測(cè)到某一路信號(hào)有問題時(shí)，將該開關(guān)量送給后面的處理器做相應(yīng)處理。

2.2 捕獲單元測(cè)頻原理

捕獲單元能夠捕獲外部輸入引腳的邏輯狀態(tài)，并利用內(nèi)部定時(shí)器對(duì)外部事件或引腳狀態(tài)變化進(jìn)行處理。每個(gè)時(shí)間管理器都有兩個(gè)通用定時(shí)器，EVA使用定時(shí)器GP1和GP2，EVB使用定時(shí)器GP3和GP4。定時(shí)器的時(shí)鐘源可以取自外部輸入信號(hào)、QEP單元或者內(nèi)部時(shí)鐘，由定時(shí)器控制寄存器（TxCON）的4、5位來確定。捕獲單元的操作由4個(gè)16位控制寄存器控制（CAPCONA/B和CAPFIFOA/B），為了使捕獲單元能夠正常工作，必須配置下列寄存器：初始化CAPFIFO寄存器，清除相應(yīng)狀態(tài)位；設(shè)置使用的通用定時(shí)器的工作模式；設(shè)置相關(guān)通用定時(shí)器的比較寄存器或周期寄存器。

2.3 軟件流程圖

精確測(cè)量脈沖的瞬時(shí)頻率之后，需要對(duì)頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即減去載頻得到頻差，瞬時(shí)的頻差值送到16位串行4通道DA芯片，保證測(cè)量精度達(dá)到千分之一。在測(cè)量各路脈沖信號(hào)的同時(shí)，對(duì)其頻率值的范圍采取實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，若頻率值超出設(shè)定的可信度范圍，便可認(rèn)為該路傳感器出現(xiàn)故障，發(fā)出警告并做相應(yīng)處理。4路測(cè)頻用EVA、EVB捕獲中斷實(shí)現(xiàn)，DA輸出及故障診斷在定時(shí)器T0中斷中實(shí)現(xiàn)，主函數(shù)不做運(yùn)算，初始化完成后便等待中斷。兩個(gè)中斷子程序流程圖如圖3、圖4所示。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量效果在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）上做了驗(yàn)證。利用RTDS編制了小脈沖模型最大程度模擬安裝在軸系上的傳感器輸出的脈沖。圖6是載頻3 000 Hz，調(diào)制頻率40 HZ，調(diào)制度千分之六時(shí)的測(cè)量波形，圖5～圖8分別是勵(lì)磁電壓加1%的噪聲擾動(dòng)、軸系模型切換和主變高壓側(cè)三相短路產(chǎn)生的扭振，圖的上面是解調(diào)的扭振信號(hào)，下面是利用RTDS將扭振模型直接輸出的信號(hào)。

3 結(jié) 論

試驗(yàn)表明，采用主頻150 M的DSP測(cè)量扭振量，測(cè)量頻率至少10 M，完全能夠達(dá)到千分之一精度的要求，并且此種方法在工程上具有可行性，對(duì)于發(fā)電機(jī)軸系扭振的抑制也有意義。

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