風力機主軸振動信號調理系統(tǒng)的設計

王晶晶，谷玉海，王夏偉

(北京信息科技大學現(xiàn)代測控技術教育部重點實驗室，北京,100192)

0　引言

風電機組首先通過風輪將風能轉化成機械能，然后通過主軸、齒輪箱等傳動系統(tǒng)和發(fā)電機將機械能轉化為電能，從而實現(xiàn)風力發(fā)電。主軸在風電機組的機械傳動鏈中傳遞著動力和各種負荷，在高速、高加速度和大載荷等工況下，振動沖擊等因素常常會對風電機組的主軸產(chǎn)生重大影響，并且容易導致軸承等部件發(fā)生故障，造成風力機的意外停機、壽命縮短甚至報廢，主軸的運行狀態(tài)影響整個機組的性能[1-2]。目前，國內的風電行業(yè)對主軸的參數(shù)監(jiān)測基本只是對靜態(tài)參數(shù)的測定，監(jiān)測的方法也較原始，缺乏對主軸整體性能的評估，主軸的監(jiān)測技術遠遠落后于國外同行業(yè)的水平，這是制約主軸發(fā)展的重要原因。

加速度、速度和位移是3種常用的機械故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測的參數(shù)，知道其中1個參量便可以通過積分或者微分求出其他兩個參量。在這3個參量中，通常選用加速度傳感器來獲得加速度信號，進而得出主軸的振動情況，這是因為加速度傳感器相對于位移和速度傳感器來說測量時較方便和經(jīng)濟。因此，對加速度信號進行積分變換求測點的位移和速度是振動信號處理方法中最常用的方法。設計了主軸振動信號采集儀，通過加速度傳感器采集振動信號，來判斷主軸運行狀態(tài)是否正常[3]。

1　振動信號調理系統(tǒng)的設計

主軸振動信號采集系統(tǒng)的總體構成包括：傳感器供電電路，ICP加速度傳感器，信號調理電路，USB數(shù)據(jù)采集卡，計算機。首先給加速度傳感器提供4 mA的恒流電流，然后將加速度傳感器采集到的振動信號通過信號調理電路進行濾波放大，最后將處理后的信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機中。

振動信號采集系統(tǒng)的調理電路包括4個部分，如圖1所示：恒流源電路設計；二階有源帶通濾波電路設計；放大電路設計；狀態(tài)指示電路設計[4]。

圖1　調理電路設計流程圖

1．1恒流源電路設計

此振動信號采集系統(tǒng)中用的是4mA的恒流源，選用的芯片是LM234[5]，電路如圖2所示。

圖2　恒流源電路

流過LM234的總電流ISET是流過設置電阻R1和R2的電流和LM234偏置電流IBAS的總和，

ISET=I1+I2+IBAS

(1)

LM234為正溫度系數(shù)(約+0.227 mV/℃)器件，而硅二極管的正向偏壓為負溫度系數(shù)(約為-2.5 mV/℃)，要想恒流源的溫度系數(shù)為0，即：

(2)

所以

(3)

(4)

所以

(5)

要提供4 mA的恒流，即：

1．2二階有源帶通濾波電路設計

根據(jù)機床主軸的振動特性，有用的振動頻率一般在2～20 kHz之間，用Filterlab軟件計算出截止頻率為2～20 kHz的二階有源巴特沃斯帶通濾波電路，如圖3所示，選用的芯片是OP07超低失調電壓雙路運算放大器[6]。

圖3　2-20 kHz二階有源帶通濾波電路

左半部分是二階有源高通濾波電路，截止頻率是2 Hz，右半部分是二階有源低通濾波電路，截止頻率是20 kHz，為了驗證此電路設計的準確性，用Multisim軟件仿真模擬，如圖4和圖5所示。

圖4　幅頻圖

圖5　仿真結果圖

1．3放大電路設計

通過二階帶通濾波電路采集的電壓信號過弱，一般才幾百mV左右，需要適當?shù)姆糯髞頊p小誤差。圖6是放大電路，選用

圖6　放大電路

OP27運算放大器同相放大，根據(jù)虛短、虛斷的概念可得放大系數(shù)為(1+R15/R14)，此電路電壓放大了20倍。選用同相比例運算電路的優(yōu)點是：輸入電阻很高，輸出電阻很低，帶負載能力強，輸出電壓穩(wěn)定[7]。

1．4狀態(tài)指示電路設計

由于傳感器可能會出現(xiàn)沒有接入電路的情況，所以設計狀態(tài)指示電路來判斷傳感器有沒有接入電路。圖7為狀態(tài)指示電路，選用LM393雙比較器，R12為上拉電阻，輸入端2接傳感器，由分壓定理知輸入端3的電壓為11.25 V．

(1)當傳感器沒有接入電路時，輸入端2的電壓為11.58 V，因為11.58 V>11.25 V，輸出端6輸出低電平0 V，LED燈不亮。

(2)當傳感器接入電路時，輸入端2的電壓為11 V，因為11 V<11.25 V，輸出端6輸出高電平，LED燈亮。

由以上可知此狀態(tài)指示電路可以顯示傳感器是否接入電路。當傳感器接入電路時，LED燈亮；當傳感器沒有接入電路時，LED燈滅[8]。

圖7　狀態(tài)指示電路

2　數(shù)據(jù)采集與實驗驗證

圖8　波形圖

用振動傳感器校準儀對所設計的振動信號調理系統(tǒng)進行實驗，選用不同的輸入頻率依次實驗，用示波器進行采集，不同頻率所對應的波形基本都為正弦，且失真較少，圖8為輸入頻率為80 Hz時的輸出波形。最后使用阿爾泰公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡將信號采集到電腦上。所以，設計的振動信號調理系統(tǒng)可以準確的反映振動情況，能應用于主軸信號振動采集，進而判斷主軸的運行狀況[9]。

3　結束語

風力機主軸振動信號調理系統(tǒng)采用了模塊化和層次化的設計方法，不僅使儀器的體系結構清晰簡化，而且使復雜系統(tǒng)的開發(fā)變得簡單和快捷，同時還有利于后續(xù)的修改和升級。此調理系統(tǒng)對主軸振動信號進行采集分析，可以判斷主軸的運行是否正常，從而更好的監(jiān)測風力機的運行狀態(tài)，具有很高的性價比。

參考文獻：

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