基于STM32風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳建全，傅曉錦

（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306 ）

0 引言

風(fēng)能作為一種綠色能源，受到世界各國的青睞，已經(jīng)被視為未來可持續(xù)性發(fā)展能源產(chǎn)業(yè)之一。新能源發(fā)電技術(shù)的不斷突破也不斷推動(dòng)可再生能源的發(fā)展[1]，其中風(fēng)力發(fā)電是發(fā)展最快的綠色能源之一[2]。1986年，開啟了我國對(duì)于風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電場的積極探索和示范時(shí)代，盡管開始裝機(jī)規(guī)模以及發(fā)電容量都比較小?！笆晃濉逼陂g，并網(wǎng)型的風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入高速發(fā)展的快車道，在大型風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場運(yùn)營方面取得了很多成果[3-5]。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）預(yù)測(cè)：風(fēng)機(jī)累計(jì)容量將在五年內(nèi)從2014年的360 GW達(dá)到2018年的600 GW[6]；截止到2020年，風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到700 GW以上，風(fēng)電提供的電力將占全球電力需求的15%[7-8]。

風(fēng)機(jī)齒輪箱、發(fā)電機(jī)和主軸等機(jī)械傳動(dòng)鏈易發(fā)生故障，這些故障的發(fā)生將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)長時(shí)間的停機(jī)，對(duì)企業(yè)造成難以挽回的損失。伴隨著我國風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量和規(guī)模的不斷增加，依靠傳統(tǒng)人工的“被動(dòng)式檢修”已經(jīng)不能滿足風(fēng)力發(fā)電企業(yè)高效的檢修維護(hù)需求，因此風(fēng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)將對(duì)推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)營發(fā)揮著重要的作用。本文主要是基于STM32F407系列微控制器（MCU）所具的高性能、低成本和低功耗等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的機(jī)械故障情況，文中詳細(xì)闡述了傳動(dòng)鏈容易發(fā)生故障的主要部件，分析了發(fā)生故障的機(jī)理以及對(duì)該系統(tǒng)的各個(gè)功能部分的設(shè)計(jì)。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)分析及發(fā)電原理

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)分析

從風(fēng)力發(fā)電機(jī)外觀來看，風(fēng)機(jī)主要是由四個(gè)部分構(gòu)成，分別為風(fēng)輪、機(jī)艙、塔筒和基礎(chǔ)，如圖1所示。風(fēng)輪是捕獲和吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，主要包含葉片、輪轂以及變槳系統(tǒng)。葉片的作用是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而輪轂又將機(jī)械能傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)。變槳系統(tǒng)所有的部件都安裝在輪轂上，并隨輪轂以一定的速度旋轉(zhuǎn)，其通過控制葉片的角度來控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)的輸出功率。機(jī)艙部分主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、偏航系統(tǒng)和機(jī)艙罩等構(gòu)件組成。其中傳動(dòng)系統(tǒng)一般包括有低速軸、齒輪箱和高速軸等。齒輪箱具有增速作用可以將主軸的低速運(yùn)作狀態(tài)變?yōu)楦咚龠\(yùn)作狀態(tài)，高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)作，從而產(chǎn)生電能并通過塔筒底部的變流器設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，將其與電網(wǎng)系統(tǒng)相接[9-10]。為了使風(fēng)機(jī)的槳葉轉(zhuǎn)子始終朝向某個(gè)特定方向，所以在風(fēng)機(jī)里安裝了偏航系統(tǒng)。偏航系統(tǒng)主要有三個(gè)功能：自動(dòng)對(duì)風(fēng)、自動(dòng)解攬和失速保護(hù)。發(fā)電機(jī)顧名思義就是一種可以產(chǎn)生電能的電力設(shè)備，在風(fēng)機(jī)中主要作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而進(jìn)行發(fā)電。機(jī)艙罩是風(fēng)機(jī)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，將機(jī)艙內(nèi)的所有部件罩在其中，與外部隔絕，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能在雨、雪和霧霾等惡劣的天氣環(huán)境中正常工作。塔筒是為了給風(fēng)輪和機(jī)艙提供支撐，使其能在空中處于固定位置，以便使風(fēng)力機(jī)獲得足夠的風(fēng)能；同時(shí)，在塔筒內(nèi)部底部安裝有控制柜和變流器裝置，直接控制風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行和變流。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of wind turbine

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如圖2所示。其發(fā)電原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速齒輪箱將旋轉(zhuǎn)的速度提高，然后主軸系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子獲得動(dòng)能，轉(zhuǎn)子的動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成電能，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。根據(jù)當(dāng)前掌握的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，大約以每秒三米的微風(fēng)速度，風(fēng)電機(jī)組就能發(fā)電。風(fēng)能的使用在芬蘭、丹麥和瑞典等歐美國家很流行，我國近幾年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也飛速發(fā)展，就中小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說發(fā)電效率很高，它不僅僅是由一個(gè)發(fā)電機(jī)和傳動(dòng)部件組成的，而是有較為復(fù)雜的電力電子器件的小系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、電子控制器和數(shù)字逆變器等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼和葉片組成，每一部分都實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，其中葉片用來吸收風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)化為電能；尾翼使葉片始終保持迎風(fēng)方向，從而能獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體可以讓機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)調(diào)整尾翼方向的功能；機(jī)頭里轉(zhuǎn)子線圈通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而定子繞組依次切割磁力線并在定子繞組中產(chǎn)生交流電。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電原理Fig.2 Wind power generation principle

2 風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈部件故障機(jī)理分析

風(fēng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜多變，風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部傳動(dòng)部件易發(fā)生故障[10]。風(fēng)機(jī)故障又可分為機(jī)械故障和電氣故障，本文主要研究對(duì)象為主傳動(dòng)鏈上的機(jī)械故障，其中風(fēng)力機(jī)易發(fā)生的機(jī)械故障包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)和主軸等主傳動(dòng)鏈故障。西班牙某能源水電集團(tuán)從2001年至2003年間對(duì)69個(gè)風(fēng)場2700多臺(tái)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要部件故障發(fā)生比例進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：齒輪箱發(fā)生故障比例為48%、56%和60%，發(fā)電機(jī)故障比例為21%、27%和29%，葉片故障比例為31%、17%和11%[11-12]。由此可知，風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵機(jī)械部件故障發(fā)生的比例較高。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)重要的部件，是唯一一個(gè)直接與風(fēng)接觸的部件，經(jīng)年累月的暴露在風(fēng)機(jī)最外邊，長期受風(fēng)吹日曬、暴雨侵襲等惡劣的自然環(huán)境影響，葉片容易發(fā)生腐蝕和被雷擊現(xiàn)象，其常見的故障有疲勞失效、開裂和彎曲等。齒輪箱是長期運(yùn)行的傳動(dòng)部件，由于工作量大，出現(xiàn)故障是十分常見的[13]，其常見的故障有斷齒、軸承磨損失效和齒輪損傷等。發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件之一，所處的電氣環(huán)境經(jīng)常在變化，電磁環(huán)境也相對(duì)不穩(wěn)定，使發(fā)電機(jī)很容易出現(xiàn)一些常見故障如定子或轉(zhuǎn)子線圈短路、軸承過熱和轉(zhuǎn)子斷條等。

當(dāng)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈部件發(fā)生故障時(shí)，必然伴隨著故障部件振動(dòng)的出現(xiàn)并且由于振動(dòng)具有傳遞性，故通過對(duì)關(guān)鍵機(jī)械部件進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，把采集到的振動(dòng)信號(hào)作為主要采集量，來分析和診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械部分的故障。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械部件（主傳動(dòng)鏈）故障的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷需求來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷兩大模塊，其中遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊由數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)構(gòu)成。針對(duì)于中小型風(fēng)機(jī)機(jī)組運(yùn)行時(shí)主傳動(dòng)鏈部件（主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)）的監(jiān)測(cè)，再通過分析從上位機(jī)獲得的狀態(tài)參數(shù)來確定故障的存在與類型。

3.1 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于風(fēng)機(jī)在正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種干擾信號(hào)，通過加速度振動(dòng)傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)一般會(huì)摻雜著大量的無用信號(hào)，直接進(jìn)行分析，會(huì)出現(xiàn)虛假信息，從而不能識(shí)別出其特征信息[14]。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)采集系統(tǒng)由下位機(jī)STM32F407ZGT6和PC端上位機(jī)組成，其中下位機(jī)是整個(gè)采集系統(tǒng)的核心部件，主要是狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集和頻率測(cè)定。上位機(jī)PC端的界面軟件用來接收、顯示由下位機(jī)上傳的所有振動(dòng)參數(shù)，利用STM32微控制器和振動(dòng)傳感器以及結(jié)合相關(guān)算法對(duì)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集以及相角幅值計(jì)算。通常的振動(dòng)信號(hào)采集裝置需要設(shè)置固定的采樣頻率，而當(dāng)振動(dòng)信號(hào)的頻率發(fā)生較大變化，先前設(shè)定的固定采樣頻率不能隨之同步的進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變。本文采用的倍頻電路通過產(chǎn)生64倍頻脈沖信號(hào)來觸發(fā)下位機(jī)STM32進(jìn)行A/D采樣，使采樣頻率動(dòng)態(tài)的隨振動(dòng)頻率變化而變化，STM32微控制器將在每個(gè)時(shí)間周期相等間隔內(nèi)采集到64個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3.2 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)

為了對(duì)中小型風(fēng)機(jī)發(fā)生機(jī)械故障時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過故障參數(shù)分析故障的類型，所以本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分析與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)三部分構(gòu)成，如圖3所示。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

圖3 風(fēng)機(jī)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.3 Wind turbine mechanical fault monitoring system block diagram

主要是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件和軟件部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)易發(fā)生機(jī)械故障的部件主要是主傳動(dòng)鏈部分，進(jìn)而針對(duì)主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。由于振動(dòng)信號(hào)具有傳遞性，故對(duì)故障的診斷以振動(dòng)信號(hào)為主要參數(shù)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過安裝在風(fēng)機(jī)上的振動(dòng)加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器和音頻傳感器對(duì)主傳動(dòng)鏈部位振動(dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集以及采集音頻信號(hào)對(duì)異常狀態(tài)的部件進(jìn)行輔助診斷，并把采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)與風(fēng)場監(jiān)控中心進(jìn)行通信。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)主傳動(dòng)鏈部件的運(yùn)行狀態(tài)，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要把采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理過程得到清晰無干擾信號(hào)再聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸。硬件電路設(shè)計(jì)部分主要包括振動(dòng)信號(hào)采集模塊、傳感器信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信模塊。而在傳感器信號(hào)預(yù)調(diào)理模塊中又包含振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路、溫度信號(hào)調(diào)理電路以及主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路；振動(dòng)信號(hào)采集處理模塊使用倍頻電路產(chǎn)生的64倍頻脈沖信號(hào)直接觸發(fā)下位機(jī)STM32F407ZGT6進(jìn)行 A/D采樣。最后數(shù)據(jù)通信傳輸模塊設(shè)計(jì)主要利用STM32F407ZGT6自帶以太網(wǎng)通信模塊（MAC和PHY芯片）進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或中控室。

3.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分主要是對(duì)STM32F407程序和上位機(jī)圖形界面顯示程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要在Κeil uVision5進(jìn)行振動(dòng)采集任務(wù)程序設(shè)計(jì)，將基頻脈沖信號(hào)輸入定時(shí)器2的捕獲通道，其測(cè)定的頻率用來作相位計(jì)算的參考基準(zhǔn)。再將64倍基頻脈沖信號(hào)輸入定時(shí)器5的捕獲通道，每當(dāng)產(chǎn)生一次中斷，中斷子程序就會(huì)觸發(fā)一次A/D轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換），采集的數(shù)據(jù)通過DMA通道由外設(shè)傳遞給內(nèi)存。一個(gè)周期的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將出現(xiàn) 64個(gè)均勻分布的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)。最后進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)如溫度采集任務(wù)程序設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速測(cè)量任務(wù)程序設(shè)計(jì)和音頻采集任務(wù)程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面采用VB6.0編寫，使用WinSock控件，選擇TCP協(xié)議模式，以上位機(jī)作為TCP Client的通信方式編寫程序。使數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給上位機(jī)[15]，實(shí)現(xiàn)了在中控室對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)械部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.3 故障診斷部分設(shè)計(jì)

由于振動(dòng)信號(hào)具有傳遞性，可通過對(duì)風(fēng)力機(jī)機(jī)械部件進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，把采集到的振動(dòng)信號(hào)作為主要采集量，來分析和診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動(dòng)鏈部件的故障。再利用溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器采集溫度和主軸的轉(zhuǎn)速作為輔助診斷參數(shù)來提高診斷的準(zhǔn)確性。本文基于STM32F407設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)中使用倍頻電路結(jié)合三角函數(shù)正交性算法進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域幅值和相角計(jì)算，通過在時(shí)域上對(duì)其進(jìn)行分析，得出故障類型。為了更好判斷故障的存在與類型，又設(shè)計(jì)了另一種方法，在STM32F407軟件程序中采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD）對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波降噪，得到清晰、無干擾的振動(dòng)信號(hào)再運(yùn)行快速傅里葉變換（FFT）算法程序進(jìn)行頻譜分析，得到故障的特征頻譜后，最后與已知的故障特征頻譜依次比對(duì)來診斷風(fēng)機(jī)故障及類型，如圖4所示。

4 結(jié)論

圖4 故障診斷流程圖Fig.4 Fault diagnosis flowchart

綜上所述，本文基于STM32風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立，主要針對(duì)裝機(jī)容量在100 ΚW以下的中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，選擇具有ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407微控制器作為核心處理器，利用其高性能、低成本和低功耗等優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種高效診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈部件機(jī)械故障情況的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)主傳動(dòng)鏈部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析并提前做出故障預(yù)測(cè)和預(yù)警，從而及時(shí)進(jìn)行檢修。這對(duì)降低經(jīng)濟(jì)損失，提高風(fēng)機(jī)發(fā)電效率、穩(wěn)定性和減少維修人員意外傷亡以及延長風(fēng)機(jī)發(fā)電時(shí)限具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。