基于DSP的发电机轴系扭振量测量方法及其硬件实现

刘沄滔

摘 要：文章从发电机轴系的扭振特性入手，理论上分析了扭振量的测量方法。并开发出一套以DSP为核心的测量系统，先对原始信号进行处理，然后利用事件管理器的捕获模块实现多通道的高精度测频，并通过16位D/A芯片将扭振信号以模拟量形式输出。最后给出了在RTDS上的实测结果。

关键词：发电机轴系；扭振；脉冲时序检测；DSP；RTDS

中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）21-0001-02

随着火电机组容量的不断增大，发电机的轴系越来越长，这就使得扭振的发生越来越成为可能。扭转振动会严重影响大轴的疲劳寿命，甚至造成发电机大轴断裂。因此，近二十年来，轴系扭振的学术关注度越来越高。

1 发电机轴系扭振形式分析

1.1 扭振的形成

没有扭振时，汽轮发电机轴系等速旋转，设角速度为W；当发生扭振时，轴系的回转角速度将在原来的基础上叠加一个量，设为W+Wr。该变化会使某一时刻角位移产生波动，如图1所示。

如果我们能精确地测出每个时刻轴上某点的角位移量，在时间轴上画出，这就是扭振量的时域图。直接测量角位移存在较大难度，由于角速度是角位移的微分，便可以通过测量角速度来间接获得角位移，而角速度又可以通过频率的测量得到。因此，只需要测量出传感器脉冲的瞬时频率值就能够还原出扭振信号。

1.2 脉冲时序法的基本原理

由传感器测取的信号是脉冲频率调制（PPM）信号，其中编码器每转所发出的脉冲信号是载波信号，扭振信号是调制信号，相当于前述的m（t）。

设齿轮数为N，正常稳态转速为n，传感器输出的脉冲频率为：

度的变化，也就是扭振量。

2 扭振测量的软、硬件实现

2.1 测量板的功能框图

如图2所示，传感器出来的4路信号首先经过预处理电路的滤波和整形，得到标准的PPM（脉冲位置调制）信号，将该信号隔离送到DSP处理，解调出来的结果通过DAC输出，经运放跟随后送下一级。本文同时兼顾了传感器故障诊断的功能，当检测到某一路信号有问题时，将该开关量送给后面的处理器做相应处理。

2.2 捕获单元测频原理

捕获单元能够捕获外部输入引脚的逻辑状态，并利用内部定时器对外部事件或引脚状态变化进行处理。每个时间管理器都有两个通用定时器，EVA使用定时器GP1和GP2，EVB使用定时器GP3和GP4。定时器的时钟源可以取自外部输入信号、QEP单元或者内部时钟，由定时器控制寄存器（TxCON）的4、5位来确定。捕获单元的操作由4个16位控制寄存器控制（CAPCONA/B和CAPFIFOA/B），为了使捕获单元能够正常工作，必须配置下列寄存器：初始化CAPFIFO寄存器，清除相应状态位；设置使用的通用定时器的工作模式；设置相关通用定时器的比较寄存器或周期寄存器。

2.3 软件流程图

精确测量脉冲的瞬时频率之后，需要对频率进行转化，即减去载频得到频差，瞬时的频差值送到16位串行4通道DA芯片，保证测量精度达到千分之一。在测量各路脉冲信号的同时，对其频率值的范围采取实时的监测，若频率值超出设定的可信度范围，便可认为该路传感器出现故障，发出警告并做相应处理。4路测频用EVA、EVB捕获中断实现，DA输出及故障诊断在定时器T0中断中实现，主函数不做运算，初始化完成后便等待中断。两个中断子程序流程图如图3、图4所示。

2.4 试验结果

测量效果在实时数字仿真系统（RTDS）上做了验证。利用RTDS编制了小脉冲模型最大程度模拟安装在轴系上的传感器输出的脉冲。图6是载频3 000 Hz，调制频率40 HZ，调制度千分之六时的测量波形，图5～图8分别是励磁电压加1%的噪声扰动、轴系模型切换和主变高压侧三相短路产生的扭振，图的上面是解调的扭振信号，下面是利用RTDS将扭振模型直接输出的信号。

3 结 论

试验表明，采用主频150 M的DSP测量扭振量，测量频率至少10 M，完全能够达到千分之一精度的要求，并且此种方法在工程上具有可行性，对于发电机轴系扭振的抑制也有意义。

参考文献：

[1] 杜极生.轴系扭振转动的试验、检测和仪器[M].南京：东南大学出版社，1994.

[2] 苏奎峰，吕强，常天庆，等.TMS320X281X DSP原理及C程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3] 于达仁，王西田，徐基豫，等.扭振测量方法的动态特性[J].汽轮机技术，1996，（1）.

[4] 何青，杜冬梅.机组轴系扭振智能测量系统研究[J].仪器仪表学报，2007，（4）.