风力机主轴振动信号调理系统的设计

王晶晶，谷玉海，王夏伟

(北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京,100192)

0　引言

风电机组首先通过风轮将风能转化成机械能，然后通过主轴、齿轮箱等传动系统和发电机将机械能转化为电能，从而实现风力发电。主轴在风电机组的机械传动链中传递着动力和各种负荷，在高速、高加速度和大载荷等工况下，振动冲击等因素常常会对风电机组的主轴产生重大影响，并且容易导致轴承等部件发生故障，造成风力机的意外停机、寿命缩短甚至报废，主轴的运行状态影响整个机组的性能[1-2]。目前，国内的风电行业对主轴的参数监测基本只是对静态参数的测定，监测的方法也较原始，缺乏对主轴整体性能的评估，主轴的监测技术远远落后于国外同行业的水平，这是制约主轴发展的重要原因。

加速度、速度和位移是3种常用的机械故障诊断和状态监测的参数，知道其中1个参量便可以通过积分或者微分求出其他两个参量。在这3个参量中，通常选用加速度传感器来获得加速度信号，进而得出主轴的振动情况，这是因为加速度传感器相对于位移和速度传感器来说测量时较方便和经济。因此，对加速度信号进行积分变换求测点的位移和速度是振动信号处理方法中最常用的方法。设计了主轴振动信号采集仪，通过加速度传感器采集振动信号，来判断主轴运行状态是否正常[3]。

1　振动信号调理系统的设计

主轴振动信号采集系统的总体构成包括：传感器供电电路，ICP加速度传感器，信号调理电路，USB数据采集卡，计算机。首先给加速度传感器提供4 mA的恒流电流，然后将加速度传感器采集到的振动信号通过信号调理电路进行滤波放大，最后将处理后的信号通过数据采集卡采集到计算机中。

振动信号采集系统的调理电路包括4个部分，如图1所示：恒流源电路设计；二阶有源带通滤波电路设计；放大电路设计；状态指示电路设计[4]。

图1　调理电路设计流程图

1．1恒流源电路设计

此振动信号采集系统中用的是4mA的恒流源，选用的芯片是LM234[5]，电路如图2所示。

图2　恒流源电路

流过LM234的总电流ISET是流过设置电阻R1和R2的电流和LM234偏置电流IBAS的总和，

ISET=I1+I2+IBAS

(1)

LM234为正温度系数(约+0.227 mV/℃)器件，而硅二极管的正向偏压为负温度系数(约为-2.5 mV/℃)，要想恒流源的温度系数为0，即：

(2)

所以

(3)

(4)

所以

(5)

要提供4 mA的恒流，即：

1．2二阶有源带通滤波电路设计

根据机床主轴的振动特性，有用的振动频率一般在2～20 kHz之间，用Filterlab软件计算出截止频率为2～20 kHz的二阶有源巴特沃斯带通滤波电路，如图3所示，选用的芯片是OP07超低失调电压双路运算放大器[6]。

图3　2-20 kHz二阶有源带通滤波电路

左半部分是二阶有源高通滤波电路，截止频率是2 Hz，右半部分是二阶有源低通滤波电路，截止频率是20 kHz，为了验证此电路设计的准确性，用Multisim软件仿真模拟，如图4和图5所示。

图4　幅频图

图5　仿真结果图

1．3放大电路设计

通过二阶带通滤波电路采集的电压信号过弱，一般才几百mV左右，需要适当的放大来减小误差。图6是放大电路，选用

图6　放大电路

OP27运算放大器同相放大，根据虚短、虚断的概念可得放大系数为(1+R15/R14)，此电路电压放大了20倍。选用同相比例运算电路的优点是：输入电阻很高，输出电阻很低，带负载能力强，输出电压稳定[7]。

1．4状态指示电路设计

由于传感器可能会出现没有接入电路的情况，所以设计状态指示电路来判断传感器有没有接入电路。图7为状态指示电路，选用LM393双比较器，R12为上拉电阻，输入端2接传感器，由分压定理知输入端3的电压为11.25 V．

(1)当传感器没有接入电路时，输入端2的电压为11.58 V，因为11.58 V>11.25 V，输出端6输出低电平0 V，LED灯不亮。

(2)当传感器接入电路时，输入端2的电压为11 V，因为11 V<11.25 V，输出端6输出高电平，LED灯亮。

由以上可知此状态指示电路可以显示传感器是否接入电路。当传感器接入电路时，LED灯亮；当传感器没有接入电路时，LED灯灭[8]。

图7　状态指示电路

2　数据采集与实验验证

图8　波形图

用振动传感器校准仪对所设计的振动信号调理系统进行实验，选用不同的输入频率依次实验，用示波器进行采集，不同频率所对应的波形基本都为正弦，且失真较少，图8为输入频率为80 Hz时的输出波形。最后使用阿尔泰公司生产的数据采集卡将信号采集到电脑上。所以，设计的振动信号调理系统可以准确的反映振动情况，能应用于主轴信号振动采集，进而判断主轴的运行状况[9]。

3　结束语

风力机主轴振动信号调理系统采用了模块化和层次化的设计方法，不仅使仪器的体系结构清晰简化，而且使复杂系统的开发变得简单和快捷，同时还有利于后续的修改和升级。此调理系统对主轴振动信号进行采集分析，可以判断主轴的运行是否正常，从而更好的监测风力机的运行状态，具有很高的性价比。

参考文献：

[1]廖明夫，黄巍，王俨凯，等．控制策略对风力机振动稳定性的影响．机械科学与技术，2013，32(3)．

[2]西北工业大学旋转机械与风能装置测控研究所．某型1 500 kW风力发电机组振动测试报告．2012．

[3]林学龙．机床主轴组件便携式振动分析仪设计．机床与液压，2012，40(23)：118-120．

[4]周玉清，孙挪刚，黎玉刚，等．基于电动机电流的数控机床主轴状态监测系统研究．制造技术与机床，2011(3)：71-73．

[5]高维艳，蒋林敏，鄂蕊．机床主轴回转精度的动态检测．北方经贸，2011(3)：121-122．

[6]高健，杨成忠，唐明明．多通道数据采集卡同步功能的设计与实现．机电工程，2008，25(1)：82-85．

[7]高荣，叶佩青，蒋克荣，等．基于小波奇异性的电主轴振动信号处理．吉林大学学报，2010，40(4)．

[8]蔡巍巍，汤宝平，黄庆卿．面向机械振动信号采集的无线传感器网络节点设计．振动与冲击，2013，32(1)．

[9]FLAMMINI A，FERRARI P．Wired and wireless sensor networks for industrial applications．Microelectronics Journal，2009，40：1332 1336．