CN103674366A

CN103674366A - 一种海洋能发电装置扭矩监测系统

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Publication number: CN103674366A
Application number: CN201310681839.1A
Authority: CN
Inventors: 陈成军; 李全宝; 赵帅帅
Original assignee: Qindao University Of Technology
Current assignee: Qindao University Of Technology
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN103674366B

Abstract

一种海洋能发电装置扭矩监测系统，其中监测系统包括扭矩传感器、供桥电压稳压器、放大器、第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片、CPU、1/k分压电路、电源及A/D转换基准电压稳压器、远程无线数据通信设备。扭矩传感器的测量输出信号U_i与1/k分压电路输出电压U_k分别输入到第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片；CPU控制第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片对U_i和U_k进行同时采样和A/D转换，CPU根据A/D转换的结果，使用扭矩测量误差补偿算法对扭矩传感器的测量结果进行补偿。本发明可以补偿A/D转换基准电压U_r和电桥供电电压U_g对扭矩测量结果的影响，在非稳压条件下实现高精度扭矩测量。

Description

一种海洋能发电装置扭矩监测系统

技术领域

本发明涉及一种海洋能发电装置扭矩监测系统，特别是涉及一种非稳压条件下发电装置扭矩监测A/D转换误差补偿电路和补偿方法，属于海洋能发电和电子测量交叉领域。

背景技术

对海洋离岸发电系统机械装置输出扭矩、转速等机械参数的远程监测，不仅可以及时掌握其工作状态，并且对设备的故障诊断、发电效率监测等均具有重要的意义。

为了监测海洋能发电装置中的机械装置输出的扭矩的大小可在动力输出轴和发电机之间安装非平衡电桥式扭矩传感器，通过A/D采集通道输入到嵌入式CPU中，由CPU将扭矩测量结果通过GPS或者GPRS通信模块发送到岸基监测站上。

由于海洋能发电装置的机械系统工作在海上，离岸距离较远，为了节约成本，监测系统的供电通常采用“就地取能”的方式，即利用海洋能发电装置发出的电对监测系统供电。受波浪或海流条件的影响，发电装置发出的电是不稳定的，即使使用稳压器稳压后，电压波动幅值的幅值仍然较大。由于非平衡电桥式扭矩传感器的输出信号、A/D转换器的输出结果分别会受到供桥电压和A/D转换基准电压的影响，可能造成较大的测量误差。因此如何补偿测量误差对测量结果的影响，是实现扭矩高精度测量的关键。

为了减小A/D转换的误差值，有人提出了一些A/D转换电路误差修正的方法，例如专利JP2006-204868 A、CN201110082530.1。其中专利JP2006-204868 A利用修正用基准电压进行A/D转换，根据修正用基准电压经过模数转换获得的测量值求出A/D转换误差值，将需要模数转换的模拟电压输入此A/D转换电路，通过A/D转换误差值对转换得到的数字值进行误差修正。这种方法将一种基准电压下的误差修正值应用于整个测量范围，特别是没有考虑A/D转换器上的基准电压波动对A/D测量结果的影响。专利CN201110082530.1在标准电源电压情况下，对基准电压进行A/D转换得到第一转换值，对A/D转换电路供给波动电压时，对基准电压进行A/D转换得到第二转换值，通过第一、第二转换值算出电压变动，利用电压变动值对模拟信号进行A/D转换得到的测量值进行误差修正。这种方法考虑了供给A/D转换芯片的电源电压波动对测量值的影响，但是同样没有考虑基准电压的电压波动对非平衡电桥供电电压的影响。以上均是补偿A/D转换器的量子化误差（又称特性误差），事实上基准电压的波动直接影响测量结果，特别是对海洋能发电装置扭矩监测系统，由于其直接使用发电装置发出的电进行供电，输出电压波动大，扭矩测量误差大。

发明内容

基于现有技术存在的上述问题和不足，本发明针对海洋能发电装置扭矩监测误差进行补偿，修正由于测量电桥供电电压和A/D转换基准电压波动造成的测量误差。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种海洋能发电装置扭矩监测系统，其中所述发电装置包括发电设备的动力输出轴、发电机、海上变电系统，所述监测系统包括扭矩传感器、供桥电压稳压器、放大器、第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片、CPU、1/k分压电路、电源及A/D转换基准电压稳压器、远程无线数据通信设备；

所述扭矩传感器安装在动力输出轴与发电机之间，扭矩传感器通过放大器输出传感器输出电压U_i至第一A/D转换器芯片；发电机输出电能至海上变电系统，海上变电系统与供桥电压稳压器和电源及A/D转换基准电压稳压器相连，供桥电压稳压器输出端连接1/k分压电路，输出供桥电压分压U_k至第二A/D转换器芯片，CPU控制第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片对U_i和U_k进行同时采样和A/D转换，CPU进行扭矩测量误差补偿后，将扭矩传感器的测量结果通过远程无线数据通信设备发送到岸基监控站。

进一步地，所述扭矩传感器为应变电桥式扭矩传感器，所述供桥电压稳压器输出的供桥电压Ug为扭矩传感器内部的电桥提供电桥输入电压，所述电源及A/D转换基准电压稳压器输出电源电压U_c和A/D转换基准电压U_r,其中电源电压U_c为第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片、CPU和远程无线数据通信设备供电；所述A/D转换基准电压U_r为第一A/D转换器芯片与第二A/D转换器芯片提供基准电压。

进一步地，所述1/k分压电路为电阻分压电路，其输出的供桥电压分压U_k=U_g/k，U_k应小于第二A/D转换器芯片的最大输入电压；在A/D转换理想基准电压U_r-real和理想供桥电压U_g-real作用下，U_k对应的A/D转换结果为M_k，扭矩传感器的标定系数为t_e,根据A/D转换器输入模拟量与输出数字量之间的关系，应满足如下公式：

U_{g - real} = k \frac{M_{k}}{2^{n} - 1} U_{r - real}

式中，n为第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片的位数；1/k为供桥电压分压系数，U_r-real为第一A/D转换器芯片和第二A/D转换器芯片的理想基准电压；U_g-real为扭矩传感器的理想供桥电压；M_k为U_r-real和U_g-real作用下理想分压信号U_k对应的A/D转换结果，为提前标定值，并保存在CPU内的ROM中；

所述A/D转换的结果分别为D_i和D_k，CPU根据D_i和D_k的数值，使用扭矩测量误差补偿算法对扭矩传感器的测量结果进行补偿。

进一步地，所述的扭矩测量误差补偿算法，包括以下步骤：

第一步，CPU对第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片初始化；

第二步，CPU控制第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片对传感器输出电压U_i和供桥电压分压信号U_k进行同时采集和同时A/D转换；CPU控制读取第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片的A/D转换结果D_i和D_k；

第三步，CPU计算当前供桥电压U_g/U_r的大小，根据A/D转换器输入信号与参考电压比值的关系，计算公式如下:

\frac{U_{g}}{U_{r}} = \frac{{kU}_{k}}{U_{r}} = k \frac{D_{k}}{2^{n} - 1}

第四步，CPU计算第一A/D转换器芯片的转换结果D_i在理想基准电压U_r-real和理想供桥电压U_g-real作用下的修正值D_i-correction,计算公式如下：

首先，在理想供桥电压U_g-real作用下，扭矩传感器的输出信号为U_i-correction：

U_{i - correction} = U_{i} \times \frac{U_{g - real}}{U_{g}}

根据A/D转换器的转换功能，在理想供桥电压U_g-real和理想参考电压U_r-real作用下，第一A/D转换器芯片的输出为：

D_{i - correction} = \frac{U_{i} \times \frac{U_{g - real}}{U_{g}}}{U_{r - real}} (2^{n} - 1) = \frac{\frac{U_{g - real}}{U_{g}}}{U_{r - real}} \times (2^{n} - 1) \times \frac{D_{i} U_{r}}{(2^{n} - 1)} = \frac{U_{r}}{U_{g}} \times \frac{U_{g - real}}{U_{r - real}} D_{i}

= \frac{M_{k}}{D_{k}} D_{i}

第五步，CPU计算扭矩传感器的测量值T，计算公式如下：

T = D_{i - correction} \times t_{e} = \frac{M_{k}}{D_{k}} D_{i} t_{e}

式中，t_e为扭矩传感器的标定系数，即为U_r-real和U_g-real作用下，A/D转换器输出的数字量1所代表的扭矩值，为提前标定值，并保存在CPU内的ROM中；

第六步，CPU控制远程无线数据通信设备，将测量值T通过远程无线数据通信设备发送到岸基监控站。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：

（1）本发明的测量误差受A/D转换基准电压和扭矩传感器电桥供电电压波动的影响小，测量精度高、抗干扰能力强，在非稳压条件下实现高精度的测量，不仅适用于海洋能，还可以应用在风能等发电设备扭矩的监测，及其它高精度测量扭矩监测中。

（2）本发明的电路简单，可以设计在电路板上，方便安装测量易于推广。

附图说明：

图1本发明的海洋能发电装置扭矩监测系统；

图中各部分的名称如下：

1-海洋发电设备的动力输出轴，2-扭矩传感器，3-发电机，4-海上变电系统，5-供桥电压稳压器，6-放大器，7-第一A/D转换器芯片，8-第二A/D转换器芯片，9-CPU，10-远程无线数据通信设备，11-1/k分压电路，12-电源及A/D转换基准电压稳压器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，一种海洋能发电装置扭矩监测系统，其中发电装置包括动力输出轴1、发电机3、海上变电系统4，所述监测系统包括扭矩传感器2、供桥电压稳压器5、放大器6、第一A/D转换器芯片7、第二A/D转换器芯片8、CPU 9、1/k分压电路11、电源及A/D转换基准电压稳压器12、远程无线数据通信设备10。

其中扭矩传感器2为应变电桥式扭矩传感器，安装在动力输出轴1与发电机3之间，发电机3输出电能至海上变电系统4，供桥电压稳压器5与海上变电系统4相连，其输出的供桥电压Ug为扭矩传感器2内部的电桥提供电桥输入电压，电源及A/D转换基准电压稳压器12也与海上变电系统相连，其输出电源电压U_c和A/D转换基准电压U_r,电源电压U_c为第一A/D转换器芯片7、第二A/D转换器芯片8、CPU 9和远程无线数据通信设备10供电；A/D转换基准电压U_r为第一A/D转换器芯片7与第二A/D转换器芯片8提供A/D转换基准电压。

1/k分压电路11为电阻分压电路，连接在供桥电压稳压器5的输出端，其输出电压U_k=U_g/k，1/k为供桥电压分压系数，U_k应小于第二A/D转换器芯片的最大输入电压；扭矩传感器2通过放大器6输出传感器输出电压U_i，U_i输入到第一A/D转换器芯片7、U_k输入到第二A/D转换器芯片8中，在扭矩测量范围内U_i应小于第一A/D转换器芯片的最大输入电压；CPU 9控制第一A/D转换器芯片7、第二A/D转换器芯片8对U_i和U_k进行同时采样和A/D转换,其A/D转换的结果分别为D_i和D_k。CPU 9根据D_i和D_k的数值，使用扭矩测量误差补偿算法对扭矩传感器2的测量结果进行补偿，消除A/D转换基准电压U_r和电桥供电电压U_g对扭矩测量结果的影响。

本实施方式选择第一A/D转换器芯片7和第二A/D转换器芯片8均为AD7862芯片，位数n=12，在A/D转换理想基准电压U_r-real和理想供桥电压U_g-real作用下，U_k对应的A/D转换结果为M_k，扭矩传感器2的标定系数为t_e,因此满足如下：

U_{g - real} = k \frac{M_{k}}{2^{n} - 1} U_{r - real}

式中，n为第一A/D转换器芯片7、第二A/D转换器芯片8的位数，本实施方式中n=2；1/k为供桥电压分压系数；U_r-real为第一A/D转换器芯片7和第二A/D转换器芯片8的理想基准电压；U_g-real为扭矩传感器的理想供桥电压；M_k为U_r-real和U_g-real作用下理想分压信号U_k对应的A/D转换结果，为提前标定值，并保存在CPU 9内的ROM中。

上述扭矩测量误差补偿算法，包括以下步骤：

第一步，CPU 9对第一A/D转换器芯片7、第二A/D转换器芯片8初始化；

第二步，CPU 9控制第一A/D转换器芯片7、第二A/D转换器芯片8对供桥电压分压信号U_k和传感器输出电压U_i进行同时采集和同时A/D转换；CPU 9控制读取第一A/D转换器芯片7、第二A/D转换器芯片8的A/D转换结果分别为D_k和D_i。

第三步，CPU 9计算当前供桥电压U_g/U_r的大小，根据A/D转换器输入信号与参考电压比值的关系，计算公式如下:

\frac{U_{g}}{U_{r}} = \frac{{kU}_{k}}{U_{r}} = k \frac{D_{k}}{2^{n} - 1}

式中，Ug为扭矩传感器2内部测量电桥的供桥电压；U_r为第一A/D转换器芯片7、第二A/D转换器芯片8的A/D转换基准电压；U_k为Ug的1/k分压；D_k为第二A/D转换器芯片的输出值。

第四步，CPU 9对第一A/D转换器芯片7的输出D_i在理想基准电压U_r-real和理想供桥电压U_g-real作用下的修正值D_i-correction,计算公式如下：

U_{i - correction} = U_{i} \times \frac{U_{g - real}}{U_{g}}

根据A/D转换器的转换功能，在理想供桥电压U_g-real和理想参考电压U_r-real作用下，第一A/D转换器芯片7的输出为：

D_{i - correction} = \frac{U_{i} \times \frac{U_{g - real}}{U_{g}}}{U_{r - real}} (2^{n} - 1) = \frac{\frac{U_{g - real}}{U_{g}}}{U_{r - real}} \times (2^{n} - 1) \times \frac{D_{i} U_{r}}{(2^{n} - 1)} = \frac{U_{r}}{U_{g}} \times \frac{U_{g - real}}{U_{r - real}} D_{i}

= \frac{M_{k}}{D_{k}} D_{i}

第五步，CPU 9计算扭矩传感器2的测量值T，计算公式如下：

T = D_{i - correction} \times t_{e} = \frac{M_{k}}{D_{k}} D_{i} t_{e}

式中，t_e为扭矩传感器的标定系数，即为U_r-real和U_g-real作用下，A/D转换器输出的数字量1所代表的扭矩值，为提前标定值，并保存在CPU 9内的ROM中。

第六步，CPU 9控制无线数据通信设备10，将测量值T通过远程无线数据通信设备10发送到岸基监控站；

本发明的A/D转换误差补偿电路可以应用于海洋发电设备转轴的扭矩测量，本发明设计的电路可以修正由于电桥供电电压和基准参考电压波动造成的A/D转换误差，在非稳压条件下实现高精度的测量，适用于海洋能、风能等发电设备扭矩的监测，并且电路简单，方便集成到电路板上，易于推广使用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种海洋能发电装置扭矩监测系统，其中所述发电装置包括发电设备的动力输出轴、发电机、海上变电系统，所述监测系统包括扭矩传感器、供桥电压稳压器、放大器、第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片、CPU、1/k分压电路、电源及A/D转换基准电压稳压器、远程无线数据通信设备；

其特征在于，所述扭矩传感器安装在动力输出轴与发电机之间，扭矩传感器通过放大器输出传感器输出电压U_i至第一A/D转换器芯片；发电机输出电能至海上变电系统，海上变电系统与供桥电压稳压器和电源及A/D转换基准电压稳压器相连，供桥电压稳压器输出端连接1/k分压电路，输出供桥电压分压U_k至第二A/D转换器芯片，CPU控制第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片对U_i和U_k进行同时采样和A/D转换，并将扭矩传感器的测量结果通过远程无线数据通信设备发送到岸基监控站。

2.根据权利要求1所述的海洋能发电装置扭矩监测系统，其特征在于，所述扭矩传感器为应变电桥式扭矩传感器，所述供桥电压稳压器输出的供桥电压Ug为扭矩传感器内部的电桥提供电桥输入电压，所述电源及A/D转换基准电压稳压器输出电源电压U_c和A/D转换基准电压U_r,其中电源电压U_c为第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片、CPU和远程无线数据通信设备供电；所述A/D转换基准电压U_r为第一A/D转换器芯片与第二A/D转换器芯片提供基准电压。

3.根据权利要求2所述的海洋能发电装置扭矩监测系统，其特征在于，所述1/k分压电路为电阻分压电路，其输出的供桥电压分压U_k=U_g/k；在A/D转换理想基准电压U_r-real和理想供桥电压U_g-real作用下，U_k对应的A/D转换结果为M_k，扭矩传感器的标定系数为t_e,并满足如下公式：

U_{g - real} = k \frac{M_{k}}{2^{n} - 1} U_{r - real}

式中，n为第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片的位数；1/k为供桥电压分压系数；U_r-real为第一A/D转换器芯片和第二A/D转换器芯片的理想基准电压；U_g-real为扭矩传感器的理想供桥电压；M_k为U_r-real和U_g-real作用下得到的理想分压信号U_k对应的A/D转换结果，为提前标定值，并保存在CPU内的ROM中；

4.根据权利要求3所述的海洋能发电装置扭矩监测系统，其特征在于，所述的扭矩测量误差补偿算法，包括以下步骤：

第二步，CPU控制第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片对供桥电压分压信号U_k和传感器输出电压U_i进行同时采集和同时A/D转换；CPU控制读取第一A/D转换器芯片、第二A/D转换器芯片的A/D转换结果D_i和D_k；

\frac{U_{g}}{U_{r}} = \frac{{kU}_{k}}{U_{r}} = k \frac{D_{k}}{2^{n} - 1}

第四步，CPU对第一A/D转换器芯片的转换结果D_i在理想基准电压U_r-real和理想供桥电压U_g-real作用下的修正值D_i-correction,计算公式如下：

U_{i - correction} = U_{i} \times \frac{U_{g - real}}{U_{g}}

D_{i - correction} = \frac{U_{i} \times \frac{U_{g - real}}{U_{g}}}{U_{r - real}} (2^{n} - 1) = \frac{\frac{U_{g - real}}{U_{g}}}{U_{r - real}} \times (2^{n} - 1) \times \frac{D_{i} U_{r}}{(2^{n} - 1)} = \frac{U_{r}}{U_{g}} \times \frac{U_{g - real}}{U_{r - real}} D_{i}

= \frac{M_{k}}{D_{k}} D_{i}

第五步，CPU计算扭矩传感器的测量值T，计算公式如下：

T = D_{i - correction} \times t_{e} = \frac{M_{k}}{D_{k}} D_{i} t_{e}