CN111322991A - 一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统，包括倾角测量装置和1台嵌入式主机，倾角测量装置安装于塔筒内，其中，倾角测量装置包括三维霍尔传感器、微处理器、磁隔离CAN收发器、系统基本片、摆杆机构，摆杆机构上安装磁铁，三维霍尔传感器位于磁铁上方，非接触磁场空间交联，摆杆机构随塔筒摆动带动磁铁沿圆周方向转动，用于调节合适的灵敏度和阻尼特性，微处理器通过读取三维霍尔传感器内部数据并做算法处理，完成塔筒倾角数据测量。本发明通过通过三维霍尔传感器和摆杆机构独特的复摆设计，完成对系统外部倾角信号的等角度传输，数据的准确性高，重复性高。

Description

一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统
技术领域
本发明属于风电机组塔筒测量技术领域，尤其是涉及一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统。
背景技术
风电塔筒安装完成后，由于地基沉降、结构件变形、强风等原因，可能导致塔筒倾斜甚至倒塔，造成严重经济损失。自风电投入商用后，塔筒监控始终是难题。以往的塔筒倾角检测是采用加速度传感器，核心是微机械芯片，其灵敏度较高，但是有两个致命的缺点：首先是由于系统长时间多次测量，使得测量微芯片存在明显的物理变形，因此，测量值相对绝对物理位置的重复性不好，虽然灵敏度高，但是由于原理的固有特性，导致累计的绝对误差越来越大，最后只能是参考性的相对测量数据；其次是由于塔筒自然摆动引起的受迫震动，摆动中心不变，非实质的塔筒变形也会多次作用到检测系统中，导致不必要的累计误差和大量实际无用的数据。最后，加速度传感器的价格相当昂贵，增加检测成本。
如何得到良好重复性的绝对角度数据，并且低成本地完成塔筒倾角检测是当前急待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本可动态实时监控塔筒倾角的系统，系统提供重复性一致的绝对角度数据，遇突发情况可实时主动报警，维护人员可及时采取对应措施，避免事故发生，减少经济损失。
为实现上述目的，本发明提供一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统，其特征在于：包括倾角测量装置和1台嵌入式主机，倾角测量装置安装于塔筒内，其中，倾角测量装置包括三维霍尔传感器、微处理器、磁隔离CAN收发器、系统基本片、摆杆机构，摆杆机构上安装磁铁，三维霍尔传感器位于磁铁上方，非接触磁场空间交联，摆杆机构随塔筒摆动带动磁铁沿圆周方向转动，用于调节合适的灵敏度和阻尼特性，同时，摆杆机构的运动引起三维霍尔传感器与摆动的磁铁的相对位置变化，相对位置变化引起三维霍尔传感器周围磁场变化，磁场变化引起三维霍尔传感器内部数据变化，微处理器通过读取三维霍尔传感器内部数据并做算法处理，完成塔筒倾角数据测量，倾角测量装置与嵌入式组网主机通过磁隔离CAN收发器通信，数据在嵌入式组网主机显示并处理，经以太网与电力运行监控网络做数据交互。
所述的三维霍尔传感器是采用Tria
Figure BDA0002453177020000021
Hall技术的单片式磁传感器IC，通过集成磁控器来获得，该集成磁控器沉积在CMOS芯片上。
所述的摆杆机构包括摆杆、摆锤，摆杆顶端设有凹槽用于镶嵌磁铁，摆杆上套接一关节轴承，并在关节轴承的作用下360度圆周旋转。
所述的摆杆机构安装于一个形似塔筒的腔体内，该腔体由上下两个腔体连接而成，上下两个腔体连接面中心开有凹槽，关节轴承安全于凹槽内。
所述的倾角测量装置分若干层均匀安装于塔筒内，所有的倾角测量装置通过CAN数据总线并联，并分别与嵌入式组网主机通过磁隔离CAN收发器通信。
所述的倾角测量装置的微处理器执行下面的流程：
首先电路上电，微处理器完成内部寄存器和端口初始化，然后与系统基本片(SYSTEM BASIC CHIP系统基本片，主要功能是产生多通道独立电源和实现硬件看门狗作用，配置方式是SPI总线)使用通信，微处理器通过SPI总线操作系统基本片进入预设的工作模式，操作是按芯片手册的时序进行，过程是读写系统基本片内部寄存器状态以判断操作是否完成，未完成就继续操作读写动作，完成就执行下一步，至此微处理器在系统基本片的监控下协同工作，完成最小系统软件启动；然后微处理器通过SPI总线对三维霍尔传感器操作是按芯片手册的时序进行，过程是读写传感器内部寄存器状态，以判断操作是否完成，未完成就报错后继续操作读写动作，完成就执行下一步获得当前传感器检测的空间角度数值；最后，经微处理器内部程序将空间角度数值进行编码，通过CAN总线向外发送，操作磁隔离CAN收发器也是通过读寄存器状态，如未完成就报错后继续等待，直到检测寄存器完成发送为止；循环读取数据，完成连续性检测。
本发明相比现有技术产生的积极效果：
本发明通过通过三维霍尔传感器和摆杆机构独特的复摆设计，可调节摆杆机构的系统阻尼，构建独立稳定的系统内磁场环境，抵消由于塔筒自然摆动而对测量系统引起的受迫振动，又通过磁隔离CAN收发器总线通信方式，完成对系统外部倾角信号的等角度传输，既具有较高的灵敏度，又要有一定的阻尼特性，用于抵消由于塔筒自然摆动而对测量系统引起的受迫振动，避免了机械谐振产生的错误信号，准确地进行了风电塔筒的测量，整个系统相对加速度传感器单只2000元以上的成本，降低了数量级，数据的准确性高，重复性高。
附图说明
图1是本发明测量系统的组成框图；
图2是本发明倾角测量装置示意图；
图3是倾角测量装置摆锤示意图；
图4是倾角测量装置电路框图；
图5是倾角测量装置的程序流程图。
具体实施方式
参照图1，每套塔筒检测系统有3个以上的倾角测量装置，1台嵌入式组网主机、辅助的电源、线束及辅助安装机构组成。
倾角测量装置包括电子部分和独特的机械构造。倾角测量装置电路部分内部三维霍尔传感器对施加到IC的三种磁通密度(BX，BY和BZ)敏感，内置的微处理器对数据处理后通过SPI总线，与外部通信完成初始化、数据传输和诊断。
实际运行的风电塔，由于自然环境因素，实时发生自然摆动，该摆动姿态复杂，一般是扭曲的摆动，这样的实时摆动对测量装置的机械性能提出了较高的要求，测量装置既要有较高的灵敏度，又要避免机械谐振产生的错误信号，本测量装置采用双锥摆的摆杆机构的阻尼设计，很大程度避免了机械振动、并以较高的灵敏度准确的进行了风电塔筒的测量。
倾角测量装置内部通过创新设计的机械构造，将空间角度变化通过磁铁传递到三维霍尔传感器，通过SPI总线读出传感器的数据，经过外部CAN总线传输到局网的嵌入式组网主机。
嵌入式组网主机对一个塔筒内的所有倾角测量装置的CAN数据完成队列处理，周期性通过以太网发送到风电运维后台，进行大数据管理，同时主机完成初次安装系统的各倾角测量装置的初始化、突发事件报警等功能。
参照图2和图3，本发明的倾角测量装置包括上盖板1、安装供电及信息处理电路板6的腔体2、安装关节轴承用腔体3、底板4、下盖板5、安装三维霍尔传感器的电路板7、磁铁8、摆杆9、摆锤10、关节轴承11，微处理器、磁隔离CAN收发器、系统基本片集成在安装供电及信息处理电路板6上，安装供电及信息处理电路板6和安装三维霍尔传感器的电路板7用软带线连接，三维霍尔传感器是采用Tria
Figure BDA0002453177020000053
Hall技术的单片式传感器芯片。传统的平面霍尔技术仅对正交于芯片表面施加的通量密度敏感，三维霍尔传感器对平行于芯片表面施加的磁通密度也很敏感。这是通过集成磁控器(IMC)来获得的，该集成磁控器沉积在CMOS芯片上。三维霍尔传感器对施加到IC的三种磁通密度(BX，BY和BZ)敏感，内置的微处理器对数据处理后通过SPI总线，与外部通信完成初始化、数据传输和诊断。
摆杆机构：磁铁8安装于摆杆9端部的凹槽内，与摆锤10和关节轴承11构成摆杆机构，摆杆机构可在腔体3内摆动，腔体2和3连接面部分设有凹槽用于安装关节轴承。摆杆机构带动三维霍尔传感器伴随风电塔的摆动沿圆周方向转动，用于调节合适的灵敏度和阻尼特性，同时，磁铁的运动引起三维霍尔传感器的周边磁场变化，三维霍尔传感器采集周围变化的倾角数据传给微处理器处理，完成倾角数据测量。
本发明通过摆杆机构独特的复摆设计，可调节摆杆机构的系统阻尼，抵消由于塔筒自然摆动而对测量系统引起的受迫振动，既具有较高的灵敏度，又避免了机械谐振产生的错误信号，准确地进行了风电塔筒的测量，整个系统相对加速度传感器单只2000元以上的成本，降级了数量级。数据的准确性高，重复性高。
阻尼摆杆的力学计算:摆杆长l，摆杆质量m1，摆锤质量m2，摆角为θ，依逆时针方向为正，依有阻尼不受迫情况，系统相对于关节的转动惯量为J，质心距关节长度为r，则：
Figure BDA0002453177020000051
其中
Figure BDA0002453177020000052
为阻尼项
m＝m1+m2
化简得：
Figure BDA0002453177020000061
化简得：
Figure BDA0002453177020000062
设
Figure BDA0002453177020000063
则：
λ2+2nλ+ω2＝0则：
Figure BDA0002453177020000064
Figure BDA0002453177020000065
由于实际情况必须避免大阻尼与临界阻尼，故仅讨论小阻尼：
设λ1，λ2＝-n±ω1i,则：
Figure BDA0002453177020000066
(A,
Figure BDA0002453177020000067
由初始条件确定)
由于b在实际条件下难预测，故用
Figure BDA0002453177020000068
代替ω1，则：
摆动周期
Figure BDA0002453177020000069
由质心公式
Figure BDA00024531770200000610
故
Figure BDA00024531770200000611
Figure BDA00024531770200000612
Figure BDA00024531770200000613
上式可见，通过调节T，可提高摆杆机构的灵敏度，由于该力学系统采用摆杆机构，其机械振动可拆分为2个正交的一维振动，分析同上。
参照图4，塔筒倾角测量装置的电路部分由三维霍尔传感器、微处理器、系统基本片、磁隔离CAN收发器组成。三维霍尔传感器负责搜集外部磁场信号并转换为数字量后存放在内部寄存器，微处理器通过SPI总线读取三维霍尔传感器内部寄存器的磁场数据，然后微处理器通过磁隔离收发器将磁场数据编码发送，系统基本片是给三维霍尔传感器、微处理器和磁隔离CAN收发器供电的，并为微处理器提供看门狗服务功能。
倾角测量装置分若干层均匀安装于塔筒内，所有的倾角测量装置通过CAN数据总线并联，并分别与嵌入式组网主机通过CAN收发器通信，数据在嵌入式组网主机显示并处理，经以太网与电力运行监控网络做数据交互。
电子部分全部器件为AECQ-100以上等级，适应宽环境温度应用；外部电源适应性好；磁隔离CAN总线具有极强的抗电磁干扰能力，适应风电塔筒的复杂电磁环境，确保恶劣电磁环境200米通信。
Figure BDA0002453177020000071
倾角测量装置基本电气参数：
Figure BDA0002453177020000072
外部电特性：
Figure BDA0002453177020000073
输入：+8VDC～+16VDC
Figure BDA0002453177020000074
电流：倾角传感器装置单只<80mA 嵌入式组网主机<150mA
Figure BDA0002453177020000075
通信：CAN2.0B协议 波特率125kbps
参照图5，微处理器执行下面的程序：
首先上电完成微处理器初始化、系统基本片初始化完成系统的供电、复位功能、运行期间的程序监控、程序故障的复位等；
微处理器通过SPI总线操作系统基本片进入预设的工作模式，读写系统基本片内部寄存器状态以判断操作是否完成，未完成就继续读写，完成就执行下一步，至此微处理器在系统基本片的监控下协同工作，完成最小系统软件启动；然后微处理器通过SPI总线控制三维霍尔传感器，读写传感器内部寄存器状态以判断操作是否完成，未完成就报错后继续操作读写动作，完成就执行下一步获得当前传感器检测的空间角度数值；最后，经微处理器内部程序将空间角度数值进行编码，通过CAN总线向外发送，操作CAN收发器发送也是通过内部寄存器完成，读发送寄存器，未完成就报错后继续发送直到完成；循环读取数据，完成连续性检测。

Claims (6)

1.一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统，其特征在于：包括倾角测量装置和1台嵌入式主机，倾角测量装置安装于塔筒内，其中，倾角测量装置包括三维霍尔传感器、微处理器、磁隔离CAN收发器、系统基本片、摆杆机构，摆杆机构上安装磁铁，三维霍尔传感器位于磁铁上方，非接触磁场空间交联，摆杆机构随塔筒摆动带动磁铁沿圆周方向转动，用于调节合适的灵敏度和阻尼特性，同时，摆杆机构的运动引起三维霍尔传感器与摆动的磁铁的相对位置变化，相对位置变化引起三维霍尔传感器周围磁场变化，磁场变化引起三维霍尔传感器内部数据变化，微处理器通过读取三维霍尔传感器内部数据并做算法处理，完成塔筒倾角数据测量，倾角测量装置与嵌入式组网主机通过磁隔离CAN收发器通信，数据在嵌入式组网主机显示并处理，经以太网与电力运行监控网络做数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统，其特征在于：所述的三维霍尔传感器是采用Tria
Figure FDA0002453177010000011
技术的单片式磁传感器IC，通过集成磁控器来获得，该集成磁控器沉积在CMOS芯片上。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统，其特征在于：所述的摆杆机构包括摆杆、摆锤，摆杆顶端设有凹槽用于镶嵌磁铁，摆杆上套接一关节轴承，并在关节轴承的作用下360度圆周旋转。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统，其特征在于：所述的摆杆机构安装于一个形似塔筒的腔体内，该腔体由上下两个腔体连接而成，上下两个腔体连接面中心开有凹槽，关节轴承安全于凹槽内。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统，其特征在于：所述的倾角测量装置分若干层均匀安装于塔筒内，所有的倾角测量装置通过CAN数据总线并联，并分别与嵌入式组网主机通过磁隔离CAN收发器通信。
6.根据权利要求1所述的一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统，其特征在于：所述的微处理器执行下面的流程：
首先电路上电，微处理器完成内部寄存器和端口初始化，然后与系统基本片通信，微处理器通过SPI总线操作系统基本片进入预设的工作模式，过程是读写系统基本片内部寄存器状态以判断操作是否完成，未完成就继续操作读写动作，完成就执行下一步，至此微处理器在系统基本片的监控下协同工作，完成最小系统软件启动；然后微处理器通过SPI总线对三维霍尔传感器操作，过程是读写传感器内部寄存器状态，以判断操作是否完成，未完成就报错后继续操作读写动作，完成就执行下一步获得当前传感器检测的空间角度数值；最后，经微处理器内部程序将空间角度数值进行编码，通过CAN总线向外发送，操作磁隔离CAN收发器也是通过读寄存器状态，如未完成就报错后继续等待，直到检测寄存器完成发送为止；循环读取数据，完成连续性检测。
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