一种基于三维霍尔传感器测量风电塔筒倾角的系统

摘要

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。

权利要求

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  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。

说明书

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

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 所述的三维霍尔传感器是采用Tria 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 所述的倾角测量装置的微处理器执行下面的流程：

[0011] 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。

[0012] 本发明相比现有技术产生的积极效果：

[0013] 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

[0014] 图1是本发明测量系统的组成框图；

[0015] 图2是本发明倾角测量装置示意图；

[0016] 图3是倾角测量装置摆锤示意图；

[0017] 图4是倾角测量装置电路框图；

[0018] 图5是倾角测量装置的程序流程图。

具体实施方式

[0019] 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。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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 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。

[0025] 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。

[0026] 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。

[0027] 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：

[0028] 其中 为阻尼项

[0029] m＝m1+m2

[0030] 化简得：

[0031]

[0032] 化简得：

[0033] 设 则：

[0034] λ2+2nλ+ω2＝0则：

[0035]

[0036]

[0037] 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：

[0038] 设λ1，λ2＝‑n±ω1i,则： (A, 由初始条件确定)

[0039] 由于b在实际条件下难预测，故用 代替ω1，则：

[0040] 摆动周期

[0041] 由质心公式 故

[0042]

[0043]

[0044] 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。

[0045] 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。

[0046] 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。

[0047] 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。

[0048] 倾角测量装置基本电气参数：

[0049] 外部电特性：

[0050] 输入：+8VDC～+16VDC

[0051] 电流：倾角传感器装置单只<80mA 嵌入式组网主机<150mA

[0052] 通信：CAN2.0B协议 波特率125kbps

[0053] 参照图5，微处理器执行下面的程序：

[0054] 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；

[0055] 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。