CN102788662B - 无附加传感器的垂直回转体动平衡检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无附加传感器的垂直回转体动平衡检测系统，其特征在于包括如下步骤：将电流传感器连接到垂直回转体的驱动电机的私服驱动器上，输入到FIFO单元中，进行数据缓存，通过判断数据是否准备好来控制FFT处理器的开启，数据通过FFT处理器把时域信号转换成频域信号；得到相应的幅频特性和相频特性；幅频特性反应了偏心点的相对质量和振动频率的关系，而相频特性反应了偏心点的相对位置和振动频率的关系，便得到垂直回转体动平衡状况。该系统具有误差小、安装方便和成本低廉等优点适于广泛推广。

Description

无附加传感器的垂直回转体动平衡检测系统

技术领域

本发明涉及一种动平衡检测系统，尤其涉及一种无附加传感器的动平衡检测系统。

背景技术

常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件，例如各种传动轴、主轴、转台和电动机等，统称为回转体。在理想的情况下回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，振动的幅度将和物体的角速度、物体的不均衡点的有效质量、有效半径、以及支撑物的刚度有关，产生了噪音，加速轴承磨损，运行不稳等，严重影响设备的使用寿命、安全性和设备的精度，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对回转体进行平衡分析和补偿，使其达到允许的平衡精度等级，或使产生的机械振动幅度降在允许的范围内。

国外的一些厂商提供的现场动平衡检测设备一般都采用加速度传感器和转速传感器的方法进行平衡检测计算，这样不仅成本高，而且在某些场合操作不方便，所以一种根据实际机械设备的特性，而研制一种适于在数控系统中应用，进行实时的动平衡监测的无附加传感器动平衡检测系统，是十分必要的。

注：本发明的系统中利用了本申请人的另一项同期申请的专利技术，具体内容为：如图1所示动平衡分析装置，包括前端信号处理单元，主要用于对由于电机不平衡旋转产生的振动信号进行采集和转换(外部表示不平衡旋转产生振动的信号，包含振动的频率，幅度和相位等信息)，进行AD采样等操作，以达到调整信号输入范围，把振动信号的模拟量转换成数字量，保证FFT信号处理有足够的带宽。

FIFO，主要作为外部输入数据的缓冲单元(即对外部输入电机不平衡旋转造成振动信号进行缓冲)；将外部高速AD采集的数据暂存到FIFO中，等到FIFO满后一次性将数据送到双端口RAM储存单元中，用于FFT处理器计算；控制单元：主要作为各个单元协调工作的控制器。控制单元负责产生读地址、写地址、使能信号以及各个相关模块的启动信号。

双端口RAM储存单元，用于对外部输入的原始数据进行缓存，以及用来暂存经过蝶形运算后的中间数据，每个蝶行运算的输入输出数据均要经过RAM的读写操作。因此，RAM的频繁读写操作速度对FFT的处理速度影响较大。为了加快FFT的运算速度，需要构造双端口RAM来加快数据传输的吞吐量；本实施例采用两个双端口RAM存储单元(即：双口RAM1和双口RAM2)。显示单元，用于对数据处理单元传送过来的振动信息和补偿信息的数据进行显示。

FFT处理器，利用傅立叶变换对高速A/D采集到的时域信号转换为频域信号；FFT处理器把FFT实时化的要求和芯片设计灵活性结合了起来，实现并行算法与硬件结构的优化配置，提高了FFT处理速度，满足了振动信号分析处理的高速度、高分辨率、高可靠性的要求。快速傅立叶变换可以精确对振动频率提纯，而且可以得到由于回转体不平衡旋(即电机不平衡旋转造成振动信号)转导致振动特征频率的幅值和相位。

数据处理单元，用于对FFT处理后的复域数据进行求模值运算和相位计算，根据在转速一定的情况下，振动的模值和偏心点质量成线性比例关系。通过求初始化质量与振动信号的模值的比例系数，在转速不变的情况下，通过再次测量振动信号的模值和相位，利用这个比例系数来确定需要补偿的质量(添加或是削减)M和相对位置，以输出包括当前转速，需要补偿的质量(添加或是削减)和相对位置结果(即得到振动信号的幅频特性和相位特性，基频信号的幅值和相位反映出偏心点的相对质量和相对位置与振动频率的关系。)。

如图2所示FFT处理器包括地址控制模块、蝶形运算单元、旋转因子表存储单元和倒序模块：

地址控制模块用来产生使能信号，并起到各单元的时序控制作用，以及产生正确的旋转因子表查找地址，以及RAM的读写地址，对各模块的时序进行有效控制，保证系统正常工作。

所述蝶形运算单元，用于对存储双端口RAM储存单元的电机不平衡旋转造成振动信号进行蝶形运算，所述蝶形运算按照抽取方式的不同可分为DIT-FFT(按时间抽取)和DIF-FFT(按频率抽取)算法。按照蝶形运算的构成不同可分为基2、基4、基8和任意因子(2n，n为大于1的整数)，以及分裂基等。为更清楚的表示蝶形运算单元的工作过程，以基-2循环结构为例进行说明(这也是本发明所述装置的最优实例，与流水线结构相比，运算速度下降，但由于其只使用一个蝶形处理器，所以占用的资源最少，流水线结构的运算速率是这种循环结构的log₂N倍。)，模型如图3所示：基-2FFT中，N为采样点数，N＝2^M，共有M级运算，每级有N/2个2点FFT蝶形运算，因此N点FFT共有(N/2)log₂N个蝶形运算。1个基-2蝶形运算由1个复乘运算单元和2个复加运算单元组成。其公式如下：

$x_1\left(n\right)=x\left(n\right)+x(n+\frac{N}{2})$

$x_2\left(n\right)=[x\left(n\right)-x(n+\frac{N}{2})]W_N^k$

具体运算过程和参数表示为：2，…，N/2-1；设序列x(n)长度为N，其中N为FFT采样点数；由于512点FFT每一级中总共需要256个旋转因子，而每一级中旋转因子的排列顺序又都是有规律可循的，如：在DIF-FFT的信号流图中，第一级的旋转因子为 第二级的旋转因子为第三级的旋转因子为第九级的旋转因子为可见，每一级的旋转因子都可以从第一级的256个旋转因子中按照不同的间隔抽取出来，所以ROM中只需存储第一级的256个旋转因子即可。在计算不同级时，只需按照排列规律采用相应的寻址方法即可，因此，ROM的地址线宽度也只用8位。

所述旋转因子表存储单元，旋转因子表实质上是一个ROM，用来存储每一级FFT运算所需要的旋转因子，N点FFT运算流图中，每级都有N/2个蝶形，每个蝶形都要乘以因子称其为旋转因子，其中N为采样点数，p称为旋转因子的指数。但各级的旋转因子和循环方式都有所不同。为了编写计算程序，应先找出旋转因子与运算级数的关系。为了提高运算速度，将旋转因子制作成ROM表，用来存储每一级FFT运算所需要的旋转因子。

所述倒序模块，用于将蝶形运算单元完成的运算数据进行反序转换为正序，实现频谱正常顺序输出到数据处理单元中；由于DIT形式的FFT输入数据x(n)地址为顺序，但由于在运算过程中对x(n)作奇、偶分开，导致输出数据地址不再是原来顺序。如果数据地址由n位表示，位反转的规则为：第n-1位和第0位交换，第n-2位和第1位交换，第n-3位和第2位交换，……，依此类推就可以将反序转换为正序。

具体流程如图4所示：首先，等待输入振动分析启动信号，然后进行由旋转物体不平衡旋转造成的振动量(即对外部输入电机不平衡旋转造成振动信号进行缓冲)经过前端信号处理单元处理(即AD采样)，把模拟量转换成数字量，输入到FIFO(先入先出队列)中，进行数据缓存，通过判断数据是否准备好来控制FFT处理器的开启。数据通过FFT处理器之后，会把时域信号转换成频域信号。由控制器发出启动FFT处理器信号，启动FFT内部地址控制模块，首先产生RAM写地址，把FIFO中的数据写入到双口RAM1中，然后产生RAM1的读地址把第一级蝶形运算需要的数据送入蝶形运算单元，同时产生旋转因子表的读地址，把第一级蝶形运算所需的旋转因子送入到蝶形运算单元，同时产生蝶形运算单元的启动信号。第一级蝶形运算结束之后，地址控制模块产生RAM2的写地址，把数据存入到RAM2中。进过log₂N(其中N为FFT采样点数)级的蝶形运算后，完成一次FFT运算。把数据处理后输出，同时返回等待下一次振动分析开始。暂存器RAM2中的数据就是FFT运算后的复数形式的数据，经过对其求模值运算和求相位运算，便可得到FFT后的幅频特性和相频特性。幅频特性反应了偏心点的相对质量和振动频率的关系，而相频特性反应了偏心点的相对位置和振动频率的关系。

动平衡检测和振动分析装置可集成一个芯片中(例如FPGA。)也可设置专门的芯片，在芯片内部可采用多层布线结构，更低的核心电压，更丰富的IO管脚，容量可达到约20k个逻辑单元(LES)，内置嵌入式RAM资源，内部集成多个数字锁相环，多个嵌入的硬件乘法器，结合该芯片内部嵌入式软CPU及其内部外设的搭建，所有这一切都使得该芯片在动平衡检测和振动分析领域显示出自己特有的优势。

这也为无附加传感器的垂直回转体动平衡检测系统的实现成为可能。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种无附加传感器的垂直回转体动平衡检测系统。本发明的具体技术方案如下：

1)将电流传感器连接到垂直回转体的驱动电机的伺服驱动器上；

2)通过伺服驱动器后读取电流值，即旋转物体不平衡旋转造成的振动量表示电流，把模拟量转换成数字量，输入到FIFO单元中，进行数据缓存，通过判断数据是否准备好来控制FFT处理器的开启；

3)FFT处理器开启后，数据通过FFT处理器把时域信号转换成频域信号，具体如下：

a、由控制器发出启动FFT处理器信号，启动FFT处理器内部地址控制模块，首先产生RAM写地址，把FIFO中的数据写入到双口RAM1中，然后产生RAM1的读地址把第一级蝶形运算需要的数据送入蝶形运算单元，同时产生旋转因子表的读地址，把第一级蝶形运算所需的旋转因子W^P _N送入到蝶形运算单元，同时产生蝶形运算单元的启动信号；

b、第一级蝶形运算结束之后，地址控制模块产生RAM2的写地址，把数据存入到RAM2中，进过log₂N级的蝶形运算后，FFT处理器完成一次运算，把数据处理后输出，同时返回等待下一次振动分析开始；

c、暂存器RAM2中的数据就是FFT处理器运算后的复数形式的数据，经过对其求模值运算和求相位运算，便可得到相应的幅频特性和相频特性；

4)幅频特性反应了偏心点的相对质量和振动频率的关系，而相频特性反应了偏心点的相对位置和振动频率的关系，便得到垂直回转体动平衡状况。

根据上述方法进行无附加传感器的垂直回转体动平衡检测装置，包括：

前端信号处理单元，用于将采集到的模拟量信号即电机不平衡旋转造成振动信号转换成数字量；

FIFO，用于对外部输入电机不平衡旋转造成振动信号的数字量进行缓冲；

控制单元，用于产生读地址、写地址、使能信号以及各个相关模块的启动信号和控制信号；

双端口RAM储存单元，用于对外部输入的原始数据进行缓存，以及用来暂存经过蝶形运算后的中间数据；

显示单元，用于对数据处理单元传送过来的振动信息和补偿信息的数据进行显示；

FFT处理器，利用傅立叶变换对由于电机不平衡旋转造成振动信号的频率进行提纯，将电机转速对应的频率转换成回转体不平衡旋转导致振动特征频率的幅值和相位；

数据处理单元，用于对FFT处理后的复域数据进行求模值运算和相位计算，通过振动的模值和偏心点质量的关系对动平衡振动数据进行分析，输出补偿的质量和相对位置；

所述FFT处理器包括地址控制模块、蝶形运算单元、旋转因子表存储单元和倒序模块；

所述地址控制模块，用于产生使能信号、旋转因子表查找地址以及双端口RAM储存单元的读写地址，并对各单元的时序进行控制；

所述蝶形运算单元，用于对存储双端口RAM储存单元的电机不平衡旋转造成振动信号进行蝶形运算；

所述旋转因子表存储单元，用于存储蝶形运算单元所需的旋转因子其中N为采样点数，P为旋转因子指数；

所述倒序模块，用于将蝶形运算单元完成的运算数据进行反序转换为正序，实现频谱正常顺序输出到数据处理单元中；

其特征在于：前端信号处理单元通过电流传感器连接到垂直回转体的驱动电机的伺服驱动器上获取驱动电流值。

同现有技术相比本发明的优点是显而易见的，通过无附加传感器而进行垂直回转体动的平衡进行检测，这样便规避了传感器带来的误差和安装传感器时所带来的麻烦。另外由于其使用同动平衡分析装置使用同一处理系统，这样不仅便于生产，而且成本非常低廉适于广泛推广。

附图说明

图1为本发明背景技术所述平衡分析装置的结构框图；

图2为本发明背景技术所述平衡分析装置中FFT处理器的结构框图；

图3为本发明背景技术所述平衡分析装置中蝶形运算单元流图；

图4为本发明背景技术所述平衡分析装置的流程图；

图5为本发明的基本原理示意图；

图6为本发明对应关系示意图。

具体实施方式

基本原理如图5所示，

当物体以角速度ω旋转时，任意质点在XY坐标系的分速度分别为：

V_X＝ω*R*cosθ①

V_y＝ω*R*sin②

其中θ为质点M与X轴的夹角

对①②式子求一阶导数得：

$\frac{{\mathrm{dV}}_x}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\ω}*R*\sin \mathrm{\θ}$ ③

$\frac{{\mathrm{dV}}_y}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\ω}*R*\cos \mathrm{\θ}$ ④

因此对于质点M，在XY方向的应力为

F_X＝ω*R*sin*M⑤

F_y＝ω*R*cosθ*M⑥

由式子⑤⑥可以看出当物体匀速旋转时，在X和Y方向的向心应力为一个正弦值。任何刚性支撑物都可以认为是一个弹性模型，即满足

F＝k*X⑦

其中F为作用力，X代表形变有效形变量，k代表不同弹性模型的劲度系数。因此满足在XY方向上如下

k*X_x＝F_x＝ω*R*sin*M⑨

k*X_y＝F_y＝ω*R*cosθ*M⑩

由⑨⑩可以看出，在XY方向的位移同样是一种满足正弦加速的位移，也就是说通过测量支撑物的加速度就可以间接的测量出旋转部分的不平衡量。

根据力矩的公式M＝F·L；

动力臂长*动力＝阻力臂长*阻力，此时为力矩平衡状态当物体绕固定轴转动时，力矩只有两种可能的方向，所以可用正负号来表示。一般规定：使物体沿逆时针方向转动的力矩为正；使物体沿顺时针方向转动的力矩为负。因此作用于有固定轴的转动物体上的几个力矩的合力矩就等于它们的代数和。如果一个物体所受到的力的合力矩的代数和是0，那么就说这个物体处于力矩平衡状态；如果合力矩代数和不为0，那么说明这个物体处于力矩非平衡状态。

如图6所示：根据永磁同步力矩电机的参数可知驱动电流I越大，电机的转矩T越大，I与T成正比例关系，T＝k1*I，k1为电机的转矩系数。

$I\⇔F$

当垂直旋转物体以角速度ω顺时针不平衡旋转时，根据力学知识可以分析出：当转台上的偏心点M由位置1经过位置2旋转到位置3时，偏心点的力矩会产生变化，根据力矩公式M＝F·L可知，在此过程中偏心点M产生的力矩会先变大然后变小的过程，在位置2的时候力矩达到最大，而转台上的偏心点M由位置3经过位置4旋转到位置1时，在此过程中偏心点M产生的力矩会先变大然后变小的过程，在位置4的时候力矩达到最大。

在整个旋转过程中，由于转台偏心点M产生的力矩不断变化，导致电机T也会不断变化，驱动电流I和T成正比关系。

动力臂长*动力＝阻力臂长*阻力，此时为力矩平衡状态，也说明物体处于平衡状态。

所以根据力矩平衡状态的条件，通过测量电机的驱动电流I和读取角度编码器的值θ就可以推导出转台偏心点M的质量和相对位置与电机的驱动电流I和角度编码器读取的角度值θ的关系。

无附加传感器动平衡检测方案设计

本设计应用可编程逻辑器件FPGA系统设计了一个便携式无附加传感器动平衡检测和振动分析的解决方案。

数字处理部分核心采用FPGA设计，使用硬件的并行处理技术，包含嵌入式软CPU及其内部外设的搭建，TFT液晶的显示卡搭建，FFT处理器的搭建及其历史数据备份和USB接口的开发。另外在CPU总线上将挂在几个掉电保护的SRAM，用于对测试过的数据做存储，包含补偿信息和定标信息。USB部分用来上传测试信息。具体流程如下：

首先，等待输入动平衡分析的启动信号，由旋转物体不平衡旋转造成的振动量(驱动旋转的电机的电流I)，通过伺服驱动器后读取电流值，把模拟量转换成数字量，输入到FIFO(先入先出队列)中，进行数据缓存，通过判断数据是否准备好来控制FFT处理器的开启。

数据通过FFT之后，会把时域信号转换成频域信号。

由控制器发出启动FFT处理器信号，启动FFT内部地址控制模块，首先产生RAM写地址，把FIFO中的数据写入到双口RAM1中，然后产生RAM1的读地址把第一级蝶形运算需要的数据送入蝶形运算单元，同时产生旋转因子表的读地址，把第一级蝶形运算所需的旋转因子W^P _N送入到蝶形运算单元，同时产生蝶形运算单元的启动信号。第一级蝶形运算结束之后，地址控制模块产生RAM2的写地址，把数据存入到RAM2中。进过log₂N(其中N为FFT变化的点数)级的蝶形运算后，完成一次FFT运算。把数据处理后输出，同时返回等待下一次振动分析开始。暂存器RAM2中的数据就是FFT运算后的复数形式的数据，经过对其求模值运算和求相位运算，便可得到FFT后的幅频特性和相频特性。幅频特性反应了偏心点的相对质量和振动频率的关系，而相频特性反应了偏心点的相对位置和振动频率的关系。

本设计应用可编程逻辑器件FPGA和AVR单片机双系统设计了一个便携式无附加传感器动平衡检测和振动分析的解决方案。

(1)前端信号处理单元主要对输入信号进行增益调节、带通滤波等操作，以达到调整信号输入范围；

(2)信号采集模块以高速模数转换器AD9220为核心，保证频谱分析仪有足够的带宽；

(3)FFT处理器对时域采样点进行256点基2FFT运算，计算时域信号的频谱；：

(4)地址控制模块负责产生读地址、写地址、使能信号以及相关模块的启动、控制信号，是本模块的核心；双口RAM负责对外部输入的原始数据进行缓存；蝶形运算单元完成2点DFT运算；旋转因子表实质上是一个ROM，用来存储每一级FFT运算所需要的旋转因子；暂存器RAM用来暂存经过蝶形运算后的中间数据；倒序模块实现频谱正常顺序输出；由于FFT的运算结果是复数，所以还需要对数据进行求模值运算和相位计算。控制单元对各模块的时序进行有效控制，保证系统正常工作；

(5)数字处理部分核心采用FPGA设计，使用硬件的并行处理技术，包含嵌入式软CPU及其内部外设的搭建，TFT液晶的显示卡搭建，FFT代码的搭建及其历史数据备份和USB接口的开发。另外在CPU总线上将挂在几个掉电保护的SRAM，用于对测试过的数据做存储，包含补偿信息和定标信息。USB部分用来上传测试信息，用于上位机构建数据库。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无附加传感器的垂直回转体动平衡检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将电流传感器连接到垂直回转体的驱动电机的伺服驱动器上；

2)通过伺服驱动器后读取电流值，即旋转物体不平衡旋转造成的振动量表示电流，把模拟量转换成数字量，输入到FIFO单元中，进行数据缓存，通过判断数据是否准备好来控制FFT处理器的开启；

3)FFT处理器开启后，数据通过FFT处理器把时域信号转换成频域信号,具体如下：

a、由控制器发出启动FFT处理器信号，启动FFT处理器内部地址控制模块，首先产生RAM写地址，把FIFO中的数据写入到双口RAM1中，然后产生RAM1的读地址把第一级蝶形运算需要的数据送入蝶形运算单元，同时产生旋转因子表的读地址，把第一级蝶形运算所需的旋转因子W_N ^p送入到蝶形运算单元，同时产生蝶形运算单元的启动信号；

b、第一级蝶形运算结束之后，地址控制模块产生RAM2的写地址，把数据存入到RAM2中，进过log₂N级的蝶形运算后，FFT处理器完成一次运算，把数据处理后输出，同时返回等待下一次振动分析开始；

c、暂存器RAM2中的数据就是FFT处理器运算后的复数形式的数据，经过对其求模值运算和求相位运算，便可得到相应的幅频特性和相频特性；

4)幅频特性反应了偏心点的相对质量和振动频率的关系，而相频特性反应了偏心点的相对位置和振动频率的关系，便得到垂直回转体动平衡状况。

2.根据权利要求1所述方法进行无附加传感器的垂直回转体动平衡检测装置，包括：

前端信号处理单元，用于将采集到的模拟量信号即电机不平衡旋转造成振动信号转换成数字量；

FIFO，用于对外部输入电机不平衡旋转造成振动信号的数字量进行缓冲；

控制单元，用于产生读地址、写地址、使能信号以及各个相关模块的启动信号和控制信号；

双端口RAM储存单元，用于对外部输入的原始数据进行缓存，以及用来暂存经过蝶形运算后的中间数据；

显示单元，用于对数据处理单元传送过来的振动信息和补偿信息的数据进行显示；

FFT处理器，利用傅立叶变换对由于电机不平衡旋转造成振动信号的频率进行提纯，将电机转速对应的频率转换成回转体不平衡旋转导致振动特征频率的幅值和相位；

数据处理单元，用于对FFT处理后的复域数据进行求模值运算和相位计算，通过振动的模值和偏心点质量的关系对动平衡振动数据进行分析，输出补偿的质量和相对位置；

所述FFT处理器包括地址控制模块、蝶形运算单元、旋转因子表存储单元和倒序模块；

所述地址控制模块，用于产生使能信号、旋转因子表查找地址以及双端口RAM储存单元的读写地址，并对各单元的时序进行控制；

所述蝶形运算单元，用于对存储双端口RAM储存单元的电机不平衡旋转造成振动信号进行蝶形运算；

所述旋转因子表存储单元，用于存储蝶形运算单元所需的旋转因子W_N ^p，其中N为采样点数，P为旋转因子指数；

所述倒序模块，用于将蝶形运算单元完成的运算数据进行反序转换为正序，实现频谱正常顺序输出到数据处理单元中；

其特征在于：前端信号处理单元通过电流传感器连接到垂直回转体的驱动电机的伺服驱动器上获取驱动电流值。