CN104535174A - 一种机械共振检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机械共振检测装置，其特征在于，包括传感器、模数转换单元、MCU、接口单元及用于为所述传感器、模数转换单元及MCU供电的电源单元，其中，所述传感器的输出端与所述模数转换单元的输入端连接，且所述传感器包括用于采样振动受测体的加速度值的单轴压电模拟加速度计；所述模数转换单元的输入端与所述传感器的输出端连接；所述MCU的输入端与所述模数转换单元的输出端连接；所述接口单元包括分别与所述MCU连接的RS485总线、CAN接口和开关电路。本发明还提供了对应的机械共振检测方法。本发明可以实时获取振动受测体的振动数据，并可根据共振触发条件，提前预判共振频率，在机械固有频率改变的系统中，本发明简单可靠，且适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及机械共振技术领域，更具体地说，涉及一种机械共振检测装置及防止机械共振的方法，应用于变频调速的电机驱动系统中。
背景技术
在变频调速的电机驱动系统中，产生的机械共振对系统的机械和结构有很大的破坏作用，轻则造成设备故障、系统损坏，重则酿成安全事故。
目前，上述系统中为防止机械共振，通常采用以下两种方法：一种方法是改变系统机械和结构，使机械系统固有频率避开激励频率；另一种方法是使变频器激励频率跳过机械系统固有频率，使系统快速通过共振区。
其中，第二种方法是变频器防止系统共振的常用方法：在系统调试过程中，记录下系统共振时变频器输出频率，通过软件设置相关参数，使变频器工作跳过相应的频率，即系统共振时变频器输出频率。
然而，在变频器测试系统中，由于被测设备不同，系统机械固有频率不同，这样，采用软件设置相关参数较为费时，不灵活，而且系统适应能力差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有的变频器防止系统共振的缺点，提供一种机械共振检测装置及方法。
本发明解决上述问题的技术方案是提供了一种机械共振检测装置，其特征在于，包括传感器、模数转换单元、MCU、接口单元及用于为所述传感器、模数转换单元及MCU供电的电源单元，其中：所述传感器的输出端与所述模数转换单元的输入端连接，且所述传感器包括根据采样的加速度值生成电流信号的单轴压电模拟加速度计；所述模数转换单元的输入端与所述传感器的输出端连接，并将来自所述传感器的所述电流信号转换成频率脉冲信号；所述MCU用于根据所述频率脉冲信号计算出振动受测体的系统振动参数，并在所述系统振动参数满足预设的共振触发条件时，通过所述接口单元输出振动受测体的共振频率。
在上述机械共振检测装置中，所述单轴压电模拟加速度计的最大量程为200g，且安装谐振频率大于3KHz。
在上述机械共振检测装置中，所述模数转换单元包括将所述电流信号转换成所述频率脉冲信号的电流/频率转换器。
在上述机械共振检测装置中，所述MCU将所述频率脉冲信号还原成采样的加速度值，并根据采样的加速度值计算出振动受测体的系统振动参数。
在上述机械共振检测装置中，所述接口单元包括分别与所述MCU连接的RS485总线、CAN接口和开关电路，所述RS485总线和所述CAN接口预设振动受测体的共振触发条件，在所述系统振动参数满足所述共振触发条件时，使所述开关电路导通，输出振动受测体的共振频率。
本发明还提供了一种机械共振检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过单轴压电模拟加速度计采样振动受测体的加速度值，并根据所述加速度值生成电流信号；
(b)将所述电流信号转换成对应频率脉冲信号；
(c)根据所述频率脉冲信号计算系统振动参数；
(d)在所述系统振动参数满足预设的共振触发条件时，输出振动受测体的共振频率。
在上述机械共振检测方法中，在所述步骤(a)中，所述单轴压电模拟加速度计的最大量程为200g，安装谐振频率大于3KHz。
在上述机械共振检测方法中，在所述步骤(b)中，通过电流/频率转换器将所述电流信号转换成对应频率脉冲信号。
在上述机械共振检测方法中，所述步骤(c)具体包括：
将所述频率脉冲信号还原成采样的加速度值，并计算出加速度幅值和第一频率；
根据所述加速度幅值和所述第一频率，拟合加速度正弦曲线；
根据所述加速度正弦曲线，对采样的加速度值进行滤波，并积分，获得振动速度曲线，并计算出速度幅值和第二频率；
根据所述第一频率和所述第二频率，并结合最小二乘法，迭代计算出振动频率；
根据所述振动频率和所述振动速度曲线，获得振动位移曲线，并计算出位移幅值。
在上述机械共振检测方法中，在所述步骤(d)中，通过RS485总线和CAN接口预设所述共振触发条件，在所述系统振动参数满足所述共振触发条件时，使开关电路导通，输出振动受测体的共振频率。
本发明可以实时获取振动受测体的振动数据，并可根据系统参数和特性设置相应的共振触发条件，提前预判共振频率，通过开漏端口反馈给变频器系统。变频器通过触发反馈作出停机或跳过该频率运行等控制防止共振产生。在变负载或结构改变等引起的机械固有频率改变的系统中，使用本发明的机械共振检测装置优势明显。同时也可单独作为防止系统机械振动的装置。
附图说明
图1是本发明实施例的机械共振检测装置的结构框图。
图2是本发明实施例的机械共振检测方法的流程图。
图3是本发明实施例中的MCU处理数据的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明实施例的机械共振检测装置的结构框图。在本实施例中，机械共振检测装置应用于变频器系统，包括传感器101、模数转换单元102、MCU 103、接口单元104及电源单元105，其中，电源单元105分别与传感器101、模数转换单元102及MCU 103连接，用于为传感器101、模数转换单元102及MCU 103供电。
传感器101的输出端与模数转换单元102的输入端连接，用于采样振动受测体的加速度值的电流信号，包括单轴压电模拟加速度计，该加速度计的最大量程为200g，安装谐振频率大于3KHz，且该加速度计耐振动冲击。
模数转换单元102包括电流/频率转换器，其输入端与传感器101的输出端连接，用于将采样的加速度值的电流信号转换成对应的频率脉冲信号。
MCU 103的输入端与模数转换单元102的输出端连接，用于将频率脉冲信号还原成加速度值，并对加速度值进行修正，计算处理得出振动受测体的振动参数，例如，振动频率、振幅、加速度和速度等信息。
接口单元104包括RS485总线、CAN接口和开关电路(图中未示出)，分别与MCU 103连接，其中，RS485总线、CAN接口用于根据系统参数和特性预设振动受测体的共振触发条件，并按照额定频率，不间断地，以数据帧方式输出振动受测体的相关参数，即振动参数，该相关参数包括振动受测体的振幅、加速度、速度、振动频率等信息；开关电路外接变频器系统，用于向变频器系统反馈MCU计算处理得出的数据。
在本实施例中，共振触发条件包括振幅阈值，加速度阈值，速度阈值，在振动受测体的相关参数满足共振触发条件时，使开关电路导通，将此时的振动受测体的振动相关参数反馈给变频器系统，振动相关参数包括振动频率，即振动受测体的共振频率，将振动受测体的共振频率反馈给变频器系统即输出振动受测体的共振频率，以达到预判共振频率的目的，变频器系统则触发反馈作出停机或跳过该频率运行等，以达到控制防止共振产生的目的。
在本实施例中，优选地，上述开关电路为电驱动的开关电路，包括N沟道场效应管，且其漏极开路，但上述开关电路并不限于此，还可以包括P沟道场效应管。
可以理解，在本实施例中的机械共振检测装置的接口单元104输出振动受测体的相关参数，因此该装置也可以作为防止系统机械振动的测量装置。
如图2所示，为本发明实施例的机械共振检测方法的流程图。该方法用于变频器系统，包括以下步骤：
S21、通过传感器采样振动受测体的加速度值，根据该采样的加速度值生成电流信号；
在此步骤中，传感器包括单轴压电模拟加速度计，该加速度计的最大量程为200g，安装谐振频率大于3KHz。
S22、将上述采样的加速度值的电流信号转换成对应频率脉冲信号；
在此步骤中，可以通过电流/频率转换器来实现加速度值的电流信号转换成对应频率脉冲信号，并将频率脉冲信号传输给MCU。
S23、根据频率脉冲信号，MCU将计算出振动受测体的系统振动参数；
在此步骤中，MCU先将频率脉冲信号还原成采样的加速度值，再根据采样的加速度值计算出振动受测体的系统振动参数，此部分内容，下面将会详细说明，此处就不再赘述。其中，系统振动参数包括加速度幅值am，振动频率Fn，速度幅值Vm，位移幅值Sm。
S24、预设振动受测体的共振触发条件，在系统振动参数满足预设的共振触发条件时，输出振动受测体的共振频率，且反馈给变频器系统。
在此步骤中，通过接口单元来实现预设振动受测体的共振触发条件，且反馈给变频器系统，接口单元包括RS485总线、CAN接口及开关电路，其中，可以通过RS485总线和CAN接口来预设振动受测体的共振触发条件，并根据该共振触发条件预判共振频率，在本实施例中，共振触发条件包括振幅阈值，加速度阈值，速度阈值，在振动受测体的系统振动参数满足预设的共振触发条件时，使开关电路导通，将此时的振动受测体的振动相关参数反馈给变频器系统，可以理解，振动相关参数包括振动受测体的振动频率，即振动受测体的共振频率，将振动受测体的振动频率反馈给变频器系统即输出振动受测体的共振频率，以达到预判共振频率的目的，变频器系统则触发反馈作出停机或跳过该频率运行等，以达到控制防止共振产生的目的。
在本实施例中，由于步骤S21中的单轴压电模拟加速度计零漂大，不同环境或长时间运行会造成很大的测量误差，因此MCU对加速度值进行修正，并计算出振动受测体的系统振动参数。
如图3所示，为本发明实施例中的MCU处理数据的流程图。包括以下步骤：
S31、将频率脉冲信号还原成采样的加速度值，并计算出加速度幅值am和第一频率Fa；
在此步骤中，根据有限时间段内的采样的加速度值的正负极大值进行求平均获得加速度幅值am，并根据有限时间段内的采样的加速度值计算出加速度振动频谱，其中，第一频率Fa为该加速度振动频谱中尖峰脉冲对应的频率。
S32、根据加速度幅值am和第一频率Fa，拟合加速度正弦曲线；
S33、根据拟合后的加速度正弦曲线，对采样的加速度值进行滤波，并积分，获得振动速度曲线，计算出速度幅值Vm和第二频率Fv；
此步骤中，采用如下公式进行滤波：
al＝rm(as-an)+an，其中al为滤波后的加速度值、as为采用的加速度值、an为拟合后的加速度值、0<r<1、m为可设置参数。
在本实施例中，根据振动速度曲线可以获得速度频谱，且速度频谱中的尖峰脉冲对应的频率为第二频率Fv。
S34、根据第一频率Fa和第二频率Fv，并结合最小二乘法，迭代计算出振动频率Fn；
S35、根据振动频率Fn和振动速度曲线，获得振动位移曲线。
在此步骤中，根据振动位移曲线，可计算出位移幅值Sm。
由上述步骤可以看出，MCU处理数据后得到精度较高的系统振动参数，包括加速度幅值am，振动频率Fn，速度幅值Vm，位移幅值Sm。
本发明可以实时获取振动受测体的振动数据，并可根据系统参数和特性设置相应的共振触发条件，提前预判共振频率，通过开关电路反馈给变频器系统。变频器通过触发反馈作出停机或跳过该频率运行等控制防止共振产生，不需要通过产生共振来得到系统机械共振频率。在变负载或结构改变等引起的机械固有频率改变的系统中，使用本发明的机械共振检测装置及方法，简单可靠，且适应性强。同时也可单独作为防止系统机械振动的装置。
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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种机械共振检测装置，其特征在于，包括传感器、模数转换单元、MCU、接口单元及用于为所述传感器、模数转换单元及MCU供电的电源单元，其中：所述传感器的输出端与所述模数转换单元的输入端连接，且所述传感器包括根据采样的加速度值生成电流信号的单轴压电模拟加速度计；所述模数转换单元的输入端与所述传感器的输出端连接，并将来自所述传感器的所述电流信号转换成频率脉冲信号；所述MCU用于根据所述频率脉冲信号计算出振动受测体的系统振动参数，并在所述系统振动参数满足预设的共振触发条件时，通过所述接口单元输出振动受测体的共振频率。
2.根据权利要求1所述的机械共振检测装置，其特征在于，所述单轴压电模拟加速度计的最大量程为200g，且安装谐振频率大于3KHz。
3.根据权利要求1所述的机械共振检测装置，其特征在于，所述模数转换单元包括将所述电流信号转换成所述频率脉冲信号的电流/频率转换器。
4.根据权利要求1所述的机械共振检测装置，其特征在于，所述MCU将所述频率脉冲信号还原成采样的加速度值，并根据采样的加速度值计算出振动受测体的系统振动参数。
5.根据权利要求1所述的机械共振检测装置，其特征在于，所述接口单元包括分别与所述MCU连接的RS485总线、CAN接口和开关电路，所述RS485总线和所述CAN接口预设振动受测体的共振触发条件，在所述系统振动参数满足所述共振触发条件时，使所述开关电路导通，输出振动受测体的共振频率。
6.一种机械共振检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过单轴压电模拟加速度计采样振动受测体的加速度值，并根据所述加速度值生成电流信号；
(b)将所述电流信号转换成对应频率脉冲信号；
(c)根据所述频率脉冲信号计算系统振动参数；
(d)在所述系统振动参数满足预设的共振触发条件时，输出振动受测体的共振频率。
7.根据权利要求6所述的机械共振检测方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，所述单轴压电模拟加速度计的最大量程为200g，安装谐振频率大于3KHz。
8.根据权利要求6所述的机械共振检测方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，通过电流/频率转换器将所述电流信号转换成对应频率脉冲信号。
9.根据权利要求6所述的机械共振检测方法，其特征在于，所述步骤(c)具体包括：
将所述频率脉冲信号还原成采样的加速度值，并计算出加速度幅值和第一频率；
根据所述加速度幅值和所述第一频率，拟合加速度正弦曲线；
根据所述加速度正弦曲线，对采样的加速度值进行滤波，并积分，获得振动速度曲线，并计算出速度幅值和第二频率；
根据所述第一频率和所述第二频率，并结合最小二乘法，迭代计算出振动频率；
根据所述振动频率和所述振动速度曲线，获得振动位移曲线，并计算出位移幅值。
10.根据权利要求6所述的机械共振检测方法，其特征在于，在所述步骤(d)中，通过RS485总线和CAN接口预设所述共振触发条件，在所述系统振动参数满足所述共振触发条件时，使开关电路导通，输出振动受测体的共振频率。
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| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |