CN104678122B - 一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理技术，涉及一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法。该方法利用现场可编程门阵列（FPGA）制作的处理器来控制模数转换器（A/D）对带有高齿的转速信号进行高速采集，通过设置识别阈值和数字滤波的方法将每个音轮齿对应的波形进行有效识别，运用多点冒泡法进行波形幅值提取，根据先入先出的幅值比较方法进行高齿识别。本发明采用高速模数转换和数字滤波的方法提高了波形识别和幅值提取的准确性和抗干扰性，采用多点冒泡法扩大了高齿识别的转速范围，采用先入先出保存幅值比较结果的方法提高了高齿识别的准确性和实时性。

Description

一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法

技术领域

本发明属于信号处理技术，涉及一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法。

背景技术

在发动机数控系统中，转速传感器采集的信号是发动机关键控制信号中的转速信号。带有高齿的转速传感器是航空发动机控制系统中特有的传感器，用于对关联的转子同时进行转速检测和转子定位。通过对高齿波形进行实时识别，可以定位转子的位置，再结合振动信号的处理，就能够对航空发动机的转动健康状况进行检测，有助于提高飞机的安全性和维修性。

以磁电式转速传感器为例，如图1所示，转速传感器信号由于传感器线圈的磁通被转动的齿切割而产生，每经过1个音轮齿产生1个波形。如图2所示，传感器信号在高转速时呈现连续周期的正弦波，在低转速时呈现不连续的正弦波，且信号波形的幅值与转速成正比。此外齿的加工缺陷或者外部电气环境常常会引入高频干扰。

一般的方法通常只能处理高频时波形连续性较好和幅值较大的场合，识别范围窄；此外由于波形形状不理想，对幅值的提取往往不够准确；抗干扰能力不足也影响到高齿识别的实时性和准确性。

从国内航空发动机全权限数字电子控制技术开始研究到产品投入使用至今，带有高齿的转速传感器在国内航空领域是首次使用，缺少成熟的高齿波形识别方法。设计一种识别范围大、准确性好、实时性强的高齿波形识别方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是：提供一种识别范围大、准确性好、实时性强的转速高齿识别方法。

本发明的技术方案是：利用现场可编程门阵列（FPGA）制作的处理器来控制模数转换器（A/D）对带有高齿的转速信号进行高速采集，通过设置识别阈值和数字低通滤波的方法将每个音轮齿对应的波形进行有效识别，运用多点冒泡法进行波形幅值提取，根据先入先出的幅值比较方法进行高齿识别。

一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法，该方法包括以下步骤：

A、对转速信号进行幅值放大调理；

B、通过A/D对调理后的信号进行高速采集；

C、通过实时比较A/D采集值和阈值电平的方式，将转速信号的波形识别出来，在波形识别过程结束时，通过比较采集点数和阈值点数的方式，判断识别波形是否有效；

D、将有效识别的波形的幅值提取出来，得到一个与波形幅值成正比的数值结果；

E、将幅值提取的数值结果保存下来，并且与上次保存的结果进行比较，如果大于前一结果超过Q%，Q%为高齿波形幅值大于普通齿波形幅值的最小阈值，则认为当前结果对应的波形可能是高齿波形，反之则认为不是高齿波形，将比较的结果也保存下来，

F、将当前的比较的结果，即第M+N+1个比较的结果，与第M+1个比较的结果进行判断，N为转速传感器的总的音轮齿数，M为自然数，假如二者都对应高齿波形，则确认当前的结果对应的是高齿波形。

所述的步骤B中，A/D的采集频率至少要超过原转速信号最高频率的10倍。

所述的步骤C中，识别的波形可以是正半周、负半周和全周。当识别正半周时，其方法采用了如下步骤：

C1、设置正半周进入阈值电平、正半周退出阈值电平和识别有效阈值点数，

C2、当高速采集的数值连续若干个高于正半周进入阈值电平，则识别出转速电信号进入了正半周；当高速采集的数值连续若干个低于正半周退出阈值电平，则识别出转速电信号退出了正半周；

C3、检查正半周内的高速采集点数是否超过设置的识别有效阈值点数，如果超过的话说明波形宽度满足要求，则识别波形有效；如果没有超过的话说明波形宽度过窄，则识别波形无效。

所述的步骤D中，波形的幅值提取的方法为：将有效波形内高速采集的数值依照多点冒泡法从大到小排序，在有效识别过程结束时，将最大的若干个点的数值加起来得到一个与波形幅值成正比的数值结果。

所述的步骤F中，比较结果的保存方式为先入先出方式，只同时存有N+1个结果。当第M+N+1个和第M+1个比较的结果都为高齿波形，则可以确认当前波形为高齿波形，处理器由未识别状态进入识别状态。识别状态下只需要对第M+2N+1个结果进行再次确认即可维持识别状态，如果过程中出现高齿波形的比较结果，可认为是强干扰信号。一旦再次确认失败，处理器从识别状态返回未识别状态，重新开始识别过程。

本发明的优点是：

1、对传感器电信号进行高速采集和数字滤波，提高了波形识别和幅值提取的准确性和实时性。

2、通过多点冒泡法将信号波形的幅值对应值提取出来，可以适应较大的转速范围。

3、将幅值比较的结果以先入先出的方式保存，并且根据传感器总的音轮齿数来确认高齿波形，提高了高齿识别的准确性和实时性。

附图说明

图1是带有高齿的磁电式转速传感器的结构示意图；

图2是带有高齿的磁电式转速传感器的信号波形图；

图3是本发明的基于多点冒泡法的转速高齿识别方法实施例中的硬件结构图；

图4是本发明的基于多点冒泡法的转速高齿识别方法实施例中的流程图。

具体实施方式

一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法，该方法包括以下步骤：

A、对转速信号进行幅值放大调理，由于转速信号的幅值随转速变化，要保证在高转速时信号幅值不会超出A/D的采集范围，同时在低转速时信号幅值不会太小；

B、通过A/D对调理后的信号进行高速采集；

C、通过实时比较A/D采集值和阈值电平的方式，将转速信号的波形识别出来，在波形识别过程结束时，通过比较采集点数和阈值点数的方式，判断识别波形是否有效；

D、将有效识别的波形的幅值提取出来，得到一个与波形幅值成正比的数值结果；

E、将幅值提取的数值结果保存下来，并且与上次保存的结果进行比较，如果大于前一结果超过Q%，Q%为高齿波形幅值大于普通齿波形幅值的最小阈值，则认为当前结果对应的波形可能是高齿波形，反之则认为不是高齿波形，将比较的结果也保存下来，

F、将当前的比较的结果，即第M+N+1个比较的结果，与第M+1个比较的结果进行判断，N为转速传感器的总的音轮齿数，M为自然数，假如二者都对应高齿波形，则确认当前的结果对应的是高齿波形。

所述的步骤B中，A/D的采集频率至少要超过原转速信号最高频率的10倍，在A/D芯片可以实现的情况采集频率越高越好，因为在有效识别的波形中采集的个数越多，越有利于波形幅值的提取。

所述的步骤C中，识别的波形可以是正半周、负半周和全周。当识别正半周时，其方法采用了如下步骤：

C1、设置正半周进入阈值电平、正半周退出阈值电平和识别有效阈值点数，

C2、当高速采集的数值连续若干个高于正半周进入阈值电平，则识别出转速电信号进入了正半周；当高速采集的数值连续若干个低于正半周退出阈值电平，则识别出转速电信号退出了正半周；

C3、检查正半周内的高速采集点数是否超过设置的识别有效阈值点数，如果超过的话说明波形宽度满足要求，则识别波形有效；如果没有超过的话说明波形宽度过窄，则识别波形无效，该过程相当于对转速信号进行了数字低通滤波，可以降低强干扰破坏高齿波形周期性确认的可能性。

所述的步骤D中，波形的幅值提取的方法为：将有效波形内高速采集的数值依照多点冒泡法从大到小排序，在有效识别过程结束时，将最大的若干个点的数值加起来得到一个与波形幅值成正比的数值结果。转速信号在波峰处的波形最平缓，因此选取波峰附近的数值结果具有最小的采集误差。使用最大的若干个点的数值之和是一方面是为了抑制采集间隔导致的结果离散性，另一方面也能够减小波形畸变带来的影响。

所述的步骤F中，比较结果的保存方式为先入先出方式，只同时存有N+1个结果。当第M+N+1个和第M+1个比较的结果都为高齿波形，则可以确认当前波形为高齿波形，处理器由未识别状态进入识别状态。识别状态下只需要对第M+2N+1个结果进行再次确认即可维持识别状态，如果过程中出现高齿波形的比较结果，可认为是强干扰信号。一旦再次确认失败，处理器从识别状态返回未识别状态，重新开始识别过程。采用先入先出的方式只保存N+1个结果的一个优点是减少了硬件开销。另一个优点是能够在确认失败返回未识别状态后，迅速识别新的高齿波形，将其与之前保存的结果进行再次确认，因此一般在确认失败之后的N个波形以内，就能够重新确认到高齿信号进入识别状态。

下面对结合图3、4对本发明中的一实施例作具体描述。

本发明可以通过图3、4所示的一种处理器实现，处理器的硬件主要包括信号调理电路、A/D转换器（AD7899）、A/D控制器、波形识别单元、多点冒泡法单元、幅值比较单元、移位寄存器、高齿波形确认单元、电源、时钟/复位。如图3，画在虚线方框内的硬件统称为FPGA片内硬件，在方框外的硬件统称为FPGA片外硬件。

本实施例对1个带有高齿的磁电式转速传感器进行高齿识别，该传感器的音轮齿数为30，转速对应的频率范围为0Hz到3kHz，信号波形为正弦波，有效信号幅值（单峰值）为100mV到18V，高齿波形幅值至少比普通齿波形幅值大25%。具体实施方法参见图3、图4，步骤如下：

1.由于AD7899的采集范围为-10V到+10V，因此信号调理电路的放大系数设为1/2。

2.设置AD7899的采集频率为160k。

3.采用识别正半周波形的方式，设置正半周进入阈值电平为50mV，正半周退出阈值电平为5mV，识别有效阈值点数为10，多点冒泡法的点数设置为8。

4.初始化完毕后，处理器处于未识别状态。

5.按波形阈值电平对信号波形进行识别，识别过程中对高速采集到的数值进行8点冒泡法排序，同时记录采集点数。

6.当波形识别过程的高速采集点数少于10时，识别波形无效，返回步骤5。考虑到阈值电平的影响，高于8kHz的高频干扰信号将被滤除。

160kHz/(10（半周期）*2)=8kHz。

7.当波形识别过程的高速采集点数不少于10时，识别波形有效，对有效识别出的波形进行幅值提取，即将最大的8个数值求和。

8.每识别出1个有效波形，就将其幅值提取的结果与上次的结果比较，如果超过25%则幅值比较结果为1，否则为0。将幅值比较结果按先入先出的方式保存到长度为31的移位寄存器中，每得到1个幅值比较结果，就将移位寄存器向最高位（MSB）移动1位，将最新的结果存入最低位（LSB）。

9.在未识别状态，当移位寄存器的最低位和最高位同时为1时，就可以确认当前识别的波形是高齿波形，处理器进入识别状态并输出数字信号；进入识别状态后，后面第30个有效识别波形的幅值比较结果如果为1，则再次确认高齿波形并且维持识别状态，否则退出识别状态进入未识别状态。

10.返回步骤5。

Claims (7)

1.一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

A、对转速信号进行幅值放大调理；

B、通过A/D对调理后的信号进行高速采集；

C、通过实时比较A/D采集值和阈值电平的方式，将转速信号的波形识别出来，在波形识别过程结束时，通过比较采集点数和阈值点数的方式，判断识别波形是否有效；

D、将有效识别的波形的幅值提取出来，得到一个与波形幅值成正比的数值结果；

E、将幅值提取的数值结果保存下来，并且与上次保存的结果进行比较，如果大于前一结果超过Q%，Q%为高齿波形幅值大于普通齿波形幅值的最小阈值，则认为当前结果对应的波形可能是高齿波形，反之则认为不是高齿波形，将比较的结果也保存下来，

F、将当前的比较的结果，即第M+N+1个比较的结果，与第M+1个比较的结果进行判断，N为转速传感器的总的音轮齿数，M为自然数，假如二者都对应高齿波形，则确认当前的结果对应的是高齿波形。

2.如权利要求书1所述的一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法，其特征在于：所述的步骤B中，A/D的采集频率至少要超过原转速信号最高频率的10倍。

3.如权利要求书1所述的一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法，其特征在于：所述的步骤C中，识别的波形可以是正半周、负半周和全周。

4.如权利要求书3所述的一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法，其特征在于：当识别正半周时，其方法采用了如下步骤：

C1、设置正半周进入阈值电平、正半周退出阈值电平和识别有效阈值点数，

C2、当高速采集的数值连续若干个高于正半周进入阈值电平，则识别出转速电信号进入了正半周；当高速采集的数值连续若干个低于正半周退出阈值电平，则识别出转速电信号退出了正半周；

C3、检查正半周内的高速采集点数是否超过设置的识别有效阈值点数，如果超过的话说明波形宽度满足要求，则识别波形有效；如果没有超过的话说明波形宽度过窄，则识别波形无效。

5.如权利要求书1所述的一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法，其特征在于：所述的步骤D中，波形的幅值提取的方法为：将有效波形内高速采集的数值依照多点冒泡法从大到小排序，在有效识别过程结束时，将最大的若干个点的数值加起来得到一个与波形幅值成正比的数值结果。

6.如权利要求书1-5之一所述的一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法，其特征在于：所述的步骤F中，比较结果的保存方式为先入先出方式，只同时存有N+1个结果。

7.如权利要求书6所述的一种基于多点冒泡法的转速高齿识别方法，其特征在于：所述的步骤F中，比较结果的保存方式为先入先出方式，只同时存有N+1个结果；当第M+N+1个和第M+1个比较的结果都为高齿波形，则可以确认当前波形为高齿波形，处理器由未识别状态进入识别状态；识别状态下只需要对第M+2N+1个结果进行再次确认即可维持识别状态，如果过程中出现高齿波形的比较结果，可认为是强干扰信号；一旦再次确认失败，处理器从识别状态返回未识别状态，重新开始识别过程。