CN105043667B - 转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算方法，通过将拾取到的转子振动信号乘增益后送入一四阶系统，并通过角频率自适应率动态跟踪振动信号角频率。在频率跟踪进入稳态后，根据角频率收敛值、阻尼比与状态变量计算不平衡振动信号相位、幅值。算法可有效提取转速同频的振动分量，并避免转速波动对检测结果的影响。相对于FFT、DFT转速跟踪法、互相关分析法及小波变换法等通常用于解算不平衡振动信号幅值、相位的方法，本方法执行一次迭代仅需24次乘法及11次加减法。算法的实时性能保证其可内嵌至电机驱动器中，使用户不需要进行任何动平衡测试也可实时获取不平衡振动信号幅值、相位。

Description

转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算方法

技术领域

本发明涉及动平衡测试技术领域，尤其涉及一种转子不平衡振动信号幅值、相位的实时计算方法。

背景技术

对于恒定转速条件下的线性转子系统，其不平衡响应是与转速同频的振动分量，同频振动幅值与不平衡量呈线性关系。因此，在掌握不平衡量与同频振动响应之间关系后，通过同频振动分量的测量结果，可以解算出不平衡量在转子上的分布情况，进而可以进行人工方式或自动方式实现转子的平衡。通常计算不平衡振动信号幅值、相位的方法有：FFT法，DFT转速跟踪法、互相关分析法、积分法及小波变换法等。这些方法在应用中存在如下缺陷：①FFT法存在由于转速波动导致的能量泄露、幅值变小、精度降低的问题；②DFT转速跟踪法在实际测试中不可能保证真正的整周期截断，测试结果仍然受转速波动影响；③互相关法在实际测试中由转子转速波动引起的基频变化也会导致相位提取精度降低；④用这些方法解算不平衡振动信号幅值、相位普遍存在计算量大、实时性差的问题，因而需要借助专用仪器或机器完成。

因而，实现一种实时高精度，可集成在驱动器内部，使得工作人员无需进行任何动平衡测试即可获取转子不平衡信息的算法，对节省测试成本、提高生产效率及避免转子不平衡事故发生意义重大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种可集成在旋转机械驱动器内部的计算量小的算法，使驱动器可实时、高精度输出不平衡振动信号幅值、相位，整个过程无需额外的动平衡测试仪器。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算方法，其特征在于具体步骤包括：

A、预处理：根据电机运行速度，预设角频率初值 ；对处理后的ADC采样振动信号u乘增益k以加快频率跟踪的动态过程；

B、周期执行迭代算法：设计一四阶系统，设定其阻尼比，将ku作为四阶系统的输入，并设定振动信号角频率更新自适应律、自适应增益；

C、不平衡振动信号相位计算：根据振动信号角频率收敛值、阻尼比与状态变量计算不平衡振动信号相位；

D、不平衡振动信号幅值计算：根据振动信号角频率收敛值、阻尼比与状态变量计算不平衡振动信号幅值。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明通过将拾取到的转子振动信号乘增益后送入一四阶系统，并通过角频率自适应率动态跟踪振动信号角频率。在频率跟踪进入稳态后，根据角频率收敛值、阻尼比与状态变量计算不平衡振动信号相位、幅值。算法可有效提取转速同频的振动分量，并避免转速波动对检测结果的影响。相对于FFT、DFT转速跟踪法、互相关分析法及小波变换法等通常用于解算不平衡振动信号幅值、相位的方法，本方法执行一次迭代仅需24次乘法及11次加减法。算法的实时性能保证其可内嵌至电机驱动器中，使用户不需要进行任何动平衡测试也可实时获取不平衡振动信号幅值、相位。

附图说明

图1是本发明所述的转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算算法原理框图；

图2是本发明所述的转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算算法实施步骤图；

图3是无转速波动情形下的角频率估计曲线；

图4是无转速波动情形下的幅值估计曲线；

图5是无转速波动情形下的相位估计曲线；

图6是真实相位与估计相位曲线；

图7是转速波动情形下的角频率估计曲线；

图8是转速波动情形下的幅值估计曲线；

图9是转速波动情形下的相位估计曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域一般技术人员可以提出本发明的多种相关设计。因此以下具体实施方式以及附图仅是本发明技术方案的具体说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

下面结合实施例及附图1、2对本发明作进一步详细的描述。

1、附图1为转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算算法原理框图，主要描述了发明所提出的四阶系统的数学形式及其自适应率。

2.附图2所述预处理的具体步骤包括：

假设光电编码器测得的机械转速为v rpm，则。

根据振动信号调理电路的数学关系，将振动信号转换成双极性归一化信号，记为u；

设置增益k，一般设置增益k为，为整数，增大值，可加快角频率θ跟踪的动态过程，使状态变量加快进入其周期轨道。但过大的k值容易造成频率收敛振荡，并使状态变量偏离其周期轨道,过大的值容易造成θ值估计曲线大幅振荡。

3.附图2所述周期执行迭代算法采用如下步骤：

设输入，四阶系统的状态变量为，阻尼比为，自适应增益为；

四阶系统采用如下形式：

角频率更新自适应率为：

通常设置阻尼比，自适应增益；

4. 附图2所述不平衡振动信号相位计算步骤如下：

假设不平衡振动信号角频率收敛值为，并假定在其附近无突变，则不平衡相位可由下式计算。

假设计算不平衡振动信号相位时，角频率估计曲线、相位估计曲线有波动，则可认为该时刻转速有波动，所计算的相位含有较大误差，此时应该舍去该计算值。

5. 附图2所述不平衡振动信号幅值计算步骤如下：

假设不平衡振动信号角频率收敛值为，并假定在其附近无突变，则不平衡振动信号的幅值 可由下式计算。

假设计算不平衡信号振幅时，角频率估计曲线、幅值估计曲线有波动，则可认为该时刻转速有波动，所计算的幅值含有较大误差，此时应该舍去该计算值。

下述采用具体的实例验证算法性能：

采用AC192振动传感器拾取机械振动信号，信号频率20Hz(对应机械转速1200rpm)。振动信号经过调理电路调整电平范围，再经过ADS1205实现Δ-Σ过采样，最后通过AMC1210实现sinc滤波。MCU以10KHz的采样频率读取AMC1210获取处理后的振动信号，并对振动信号做双极性归一化处理。设置角频率初值rad/s，阻尼比，自适应增益。四阶系统及其角频率更新自适应率的离散化式子如下表示()。

图3是无转速波动情形下的角频率估计曲线，角频率估计能在2s内进入稳态，角频率收敛值为125.65rad/s与20Hz(机械转速)相对应，频率估计相对误差小于0.012%。图4是无转速波动情形下的幅值估计曲线，所估计的幅值在0.99~1.01PU值附近波动，相对误差1%。图5是无转速波动情形下的相位估计曲线。图6是真实相位与估计相位曲线。图5、图6说明算法所估计的相位曲线与信号真实相位曲线重合，相位检测精度高。在10s~10.5s时间范围内模拟了5%的转速波动。图7是转速波动情形下的角频率估计曲线，角频率估计曲线能及时反映转速波动。图8是转速波动情形下的幅值估计曲线，图9是转速波动情形下的相位估计曲线。图8、图9说明幅值、相位估计曲线也能反映转速波动。算法实现了不平衡振动信号角频率、幅值、相位估计值的连续输出，为避免转速波动对测量结果的影响，信号幅值、相位应在对应估计曲线无波动处取。

Claims (5)

1.一种转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算方法，其特征在于具体步骤包括：

A、预处理：根据电机运行速度，预设角频率初值；对处理后的ADC采样振动信号u乘增益k以加快频率跟踪的动态过程；

B、周期执行迭代算法：设计一四阶系统，设定其阻尼比，将ku作为四阶系统的输入，并设定振动信号角频率更新自适应律、自适应增益；

C、不平衡振动信号相位计算：根据振动信号角频率收敛值、阻尼比与状态变量计算不平衡振动信号相位；

D、不平衡振动信号幅值计算：根据振动信号角频率收敛值、阻尼比与状态变量计算不平衡振动信号幅值。

2.根据权利要求1所述的转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算方法，其特征在于，所述步骤A中，预处理步骤包括：

假设光电编码器测得的机械转速为v rpm，则；

根据振动信号调理电路的数学关系，将振动信号转换成双极性归一化信号，记为u；

设置增益k，一般设置增益k为，为整数，增大值，可加快角频率θ跟踪的动态过程，使状态变量加快进入其周期轨道，但过大的k值容易造成频率收敛振荡，并使状态变量偏离其周期轨道,过大的值容易造成θ值估计曲线大幅振荡。

3.根据权利要求1所述的转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算方法，其特征在于，所述步骤B中，周期执行迭代算法采用如下步骤：

设输入，四阶系统的状态变量为，阻尼比为，自适应增益为；

四阶系统采用如下形式：

角频率更新自适应率为：

通常设置阻尼比，自适应增益。

4.根据权利要求1所述的转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算方法，其特征在于，所述步骤C中，不平衡振动信号相位计算步骤如下：

假设不平衡振动信号的角频率收敛值为，并假定在其附近无突变，则不平衡相位可由下式计算：

假设计算不平衡振动信号相位时，角频率估计曲线、相位估计曲线有波动，则可认为该时刻转速有波动，所计算的相位含有较大误差，此时应该舍去该计算值。

5.根据权利要求1所述的转子不平衡振动信号幅值、相位实时计算方法，其特征在于，所述步骤D中，不平衡振动信号幅值计算步骤如下：

假设不平衡振动信号的角频率收敛值为，并假定在其附近无突变，则不平衡振动信号的幅值可由下式计算：

假设计算不平衡信号振幅时，角频率估计曲线、幅值估计曲线有波动，则可认为该时刻转速有波动，所计算的幅值含有较大误差，此时应该舍去该计算值。