CN105806474B - 一种旋转机械振动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机械振动测量方法，包括下列步骤：转速倍频数获取步骤：通过微控制器的通信接口的中断，使微控制器获取所需测量的旋转机械的振动的转速倍频数x；转速频率获取步骤：通过微控制器的外部中断输入接口的中断，使微控制器接收与旋转电机的转速同频的转速电信号，通过微控制器的定时器测量转速电信号的周期T；时钟信号输出步骤：通过微控制器的PWM电路输出频率为nx/T的时钟信号，供跟踪带通滤波电路输出频率为x/T的测量信号，其中n表示所述跟踪带通滤波电路的时钟频率与中心频率之比，转速电信号和时钟信号均为脉冲信号。

Description

一种旋转机械振动测量方法

技术领域

本发明涉及一种旋转机械振动测量方法。

背景技术

旋转机械在旋转过程中会产生振动和噪声，这是引发产品和设备发生故障的主要原因，而要消除或抑制旋转机械旋转时产生的振动和噪声，就必须正确测量旋转机械的振动。一般来说，旋转机械中由转子不平衡引起的振动信号是与转子转速同频，而实际由振动传感器获得的振动信号，除包含有由转子不平衡引起的振动信号外，还包含由于受到转子、轴承、基础结构及其环境等影响而产生的振动信号，即各种倍频信号。

为了测量旋转机械的振动，现有技术一般通过测振传感器将旋转机械的振动信号转化为振动电信号，然后利用电路来测量该振动电信号，如图1所示。图1中旋转机械振动测量系统包括依次串联的测振传感器1、信号调理电路2和跟踪带通滤波电路3，信号调理电路2将测振传感器1输出的振动电信号进行放大和滤波处理，以提高信号的幅值和信噪比，以便跟踪带通滤波电路3进行处理。跟踪带通滤波电路3对信号调理电路2输出的振动电信号进行带通滤波，滤除不需要测量的振动电信号，得到需要测量的振动电信号。跟踪带通滤波电路3的中心频率f受时钟信号的频率控制，时钟信号的频率与中心频率f之比一般为固定的比例系数，如图1中的n。例如，为了测量与转子转速同频的振动，该旋转机械振动测量系统还包括依次串联的转速传感器4和倍频电路5，可利用转速传感器4得到的，与振动电信号同频的转速电信号，通过倍频电路5，得到频率为nf的时钟信号，输出给跟踪带通滤波电路3，使跟踪带通滤波电路3的中心频率等于f。这样，跟踪带通滤波电路3将输出与转子转速同频的测量电信号。

由于上述方案中倍频电路的倍频数n一般是固定的，因此要测量旋转机械振动中其它频率的倍频分量，如为转子转速频率的1/3倍、2倍、3倍等的倍频分量，则倍频电路5必须重新设计，这样显得十分不便。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种旋转机械振动测量方法，有利于克服倍频电路的倍频数固定而造成的测量旋转机械振动中倍频分量的不便，提高旋转机械振动测量的精确性。

实现上述目的的一种技术方案是：一种旋转机械振动测量方法，包括下列步骤：

转速倍频数获取步骤：通过微控制器的通信接口的中断，使所述微控制器从所述通信接口获取所需测量的旋转机械的振动的转速倍频数x；

转速频率获取步骤：通过所述微控制器的外部中断输入接口的中断，使所述微控制器通过所述外部中断输入接口接收与旋转电机的转速同频的转速电信号，通过所述微控制器的定时器测量转速电信号的周期T；

时钟信号输出步骤：通过该微控制器的PWM电路输出频率为nx/T的时钟信号，供跟踪带通滤波电路输出频率为x/T的测量信号，其中n表示所述跟踪带通滤波电路的时钟频率与中心频率之比；

转速电信号和时钟信号均为脉冲信号。

进一步的，转速频率获取步骤包括：

在所述外部中断输入接口产生中断时，检测所述定时器的状态，并在所述定时器的状态为定时器的值可读时，使所述微控制器读取所述定时器所保存的转速电信号的计时值t；

根据转速电信号的计时值t，计算旋转电机的转速值r，计算公式为：

其中F_osc表示所述微控制器的振荡器的频率，Q表示所述微控制器的时钟周期与指令周期的比值；

判断旋转电机的转速值r是否在设定的闭区间范围内，当旋转电机的转速值r在设定的闭区间内时，进入时钟信号输出步骤。

再进一步的，所述外部中断输入接口是沿转速电信号的上升沿产生中断的。

再进一步的，在所述定时器产生中断时若检测到所述定时器的状态为定时器的值不可读，则启动所述定时器，并设置所述定时器的状态为定时器的值可读，使所述定时器对转速电信号进行计时，并保存计时完成后转速电信号的计时值t。

再进一步的，若旋转电机的转速值r不在设定的闭区间内，则所述定时器退出中断，所述微控制器进入等待状态。

再进一步的，时钟信号输出步骤包括：

计算时钟信号的PWM周期值ptper，计算公式为：

其中Q_pre表示所述PWM电路的预分频比；

计算时钟信号的PWM占空比值pdc，计算公式为：

将PWM周期值ptper赋值到所述PWM电路的时基寄存器中；将PWM占空比值pdc赋值到所述PWM电路的占空比寄存器中；

由所述PWM电路输出频率为nx/T的时钟信号。

进一步的，转速倍频数获取步骤包括：

在所述通信接口中断时，先判断所述通信接口接收到的字符是否为起始符；

如果是起始符，则所述通信接口将总字符数k清零，将所述通信接口的状态设为可接收数据，并使所述通信接口开始接收数据；

判断所述通信接口所接收到的字符是否为结束符；

如果不是结束字符，则所述通信接口将所接收到的字符存储在以buff为首地址、偏移量为k个有符号的8位整型数的内存空间中，并令k＝k+1，然后使所述通信接口退出中断；

如果是结束字符，则令所述通信接口将以buff为首地址，长度为k个有符号8位整型数的内存空间中的数据通过库函数转换为双精度浮点数，并将该双精度浮点数设为转速倍频数x，并令k＝0，然后将所述通信接口的状态设为不可接收数据，所述通信接口退出中断。

再进一步的，所述的通信接口为异步串行通信接口，或通用串行总线接口，或者SPI接口。

再进一步的，在所述通信接口中断时，若发现所述通信接口接收到的字符不是起始符，则判断所述通信接口的状态是否为可接收数据，如果所述通信接口的状态为可接收数据，则令所述通信接口开始接收数据，如果所述通信接口的状态为不可接收数据，则使所述所通信接口退出中断。

再进一步的，当所述定时器溢出后，产生定时器中断，包括：

将所述PWM电路的时基寄存器清零，使所述PWM电路停止输出时钟信号；

将所述定时器所保存的转速电信号的计时值t清零，并使所述定时器停止计时；

将所述定时器的状态设为定时器的值不可读；

所述定时器退出中断。

采用了本发明的一种旋转机械振动测量方法的技术方案，转速倍频数获取步骤：通过微控制器的通信接口的中断，使所述微控制器从所述通信接口获取所需测量的旋转机械的振动的转速倍频数x；转速频率获取步骤：通过所述微控制器的外部中断输入接口的中断，使所述微控制器通过所述外部中断输入接口接收与旋转电机的转速同频的转速电信号，通过所述微控制器的定时器测量转速电信号的周期T；时钟信号输出步骤：通过该微控制器的PWM电路输出频率为nx/T的时钟信号，供跟踪带通滤波电路输出频率为x/T的测量信号，其中n表示所述跟踪带通滤波电路的时钟频率与中心频率之比；转速电信号和时钟信号均为脉冲信号。其技术效果是：有利于克服倍频电路的倍频数固定而造成测量旋转机械振动中其他倍频分量的不便。

附图说明

图1为现有技术的一种旋转机械振动测量系统的结构示意图。

图2为本发明的一种旋转机械振动方法所采用的旋转机械振动测量系统的结构示意图。

图3为图2中旋转机械振动测量系统中微控制器的结构示意图。

图4为dsPIC30F4011微控制器的结构示意图。

图5为图2中旋转机械振动测量系统中微控制器的工作示意图。

图6为图2中旋转机械振动测量系统中微控制器的外部中断输入接口产生中断时的流程图。

图7为图2中旋转机械振动测量系统中微控制器的定时器产生中断时的流程图。

图8为图2中旋转机械振动测量系统中微控制器的通信接口产生中断时的流程图。

具体实施方式

请参阅图2，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

请参阅图2，本发明的一种旋转机械振动测量系统包括依次串联的测振传感器1、信号调理电路2和跟踪带通滤波电路3，信号调理电路2对测振传感器1输出的振动电信号进行放大和滤波处理，以提高信号的幅值和信噪比，以便跟踪带通滤波电路3进行处理。跟踪带通滤波电路3对信号调理电路2输出的振动电信号进行带通滤波，滤除不需要测量的振动电信号，得到需要与测量的振动电信号的频率一致的测量信号。

本发明的一种旋转机械振动测量系统还包括依次串联的转速传感器4和微控制器6，其中，微控制器6连接跟踪带通滤波电路3。

本发明的一种旋转机械振动测量系统中所涉及的微控制器6是指包含外部中断输入接口61、定时器62、PWM电路63和通信接口64的通用微控制器，也被称作单片机、微处理器、数字信号处理器、数字信号控制器等。其中外部中断输入接口61、定时器62和PWM电路63依次串联，PWM电路63连接跟踪带通滤波电路3，通信接口64连接PWM电路63。

微控制器6的工作原理如图3所示。转速传感器4输出的与转子转速同频的转速电信号，接入微控制器6的外部中断输入接口61，转速电信号为脉冲信号，外部中断输入接口61连接定时器62，微控制器6通过定时器62可以测得转速电信号的周期T或频率f。定时器62连接PWM电路63，PWM电路63根据给定的转速倍频数x，输出对应频率的脉冲信号，即跟踪带通滤波电路3所需要的时钟信号。转速倍频数x可以固定，也可通过通信接口64与外部设备如上位机进行交互得到。通信接口64可采用异步串行通信接口，即UART接口或者通用串行总线接口，即USB接口等，也可以采用SPI接口。

下面以dsPIC30F4011微控制器为例进行说明。图4为本实施例中所采用的dsPIC30F4011微控制器。图4中PULSE信号，即转速电信号，为与旋转电机的转子的转速同频的脉冲信号，输入dsPIC30F4011微控制器的第17引脚FLTA/INT0/RE8，用作转速电信号的外部中断输入。

CLK信号为时钟信号，从dsPIC30F4011微控制器的第38引脚PWM1L/RE0输出，用作PWM电路63的输出功能。

URX为串行接收信号，从dsPIC30F4011微控制器的第28引脚U2RX/CN17/RF4输入，可用作通信接口64的串行接收功能。

UTX为串行发送信号，从dsPIC30F4011的第27引脚U2TX/CN18/RF5输出，可用作通信接口64的串行发送功能；

PGC、PGD、MCLR均为编程接口信号，用于对微控制器6的调试；

VCC为电源正极，连接+5V的供电电源；DGND为电源负极，连接供电电源的接地端。

本发明对于微控制器6的基本要求为：包含至少一个外部中断输入接口；至少一个32位计数器，或者说是定时器62；至少一个PWM电路63；外部中断输入接口61、定时器62和PWM电路6按组依次串联成一条将转速电信号转变成为输出给跟踪滤波电路3的时钟信号的信号转换电路，微控制器6还包括至少一个通信接口64，每条所述信号转换电路上的PWM电路63均连接其中的至少一个通信接口64。每个通信接口64也只连接一条所述信号转换电路上的PWM电路63。因此，通信接口64的数量不应小于PWM电路63的数量。通信接口64可以为异步串行通信接口，即UART接口，或通用串行总线接口，即USB接口，或者SPI接口等。

采用本发明的一种旋转机械振动测量系统测量旋转机械振动的方法包括如下步骤：

转速倍频数获取步骤：通过微控制器6的通信接口64的中断，通信接口64与上位机通信，获取所需测量的振动的转速倍频数x；

转速频率获取步骤：通过微控制器6的外部中断输入接口61的中断，从外部中断输入接口61接收与旋转电机的转子的转速同频的脉冲信号PULSE，即转速电信号，通过微控制器6中的定时器62测量该转速电信号的周期T；

时钟信号输出步骤：通过微控制器6的PWM电路63输出频率为nx/T的时钟信号，使跟踪带通滤波电路3能够输出频率为x/T的测量信号，时钟信号为脉冲信号。

当外部中断输入接口61产生中断时，转速频率获取步骤和时钟信号输出步骤是连续进行的，包括下列步骤：

步骤a1：在外部中断输入接口61产生中断时，微处理器6检测定时器62的值是否可读，若定时器62的值可读，即定时器62的标志位F＝1，进入步骤a3，若定时器62的值不可读，即定时器62的标志位F＝0，则进入步骤a2。

步骤a2：启动定时器62，并设置定时器62的状态为定时器的值可读，定时器62开始对转速电信号进行计时，定时器62对转速电信号进行计时完成，得到转速电信号的计时值t后对转速电信号的计时值t进行保存，然后进入步骤a10。

步骤a3：微处理器6读取定时器62所保存的转速电信号的计时值t，将定时器62所保存的转速电信号的计时值t重新设置为0，使定时器62能够重新开始计时，进入步骤4。

步骤a4：微处理器6根据公式I计算旋转电机的转子的转速值r，公式I为：

其中F_osc表示微处理器6的振荡器的频率，在本实施例中微处理器6的振荡器的频率为80MHz；Q表示微处理器6的时钟周期与微处理器6的指令周期的比值，在本实施例中为4；t为转速电信号的计时值。

步骤a5：微处理器6判断旋转电机的转子的转速值r是否在240rpm至24000rpm的闭区间内。如果在该闭区间内，进入步骤a6；如果不在该闭区间内，进入步骤a10。

步骤a6：微处理器6根据公式II，计算PWM电路63的PWM周期值ptper，并进入步骤a7，公式II为：

其中t为转速电信号的计时值；x表示转速倍频数，n表示跟踪带通滤波电路的时钟频率与其中心频率之比；Q_pre表示PWM电路63的预分频比，在本实施例中为1。

步骤a7：，微处理器6根据公式III计算PWM电路63的PWM占空比值pdc，进入步骤a8，公式III为：

步骤a8：微处理器6将PWM电路63的PWM周期值ptper赋值到PWM电路63的时基寄存器中；将PWM电路63的PWM占空比值pdc赋值到PWM电路63的占空比寄存器中；进入步骤a9。

步骤a9：启动PWM电路63，输出时钟信号，进入步骤a10。

步骤a10：外部中断输入接口61退出中断。

当定时器62溢出后，将产生定时器62的中断，包括下列步骤：

步骤b1：在定时器62产生中断时，将PWM电路63的时基寄存器的第15位PTEN设置为0，即将PWM电路63的时基寄存器清零；使PWM电路63停止输出时钟信号，进入步骤b2。

步骤b2：停止定时器62的计时；并将定时器62所保存的转速电信号的计时值t清零，进入步骤b3。

步骤b3：设置定时器62的标志位F为0，即定时器62的状态为定时器的值不可读，进入步骤b4。

步骤b4：定时器62退出中断。

下面以异步串行通信接口，来说明通信接口64的中断，当通信接口64检测到有数据要输入时。将产生通信接收口64的中断，使通信接口64接收数据，包括下列步骤：

步骤c1：通信接口64中断后，通信接口判断其接收到的字符是否为起始符，在本实施例中起始符为$；如果是起始符，进入步骤c2；否则，进入步骤c3。

步骤c2：通信接口64将总字符数k清零，并将通信接口64的标志位S设置为1，即通信接口64可接收数据，进入步骤c8。

步骤c3：通信接口64判断通信接口64的标志位S是否为1；如果为1，即通信接口64可接收数据，则通信接口64接收数据，并进入步骤c4；否则，进入步骤c8。

步骤c4：通信接口64判断起接收到的字符是否为结束符，在本实施例中结束符为#；如果是结束符，进入步骤c6；否则，进入步骤c5。

步骤c5：通信接口64将接收到的字符存储在以buff为首地址、偏移量为k个有符号的8位整型数的内存空间中，然后令k＝k+1，然后进入步骤c8。

步骤c6：将以buff为首地址，长度为k个有符号8位整型数的内存空间中的数据通过库函数转换为双精度浮点数，将该双精度浮点数保存到设为转速倍频数x，进入步骤c7；以C语言为例，此库函数为atof。

步骤c7：将总字符数k清零，标志位S设置为0，使通信接口64不可接受数据，进入步骤c8。

步骤c8：通信接口64的中断标志状态寄存器的第8位U2RXIF设置为0，使通信接口64退出中断。

与采用倍频电路的现有技术相比，本发明的一种旋转机械振动测量方法，采用带有PWM电路63的微控制器后6向跟踪带通滤波电路3输出时钟信号，使本发明的一种旋转电机振动测量方法对旋转机械中具有旋转倍频数x的振动的测量成为了可能。

由于跟踪带通滤波电路3的时钟频率与其中心频率之比为n，因此，跟踪带通滤波电路的中心频率为x/T，亦即转子旋转的频率的x倍，因此跟踪带通滤波电路3将输出旋转机械振动中x倍转速的测量信号。由于x是任意的，因此本发明的旋转电机振动测量方法实现了测量旋转机械任意转速倍频振动的功能。

本发明的实质是通过转速电信号引起基准脉冲信号外部中断，启动基准脉冲周期计数中断，在下一个基准脉冲信号外部中断来临时，使定时器2完成基准脉冲周期计数，并设置相应PWM电路63的PWM频率。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种旋转机械振动测量方法，用于旋转机械振动测量系统中，

该旋转机械振动测量系统包括依次串联的测振传感器、信号调理电路和跟踪带通滤波电路，信号调理电路对测振传感器输出的振动电信号进行放大和滤波处理，以提高信号的幅值和信噪比，以便跟踪带通滤波电路进行处理，跟踪带通滤波电路对信号调理电路输出的振动电信号进行带通滤波，滤除不需要测量的振动电信号，得到需要与测量的振动电信号的频率一致的测量信号，

该旋转机械振动测量系统还包括依次串联的转速传感器和微控制器，其中，微控制器连接跟踪带通滤波电路，

所述旋转机械振动测量方法包括下列步骤：

转速倍频数获取步骤：通过微控制器的通信接口的中断，使所述微控制器从所述通信接口获取所需测量的旋转机械的振动的转速倍频数x；

转速频率获取步骤：通过所述微控制器的外部中断输入接口的中断，使所述微控制器通过所述外部中断输入接口接收与旋转电机的转速同频的转速电信号，通过所述微控制器的定时器测量转速电信号的周期T；

时钟信号输出步骤：通过该微控制器的PWM电路输出频率为nx/T的时钟信号，供跟踪带通滤波电路输出频率为x/T的测量信号，其中n表示所述跟踪带通滤波电路的时钟频率与中心频率之比；

转速电信号和时钟信号均为脉冲信号，

转速频率获取步骤包括：

在所述外部中断输入接口产生中断时，检测所述定时器的状态，并在所述定时器的状态为定时器的值可读时，使所述微控制器读取所述定时器所保存的转速电信号的计时值t；

根据转速电信号的计时值t，计算旋转电机的转速值r，计算公式为：

其中F_osc表示所述微控制器的振荡器的频率，Q表示所述微控制器的时钟周期与指令周期的比值；

判断旋转电机的转速值r是否在设定的闭区间范围内，当旋转电机的转速值r在设定的闭区间内时，进入时钟信号输出步骤，

时钟信号输出步骤包括：

计算时钟信号的PWM周期值ptper，计算公式为：

其中Q_pre表示所述PWM电路的预分频比；

计算时钟信号的PWM占空比值pdc，计算公式为：

将PWM周期值ptper赋值到所述PWM电路的时基寄存器中；将PWM占空比值pdc赋值到所述PWM电路的占空比寄存器中；

由所述PWM电路输出频率为nx/T的时钟信号。

2.根据权利要求1所述的一种旋转机械振动测量方法，其特征在于：所述外部中断输入接口是沿转速电信号的上升沿产生中断的。

3.根据权利要求1所述的一种旋转机械振动测量方法，其特征在于：

在所述定时器产生中断时若检测到所述定时器的状态为定时器的值不可读，则启动所述定时器，并设置所述定时器的状态为定时器的值可读，使所述定时器对转速电信号进行计时，并保存计时完成后转速电信号的计时值t。

4.根据权利要求1所述的一种旋转机械振动测量方法，其特征在于：若旋转电机的转速值r不在设定的闭区间内，则所述定时器退出中断，所述微控制器进入等待状态。

5.根据权利要求1所述的一种旋转机械振动测量方法，其特征在于：转速倍频数获取步骤包括：

在所述通信接口中断时，先判断所述通信接口接收到的字符是否为起始符；

如果是起始符，则所述通信接口将总字符数k清零，将所述通信接口的状态设为可接收数据，并使所述通信接口开始接收数据；

判断所述通信接口所接收到的字符是否为结束符；

如果不是结束字符，则所述通信接口将所接收到的字符存储在以buff为首地址、偏移量为k个有符号的8位整型数的内存空间中，并令k＝k+1，然后使所述通信接口退出中断；

如果是结束字符，则令所述通信接口将以buff为首地址，长度为k个有符号8位整型数的内存空间中的数据通过库函数转换为双精度浮点数，并将该双精度浮点数设为转速倍频数x，并令k＝0，然后将所述通信接口的状态设为不可接收数据，所述通信接口退出中断。

6.根据权利要求5所述的一种旋转机械振动测量方法，其特征在于：所述的通信接口为异步串行通信接口，或通用串行总线接口，或者SPI接口。

7.根据权利要求5所述的一种旋转机械振动测量方法，其特征在于：在所述通信接口中断时，若发现所述通信接口接收到的字符不是起始符，则判断所述通信接口的状态是否为可接收数据，如果所述通信接口的状态为可接收数据，则令所述通信接口开始接收数据，如果所述通信接口的状态为不可接收数据，则使所述通信接口退出中断。

8.根据权利要求1所述的一种旋转机械振动测量方法，其特征在于：当所述定时器溢出后，产生定时器中断，包括：

将所述PWM电路的时基寄存器清零，使所述PWM电路停止输出时钟信号；

将所述定时器所保存的转速电信号的计时值t清零，并使所述定时器停止计时；

将所述定时器的状态设为定时器的值不可读；

所述定时器退出中断。