CN107271126B - 基于磁悬浮技术的转子模态频率及模态振型在线测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁悬浮技术的转子模态频率及模态振型在线测试装置，主要包括磁悬浮控制系统、磁悬浮转子、振动检测单元、磁悬浮系统框架、信号采集模块、信号分析处理模块以及人机交互模块。本发明将磁悬浮系统的主要框架提取出来，仅保留保护轴承、磁悬浮轴承和传感器的支撑框架，将转子完全暴露出来，在此情况下在转子上可以放置振动传感器阵，然后用整个磁轴承控制系统将被测转子进行稳定悬浮，采用外加激励方法激起转子各模态分量，同时将振动模块输出信号经过信号处理模块处理后用数据采集卡采集，之后配合Labview进行数据保存和分析计算，最后输出弹性模态频率值，同时绘制出一阶弹性模态振型图。
Description
技术领域
本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及一种基于磁悬浮技术的转子模态频率及模态振型在线测试装置。
背景技术
高速磁悬浮电机，由于采用了磁轴承支撑，相比机械轴承，具有无接触、无磨损、无需润滑，刚度和阻尼可调可控等优点，在机床、透平机械、离心机、鼓风机和航空航天等领域有广阔的应用前景。虽然磁悬浮轴承支承允许转子高速旋转，但高速转子不平衡振动扰动和高频噪声干扰使得转子旋转到临界转速附近时，转子自身及基座产生自激震荡，极易损坏机械设备。为消除自激震荡，必须在转子旋转到临界转速附近添加相应处理措施，这就要求对转子弹性模态参数进行精确测试。现有模态测试方法有模态锤冲击测试法、动态激励法等。以上均为离线式测试方法，无法模拟设备真实工作状态。专利ZL201010617654.0提出一种转子和机壳模态在线测试方法是在磁悬浮控制系统中集成激励模块，并通过磁轴承控制系统本身的位移传感器和粘贴到机壳上的加速度传感器去测量转子和机壳的模态频率。此方法虽然模拟了设备的工作状态，能够对转子模态频率和机壳模态频率进行测量，但是此方法由于测试系统本身机械结构的因素在测量转子模态时只能依靠两个磁轴承位置处的位移传感器测量转子模态频率无法测量转子模态振型，并且需要对采集的数据进行后期处理，实时性较差。
本发明涉及一种基于磁悬浮技术的转子模态在线测试装置，在对磁悬浮转子在线模态量测时，将转子振动信号经过数据采集卡采集，利用labview进行数据保存，计算和分析处理。同时labview还可以将经过模态识别获得转子的各阶模态频率以及一阶模态振型图。同时以数字的形式将各阶模态频率显示在前面板，并将转子模态频谱图和模态振型图绘制出来。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有测试技术的不足，提供一种模拟磁悬浮转子实际运行工作状态，基于Labview平台对磁悬浮机电设备转子模态频率及振型进行检测的在线测试系统。本发明将磁轴承控制系统的主要支撑结构提取出来，将磁悬浮转子从封闭的机械结构中显露出来，便于对转子模态振型地测量。同时本发明改变数据采集方式和数据处理方式，利用数据采集卡进行振动信号采集并且基于labview图形化语言编写数据处理程序，使得可以实时根据测试情况进行采样频率以及采样时间的修改，并且提供三种数据处理模式，测量快速高效，有助于人机交互简单方便进行。
本发明的技术方案是：一种基于磁悬浮技术的转子模态频率及模态振型在线测试装置，包括：磁悬浮控制系统、磁悬浮转子、振动检测单元、磁悬浮系统框架、信号采集模块、信号分析处理模块以及人机交互模块；所述磁悬浮控制系统由电流环和位置环组成；电流环由电流环控制器、功率放大装置、电流检测单元和磁轴承线圈构成；位置环由磁轴承控制器、位置检测单元构成；信号分析处理模块由谱分析单元以及模态振型识别和绘制单元组成；磁悬浮系统框架包含两个径向磁轴承，指定任意一个磁轴承所处的一端为A端，B端为另外一端；当对转子施加一个外界的扰动时，转子的实际位置就与参考位置产生了一个偏差，位置检测单元检测磁悬浮转子的位置信号与参考位置做差送入磁轴承控制器中，磁轴承控制器按相应控制算法计算得到控制量，该控制量作为电流环的参考值与电流检测单元检测到的磁轴承线圈内的电流值作比较，差值送入电流环控制器，电流环控制器通过PID运算得到电流控制量，经过功率放大装置变成磁轴承线圈中的电流输出，驱动磁轴承产生磁作用力施加于磁悬浮转子，使磁悬浮转子稳定悬浮在参考位置附近；激励信号可以人工锤击给予也可以用程序控制磁轴承输出相应的控制力到磁悬浮转子上，固定在转子上的振动检测单元实时检测磁悬浮转子的振动信息，输出振动信号在经过信号处理模块处理后被数据采集卡采集并送至频谱分析单元进行频率特性分析，模态振型分析单元从频谱分析结果中提取主要模态频率信息并结合传感器位置信息绘制出模态振型图。
所述装置可以识别出转子的一阶弹性振型，通过16路加速度传感器分布到转子上，转子模态被激起后同时测量16路振动信号，并对16路信号进行数据采集，并通过谱分析后，识别出各振动传感器一阶模态频率，并经过模态的幅值识别，相位识别，再输入传感器位置信息，即可绘制出转子一阶模态振型图。
所述磁悬浮系统框架，是由底座1，轴承支架3，保护支架2，A端磁轴承4，B端磁轴承7，A端保护轴承6，B端保护轴承9，磁悬浮转子10，A端位移传感器5，B端位移传感器8，加速度传感器11构成。电流作用在磁轴承上产生电磁力控制转子悬浮在给定位置，在干扰作用下，轴承位置变化时，径向位移传感器检测到转子位置与给定比较后，通过控制器PID调节后，产生控制电流作用在磁轴承上，从而保持磁悬浮转子稳定悬浮；两个保护轴承在转子失稳时起到作用，在转子不被浮起时也起到支撑作用。
所述振动检测单元由振动传感器、调偏电路、放大电路和抗混叠滤波电路组成；振动传感器将磁悬浮转子的振动信息转换为电压信号，调偏电路和放大电路调整电压信号的范围以适合数据采集卡进行数据采集，抗混叠滤波电路滤除调整后的电压信号的高频噪声，防止模数转换时的频谱混叠。
所述振动式传感器阵分布位置依据测量需求可以灵活配置，将其粘贴在磁悬浮转子上，每一路振动传感器均可独立进行模态频率的测量，16路传感器组合可进行模态振型的测量；其中受传感器数量限制分两步即可对模态振型的节点进行精确测量。两步测量即将16路振动传感器可进行两次分布测量，第一次可进行均匀式分布，大体估计出一阶模态振型节点位置，在第一次测量基础上，将16路传感器主要分布在第一次测量估计出的一阶模态节点上，重复测量即可得到精确的模态节点位置。
所述信号采集模块是由数据采集卡及相应的Labview程序所构成，集成的数据采集卡模块具有采样频率和采样方式可调、实时采样路数多、采样准确高效等优点，结合相应的控制程序，数据采集卡采集的数据处理之后可以得到需要的磁悬浮转子的模态频率和模态振型。
所述人机交互模块是由Labview的前面板界面构成，主界面能够显示的图形有频谱图31和一阶模态振型图32，能够显示的数字信息有转子一阶、二阶和三阶模态频率值和一阶振型节点位置。可以输入的信息有位置数组、采样频率和采样时间。位置数组记录了当前的16路传感器在磁悬浮转子上的具体位置；它是绘制模态振型图和求取模态振型节点必要的信息源。采样频率和采样时间是在手动模式下用户可根据自己需求设置采样频率和采样时间。自动/手动输入控件作为模式选择，当自动/手动为0时，程序默认采样频率为1e5Hz；当自动/手动为1时，程序默认采样频率为1e4Hz；当自动/手动为2时，程序默认采样频率为1e3Hz；默认采样时间为0.5s；当自动/手动为3时，程序切换至手动输入采样频率和采样时间的模式，此时需要首先手动输入采样时间和采样频率；模态振型模式选择按钮就是针对两种传感器振型相对应的振型处理方式，其值为0对应于均匀式传感器分布，值为1对应于集中式传感器分布，旨在求取更精确的模态节点。启动按钮作为启动开关控制程序运行或停止。
所述人机交互界面使用过程，首先点击启动按钮，程序会进入启动状态；随后选择自动/手动模式，系统会根据选择进入相应的采样模式。然后根据传感器阵型选择模态振型模式，当选择项操作完毕时，对转子施加激励。程序会根据输入信号的幅值是否大于临界值Vd作为是否开始采样的条件，如果是则开始进行采样，如果不是则继续等待。
本发明的数据处理模块基本流程如下：
将数据采集卡采集的数据放置x(t)中，前面板选择的采集频率为fs，采样时间为τ。首先对x(t)进行低通滤波(LPF)，剔除异常采样值，然后将x(t)进行FFT运算得到X(k)，有X(k)＝FFT(x(t))；令d(k)＝X(k)-X(k-1)；k＞1
当d(k)＞a；记
当d(k)＜-a；记
将数组kb(k)和ke(k)按照k的大小排序得到kn；剔除异常的k值。
求取Δkn＝kn-kn-1；若Δkn＞b；记录kn值并保留在数组kmax中，根据kmax将kn分段，求出每一段kn中的maxX(k)，并将其对应的k值记为kf。
可得模态频率
在1至16路信号求得Xnmax后，根据模态振型绘制模式选择开关选择计算模式；
当开关为0时，将X1max,X2max,···,X16max分成X1max,X2max,···,X8max和X9max,X10max,···,X16max两块，求取两部分Min(Xnmax)对应的k值，分别为kmin1和kmin2。
当kmin1＜k＜kmin2时，Xkmax；(k＝1,2,···,16)反向，构建出模态振型数组，并读取振动传感器位置信息，绘制出一阶模态振型图。
当开关为1时，求取Xnmax最小值对应的k值为kmin，当kmin＜k时，Xkmax；(k＝1,2,···,16)反向，构建出模态振型数组，并结合振动传感器位置信息，绘制出一阶模态振型图。
x(t)：采样值；
X(k)：fft后的频谱密度函数值；
a：差值限度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)将磁轴承控制主要框架提取出来，能够在线测试转子模态频率和模态振型，尤其是模态节点的求取和模态振型的绘制；
(2)基于labview进行数据采集、计算和绘图，可实时改变根据测试情况改变采样频率和采样时间，保证测量快速高效，人机交互简单方便；
(3)本发明在接近磁悬浮系统实际运行情况进行测试，提高了转子模态频率和振型的测量精度；
附图说明
图1为磁悬浮系统机械结构图，其中，1为底座，2为保护支架，3为轴承支架，4为保护轴承A，5为径向位移传感器A，6为磁轴承A，7为保护轴承B，8为径向位移传感器B，9为磁轴承B，10为磁悬浮转子，11为加速度传感器；
图2为系统总体框图；
图3为labview操作界面图；其中，31为频谱图，32为一阶模态振型图，33为模态频率数字显示，34是加速度传感器位置数组，35是采样频率和采样时间输入，36是程序启动按钮，37是采样频率和采样时间手动输入和自动档位的切换按钮，38是一阶模态振型绘制模式选择开关；
图4为labview采样过程程序框图；
图5为模态振型图；
图6为振动模块传感器位置图；
图7为labview数据处理程序框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
(1)如图1所示，本发明的机械结构包括底座1，轴承支架3，保护支架2，保护轴承A4，保护轴承B 7，磁轴承A 6，磁轴承B 9，磁悬浮转子10，径向位移传感器A5，径向位移传感器B 8，加速度传感器11；由于不存在封闭的机械外壳使得转子能够被表贴上加速度传感器11，为模态振型的绘制提供了基础。
(2)如图2所示当对转子施加一个外界的扰动时，转子的实际位置就与参考位置产生了一个偏差，位置检测单元检测磁悬浮转子的位置信号与参考位置做差送入磁轴承控制器中，磁轴承控制器按相应控制算法计算得到控制量，该控制量作为电流环的参考值与电流检测单元检测到的磁轴承线圈内的电流值作较，差值送入电流环控制器，电流环控制器通过PID运算得到电流控制量，经过功率放大装置变成磁轴承线圈中的电流输出，驱动磁轴承产生磁作用力施加于磁悬浮转子，使磁悬浮转子稳定悬浮在参考位置附近；激励信号可以人工锤击给予也可以用程序控制磁轴承输出相应的控制力施加到磁悬浮转子上，固定在转子上的振动检测单元实时检测磁悬浮转子的振动信息，输出振动信号在经过信号处理模块处理后被数据采集卡采集并送至频谱分析单元进行频率特性分析，模态振型分析单元从频谱分析结果中提取主要模态频率信息并结合传感器位置信息绘制出模态振型图。
(3)如图3、7所示由Labview的前面板界面构成人机交互界面，主界面能够显示的图形有频谱图31和一阶模态振型图32；能够显示的数字信息有转子一阶、二阶和三阶模态频率值33和一阶振型节点位置。可以输入的信息有位置数组34、采样频率和采样时间35；人机交互操作如下：首先点击启动按钮36，程序会进入启动状态；随后选择自动/手动模式37，系统会根据选择进入相应的采样模式。然后根据传感器阵型选择模态振型模式，当选择项操作完毕时，对转子施加激励。程序会根据输入信号的幅值是否大于临界值Vd作为是否开始采样的条件，如果是则开始进行采样；如果不是则继续等待。具体的数据处理过程为：将数据采集卡采集的数据放置x(t)中，前面板选择的采集频率为fs，采样时间为τ。首先对x(t)进行低通滤波(LPF)，剔除异常采样值，然后将x(t)进行FFT运算得到X(k)，
有X(k)＝FFT(x(t))；令d(k)＝X(k)-X(k-1)；k＞1
当d(k)＞a；记
当d(k)＜-a；记
将数组kb(k)和ke(k)按照k的大小排序得到kn；剔除异常的k值。
求取Δkn＝kn-kn-1；若Δkn＞b；记录kn值并保留在数组kmax中，根据kmax将kn分段，求出每一段kn中的maxX(k)，并将其对应的k值记为kf。
可得模态频率
在1至16路信号求得Xnmax后，根据模态振型绘制模式选择开关38选择计算模式；
当开关为0时，将X1max,X2max,···,X16max分成X1max,X2max,···,X8max和X9max,X10max,···,X16max两块，求取两部分Min(Xnmax)对应的k值，分别为kmin1和kmin2。
当kmin1＜k＜kmin2时，Xkmax；(k＝1,2,···,16)反向，构建出模态振型数组，并读取振动传感器位置信息，绘制出一阶模态振型图。
当开关为1时，求取Xnmax最小值对应的k值为kmin，当kmin＜k时，Xkmax；(k＝1,2,···,16)反向，构建出模态振型数组，并结合振动传感器位置信息，绘制出一阶模态振型图。
(4)如图6所示，振动式传感器阵分布位置依据测量需求可以灵活配置，将其粘贴在磁悬浮转子上，每一路振动传感器均可独立进行模态频率的测量，16路传感器组合可进行模态振型的测量；其中受传感器数量限制分两步即可对模态振型的节点进行精确测量。两步测量即将16路振动传感器可进行两次分布测量，第一次可进行均匀式分布，大体估计出一阶模态振型节点位置，在第一次测量基础上，将16路传感器主要分布在第一次测量估计出的一阶模态节点上，重复测量即可得到精确的模态节点位置。
(5)如图5所示，即为各阶转子模态振型图，本装置仅绘制一阶模态振型图。
本发明可以作为一种基于磁悬浮技术的转子模态在线测试装置，在对磁悬浮转子在线模态频率和振型的量测时，将转子振动信号经过数据采集卡采集，利用labview进行数据保存，计算和分析处理，以数字的形式将各阶模态频率显示在前面板，并将转子模态频谱图和模态振型图绘制出来。操作简单，容易实现。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (1)
1.一种基于磁悬浮技术的转子模态频率及模态振型在线测试装置，其特征在于：包括磁悬浮控制系统、磁悬浮转子、振动检测单元、磁悬浮系统框架、信号采集模块、信号分析处理模块以及人机交互模块；所述磁悬浮控制系统由电流环和位置环组成；电流环由电流环控制器、功率放大装置、电流检测单元和磁轴承线圈构成；位置环由磁轴承控制器、位置检测单元构成；转子模态可以在转子起伏瞬间被激起也可以在转子起伏后人工施加冲击力激起；信号分析处理模块由谱分析单元以及模态振型识别和绘制单元组成；磁悬浮机系统框架包含两个径向磁轴承，指定任意一个磁轴承所处的一端为A端，B端为另外一端；振动传感器感知转子振动信号后；经信号处理模块进行放大和滤波处理后，由数据采集卡进行数据采集和并由Labview对采集信号进行保存，并实时进行快速傅里叶变换，求得信号的频率密度谱函数值；经过模态识别将转子的各阶弹性模态频率以数字的形式显示到Labview前面板并将计算得到的频谱图和一阶模态阵型图显示到Labview前面板上；
该装置不仅仅能够识别出转子弹性模态频率更能识别出一阶弹性模态振型，通过16路加速度传感器分布到转子上，转子模态被激起后同时测量16路传感器振动信号并对16路信号同时进行数据采集，并通过fft分析出各阶模态后，识别出各振动传感器一阶模态频率，并经过模态的幅值识别，相位识别，再输入传感器位置信息，即可绘制出转子一阶模态振型图；
所述振动检测单元由振动传感器、调偏电路、放大电路和抗混叠滤波电路组成；振动传感器将磁悬浮系统转子的振动信息转换为电压信号，调偏电路和放大电路调整电压信号的范围以适合模数转换装置的输入范围，抗混叠滤波电路滤除调整后的电压信号的高频噪声，防止数模转换时的频谱混叠；振动传感器输出信号经调偏、放大和滤波处理，即可被数据采集卡识别，安全可靠，电路简单高效；
针对该装置传感器表贴位置，16路振动传感器进行两次分布测量，第一次进行均匀式分布，能大体估计出一阶模态振型节点，在第一次测量基础上，将16路传感器非均匀式地分布在转子上，主要分布在一阶模态节点量测，重复测量可得到精确的模态节点位置；在模态振型绘制时根据传感器振型分布方式进行绘制模式选择，能精确绘制出转子模态振型；
针对计算、分析和显示模块，采用Labview图形化编程，数据采集卡对传感器的采集信号进行采集，labview程序对数据进行计算和分析处理，配合人机交互界面，可方便快捷地输出转子模态频率值并绘制出频谱图和模态振型图；
数据处理模块基本流程如下：
将数据采集卡采集的数据放置x(t)中，前面板选择的采集频率为fs，采样时间为τ；首先对x(t)进行低通滤波LPF，剔除异常采样值，然后将x(t)进行FFT运算得到X(k)，
有X(k)＝FFT(x(t))；令d(k)＝X(k)-X(k-1)；k＞1
当d(k)＞a；记
当d(k)＜-a；记
将数组kb(k)和ke(k)按照k的大小排序得到kn；剔除异常的k值；
求取Δkn＝kn-kn-1；若Δkn＞b；记录kn值并保留在数组kmax中，根据kmax将kn分段，求出每一段kn中的maxX(k)，并将其对应的k值记为kf；
可得模态频率
采样时间为τ；
在1至16路信号求得Xnmax后，根据模态振型绘制模式选择开关选择计算模式；
当开关为0时，将X1max,X2max,…,X16max分成X1max,X2max,…,X8max和X9max,X10max,…,X16max两块，求取两部分Min(Xnmax)对应的k值，分别为kmin1和kmin2；
当kmin1＜k＜kmin2时，Xkmax反向；k＝1，2，…，16，构建出模态振型数组，并读取振动传感器位置信息，绘制出一阶模态振型图；
当开关为1时，求取Xnmax最小值对应的k值为kmin，当kmin＜k时，Xkmax反向；k＝1，2，…，16，构建出模态振型数组，并结合振动传感器位置信息，绘制出一阶模态振型图；
x(t)：采样值；
X(k)：fft后的频谱密度函数值；
a：差值限度；
该装置将磁轴承控制主要框架提取出来，能够在线测试转子模态频率和模态振型，模态节点的求取和模态振型的绘制；
该装置基于labview进行数据采集、计算和绘图，可实时改变根据测试情况改变采样频率和采样时间，保证测量快速高效，人机交互简单方便；
该装置在接近磁悬浮系统实际运行情况进行测试，提高了转子模态频率和振型的测量精度。
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