CN109668735B - 一种发动机转子相位基准确定方法、装置和电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种发动机转子相位基准确定方法、装置和电路，该方法包括：接收当前齿的波形信号；根据所述当前齿的波形信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征；获取前N‑1个齿的波形信号的高齿特征；所述前N‑1个齿和所述当前齿是连续的齿；当所述当前齿的波形信号的高齿特征大于所述前N‑1个齿的波形信号的高齿特征时，确定所述当前齿是高齿。本发明定位精度高、实时性强，能够处理常用的发动机转速凹/凸齿信号，对分析发动机健康管理具有重要价值。

Description

一种发动机转子相位基准确定方法、装置和电路

技术领域

本发明属于发动机健康管理技术领域，具体的说是一种发动机转子相位基准确定方法、装置和电路。

背景技术

发动机转子系统的相位基准位置是发动机健康管理和故障分析检测的基础。如在振动分析中，需要将捕获到的基准相位信息加入采样的振动信号中，以明确振动采样点对应的转子相位。

目前转子的相位基准由特殊加工的转速音轮提供，该转速音轮的N个齿中有一个为凸齿、凹齿或者有缺失齿，如附图1所示，通过传感器输出信号中的凸齿处感应信号用来标记转子的相位基准。这样转子每转动一周，由转速计产生N-1个幅值相同的正弦波(或类似波形)和1个幅值有别的正弦波(或类似波形，在凸齿、凹齿或者缺失齿处产生)。一般转速计信号的幅值随转速变化而变化，并且二者并非简单的线性关系(如附图2，带凸齿的转速计在转子加速时的感应波形)，难以准确分离出相位基准对应的幅值；同时因为安装问题，或者是转子转动时发生的振动，会导致模拟量幅值信号随之改变(如附图3，带凸齿的转速计在位置变化时的感应波形)，所以难于仅通过检测转速信号的幅值准确地确认转子相位基准。

目前，对转子相位基准的确定有三种方法。一种是针对频率变化特征(只针对缺失一个齿的转速音轮)来确定转子相位基准，如缺齿造成转速计信号频率变化，通过频率捕获可以定位转子相位基准。

第二种方法，针对带凸齿、凹齿的转速音轮，如凸齿对应的幅值高于普通齿，跟踪转子的相位，在转速信号波形达到特定相位启动A/D采样(如图8)，并通过硬件逻辑处理，能够准确、实时的确定转子的相位基准。确定转子相位基准后对振动/加速度等信号采样值的标记，使转子的相位信息保存在振动/加速度等相关信号中。但当转速信号波形到达特定相位时(以凸齿转速计为例)，由于比较器的滞回特性(由于电路的传输特性，当输入信号由小到大变化或者由大到小变化时，两种情况下的门限电压不相等，传输特性呈现出“滞回”曲线的形状)，此时启动A/D采样会出现两种情况：当转速较快时，A/D采样点与凸齿转子相位点距离较近，时刻精度误差可忽略不计；但当转速较慢时，A/D采样点与凸齿转子相位点距离较远，可能造成确定时刻的较大误差，同时由于转速信号也可能为三角波、锯齿波等，此种方法适应性较差。

第三种方法类似于第二种方法，同时添加了硬件峰值保持电路(如图7)，降低了A/D采样时刻要求。针对带凸齿、凹齿的转速音轮，如凸齿对应的幅值高于普通齿，跟踪转子的相位，对转速信号波形进行正负峰值保持，然后根据转速信号达到特定相位启动A/D采样和释放峰值电压，而后通过硬件逻辑处理，能够准确、实时的确定转子的相位基准。确定转子相位基准后对振动/加速度等信号采样值的标记，使转子的相位信息保存在振动/加速度等相关信号中。其缺点为增加了硬件峰值保持电路，增加了制造成本。同时峰值保持电路对电路中纯在的毛刺等干扰信号较为敏感，可能造成识别或标记错误。

发明内容

本发明针对第二、三种方法存在的问题，提出了一种改进型发动机转子凹/凸齿时刻确定方法(硬件架构如图4，硬件架构和方法二一致)，该方法解决现有的发动机转速信号凹/凸齿时刻确定方法易受齿信号影响、实时性差、通用性不强且成本较高的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，提供一种发动机转子相位基准确定方法，所述发动机转子具有N个齿，所述N是大于1的整数，所述方法包括：

接收当前齿的波形信号；

根据所述当前齿的波形信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征；

获取前N-1个齿的波形信号的高齿特征；所述前N-1个齿和所述当前齿是连续的齿；

当所述当前齿的波形信号的高齿特征大于所述前N-1个齿的波形信号的高齿特征时，确定所述当前齿是高齿。

进一步的，所述根据所述当前齿的波形信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征，包括：

将所述当前齿的波形信号划分为正半波和负半波；

采样所述当前齿的波形信号，得到数字信号；

根据所述正半波、所述负半波和所述数字信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征。

进一步的，所述高齿特征包括以下任一种：

峰值、峰峰值、正半波或负半波的平均值、正半波或负半波的面积。

进一步的，所述将所述当前齿的波形信号划分为正半波和负半波，包括：

将所述当前齿的波形信号整形为方波信号；

根据所述方波信号的临界点，将所述当前齿的波形信号划分为正半波和负半波。

进一步的，所述采样的采样率大于8倍的所述发动机转子的齿频率。

第二方面，提供一种发动机转子相位基准确定装置，所述发动机转子具有N个齿，所述N是大于1的整数，所述装置包括：

接收模块，用于接收当前齿的波形信号；

确定模块，用于根据所述当前齿的波形信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征；

获取模块，用于获取前N-1个齿的波形信号的高齿特征；所述前N-1个齿和所述当前齿是连续的齿；

所述确定模块，用于当所述当前齿的波形信号的高齿特征大于所述前N-1个齿的波形信号的高齿特征时，确定所述当前齿是高齿。

第三方面，提供一种发动机转子相位基准确定电路，包括：

第一滤波器、整形器、第二滤波器、采样器和逻辑芯片；

所述第一滤波器的输入端接收当前齿的波形信号；所述第一滤波器的输出端与所述整形器的输入端连接，所述整形器的输出端与所述逻辑芯片的第一输入端连接；所述第二滤波器的输入端接收当前齿的波形信号；所述第二滤波器的输出端与所述采样器的输入端连接，所述采样器的输出端与所述逻辑芯片连接，所述逻辑芯片控制所述采样器进行采样；

所述整形器将所述第一滤波器的输出信号整形为当前齿的方波信号；所述采样器采样所述第二滤波器的输出信号，得到数字信号；

所述逻辑芯片获取前n-1个齿的高齿特征；根据所述数字信号和所述当前齿的方波信号，确定当前齿的高齿特征，当所述当前齿的波形信号的高齿特征大于所述前N-1个齿的波形信号的高齿特征时，确定所述当前齿是高齿。

有益效果：

本发明利用硬件逻辑控制在提高了反应速度和精度，增强抗干扰能力的基础上，具备消除由电路滞回特性产生的误差的功能，并针对有可能出现的转子振动偏移现象对硬件逻辑进行设计，提高了时刻确定精度，该方法针对带有凸齿、凹齿、缺齿及各种通过加工齿形不同来标记基准相位的转速计都同样有效，具有更广泛的应用。且该方法采集了整个转速信号模拟信号，条件允许的情况下可将采集结果保存在非易失存储器中，方便后期故障定位和复现。

附图说明

图1是带凸齿转速计工作原理和产生的相应波形图；

图2是理想状态下，凹/凸齿转速计波形图；

图3是在传感器或者转子安装不当时，或者转子发生振动偏移时(非理想状态下)凹/凸齿转速计波形图；

图4是硬件架构图；

图5是A/D采集器和转速相位跟踪入口处波形图；

图6是逻辑处理部分功能框图；

图7是第三种方法A/D采集时刻图；

图8是第二种方法A/D采集时刻图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

请同时参阅图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8，其中，图2是发动机转子和转盘理想状态下时，凹/凸齿在转动过程中的信号波形图，图3是发动机转子和转盘非理想状态时，凸齿和凹齿在加速过程中的信号波形图，图4是本专利硬件架构图，图5是A/D采集器和转速相位跟踪入口处波形图，图6是逻辑处理部分功能框图，图7是第三种方法A/D采集时刻图，图8是第二种方法A/D采集时刻图。

以下实例都以高齿为例说明。

实施例1：转速音轮正常工作时(即转速音轮的转子不发生相位偏移的状态，共30个齿，其中1个为高齿，其他29个位普通齿，高齿幅值至少为普通齿120％)：参阅图2，此时传感器获得的波形图的基准相位未发生偏移，对于该类情况下的转速采集过程可如图4和5所示，即传感器信号经过滤波处理后，引入A/D转换器和的转子相位跟踪硬件逻辑处理，再根据转子相位跟踪识别出的上升沿和下降沿范围(1个齿)，在此范围内找出A/D采集转速信号的最大值，此最大值为这个齿对应的转速模拟量的最大值。将此值存入FIFO队列，每个新计算的结果与前29个值比较，如果此值比其他齿感应的计算结果都大20％，则此齿为凸齿，否则为普通齿。

实施例2：转速音轮正常工作时(即转速音轮的转子不发生相位偏移的状态，共30个齿，其中1个为高齿，其他29个位普通齿，高齿幅值至少为普通齿120％)：参阅图2，此时传感器获得的波形图的基准相位未发生偏移，对于该类情况下的转速采集过程可如图4和5所示，即传感器信号经过滤波处理后，引入A/D转换器和的转子相位跟踪硬件逻辑处理，再根据转子相位跟踪识别出的上升沿和下降沿范围(1个齿)，在此范围内求取A/D采集转速信号的平均值，此平均值为这个齿对应的转速模拟量的平均值。将此值存入FIFO队列，每个新计算的结果与前29个值比较，如果此值比其他齿感应的计算结果都大20％，则此齿为凸齿，否则为普通齿。

实施例3：转速音轮正常工作时(即转速音轮的转子不发生相位偏移的状态，共30个齿，其中1个为高齿，其他29个位普通齿，高齿幅值至少为普通齿120％)：参阅图2，此时传感器获得的波形图的基准相位未发生偏移，对于该类情况下的转速采集过程可如图4和5所示，即传感器信号经过滤波处理后，引入A/D转换器和的转子相位跟踪硬件逻辑处理，首先对A/D采集的转速信号进行滤波处理(如一阶惯性滤波)，然后再根据转子相位跟踪识别出的上升沿和下降沿范围(1个齿)，在此范围内求取A/D采集转速信号的最大值，此值为这个齿对应的转速模拟量的最大值。将此值存入FIFO队列，每个新计算的结果与前29个值比较，如果此值比其他齿感应的计算结果都大20％，则此齿为凸齿，否则为普通齿。

实施例4：转速音轮非理想状态下(即转速音轮的转子发生相位偏移的状态，共30个齿，其中1个为高齿，其他29个位普通齿)：参阅图3，此时传感器获得的波形图的基准相位发生偏移，对于该类情况下的转速采集过程可如图4和5所示，即传感器信号经过滤波处理后，引入A/D转换器和的转子相位跟踪硬件逻辑处理，再根据转子相位跟踪识别出的上升沿和下降沿范围(1个齿)，在此范围内找出A/D采集转速信号的最大值；同时在下降沿和上升沿范围(齿对应负波)，找出A/D采集转速信号的最小值，此最大值减去最小值为这个齿对应的转速模拟量的峰峰值。将此值存入FIFO队列，每个新计算的结果与前29个值比较，如果此值比其他齿感应的计算结果都大20％，则此齿为凸齿，否则为普通齿。

Claims (4)

1.一种发动机转子相位基准确定方法，其特征在于，所述发动机转子具有N个齿，所述N是大于1的整数，所述方法包括：

接收传感器感应到的当前齿的波形信号；

根据所述当前齿的波形信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征；

获取前N-1个齿的波形信号的高齿特征；所述前N-1个齿和所述当前齿是连续的齿；

当所述当前齿的波形信号的高齿特征大于所述前N-1个齿的波形信号的高齿特征时，确定所述当前齿是高齿；

根据所述当前齿的波形信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征，包括：

将波形信号经过滤波处理后，引入A/D转换器和的转子相位跟踪硬件逻辑处理，首先对A/D采集的信号进行滤波处理，然后再根据转子相位跟踪识别出当前齿上升沿和正降沿范围，在此范围内求取A/D采集该信号的正半波或负半波的平均值或正半波或负半波的面积，该值或面积为当前齿对应的转速模拟量的高齿特征；

所述根据所述当前齿的波形信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征，包括：

将所述当前齿的波形信号整形为方波信号；

根据所述方波信号的临界点，将所述当前齿的波形信号划分为正半波和负半波；

采样所述当前齿的波形信号，得到数字信号；

根据所述正半波、所述负半波和所述数字信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采样的采样率大于8倍的所述发动机转子的齿频率。

3.一种发动机转子相位基准确定装置，其特征在于，所述发动机转子具有N个齿，所述N是大于1的整数，所述装置包括

接收模块，用于接收当前齿的波形信号；

确定模块，用于根据所述当前齿的波形信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征；获取模块，用于获取前N-1个齿的波形信号的高齿特征；所述前N-1个齿和所述当前齿是连续的齿；

所述确定模块，用于当所述当前齿的波形信号的高齿特征大于所述前N-1个齿的波形信号的高齿特征时，确定所述当前齿是高齿；

确定模块用于：将波形信号经过滤波处理后，引入A/D转换器和的转子相位跟踪硬件逻辑处理，首先对A/D采集的信号进行滤波处理，然后再根据转子相位跟踪识别出当前齿上升沿和正降沿范围，在此范围内求取A/D采集该信号的正半波或负半波的平均值或正半波或负半波的面积，该值或面积为当前齿对应的转速模拟量的高齿特征；

确定模块用于：将所述当前齿的波形信号整形为方波信号；

根据所述方波信号的临界点，将所述当前齿的波形信号划分为正半波和负半波；采样所述当前齿的波形信号，得到数字信号；根据所述正半波、所述负半波和所述数字信号，确定所述当前齿的波形信号的高齿特征。

4.一种计算机可读的存储介质，所述存储介质上存储有指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现所述权利要求1或2所述方法的步骤。

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