CN113049185B - 一种利用低通零相位滤波器提取动平衡相位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动平衡采集系统及利用低通零相位滤波器提取动平衡相位的方法，属于转子动平衡技术领域。本发明选用滤波前后无相移的低通零相位滤波器对原始振动信号进行滤波，滤波后输出振动信号与原始振动信号初始相位一致，滤波前后波形无失真；同时本发明创造性提出用低通零相位滤波器对原始键相脉冲信号滤波，滤波后的脉冲信号的最高点与原始键相脉冲信号的最高点重合；基于此良好的滤波的效果，从而精准求解出振动相位。利用转子试验台模拟转子不平衡故障，并通过做动平衡试验，一次计算校准能够把原始振动值下降83％左右，利用此方法提取的振动相位做转子动平衡具有较高的工程实用参考价值。

Description

一种利用低通零相位滤波器提取动平衡相位的方法

技术领域

本发明涉及转子动平衡技术领域，更具体地说，涉及一种动平衡采集系统及利用低通零相位滤波器提取动平衡相位的方法。

背景技术

旋转机械转子不平衡引起的机械振动约占振动故障总量的60％，在设备运行过程中如何消除转子不平衡产生的有害振动显得非常重要。为了消除转子不平衡，通常对转子做动平衡处理，做动平衡就要获取转子的振动大小和方向，大小即为振动幅值大小，方向即为振动相位的度数。

如何精准获取转子不平衡的振动幅值大小和振动相位的度数是决定转子动平衡效果的关键。为了精准提取振动信号幅值和振动相位的度数，国内外学者对其都有深入的研究，研究成果整体归纳两个方面，一是侧重从硬件电路方面实现算法；二是侧重通过理论推导实现算法，理论推导有传统FFT法、整周期截取DFT法和互相关算法，上述方法都有各自的优缺点。

中国专利申请号201911198433.1，申请日2019年11月29日，发明创造名称为：基于全相位FFT法的主轴不平衡振动信号处理方法；该申请案首先将采集到的高速主轴的不平衡振动信号进行去噪处理，然后利用FIR滤波器中的等波纹逼近滤波器对去噪后的振动信号进行滤波，得到基准信号，再对基准信号进行整周期采样得到基频信号，最后基于全相位FFT法提取基频信号的幅值和相位。该申请案既是将全相位FFT法用于主轴不平衡振动信号的处理上的技术方案，在相位的提取上更加准确、平稳。但该申请案对采集卡有很高的参数要求，且需要对振动信号进行整周期采样，相对来说对主轴不平衡振动信号的处理还是比较复杂的，仍有进一步改进的空间。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

基于现有获取转子不平衡振动相位度数的方案存在的不足，本发明提供了一种动平衡采集系统及利用低通零相位滤波器提取动平衡相位的方法；本发明从振动相位定义出发，采用低通零相位滤波器保证滤波后的信号和原始信号无相移，且把复杂的原始振动信号滤波后变成光滑正弦信号，同时本发明创造性提出通过低通零相位滤波器也对原始键相脉冲信号滤波，保证滤波后的脉冲信号的最高点与原脉冲信号的的最高点重合，基于此良好的滤波的效果从而求解振动相位，利用此方法提取的振动相位做转子动平衡具有较高的工程应用价值。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种动平衡采集系统，包括电机、联轴器、转轴和配重圆盘，电机通过调速器调速，并通过联轴器连接转轴，配重圆盘安装在转轴上，圆盘配置槽中能够固定配重螺丝；还包括数据采集卡、电涡流传感器和激光键相传感器，所述的电涡流传感器、激光键相传感器和数据采集卡相连，数据采集卡通过USB数据线和上位机相连；所述的配重圆盘上贴光标纸。

更进一步地，所述的电涡流传感器设置4个，配重圆盘两侧分别安装左支架座、右支架座，两支架座都固定垂直方向和水平方向电涡流传感器。

更进一步地，所述的激光键相传感器设置1个，该激光键相传感器置于距配重圆盘15-25cm处，该激光键相传感器感应光标纸旋转的频次。

本发明的一种利用低通零相位滤波器提取动平衡相位的方法，其步骤为：

步骤一、设置采样频率Fs和采样点数N_总，将配重圆盘右侧所在轴的垂直方向、水平方向振动位移信号记作1X、1Y，将配重圆盘左侧所在轴的垂直方向、水平方向振动位移信号记作2X、2Y，通过激光传感器采集光标纸跟随圆盘旋转时产生的键相脉冲信号记作Z；

步骤二、启动电机并调节转速稳定，采集卡同步采集4路原始振动位移信号和1路原始键相脉冲信号，并对采集信号进行滤波；

步骤三、计算滤波后振动波形峰值位置点N_i波和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点N_i键；

步骤四、在同一个周期里，计算滤波振动波形峰值位置点和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点所产生的时间差t_i差；

步骤五、在同一个振动周期里，计算采集一个周期波形的点数所用时间T；

步骤六、在同一个振动周期里，根据滤波后振动波形峰值位置点和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点所产生的时间差t_i差和采集一个周期波形的点数所用时间T的比例关系，即求出该周期振动相位度数。

更进一步地，步骤二中采用Butterworth低通零相位滤波器滤分别对原始振动信号和原始键相脉冲信号进行滤波。

更进一步地，步骤二滤波后，首先得出滤波后振动波形的峰值个数和滤波后键相脉冲信号波形的峰值个数，如果两者峰值个数相等可以进行下一步计算，如果峰值个数不相等需要继续采集等待，直到二者波形峰值个数相等继续进行下一步计算。

更进一步地，步骤四中滤波振动波形峰值位置点和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点所产生的时间差t_i差计算公式为：

更进一步地，步骤五中一个周期波形的点数所用时间T公式为：

更进一步地，步骤六中一个振动周期里振动相位度数，即

整理后：

通过4路原始振动信号和1路原始键相脉冲信号求出1X、1Y、2X、2Y的振动相位。

更进一步地，步骤一中设置采样频率Fs＝2000Hz，采样点数N_总＝2000。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

传统方法求解振动相位一般就是利用键相脉冲信号的上升沿被触发后，到振动波形出现正峰值的时间差来求解，该方法对硬件采集卡要求极高，并需要锁相倍频电路的支持。本发明所采用的方法无需对采集卡有很高的参数要求，不需关心键相脉冲信号上升沿或下降的起始时刻，也不要对振动信号进行整周期采样，更不需要锁相倍频电路支持，只需用低通零相位滤波器分别对原始振动信号和原始键相脉冲信号同时进行滤波，基于此良好的滤波效果从而求解振动相位，利用此方法提取的振动相位做转子动平衡具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为振动相位的定义波形图；

图2为实测振动波形图；

图3为实测键相脉冲波形图；

图4为低通滤波器对原始振动波形滤波的示意图；

图5为低通滤波器对原始键相脉冲波形滤波的示意图；

图6为转子动平衡试验的示意图；

图7为1X通道原始振动频谱图；

图8为1X通道动平衡后频谱图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

在转子转轴上贴反光纸，当转子每旋转一周时，键相传感器就可以获得与转子工作频率完全同步的键相脉冲信号，脉冲信号就可以作为转子转速信号和振动信号相位的参考点。振动相位的定义是在同一个振动周期里，脉冲信号的前沿超前振动信号的正峰值(或负峰值或波形过零点)的角度。

本发明按照脉冲信号前沿超前振动信号的正峰值来定义振动相位，参见图1，在第二个振动周期里，脉冲信号前沿超前振动信号正峰值的角度a，把a就定义为振动相位。把一个振动周期的时间划分成360等分，称为360°，振动信号相位就为a＝t/T*360°。

算出上述的定义振动相位a不难，但在动平衡过程中，往往只关心振动信号中基频振动相位，基频信号也就是和转子旋转频率同频的正弦信号。而振动传感器拾取的振动信号往往是复杂的，并不是单一基频光滑的正弦信号，而是波形含有丰富频率成分的复杂信号，参见图2。同时，键相脉冲信号也不是标准信号，键相脉冲信号的波形也是复杂的，并且脉冲信号含有大量毛刺，参见图3。

如何获得理想的正弦信号，通常是对采集的振动信号进行滤波处理，但无论是采用模拟滤波器还是数字滤波器，对原始信号进行滤波后都会产生相位差，这给后续的精准振动相位计算带来困难。

为了解决上述矛盾，本实施例首先自主研发了一套动平衡采集系统，该动平衡采集系统包括电机、联轴器、转轴、配重圆盘、配重螺丝、左右轴承座、调速器、4个电涡流传感器、1个激光键相传感器、光标纸和美国NI USB-4432五通道数据采集卡。

结合图6，电涡流传感器为非接触处式传感器，能采集到圆盘由于不平衡导致转轴旋转时产生的明显晃动的振动位移信号，本实施例在配重圆盘两端转轴分别各安装垂直方向和水平方向电涡流位移传感器，两端共4个电涡流位移传感器分别采集转轴的振动位移信号。用光标纸贴在圆盘上，圆盘旋转1周光标纸也跟随旋转1周，此时用激光键相传感器感应光标纸旋转的频次，从而采集转子旋转时产生键相脉冲信号，此键相脉冲信号作为转子转速信号和振动信号相位的参考点。

把转速范围0-10000rpm的无级调速电机通过联轴器和长度500mm直径9.5mm的转轴相连，同时重量为592g的圆盘安装在转轴上，在圆盘配置槽加1g螺钉使其产生不平衡。

把美国NI USB-4432五通道同步数据采集卡通过USB数据线和笔记本电脑相连，4个电涡流传感器和1个激光键相传感器又和NI USB-4432五通道同步数据采集卡相连，4个电涡流非接触式传感器通过支架座安装固定，1个激光传感器摆放在距圆盘20cm处。

基于该动平衡采集系统，本实施例利用低通零相位滤波器提取动平衡相位的过程为：

步骤一、启动电脑并打开动平衡采集软件，在采集软件界面设置采样频率Fs＝2000Hz(1秒钟采集2000个采样点)，采样点数N_总＝2000(所采集的振动波形点数是由2000个数据点组成的)。在圆盘右侧所在轴的垂直方向、水平方向振动位移信号记作1X、1Y，圆盘左侧垂直方、水平方向振动位移信号记作2X、2Y，通过激光传感器采集光标纸跟随圆盘旋转时产生的键相脉冲信号记作Z。

步骤二、启动电机圆盘开始转动，用调速器把电机转速缓慢调节稳定，采集卡同步采集4路原始振动位移信号和1路原始键相脉冲信号，由于原始振动信号和原始脉冲信号都不是“纯信号”，需要对原始振动信号和原始键相脉冲信号进行滤波，本实施例采用Butterworth低通零相位滤波器滤分别对原始振动信号和原始键相脉冲信号同时进行滤波。

滤波后的振动信号为单一频率的正弦信号，且和原始信号初始相位保持一致，滤波后波形的最高点和原始振动波形最高点保持一致，滤波前后波形无失真；滤波后的键相脉冲信号也转化为单一频率的正弦信号，且正弦信号的最高点和原始键相信号的脉冲最高点重合。

本实施例首先找出滤波后振动波形的峰值个数和滤波后键相脉冲信号波形的峰值个数，如果两者峰值个数相等可以进行下一步计算，如果峰值个数不相等需要继续采集等待，直到二者波形峰值个数相等继续进行下一步计算。

步骤三、一个振动波形数据包含有多个振动周期，对于滤波后的波形，在各个振动周期里，每个波形的峰值点和它对应的脉冲信号峰值点差值恒定。本实施例计算出滤波后振动波形峰值位置点N_i波和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点N_i键。

步骤四、在同一个周期里，计算出滤波振动波形峰值位置点和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点所产生的时间差t_i差，也即

步骤五、在同一个振动周期里，算出采集一个周期波形的点数所用时间T：

步骤六、同一个振动周期里，根据滤波后振动波形峰值位置点和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点所产生的时间差t_i差和采集一个周期波形的点数所用时间T的比例关系，即可求出该周期振动相位度数，即

整理后：

再获得第i周期峰值的幅度A_i幅，即得到了不平衡信振动相位度数和基频幅值大小。

基于上述过程，通过4路振动信号和1路键相脉冲信号就可以求出1X、1Y、2X、2Y的振动相位(度数和基频幅值)。

本实施例首先采用零相位滤波器，该滤波器具有很高的相频特性，对原始信号滤波后不会产生相移，能够保持原始信号的初始相位。零相位滤波器通常是将输入序列按顺序滤波，然后将所得结果逆转后反向通过滤波器，再将所得结果逆转后输出。理论上就可以得出精准无失真的输出序列，其原理推导如下：

y₁(n)＝x(n)*h(n) (1)

y₂(n)＝y₁(N-1-n) (2)

y₃(n)＝y₂(n)*h(n) (3)

y(n)＝y₃(N-1-n) (4)

公式中，x(n)为信号原始采样序列；N为信号序列长度；h(n))为所用数字滤波器冲激响应序列；y(n)为第二次滤波结果的逆转序列，也即是滤波输出序列。

零相位滤波实现的相应频域表示为：

Y₁(e^jω)＝X(e^jω)H(e^jω) (5)

Y₂(e^jω)＝e^-jω(N-1)Y₁(e^-jω) (6)

Y₃(e^jω)＝Y₂(e^jω)H(e^jω) (7)

Y(e^jω)＝e^-jω(N-1)Y₃(e^-jω) (8)

由式(1)-式(8)整理得：

Y(e^jω)＝X(e^jω)|H(e^jω)|² (9)

公式中，ω为角频率；X(e^jω)、Y(e^jω)、H(e^jω)分别为序列x(n)、y(n)、h(n)的离散傅里叶变换。由公式可知，滤波器输出与输入之间不存在相移，且零相位滤波器也只能是一种数字滤波器，不可能是物理模拟滤波器。本发明采用Butterworth低通滤波器和Butterworth低通零相位滤波器对原始振动信号、原始键相脉冲信号滤波对比如下文。

图4采用Butterworth低通滤波器滤波时，原始振动波形滤波后的信号较原始信号变得光滑了，一些杂波被过滤掉，因此可以很直观的显示出主信号的信息，但低通滤波的方法还是存在一些不足，滤波后信号较原始信号发生了明显的相位滞后，同时滤波后信号的初始部分的波形发生了失真变形。那么这种波形失真和相位的偏移会对振动相位计算结果产生很大的误差。而Butterworth低通零相位滤波器滤出的信号与原始振动信号中的相位高度一致，并且滤波后信号初始部分也没有发生波形的失真变形。

原始键相脉冲信号理论上是由不同频率的正弦波组合而成，通过低通滤波器时，只剩下低频正弦波，所以波形看起来更接近正弦波。采用Butterworth低通滤波器对实际产生的键相脉冲信号滤波时，可以看出经过滤出的正弦信号的高点和原始脉冲信号高点产生较大的偏差，而通过Butterworth低通零相位滤波器滤波后的信号，正弦信号高点和原始键相信号高点基本重合一致。

本实施例通过采集振动相位参数对转子做动平衡试验，具体为，在配重圆盘上加重2个配重螺丝，使圆盘转子产生不平衡，加重质量为1g，启动电机，把电机转速调缓慢调节稳定到n＝2105rpm时，对采集卡设置采样频率2000Hz，采样点数2000点，对圆盘左右两端分别采集转轴的垂直、水平方向位移和振动相位；靠近右侧轴承垂直、水平方向涡流传感器位置分别为1X、1Y；靠近左侧轴承垂直、水平方向涡流传感器位置分别为2X、2Y，采集的初始数据见表1：

表1原始振动数据

由表1、图7频谱分析可知，转子存在严重的不平衡故障，在圆盘加试重1g后，再次启动电机，电机转速调到2105rpm时。采集的数据见表2。

表2加试重后振动数据

由表2可知，通过加试重后，机组振动有明显减小，再通过表1、表2数据计算校准可得，需去除原试重1g后，以原试重位置为起点，逆配重圆盘转动方向30°位置加配重1.5g后，电机启动至2105rpm时，测试数据见表3。

表3加配重后振动数据

从表3、图8可知，转子经过动平衡后振动值较平衡前有大幅下降，一次校准计算能够把原始振动值下降83％左右，动平衡效果显著。可见基于低通零相位滤波器在动平衡相位提取算法取得良好效果，验证了此方法的有效性，此方向具有较高的工程应用价值。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用低通零相位滤波器提取动平衡相位的方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一、设置采样频率Fs和采样点数N_总，将配重圆盘右侧所在轴的垂直方向、水平方向振动位移信号记作1X、1Y，将配重圆盘左侧所在轴的垂直方向、水平方向振动位移信号记作2X、2Y，通过激光传感器采集光标纸跟随圆盘旋转时产生的键相脉冲信号记作Z；

步骤二、启动电机并调节转速稳定，采集卡同步采集4路原始振动位移信号和1路原始键相脉冲信号，并采用Butterworth低通零相位滤波器分别对原始振动信号和原始键相脉冲信号进行滤波；滤波后，首先得出滤波后振动波形的峰值个数和滤波后键相脉冲信号波形的峰值个数，如果两者峰值个数相等则进行下一步计算，如果峰值个数不相等需要继续采集等待，直到二者波形峰值个数相等继续进行下一步计算；

步骤三、计算滤波后振动波形峰值位置点N_i波和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点N_i键；

步骤四、在同一个周期里，计算滤波振动波形峰值位置点和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点所产生的时间差t_i差；计算公式为：

步骤五、在同一个振动周期里，计算采集一个周期波形的点数所用时间T；公式为：

步骤六、在同一个振动周期里，根据滤波后振动波形峰值位置点和滤波后键相脉冲信号波形峰值位置点所产生的时间差t_i差和采集一个周期波形的点数所用时间T的比例关系，即求出一个振动周期振动相位度数，即

整理后：

通过4路原始振动信号和1路原始键相脉冲信号求出1X、1Y、2X、2Y的振动相位。

2.根据权利要求1所述的一种利用低通零相位滤波器提取动平衡相位的方法，其特征在于：步骤一中设置采样频率Fs＝2000Hz，采样点数N_总＝2000。