CN114942338B - 基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法及系统 - Google Patents

基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法及系统。该方法为：在转子或旋转件上嵌入加速度传感器，实时采集转子或旋转件的加速度信号，该传感器的敏感方向为旋转方向切向；从采集的加速度信号中分离出重力加速度分量；对重力加速度分量进行噪声抑制处理；根据噪声处理后的重力加速度分量计算转子或旋转件相对初始时刻的实时转角；根据所述实时转角预估得到转子或旋转件实时转速。该方法不破坏转子或旋转件本身结构，计算方法简单、快速且精度高。

Description

基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估 方法及系统
技术领域
本发明涉及机械电子工程技术领域，具体涉及一种基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法及系统。
背景技术
目前，旋转机械传动方式仍然是最为重要的机械传动方式之一，如齿轮传动系统、大型转子传动系统等。其中，转速是旋转机械传动系统的重要运行状态量，为实时精确测量转速，诞生出了一系列的转速传感器，其中主流的为磁敏式，激光式。但是在使用过程中难免存在结构复杂、体积大、价格昂贵、转角测量精度差等缺点，其中磁敏式对材料有特殊要求，激光式需要在轴等位置加装一个高质量的传感器，对结构空间和传动轴的性能有一定的影响。此外，这类传感器通常是利用编码的方法在转子或旋转件旋转一周的过程中生成一连串的方波脉冲，通过相位差和时间差来推算转子或旋转件的速度。然而，这种编码方式的测量方式决定了要想获得高精度的转速信息，则必须保证一周内较高的编码触发和很高的采样速率，导致对编码器、信号采集系统的硬件制作难度、成本、软件处理速度等方面均提出了很高要求。为此有必要针对转速的精确测量理论创新和微型测量仪器方面进行深入研究。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法及系统。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法,包括以下步骤：
在转子或旋转件上嵌入加速度传感器，实时采集转子或旋转件的加速度信号，该传感器的敏感方向为旋转方向切向；
从采集的加速度信号中分离出重力加速度分量；
对重力加速度分量进行噪声抑制处理；
根据噪声处理后的重力加速度分量计算转子或旋转件相对初始时刻的实时转角。
该方法通过在转子或旋转件上嵌入加速度传感器，从嵌入式传感器中提取出重力加速度信号分量，进而反推出加速度传感器所处转角位置，换算出转子或旋转件的转速。该方法不破坏转子或旋转件本身结构，计算方法简单、快速且精度高。
该基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法的优选方案：对分离出的重力加速度进行相位补偿，然后再进行噪声抑制处理。在重力加速度分量分离完成后，由于信号经过滤波后会出现相位延迟的现象，故进行相位补偿操作，提高了本方法的预估精度。
该基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法的优选方案：从采集的加速度信号中分离出重力加速度分量的步骤为：
将采集的加速度信号通过低通滤波器进行滤波，该低通滤波器为FIR滤波器h(n)，其中，sinc表示辛格函数，n代表滤波器的第n个系数，N为滤波器总长度，win表示窗函数，ωn为根据转子或旋转机械的实际工作转速范围，预估的嵌入了加速度传感器转子或旋转件的转频，ωc为预估的低通滤波器截止频率，ωc＝k·ωn,k≥1；
重力加速度分量Sig_g通过卷积滤波获得，Sig_g(t)＝h(n)*Sig(t)，Sig(t)为采集的加速度信号。
该基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法的优选方案：对分离出的重力加速度进行相位补偿的步骤为：
其中Sig_gs为相位补偿截断后的重力加速度分量，N为滤波器长度，END为信号长度。
该基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法的优选方案：噪声抑制处理时，基于模态分解算法对重力加速度分量进行分解、选择、抑制噪声干扰，得到信号内禀函数集合SgIMFs，其中，MD表示模态分解函数，Sgimf i为分解的内禀函数，i＝1,2,…,M，M表示内禀函数的个数；
采用皮尔森相关系数方法挑选出重力加速度分量主模态，其中，ρi表示第i个内禀函数的相关系数，cov为协方差运算，σ为标准差；
寻找到相关系数向量里面绝对值最大的值，将该绝对值最大的值对应的相关系数所对应的内禀函数作为重力加速度分量主模态，即噪声抑制后的重力加速度分量，记为Sgd，其中相关系数向量绝对值|ρ|＝{|ρ1|,|ρ2|,…,|ρM|}。
对滤波后的信号中存在噪声干扰成分进行抑制，避免了噪声干扰对后续瞬时转速的估计带来误差。
该基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法的优选方案：转子或旋转件相对初始时刻的实时转角的预估步骤为：
基于Hilbert变换方法将重力加速度分量变换为解析信号，
其中，表示获得的解析信号，/>为经Hilbert变换后的信号，j为虚部，H表示希尔伯特变换；
对解析信号进行瞬时相位角αg预估，
采用解卷绕方法得到转子或旋转件相对初始时刻的实时转角 其中，unwrap为解卷绕函数。
该基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法的优选方案：根据所述实时转角预估得到转子或旋转件实时转速的步骤为：
其中，ω(t)为预估得到转子或旋转件实时转速信号，/>为转角差分信号，Δt为采样时间间隔。
本发明还提出了一种转子或旋转件的转动参数预估系统，其包括嵌设于转子或旋转件且敏感方向为旋转方向切向的加速度传感器，该加速度传感器与信号处理模块通信连接，所述加速度传感器向所述信号处理模块发送其采集的加速度信号，所述信号处理模块根据所述加速度信号按上述的基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法对转子或旋转件的转动参数进行预估。该系统具备上述基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法的所有优点。
本发明的有益效果是：本发明在转子或旋转件上嵌入加速度传感器，从嵌入式传感器中提取出重力加速度信号分量，进而反推出加速度传感器所处转角位置，结合采样时间换算出转子或旋转件的转速；本发明不破坏转子或旋转件本身结构，安装于转子或旋转件上的传感器小巧，对转子或旋转件的结构空间、传动轴的性能影响微小，同时本发明所记载的计算方法简单、快速且精度高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法的流程示意图；
图2是重力加速度分量感知原理与提取示意图；
图3是加速度传感器的有线通信连接结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法，主要思想为：在转子或旋转件上嵌入加速度传感器，从嵌入式传感器中提取出重力加速度信号分量，进而反推出振动传感器所处转角位置，结合采样时间换算出转子或旋转件的转速。
下面就该方法进行具体介绍：
在转子或旋转件上嵌入加速度传感器，实时采集转子或旋转件的加速度传感器的振动信号，该传感器的敏感方向为旋转方向切向,以减小其余振动分量,设定数据采集系统采样频率fs。这里加速度传感器的敏感方向与转子或旋转件的旋转方向切向同向或反向均可。将采集转子或旋转件的加速度信号记为Sig。
如图2所示，加速度信号Sig由重力加速度分量、扭转加速度分量、水平和垂直加速度分量叠加形成，其信号原理式可表述为：
其中，g为重力加速度，θ为转子或旋转件的转角，r表示传感器布置的半径，f1、f2和f3分别表示扭转、水平和垂直方向的振动分量在嵌入的振动传感器上的映射函数。
从采集的加速度信号中分离出重力加速度分量。
具体地：
将采集的加速度信号Sig通过低通滤波器进行滤波，该低通滤波器为FIR滤波器h(n)，其中，sinc表示辛格函数，n代表滤波器的第n个系数，N为滤波器总长度，win表示窗函数，ωn为根据转子或旋转机械的实际工作转速范围，预估的嵌入了加速度传感器转子或旋转件的转频，ωc为预估的低通滤波器截止频率，ωc＝k·ωn,k≥1；
重力加速度分量Sig_g通过卷积滤波获得，Sig_g(t)＝h(n)*Sig(t)，Sig(t)为采集的加速度信号。
在重力加速度分量分离完成后，由于信号经过FIR滤波后会出现相位延迟的现象，故需要对分离出的重力加速度进行相位补偿。
相位补偿的步骤为：
其中Sig_gs为相位补偿截断后的重力加速度分量，N为滤波器长度，END为信号长度，t为采集时间点。
在重力加速度分量分离完成后，不可避免地在滤波后的信号中仍然会存在部分的噪声干扰成分，对后续瞬时转速的估计带来误差。因此，需对重力加速度分量进行噪声抑制处理。本实施例中基于模态分解方法，采用经验模态分解(EMD/EEMD)、变分模态分解(VMD)等算法，对重力加速度分量进行分解、选择，尽可能地抑制噪声干扰成分，得到重力加速度分量主模态。
具体为：
基于模态分解算法对重力加速度分量进行分解、选择、抑制噪声干扰，得到信号内禀函数集合SgIMFs，其中，MD表示模态分解函数，Sgimf i为分解的内禀函数，i＝1,2,…,M，M表示内禀函数的个数；
采用皮尔森相关系数方法挑选出重力加速度分量主模态，其中，ρi表示第i个内禀函数的相关系数，cov为协方差运算，σ为标准差，两者均为已知参数。
寻找到相关系数向量里面绝对值最大的值，将该绝对值最大的值对应的相关系数所对应的内禀函数作为重力加速度分量主模态，即噪声抑制后的重力加速度分量，记为Sgd，其中相关系数向量绝对值|ρ|＝{|ρ1|,|ρ2|,…,|ρM|}。
然后预估转子或旋转件相对初始时刻的实时转角，本实施例中的具体步骤为：基于Hilber变换将噪声抑制后的重力加速度分量变换为解析信号，得到
其中，表示获得的解析信号，/>为经Hilbert变换后的信号，j为虚部，H表示希尔伯特变换，t为采集时间点。
对获得的解析信号进行相位解卷绕得到转子或旋转件相对初始时刻的实时转角。具体地，先对解析信号进行瞬时相位角αg预估，此时获得的瞬时相位角在[-π,π]区间，采用解卷绕方法即可得到转子或旋转件相对初始时刻的实时转角/> 其中，unwrap为解卷绕函数，可以将[-π,π]区间的瞬时相位展开。
然后根据实时转角预估得到转子或旋转件实时转速。
预估计公式为：其中，ω(t)为预估得到转子或旋转件实时转速信号，/>为转角差分信号，Δt为采样时间间隔。
本申请还提出了一种转子或旋转件的转动参数预估系统的实施例，该系统包括嵌设于转子或旋转件且敏感方向为旋转方向切向的加速度传感器，这里加速度传感器的敏感方向与转子或旋转件的旋转方向切向可同向，也可反向；该加速度传感器与信号处理模块通信连接，加速度传感器向信号处理模块发送其采集的加速度信号。加速度传感器与信号处理模块通信连接方式可以为有线通信连接，也可以为无线通信连接；当为有线通信连接时，优选但不限于采用滑环有线传输方式。采用滑环有线传输时，滑环要求至少有2个通道，滑环安装在轴端，滑环的内圈与轴固定，滑环的外圈与机架固定。信号处理模块根据加速度信号按上述的基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法对转子或旋转件的转动参数进行预估。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法，其特征在于，包括以下步骤：
在转子或旋转件上嵌入加速度传感器，实时采集转子或旋转件的加速度信号，该传感器的敏感方向为旋转方向切向；
从采集的加速度信号中分离出重力加速度分量；
对重力加速度分量进行噪声抑制处理；
噪声抑制处理时，基于模态分解算法对重力加速度分量进行分解、选择、抑制噪声干扰，得到信号内禀函数集合SgIMFs，其中，MD表示模态分解函数，Sgimfi为分解的内禀函数，i＝1,2,…,M，M表示内禀函数的个数；
采用皮尔森相关系数方法挑选出重力加速度分量主模态，其中，ρi表示第i个内禀函数的相关系数，cov为协方差运算，σ为标准差；
寻找到相关系数向量里面绝对值最大的值，将该绝对值最大的值对应的相关系数所对应的内禀函数作为重力加速度分量主模态，即噪声抑制后的重力加速度分量，记为Sgd，相关系数向量绝对值|ρ|＝{|ρ1|,|ρ2|,…,|ρM|}；
根据噪声处理后的重力加速度分量计算转子或旋转件相对初始时刻的实时转角；
根据所述实时转角预估得到转子或旋转件实时转速；
转子或旋转件相对初始时刻的实时转角的预估步骤为：
基于Hilbert变换方法将重力加速度分量变换为解析信号，
其中，表示获得的解析信号，/>为经Hilbert变换后的信号，j为虚部，H表示希尔伯特变换；
对解析信号进行瞬时相位角αg预估，
采用解卷绕方法得到转子或旋转件相对初始时刻的实时转角 其中，unwrap为解卷绕函数。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法，其特征在于，对分离出的重力加速度进行相位补偿，然后再进行噪声抑制处理。
3.根据权利要求1所述的基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法，其特征在于，从采集的加速度信号中分离出重力加速度分量的步骤为：
将采集的加速度信号通过低通滤波器进行滤波，该低通滤波器为FIR滤波器h(n)，其中，sinc表示辛格函数，n代表滤波器的第n个系数，N为滤波器总长度，win表示窗函数，ωn为根据转子或旋转机械的实际工作转速范围，预估的嵌入了加速度传感器转子或旋转件的转频，ωc为预估的低通滤波器截止频率，ωc＝kωn,k≥1；
重力加速度分量Sig_g通过卷积滤波获得，Sig_g(t)＝h(n)*Sig(t)，Sig(t)为采集的加速度信号。
4.根据权利要求2所述的基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法，其特征在于，对分离出的重力加速度进行相位补偿的步骤为：
其中Sig_gs为相位补偿截断后的重力加速度分量，N为滤波器长度，END为信号长度。
5.根据权利要求1所述的基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法，其特征在于，根据所述实时转角预估得到转子或旋转件实时转速的步骤为：
其中，ω(t)为预估得到转子或旋转件实时转速信号，为转角差分信号，Δt为采样时间间隔。
6.一种转子或旋转件的转动参数预估系统，其特征在于，包括嵌设于转子或旋转件且敏感方向为旋转方向切向的加速度传感器，该加速度传感器与信号处理模块通信连接，所述加速度传感器向所述信号处理模块发送其采集的加速度信号，所述信号处理模块根据所述加速度信号按权利要求1-5任一项所述的基于嵌入式重力加速度感知的转子或旋转件的转动参数预估方法对转子或旋转件的转动参数进行预估。
7.根据权利要求6所述的转子或旋转件的转动参数预估系统，其特征在于，所述加速度传感器的敏感方向与转子或旋转件的旋转方向切向同向或反向。
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