專利名稱：無附加傳感器的垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動(dòng)平衡檢測系統(tǒng)，尤其涉及一種無附加傳感器的動(dòng)平衡檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
常用機(jī)械中包含著大量的作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，例如各種傳動(dòng)軸、主軸、轉(zhuǎn)臺(tái)和電動(dòng)機(jī)等，統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)體。在理想的情況下回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)與不旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡的回轉(zhuǎn)體。但工程中的各種回轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對(duì)稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作 用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上，弓I起振動(dòng)，振動(dòng)的幅度將和物體的角速度、物體的不均衡點(diǎn)的有效質(zhì)量、有效半徑、以及支撐物的剛度有關(guān)，產(chǎn)生了噪音，加速軸承磨損，運(yùn)行不穩(wěn)等，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命、安全性和設(shè)備的精度，嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性事故。為此，必須對(duì)回轉(zhuǎn)體進(jìn)行平衡分析和補(bǔ)償，使其達(dá)到允許的平衡精度等級(jí)，或使產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)幅度降在允許的范圍內(nèi)。國外的一些廠商提供的現(xiàn)場動(dòng)平衡檢測設(shè)備一般都采用加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的方法進(jìn)行平衡檢測計(jì)算，這樣不僅成本高，而且在某些場合操作不方便，所以一種根據(jù)實(shí)際機(jī)械設(shè)備的特性，而研制一種適于在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用，進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)平衡監(jiān)測的無附加傳感器動(dòng)平衡檢測系統(tǒng)，是十分必要的。注本發(fā)明的系統(tǒng)中利用了本申請人的另一項(xiàng)同期申請的專利技術(shù)，具體內(nèi)容為如圖I所示動(dòng)平衡分析裝置，包括前端信號(hào)處理單元，主要用于對(duì)由于電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換(外部表示不平衡旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)的信號(hào)，包含振動(dòng)的頻率，幅度和相位等信息)，進(jìn)行AD采樣等操作，以達(dá)到調(diào)整信號(hào)輸入范圍，把振動(dòng)信號(hào)的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，保證FFT信號(hào)處理有足夠的帶寬。FIFO，主要作為外部輸入數(shù)據(jù)的緩沖單元(即對(duì)外部輸入電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行緩沖)；將外部高速AD采集的數(shù)據(jù)暫存到FIFO中，等到FIFO滿后一次性將數(shù)據(jù)送到雙端口 RAM儲(chǔ)存單元中，用于FFT處理器計(jì)算；控制單元主要作為各個(gè)單元協(xié)調(diào)工作的控制器?？刂茊卧?fù)責(zé)產(chǎn)生讀地址、寫地址、使能信號(hào)以及各個(gè)相關(guān)模塊的啟動(dòng)信號(hào)。雙端口 RAM儲(chǔ)存單元，用于對(duì)外部輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，以及用來暫存經(jīng)過蝶形運(yùn)算后的中間數(shù)據(jù)，每個(gè)蝶行運(yùn)算的輸入輸出數(shù)據(jù)均要經(jīng)過RAM的讀寫操作。因此，RAM的頻繁讀寫操作速度對(duì)FFT的處理速度影響較大。為了加快FFT的運(yùn)算速度，需要構(gòu)造雙端口 RAM來加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝?；本?shí)施例采用兩個(gè)雙端口 RAM存儲(chǔ)單元(即雙口RAMl和雙口 RAM2)。顯示單元,用于對(duì)數(shù)據(jù)處理單元傳送過來的數(shù)據(jù)處理單元傳送過來的振動(dòng)信息和補(bǔ)償信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。FFT處理器，利用傅立葉變換對(duì)高速A/D采集到的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)；FFT處理器把FFT實(shí)時(shí)化的要求和芯片設(shè)計(jì)靈活性結(jié)合了起來，實(shí)現(xiàn)并行算法與硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置，提高了 FFT處理速度，滿足了振動(dòng)信號(hào)分析處理的高速度、高分辨率、高可靠性的要求?？焖俑盗⑷~變換可以精確對(duì)振動(dòng)頻率提純，而且可以得到由于回轉(zhuǎn)體不平衡旋(即電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào))轉(zhuǎn)導(dǎo)致振動(dòng)特征頻率的幅值和相位。數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)FFT處理后的復(fù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行求模值運(yùn)算和相位計(jì)算，根據(jù)在轉(zhuǎn)速一定的情況下，振動(dòng)的模值和偏心點(diǎn)質(zhì)量成線性比例關(guān)系。通過求初始化質(zhì)量與振動(dòng)信號(hào)的模值的比例系數(shù)，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過再次測量振動(dòng)信號(hào)的模值和相位，利用這個(gè)比例系數(shù)來確定需要補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量(添加或是削減)M和相對(duì)位置，以輸出包括當(dāng)前轉(zhuǎn)速，需要補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量(添加或是削減)和相對(duì)位置結(jié)果(即得到振動(dòng)信號(hào)的幅頻特性和相位特性，基頻信號(hào)的幅值和相位反映出偏心點(diǎn)的相對(duì)質(zhì)量和相對(duì)位置與振動(dòng)頻率的關(guān)系D ) O
如圖2所示FFT處理器包括地址控制模塊、蝶形運(yùn)算單元、旋轉(zhuǎn)因子表存儲(chǔ)單元和倒序模塊地址控制模塊用來產(chǎn)生使能信號(hào)，并起到各單元的時(shí)序控制作用，以及產(chǎn)生正確的旋轉(zhuǎn)因子表查找地址，以及RAM的讀寫地址，對(duì)各模塊的時(shí)序進(jìn)行有效控制，保證系統(tǒng)正
常工作。 所述蝶形運(yùn)算單元，用于對(duì)存儲(chǔ)雙端口 RAM儲(chǔ)存單元的電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行蝶形運(yùn)算，所述蝶形運(yùn)算按照抽取方式的不同可分為DIT-FFT(按時(shí)間抽取)和DIF-FFT(按頻率抽取)算法。按照蝶形運(yùn)算的構(gòu)成不同可分為基2、基4、基8和任意因子(2n，n為大于I的整數(shù))，以及分裂基等。為更清楚的表示蝶形運(yùn)算單元的工作過程，以基-2循環(huán)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明(這也是本發(fā)明所述裝置的最優(yōu)實(shí)例，與流水線結(jié)構(gòu)相比，運(yùn)算速度下降，但由于其只使用一個(gè)蝶形處理器，所以占用的資源最少，流水線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算速率是這種循環(huán)結(jié)構(gòu)的Iog2N倍。)，模型如圖3所示基-2FFT中，N為采樣點(diǎn)數(shù)，N = 2M，共有M級(jí)運(yùn)算，每級(jí)有N/2個(gè)2點(diǎn)FFT蝶形運(yùn)算，因此N點(diǎn)FFT共有(N/2) Iog2N個(gè)蝶形運(yùn)算。I個(gè)基-2蝶形運(yùn)算由I個(gè)復(fù)乘運(yùn)算單元和2個(gè)復(fù)加運(yùn)算單元組成。其公式如下
/ \ / \ ( N、XlYi) = x\n)+x n-\--
V2 JX2 {n) = x{n) - x n + —
_v 2 Jj具體運(yùn)算過fe 和參數(shù)表不為= e =，p=0, 1，
2，…，N/2-1 ;設(shè)序列x(n)長度為N，其中N為FFT采樣點(diǎn)數(shù)；由于512點(diǎn)FFT每一級(jí)中總共需要256個(gè)旋轉(zhuǎn)因子，而每一級(jí)中旋轉(zhuǎn)因子的排列順序又都是有規(guī)律可循的，如在DIF-FFT的信號(hào)流圖中，第一級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子為<，K，……，K54，;第二級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子為<，K8，K8，……，W:, ^28;第三級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子為<，K，<28，K92，……<，<28，K2;……;第九級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子為K，……，<，％〗?？梢?，每一級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子都可以從第一級(jí)的256個(gè)旋轉(zhuǎn)因子中按照不同的間隔抽取出來，所以ROM中只需存儲(chǔ)第一級(jí)的256個(gè)旋轉(zhuǎn)因子即可。在計(jì)算不同級(jí)時(shí)，只需按照排列規(guī)律采用相應(yīng)的尋址方法即可，因此，ROM的地址線寬度也只用8位。所述旋轉(zhuǎn)因子表存儲(chǔ)單元，旋轉(zhuǎn)因子表實(shí)質(zhì)上是一個(gè)R0M，用來存儲(chǔ)每一級(jí)FFT運(yùn)算所需要的旋轉(zhuǎn)因子，N點(diǎn)FFT運(yùn)算流圖中，每級(jí)都有N/2個(gè)蝶形，每個(gè)蝶形都要乘以因子Wvn，稱其為旋轉(zhuǎn)因子，其中N為采樣點(diǎn)數(shù)，p稱為旋轉(zhuǎn)因子的指數(shù)。但各級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子和循環(huán)方式都有所不同。為了編寫計(jì)算程序，應(yīng)先找出旋轉(zhuǎn)因子與運(yùn)算級(jí)數(shù)的關(guān)系。為了提高運(yùn)算速度，將旋轉(zhuǎn)因子制作成ROM表，用來存儲(chǔ)每一級(jí)FFT運(yùn)算所需要的旋轉(zhuǎn)因子。所述倒序模塊，用于將蝶形運(yùn)算單元完成的運(yùn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行反序轉(zhuǎn)換為正序，實(shí)現(xiàn)頻譜正常順序輸出到數(shù)據(jù)處理單元中；由于DIT形式的FFT輸入數(shù)據(jù)x(n)地址為順序，但由于在運(yùn)算過程中對(duì)X(ri)作奇、偶分開，導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)地址不再是原來順序。如果數(shù)據(jù)地址由n位表示，位反轉(zhuǎn)的規(guī)則為第n-1位和第0位交換，第n-2位和第I位交換，第n_3位和第2位交換，……，依此類推就可以將反序轉(zhuǎn)換為正序。 具體流程如圖4所示首先，等待輸入振動(dòng)分析啟動(dòng)信號(hào)，然后進(jìn)行由旋轉(zhuǎn)物體不平衡旋轉(zhuǎn)造成的振動(dòng)量(即對(duì)外部輸入電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行緩沖)經(jīng)過前端信號(hào)處理單元處理(即AD采樣)，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入到FIFO(先入先出隊(duì)列)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，通過判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好來控制FFT處理器的開啟。數(shù)據(jù)通過FFT處理器之后，會(huì)把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)。由控制器發(fā)出啟動(dòng)FFT處理器信號(hào)，啟動(dòng)FFT內(nèi)部地址控制模塊，首先產(chǎn)生RAM寫地址，把FIFO中的數(shù)據(jù)寫入到雙口 RAMl中，然后產(chǎn)生RAMl的讀地址把第一級(jí)蝶形運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)送入蝶形運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)因子表的讀地址，把第一級(jí)蝶形運(yùn)算所需的旋轉(zhuǎn)因子送入到蝶形運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生蝶形運(yùn)算單元的啟動(dòng)信號(hào)。第一級(jí)蝶形運(yùn)算結(jié)束之后，地址控制單元產(chǎn)生RAM2的寫地址，把數(shù)據(jù)存入到RAM2中。進(jìn)過Iog2N(其中N為FFT采樣點(diǎn)數(shù))級(jí)的蝶形運(yùn)算后，完成一次FFT運(yùn)算。把數(shù)據(jù)處理后輸出，同時(shí)返回等待下一次振動(dòng)分析開始。暫存器RAM2中的數(shù)據(jù)就是FFT運(yùn)算后的復(fù)數(shù)形式的數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)其求模值運(yùn)算和求相位運(yùn)算，便可得到FFT后的幅頻特性和相頻特性。幅頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)質(zhì)量和振動(dòng)頻率的關(guān)系，而相頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)位置和振動(dòng)頻率的關(guān)系。動(dòng)平衡檢測和振動(dòng)分析裝置可集成一個(gè)芯片中(例如FPGA。)也可設(shè)置專門的芯片，在芯片內(nèi)部可采用多層布線結(jié)構(gòu)，更低的核心電壓，更豐富的IO管腳，容量可達(dá)到約20k個(gè)邏輯單元(LES)，內(nèi)置嵌入式RAM資源，內(nèi)部集成多個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)，多個(gè)嵌入的硬件乘法器，結(jié)合該芯片內(nèi)部嵌入式軟CPU及其內(nèi)部外設(shè)的搭建，所有這一切都使得該芯片在動(dòng)平衡檢測和振動(dòng)分析領(lǐng)域顯示出自己特有的優(yōu)勢。這也為無附加傳感器的垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)以上問題的提出，而研制一種無附加傳感器的垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡檢測系統(tǒng)。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下I)將電流傳感器連接到垂直回轉(zhuǎn)體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的私服驅(qū)動(dòng)器上；2)通過私服驅(qū)動(dòng)器后讀取電流值，即旋轉(zhuǎn)物體不平衡旋轉(zhuǎn)造成的振動(dòng)量表示電流，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入到FIFO單元中，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，通過判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好來控制FFT處理器的開啟；
3)FFT處理器的開啟后，數(shù)據(jù)通過FFT處理器把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，具體如下a、由控制器發(fā)出啟動(dòng)FFT處理器信號(hào)，啟動(dòng)FFT處理器內(nèi)部地址控制模塊，首先產(chǎn)生RAM寫地址，把FIFO中的數(shù)據(jù)寫入到雙口 RAMl中，然后產(chǎn)生RAMl的讀地址把第一級(jí)蝶形運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)送入蝶形運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)因子表的讀地址，把第一級(jí)蝶形運(yùn)算所需的旋轉(zhuǎn)因子Wn送入到蝶形運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生蝶形運(yùn)算單元的啟動(dòng)信號(hào)；b、第一級(jí)蝶形運(yùn)算結(jié)束之后，地址控制單元產(chǎn)生RAM2的寫地址，把數(shù)據(jù)存入到RAM2中，進(jìn)過Iog2N級(jí)的蝶形運(yùn)算后，F(xiàn)FT處理器完成一次運(yùn)算，把數(shù)據(jù)處理后輸出，同時(shí)返回等待下一次振動(dòng)分析開始；
C、暫存器RAM2中的數(shù)據(jù)就是FFT處理器運(yùn)算后的復(fù)數(shù)形式的數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)其求模值運(yùn)算和求相位運(yùn)算，便可得到相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性；4)幅頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)質(zhì)量和振動(dòng)頻率的關(guān)系,而相頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)位置和振動(dòng)頻率的關(guān)系，便得到垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡狀況。根據(jù)上述方法進(jìn)行無附加傳感器的垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡檢測裝置，包括前端信號(hào)處理單元，用于將采集到的模擬量信號(hào)即電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；FIFO，用于對(duì)外部輸入電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)的數(shù)字量進(jìn)行緩沖；控制單元，用于產(chǎn)生讀地址、寫地址、使能信號(hào)以及各個(gè)相關(guān)模塊的啟動(dòng)信號(hào)和控制信號(hào)；雙端口 RAM儲(chǔ)存單元，用于對(duì)外部輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，以及用來暫存經(jīng)過蝶形運(yùn)算后的中間數(shù)據(jù)；顯示單元，用于對(duì)數(shù)據(jù)處理單元傳送過來的數(shù)據(jù)處理單元傳送過來的振動(dòng)信息和補(bǔ)償信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；FFT處理器，利用傅立葉變換對(duì)由于電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)的頻率進(jìn)行提純，將電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)體不平衡旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致振動(dòng)特征頻率的幅值和相位；數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)FFT處理后的復(fù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行求模值運(yùn)算和相位計(jì)算，通過振動(dòng)的模值和偏心點(diǎn)質(zhì)量的關(guān)系對(duì)動(dòng)平衡振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輸出補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量和相對(duì)位置；所述FFT處理器包括地址控制模塊、蝶形運(yùn)算單元、旋轉(zhuǎn)因子表存儲(chǔ)單元和倒序模塊；所述地址控制模塊，用于產(chǎn)生使能信號(hào)、旋轉(zhuǎn)因子表查找地址以及雙端口 RAM儲(chǔ)存單元的讀寫地址，并對(duì)各單元的時(shí)序進(jìn)行控制；所述蝶形運(yùn)算單元，用于對(duì)存儲(chǔ)雙端口 RAM儲(chǔ)存單元的電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行蝶形運(yùn)算；所述旋轉(zhuǎn)因子表存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)蝶形運(yùn)算單元所需的旋轉(zhuǎn)因子％〗，其中N為采樣點(diǎn)數(shù)，P為旋轉(zhuǎn)因子指數(shù)；所述倒序模塊，用于將蝶形運(yùn)算單元完成的運(yùn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行反序轉(zhuǎn)換為正序，實(shí)現(xiàn)頻譜正常順序輸出到數(shù)據(jù)處理單元中；其特征在于前端信號(hào)處理單元通過電流傳感器連接到垂直回轉(zhuǎn)體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的私服驅(qū)動(dòng)器上獲取驅(qū)動(dòng)電流值。同現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，通過無附加傳感器而進(jìn)行垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)的平衡進(jìn)行檢測，這樣便規(guī)避了傳感器帶來的誤差和安裝傳感器時(shí)所帶來的麻煩。另外由于其使用同動(dòng)平衡分析裝置使用同一處理系統(tǒng)，這樣不僅便于生產(chǎn)，而且成本非常低廉適于廣泛推廣。


圖I為本發(fā)明背景技術(shù)所述平衡分析裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明背景技術(shù)所述平衡分析裝置中FFT處理器的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明背景技術(shù)所述平衡分析裝置中蝶形運(yùn)算單元流圖；圖4為本發(fā)明背景技術(shù)所述平衡分析裝置的流程圖；圖5為本發(fā)明的基本原理不意圖；圖6為本發(fā)明對(duì)應(yīng)關(guān)系不意圖。
具體實(shí)施例方式基本原理如圖5所示，當(dāng)物體以角速度《旋轉(zhuǎn)時(shí)，任意質(zhì)點(diǎn)在XY坐標(biāo)系的分速度分別為Vx= Co *R*cos 0 ①Vy= co*R*sin ②其中0為質(zhì)點(diǎn)M與X軸的夾角對(duì)①②式子求一階導(dǎo)數(shù)得 dV~- = o*i *sin6>(3)
dt
dV——[= 0*i *COS 沒④ dt因此對(duì)于質(zhì)點(diǎn)M，在XY方向的應(yīng)力為Fx= co*R*sin*M ⑤Fy = to *R*cos 9 *M ⑥由式子⑤⑥可以看出當(dāng)物體勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在X和Y方向的向心應(yīng)力為一個(gè)正弦值。任何剛性支撐物都可以認(rèn)為是一個(gè)彈性模型，即滿足F = k*X ⑦其中F為作用力，X代表形變有效形變量，k代表不同彈性模型的勁度系數(shù)。因此滿足在XY方向上如下k*Xx = Fx = co*R*sin*M ⑨k*Xy = Fy = co *R*cos 0 *M ⑩由⑨⑩可以看出，在XY方向的位移同樣是一種滿足正弦加速的位移，也就是說通過測量支撐物的加速度就可以間接的測量出旋轉(zhuǎn)部分的不平衡量。根據(jù)力矩的公式M = F L ;動(dòng)力臂長*動(dòng)力=阻力臂長*阻力,此時(shí)為力矩平衡狀態(tài)當(dāng)物體繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，力矩只有兩種可能的方向，所以可用正負(fù)號(hào)來表示。一般規(guī)定使物體沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩為正；使物體沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩為負(fù)。因此作用于有固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)物體上的幾個(gè)力矩的合力矩就等于它們的代數(shù)和。如果一個(gè)物體所受到的力的合力矩的代數(shù)和是O，那么就說這個(gè)物體處于力矩平衡狀態(tài)；如果合力矩代數(shù)和不為O，那么說明這個(gè)物體處于力矩非平衡狀態(tài)。如圖6所示根據(jù)永磁同步力矩電機(jī)的參數(shù)可知驅(qū)動(dòng)電流I越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T越大，I與T成正比例關(guān)系，T = kl*I，kl為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。I <^>F 當(dāng)垂直旋轉(zhuǎn)物體以角速度《順時(shí)針不平衡旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)力學(xué)知識(shí)可以分析出當(dāng) 轉(zhuǎn)臺(tái)上的偏心點(diǎn)M由位置I經(jīng)過位置2旋轉(zhuǎn)到位置3時(shí)，偏心點(diǎn)的力矩會(huì)產(chǎn)生變化，根據(jù)力矩公式M = F L可知，在此過程中偏心點(diǎn)M產(chǎn)生的力矩會(huì)先變大然后變小的過程，在位置2的時(shí)候力矩達(dá)到最大，而轉(zhuǎn)臺(tái)上的偏心點(diǎn)M由位置3經(jīng)過位置4旋轉(zhuǎn)到位置I時(shí)，在此過程中偏心點(diǎn)M產(chǎn)生的力矩會(huì)先變大然后變小的過程，在位置4的時(shí)候力矩達(dá)到最大。在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中，由于轉(zhuǎn)臺(tái)偏心點(diǎn)M產(chǎn)生的力矩不斷變化，導(dǎo)致電機(jī)T也會(huì)不斷變化，驅(qū)動(dòng)電流I和T成正比關(guān)系。動(dòng)力臂長*動(dòng)力=阻力臂長*阻力，此時(shí)為力矩平衡狀態(tài)，也說明物體處于平衡狀態(tài)。所以根據(jù)力矩平衡狀態(tài)的條件，通過測量電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流I和讀取角度編碼器的值e就可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)臺(tái)偏心點(diǎn)M的質(zhì)量和相對(duì)位置與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流I和角度編碼器讀取的角度值e的關(guān)系。無附加傳感器動(dòng)平衡檢測方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)應(yīng)用可編程邏輯器件FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜式無附加傳感器動(dòng)平衡檢測和振動(dòng)分析的解決方案。數(shù)字處理部分核心采用FPGA設(shè)計(jì)，使用硬件的并行處理技術(shù)，包含嵌入式軟CPU及其內(nèi)部外設(shè)的搭建，TFT液晶的顯示卡搭建，F(xiàn)FT處理器的搭建及其歷史數(shù)據(jù)備份和USB接口的開發(fā)。另外在CPU總線上將掛在幾個(gè)掉電保護(hù)的SRAM，用于對(duì)測試過的數(shù)據(jù)做存儲(chǔ)，包含補(bǔ)償信息和定標(biāo)信息。USB部分用來上傳測試信息。具體流程如下首先,等待輸入動(dòng)平衡分析的啟動(dòng)信號(hào)，由旋轉(zhuǎn)物體不平衡旋轉(zhuǎn)造成的振動(dòng)量(驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)的電流I)，通過私服驅(qū)動(dòng)器后讀取電流值，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入至IJ FIFO (先入先出隊(duì)列)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，通過判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好來控制FFT處理器的開啟。數(shù)據(jù)通過FFT之后，會(huì)把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)。由控制器發(fā)出啟動(dòng)FFT處理器信號(hào)，啟動(dòng)FFT內(nèi)部地址控制模塊，首先產(chǎn)生RAM寫地址，把FIFO中的數(shù)據(jù)寫入到雙口 RAMl中，然后產(chǎn)生RAMl的讀地址把第一級(jí)蝶形運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)送入蝶形運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)因子表的讀地址，把第一級(jí)蝶形運(yùn)算所需的旋轉(zhuǎn)因子Wn送入到蝶形運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生蝶形運(yùn)算單元的啟動(dòng)信號(hào)。第一級(jí)蝶形運(yùn)算結(jié)束之后，地址控制單元產(chǎn)生RAM2的寫地址，把數(shù)據(jù)存入到RAM2中。進(jìn)過Iog2N(其中N為FFT變化的點(diǎn)數(shù))級(jí)的蝶形運(yùn)算后，完成一次FFT運(yùn)算。把數(shù)據(jù)處理后輸出，同時(shí)返回等待下一次振動(dòng)分析開始。暫存器RAM2中的數(shù)據(jù)就是FFT運(yùn)算后的復(fù)數(shù)形式的數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)其求模值運(yùn)算和求相位運(yùn)算，便可得到FFT后的幅頻特性和相頻特性。幅頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)質(zhì)量和振動(dòng)頻率的關(guān)系，而相頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)位置和振動(dòng)頻率的關(guān)系。本設(shè)計(jì)應(yīng)用可編程邏輯器件FPGA和AVR單片機(jī)雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜式無附加傳感器動(dòng)平衡檢測和振動(dòng)分析的解決方案。(I)前端信號(hào)處理單元主要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)、帶通濾波等操作，以達(dá)到調(diào)整信號(hào)輸入范圍；
(2)信號(hào)采集模塊以高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9220為核心，保證頻譜分析儀有足夠的帶寬；(3) FFT處理器對(duì)時(shí)域采樣點(diǎn)進(jìn)行256點(diǎn)基2FFT運(yùn)算，計(jì)算時(shí)域信號(hào)的頻譜；(4)地址控制模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生讀地址、寫地址、使能信號(hào)以及相關(guān)模塊的啟動(dòng)、控制信號(hào)，是本模塊的核心；雙口 RAM負(fù)責(zé)對(duì)外部輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存；蝶形運(yùn)算單元完成
2點(diǎn)DFT運(yùn)算；旋轉(zhuǎn)因子表實(shí)質(zhì)上是一個(gè)R0M，用來存儲(chǔ)每一級(jí)FFT運(yùn)算所需要的旋轉(zhuǎn)因子；暫存器RAM用來暫存經(jīng)過蝶形運(yùn)算后的中間數(shù)據(jù)；倒序模塊實(shí)現(xiàn)頻譜正常順序輸出；由于FFT的運(yùn)算結(jié)果是復(fù)數(shù)，所以還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行求模值運(yùn)算和相位計(jì)算。控制單元對(duì)各模塊的時(shí)序進(jìn)行有效控制，保證系統(tǒng)正常工作；(5)數(shù)字處理部分核心采用FPGA設(shè)計(jì)，使用硬件的并行處理技術(shù)，包含嵌入式軟CPU及其內(nèi)部外設(shè)的搭建，TFT液晶的顯示卡搭建，F(xiàn)FT代碼的搭建及其歷史數(shù)據(jù)備份和USB接口的開發(fā)。另外在CPU總線上將掛在幾個(gè)掉電保護(hù)的SRAM，用于對(duì)測試過的數(shù)據(jù)做存儲(chǔ)，包含補(bǔ)償信息和定標(biāo)信息。USB部分用來上傳測試信息，用于上位機(jī)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種無附加傳感器的垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡檢測方法，其特征在于包括如下步驟 1)將電流傳感器連接到垂直回轉(zhuǎn)體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的私服驅(qū)動(dòng)器上； 2)通過私服驅(qū)動(dòng)器后讀取電流值，即旋轉(zhuǎn)物體不平衡旋轉(zhuǎn)造成的振動(dòng)量表示電流，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入到FIFO單元中，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，通過判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好來控制FFT處理器的開啟； 3)FFT處理器的開啟后，數(shù)據(jù)通過FFT處理器把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，具體如下 a、由控制器發(fā)出啟動(dòng)FFT處理器信號(hào)，啟動(dòng)FFT處理器內(nèi)部地址控制模塊，首先產(chǎn)生RAM寫地址，把FIFO中的數(shù)據(jù)寫入到雙口 RAMl中，然后產(chǎn)生RAMl的讀地址把第一級(jí)蝶形運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)送入蝶形運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)因子表的讀地址，把第一級(jí)蝶形運(yùn)算所需的旋轉(zhuǎn)因子Wn送入到蝶形運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生蝶形運(yùn)算單元的啟動(dòng)信號(hào)； b、第一級(jí)蝶形運(yùn)算結(jié)束之后，地址控制單元產(chǎn)生RAM2的寫地址，把數(shù)據(jù)存入到RAM2中，進(jìn)過Iog2N級(jí)的蝶形運(yùn)算后，F(xiàn)FT處理器完成一次運(yùn)算，把數(shù)據(jù)處理后輸出，同時(shí)返回等待下一次振動(dòng)分析開始； C、暫存器RAM2中的數(shù)據(jù)就是FFT處理器運(yùn)算后的復(fù)數(shù)形式的數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)其求模值運(yùn)算和求相位運(yùn)算，便可得到相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性； 4)幅頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)質(zhì)量和振動(dòng)頻率的關(guān)系,而相頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)位置和振動(dòng)頻率的關(guān)系，便得到垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡狀況。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法進(jìn)行無附加傳感器的垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡檢測裝置，包括 前端信號(hào)處理單元，用于將采集到的模擬量信號(hào)即電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量； FIFO，用于對(duì)外部輸入電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)的數(shù)字量進(jìn)行緩沖； 控制單元，用于產(chǎn)生讀地址、寫地址、使能信號(hào)以及各個(gè)相關(guān)模塊的啟動(dòng)信號(hào)和控制信號(hào); 雙端口 RAM儲(chǔ)存單元，用于對(duì)外部輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，以及用來暫存經(jīng)過蝶形運(yùn)算后的中間數(shù)據(jù)； 顯示單元，用于對(duì)數(shù)據(jù)處理單元傳送過來的數(shù)據(jù)處理單元傳送過來的振動(dòng)信息和補(bǔ)償信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示； FFT處理器，利用傅立葉變換對(duì)由于電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)的頻率進(jìn)行提純，將電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)體不平衡旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致振動(dòng)特征頻率的幅值和相位； 數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)FFT處理后的復(fù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行求模值運(yùn)算和相位計(jì)算，通過振動(dòng)的模值和偏心點(diǎn)質(zhì)量的關(guān)系對(duì)動(dòng)平衡振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輸出補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量和相對(duì)位置；所述FFT處理器包括地址控制模塊、蝶形運(yùn)算單元、旋轉(zhuǎn)因子表存儲(chǔ)單元和倒序模塊；所述地址控制模塊，用于產(chǎn)生使能信號(hào)、旋轉(zhuǎn)因子表查找地址以及雙端口 RAM儲(chǔ)存單元的讀寫地址，并對(duì)各單元的時(shí)序進(jìn)行控制； 所述蝶形運(yùn)算單元，用于對(duì)存儲(chǔ)雙端口 RAM儲(chǔ)存單元的電機(jī)不平衡旋轉(zhuǎn)造成振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行蝶形運(yùn)算； 所述旋轉(zhuǎn)因子表存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)蝶形運(yùn)算單元所需的旋轉(zhuǎn)因子其中N為采樣點(diǎn)數(shù)，P為旋轉(zhuǎn)因子指數(shù)；所述倒序模塊，用于將蝶形運(yùn)算單元完成的運(yùn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行反序轉(zhuǎn)換為正序，實(shí)現(xiàn)頻譜正常順序輸出到數(shù)據(jù)處理單元中； 其特征在于前端信號(hào)處理單元通過電流傳感器連接到垂直回轉(zhuǎn)體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的私服驅(qū)動(dòng)器上獲取驅(qū)動(dòng)電流值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無附加傳感器的垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡檢測系統(tǒng)，其特征在于包括如下步驟將電流傳感器連接到垂直回轉(zhuǎn)體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的私服驅(qū)動(dòng)器上，輸入到FIFO單元中，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，通過判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好來控制FFT處理器的開啟，數(shù)據(jù)通過FFT處理器把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)；得到相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性；幅頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)質(zhì)量和振動(dòng)頻率的關(guān)系，而相頻特性反應(yīng)了偏心點(diǎn)的相對(duì)位置和振動(dòng)頻率的關(guān)系，便得到垂直回轉(zhuǎn)體動(dòng)平衡狀況。該系統(tǒng)具有誤差小、安裝方便和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)適于廣泛推廣。
文檔編號(hào)G01M1/22GK102788662SQ201110127730
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者于德海, 張贊秋, 李俊, 郝天陽, 隋繼平 申請人:大連光洋科技工程有限公司