基于LabVIEW的电机振动测试虚拟仪器的设计

a ) 叠加了其他成份的正弦波 图 2 数据幅相频特性曲线及峰值统计界面
图中, 对采集得到的信号进行了频域分析, 并将 各频率的幅值计算结果做了必要的显示。 电机转子因质量不平衡所引起振动的频率与其 旋转的频率相等, 振动的相位也较为稳定, 其波形为 一稳定的正弦波。 但是由于其它因素的影响 , 不平衡 旋转部件旋转时产生的实际信号中含有丰富的谐 波、 噪声和异频成分。在实测信号中 , 包含了丰富的 谐波分量, 使波形产生严重的失真, 大大影响了测量 的精度 , 所以必须对其加以滤除。 由于不平衡引起的 振动位移与转速的频率相同 , 因此, 在轴承上检测出 的振动位移信号中, 与转速同频的信号视为不平衡 信号, 而具有其它频率的信号则视为噪声。 当不平衡 很小时 , 其信噪比相当恶劣。因此, 从振动信号中取 出仅与转速同频的不平衡信号以及测量出不平衡相 位是测量系统的两个重要问题。 由于回转部件动不平衡引起的强迫振动的频率 同时 , 准确求出基频信号的幅值和相位即可为 不平衡信号的幅值和相位, 在本系统中采用离散傅 里叶变换 DFT 求得其幅值和相位。 在一个周期里进 行 N 个点的等间隔采样, 所得时域序列为 x ( 0) - x ( n- 1) , 其 DFT 为:
N- 1
2 n 式中:Biblioteka 1 = ∑ x ( n) cos N n= 0 N- 1 2 n b 1= ∑ x ( n) sin n= 0 N 则幅值 A 1 和相角 1 分别为: A 1=
1 2 1
+ b1
2
b1 = arctan a1 求得的相角为信号的初相角正峰相位 = 90° 1 。同时考虑振动传感器与键相信号传感器的安装 夹角为 , 则实际正峰相位 = 90° - 1+ 。 相关方法的主要误 差来源于转速频率的准确 性 , 信号频率在 1% 范围内变化时 , 测量准确率可达 到 0. 5% 。在软件中, 为提高转速的测量精度, 采用 以转速频率 256 倍的采样频率的方法重新采样 , 在 提高振动信号采样精度的同时提高对转速信号的采 样精度同时每周期采样点数达到 256 点, 提高了分 析精度。
微电机 2005 年 第 38 卷 第 6 期 ( 总第 147 期 )
基于 L abV IE W 的电机振动测试虚拟仪器的设计
范 峥, 田效伍
( 河南机电高等专科学校自控系 , 新乡, 453002)
摘 要 : 目前我国电机的检验水平相对较为落后 , 而中 小型企业普遍存在着较严重的资金匮乏问题。因此开发一种 成本较低而功能齐全、 性能优良、 自动化水平较高 的综合测试仪器平 台具有现实意义和 应用价值 , 而 当前虚拟仪器 技术的迅速发展为实现这一目标提供了可能。 本文介绍了在 L abV IEW 环境下建立振动虚 拟仪器的方法 , 讨论了利 用自相关方法滤除噪声和计算电机振动振幅 和相位的方法。 关键词 : 振动仪器 ; 虚拟仪器 ; 电动机 中图分类号 : T M 306 文献标识码 : A 文章编号 : 1001- 6848( 2005) 06- 0102- 03
总是和其转速一致的 , 此频率和其它振动源引起的 强迫振动频率不一样。 因此, 可以认为和该部件转速 不一致的振动与其动不平衡无关 , 研究振动信号中 和该部件转速有关的成分, 就可以获得其动不平衡 状况的信息。为了提取不平衡量和相位差可采用相 关滤波器。 在滤波器中, 只要将激振信号和所测得的 响应信号进行互相关处理, 就可以得到由激振而引 起的响应幅值和相位差, 消除了噪声干扰的影响。 本 系统采用测得的转速信号生成与之同频的正弦数字 信号与所测得的响应信号进行互相关处理 , 从而得 到与转速频率相同的基频成分 , 进而求出其振幅和 相位 , 即得到不平衡量的矢量描述。 由于直接计算相关计算量很大 , 因此, 本文采用 了快速相关的方法。 快速相关是利用 FF T 计算相关 函数 , 也就是利用圆周相关代替线性相关。 互相关运 算采用生成的幅值为 1 的同频正弦数字信号与原始 数据运算 , 结果表明 , 通过上述运算 , 保持了其频率 , 幅值及相位信息, 通过适当的处理可得到准确的原 始数据所需频率成分的幅值及相位特征。对互相关 计算结果的验证如图 3 所示。
N- 1
b) 滤波后在正 弦波 图 3 互相关滤波器效果图
x ( k) =
∑x ( n) e
n= 0
-J
2 kn N
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式中, k , n = 0, 1, 2 …… , n- 1。 当 k = 1 时, x ( 1) 为其基频分量, 有 : x ( 1) = - 1 ∑n x ( n) e n= 0
收稿日期 : 2005- 05- 31
作可靠、 信噪比高、 安装方便等优点 , 综合性能最佳 , 适合本系统的应用。 另外 , 还选用光电传感器作为速 度测量通道传感器, 完成转速测量。信号调理部分 , 压电传感器采用电荷放大器和积分电路 , 而光电传 感器由于直接输出数字脉冲信号 , 可以直接与数据 采集设备连接, 作为同步触发信号。见如图 1。
The study and desi gn the VI to test vibrati on of el ectromotor by LabVIEW FAN Zheng , T IAN Xiao - wu
( Henan M echatro nics Co lleg e, Xinx iang , 453002, China ) Abstract: T he metho d t hat found VI to test vibr ation o f electr omo to r base o n La b V IEW be intr oduced , discussed the method to filter no ise by self - co rr ela tio n and to co mpute the sw ing a nd phase o f the electr omo to r v ibrat ion. Key words: Vibration; V I ; Cro ss- co rr elat ion; M ot or
2 - j kn N
取出基频振动的波形 , 消除了噪声干扰的影响 , 可准 确测量出基频成分的振幅和相位。
1
=
1
+ j b 1 = A 1<
3. 该虚拟仪器应具有振动信号时、 频域动态示 波器 , 振动信号频谱分析, 波形分析, 现场数据的存 储、 分析、 打印等功能。 软件全部采用图形化界面, 使 用方便, 适合工业现场应用。 整个系统具有界面友好、 操作方便、 功能齐全等 优点 , 试验结果表明研制基于虚拟仪器的自动测试 系统 , 增加了试验过程的稳定性, 避免了人为的读数 误差、 计算误差以及相关数据不能同时记录所引起 的试验结果的偏差 , 提高了测试精度和试验效率具 有较高的推广应用价值。
1 测试系统的基本组成
本系统采用工业 PC 计算机和数据采集设备配 合必要的传感器构成硬件系统, 以 L abVIEW 作为 系统的开发平台来构建电机测试的虚拟仪器系统。 由于 PC 及其配件成本不断下降及其性能的飞速提 升 , 可以在增强系统的功能和使用灵活性的同时将 成本降至最低。 电机测试系统的主要工作是通过对电机运行中 的振动信号数据的采集和分析来进行的。数据采集 系统一般由传感器、 信号调理电路和数据采集设备 组成。 对于虚拟仪器系统来说, 数据采集设备属于虚 拟仪器的一部分 , 而传感器和信号调理装置则可以 根据实际需要进行选择或更换。 在本系统中 , 考虑到 系统的成本, 对于硬件系统尽可能简化, 采用基本的 传感器和采集设备及 PC 计算机构成。 在硬件系统中 , 首先是传感器的选择。 振动信号 检测由传感器实现 , 实际中最常用的传感器有 3 种: 即惯性式速度传感器、 压电式加速度传感器和非接 触式涡流传感器。 在此选用了压电式加速度传感器。 压电加速度传感器是一种安装方便、 使用广泛的振 动检测传感器 , 它具有体积小、 重量轻、 机构简单、 工
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基于 L abV IEW 的电机振动测试虚拟仪器的设计 范峥 田效伍
集、 数据分析和高分辨率图形显示为一体的虚拟仪 器软件 , 通过它可以方便地按照需要组建自己的虚 拟 仪器 系统并 可随时 根据需 要进 行扩充。同时, L ABVIEW 通 过多种接口技术提供对 其它软件的 支持, 从而大大扩展了自身的功能和应用。 本系统软件主要采用 L abView 编制, 并在其中 调用了 VC 与 Ex cel 的程序。这样既有 LabView 编 程方便的特点 , 又有 VC 方便灵活、 适 应面宽的优 点 , 同时还具有 Excel 制作报表方面的优势。 振动信号的动态显 示对现场应用有着重要意 义 , 因此数字示波器是系统所必需的功能。 利用此功 能 , 运行人员可实时的观察振动信号的波形及频谱 变化, 利于准确判别故障类型, 分析故障原因。在示 波器功能中, 可同时实现双通道的时域波形或单通 道的幅、 相频特性显示 , 并且可在示波过程中实现时 / 频域切换。 分析能力是虚拟仪器的一个主要优势。在本系 统中, 分析功能包括频谱分析和波形分析两部分。 波形分析功能是对 采集到的数据进行统计分 析 , 在频域中提供前 5 阶幅值最大的频率点及幅值、 相位显示; 在时域中提供最大正、 负峰值、 峰峰值、 平 均值、 有效值、 标准差等统计分析。如图 2 所示 :
3 结 语
在本系统中 , 虚拟仪器的硬件部分均为模块化 设计, 可方便的维护或更换。软件基于 Window s 平 台 , 界面友好、 操作简单、 运动可靠, 该仪器具有以下 特点: 1. 以工业 PC 为平台, 测试分析准确, 携带方便。 2. 在测试中采用互相关原理, 在噪声背景下提 ( 上接第 83 页 ) 场合, 如 : 无铁心无刷直流力矩电机等。 总之 , 无铁心 无刷直流电机以其无铁心、 单位体积出力大 , 效率高 等特点 , 可广泛应用于航空、 航天、 军事、 医疗和工业 自动控制等领域, 具有广阔的发展前景。