一种船用发动机扭振测量方法及其硬件实现研究

一种船用发动机扭振测量方法 及其硬件实现研究
付永庆 硕士/ 教授 哈尔滨工程大学信息与通信工程学院 [ 150001 ]
W. Kinsner Ph. D.
,Prof . and Associate Head of Department of Electrical & Computer
Engineering , University of Manitoba , Winnipeg , Manitoba R3 T5V6 ,Canada
ZN 0 ZN 0
k =1
6 360° Z
k
1
τn i - Ω
( 5)
2. 2 主轴平均角速度
通过对齿填充脉冲数进行累积 , 可以算出主轴 平均转动角速度为 Ω=
1 2
6
2Z
| Δ ni | +
1
N0
k =1
6
ni
2Z
( ni | ΔN 0 | ) ( 11 )
Φ
360°
2Z +
1
i =1
6
2Z
3. 1 基于 FP GA 的硬件实现
一个基于 FP GA 实现本文算法的硬件电路结
Vol. 26 No. 1 2004 SHIP EN GIN EERIN G 27
付永庆 、 W. Kinsner : 一种船用发动机扭振测量方法及其硬件实现研究
构如图 3 所示 。
图3 硬件电路结构图
图中 , U1 为拾取齿脉冲的前端光电传感单元 ; U2 为齿脉冲整形和幅度调整单元 ; U3 为实现扭振算 法的 FP GA 芯片 ; U4 为主轴转速输出单元 ; U5 用 于在系统编程和支持系统功能可重配置 ; U6 为支 持长线传输的扭振数据输出接口 。 该电路的主钟频率为 40M Hz ; SIO 数据传输率 为 400kb/ s ;J TA G 接口支持对飞轮齿数和 SIO 奇偶 校验等参数的设置和修改 。 3. 2 硬件功能仿真系统 为了 验 证 上 述 硬 件 电 路 设 计 ( 不 含 SIO 和 J TA G 接口 ) 的正确性 , 使用 SystemView [ 3 ] 设计了 一个硬件模拟仿真系统用于硬件制造之前对系统功 能评价 ,图 4 示出了该硬件模拟仿真系统 。
摘 要 本文提出了一种新的能实时预报船用发动机主轴系统扭转振动的精确测量方法 。首 先 ,根据脉冲填充法的原理 ,在主轴作匀速转动的条件下 ,推导了一个用于精确计算齿脉冲发生时 刻主轴系统扭振振幅的理论公式 。然后 ,由该式建立了实时求取主轴系统扭振数据的递推算法 ,并 给出了测量主轴平均转速的公式 。文中也对扭振算法的基本误差和主轴转速变化的影响进行了讨 论 。最后给出了一个基于 FP GA 实现本算法的硬件电路 , 并使用动态系统仿真工具 SystemView 对其工作性能进行了模拟和评价 。结果表明 : 理论计算与实验数据有良好的吻合 。 关键词 仪器仪表技术 扭振测量 脉冲填充方法 系统仿真 中图分类号 TH825
图2 填充脉冲法原理示意图
考虑计算只发生在齿脉冲产生时刻 ,故用 k 取代了 上述公式中的时间点 t k 。 2. 3 递推算法 根据式 ( 7) ～ ( 9 ) , 可以给出主轴扭振递推算法 如下 : ( a) 初始化 : 令 φ( 0) = 0 , N 0 = 0 及 i = 0 ; ( b) 每当第 2Z 个齿脉冲到来 ,便对 N 0 更新 ; ( c) 若齿脉冲产生 ,且 N 0 ≠ 0 ,则执行运算 : ) 1 i = i +1; 2) 求出 φ 珔( i ) ; 3 ) 由 φ( i ) = φ ( i - 1 ) + φ 珔( i ) 算出主轴扭振 。 否则 ,返回步骤 ( b) 。 2. 4 算法误差 在主轴转动角速度保持恒定的情况下 , 上述递 推算法的误差仅由量化误差所引起 ,故可推出 Δ φ( t k ) =
图4 硬件功能模拟仿真系统
图中 ,29 个顶层 Icons 用于完成图 3 给出的硬件电 路的功能 。其中 , Icon44 为产生齿脉冲的超系统 ( 由 多个子 icons 组成的系统 ) ; Unit1 用于产生与齿脉 冲相应的填充脉冲数 n i ; Icon25 用于生成周期为 2Z 的 N 0 更新脉冲 ; Unit2 和 Icon42 用于生成齿平均 填充脉冲 N 0 ; Icon39 和 Icon43 联合用于生成启动 扭振累积器工作的初始脉冲 ; Unit3 为扭振累积运
ni 1 2Z 360° Z 1 n i =1 2 i =1 i
tk
=
ZN 0
{
2 Z + 1}
( 12 )
需要指出 ,当主轴转速不能保持恒定时 ,实际误 差将会超出由式 ( 12) 确定的误差上界 。但转速波动 的影响可忽略 ,因为发动机轴系的惯性对转速波动 有很强的抑制作用 。
6
k
6
3 算法实现与仿真验证
付永庆 、 W. Kinsner : 一种船用发动机扭振测量方法及其硬件实现研究
δ φ( t i ) =
∫
ti- 1
ti
ωd t 360°
1
Z ( 2) - ΩT i
= =
i =1 k
6 360°Z
珔( i ) 6φ
k
1
1 -
ni N0
( 7)
= 360°
i =1
进一步 ,在齿脉冲发生时刻 ,对主轴扭振振幅增 量进行累积 ,可得到主轴扭振振幅的计算公式为 φ( t k ) =
i =1
这里 ,填充脉冲的周期为 τ,每个齿脉冲间隔时间内 填充的脉冲数 ( 齿脉冲扩展倍数) n i 为 ( 4) ni = Ti/ τ 进一步用 n i 取代 T i ,则式 ( 3) 改变为 φ( t k ) =
i =1
6
k
360°
Z
-
1
N0
Δni +
ni
N2 0
Δ N 0 ( 10)
式中 ,Δ n i = ±1 为齿脉冲间隔时间量化误差 ; 而 ΔN 0 = ± 1/ ( 2 Z) 为齿平均填充脉冲量化误差 。 假设Δ n i 和Δ N 0 都具有白噪声的分布特性 ,并 注意主轴扭振具有周期性 ,容易得到 Δ φ( t k ) Φ360°
= =
其中 , N 0 =
1 n 2 Z i =1 i
6
2Z
( 8)
N0
ωd t 360° ∫
t0
k
tk
ni 1 而 φ 珔( i ) = 360° 1 Z ( 3)
( 9)
i =1 k
6∫t Biblioteka 21tiωd t 360°
1
- ΩT i
i =1
6 360° Z
式中 , t k 为第 k 个齿脉冲的发生时刻 。 式 ( 3) 表明 , 主轴平均角速度 Ω 和相邻齿脉冲 间隔时间 T i 直接影响扭振的测量精度 。 通常 ,增加齿脉冲数可提高主轴平均角速度 Ω 的测量精度 , 但这要受到飞轮齿数 Z 的限制 。为 此 , 采用填充脉冲法来扩展齿脉冲的数量以达到精 度测量 Ω 和 T i 的双重目的 ,原理如图 2 所示 。
V HDL 程序 [ 425 ] 。
图6 实验曲线
系统扭转振动强度的新方法 , 研究了算法误差和硬 件实现问题 ,并用模拟仿真和硬件试验验证了新算 法在实时扭振测量和硬件实现方面的有效性 。 此外 ,新方法也展示了容易与远程计算机 ,特别 是笔记本计算机相接口的便利性 。 鸣谢 本文工作得到了来自哈尔滨工程大学 、 中国留 学基金委员会 、 加拿大曼尼托巴大学 ( University of Manitoba) 和加拿大国 家 科 学 与 工 程 研 究 委 员 会 ( NSERC) 的支持 ,在此一并表示衷心的感谢 。
= Z {Ω + ω} d t ∫360°
ti- 1 ti
=
( 1)
2 扭振测量原理
2. 1 公式推导
用光电传感器测量发动机轴系扭振有反射式和 透射式两种结构 。为便于图示说明 , 图 1 仅给出了
26 船舶工程 2004 年第 26 卷第 1 期
式中 ,Z 为主轴飞轮的齿数 ; i = 1 , 2 , 3 , …, Z 。 φ( t i ) 为第 i 个相邻齿脉冲间隔时间内的 令δ 主轴扭振增量 ,则由式 ( 1) 变形得到
4 实验结果
根据图 4 设计了 V HDL 程序并下载到 FP GA 中实现了图 3 所示硬件电路的功能 。并且 , 在机械 试验台上对该硬件电路进行了性能评价试验 。 设置机械扭振中的多频成份为 φ1 ( t ) = 2 . 86cos ( 200πt ) ( 13 ) φ2 ( t ) = 1 . 43cos ( 400πt ) φ3 ( t ) = 1 . 91cos ( 600πt )
反射式光电传感前端单元的结构 。
图1 光电传感前端单元
图中 ,Ω 和ω 分别为主轴平均角速度和主轴振动角 速度 ,单位均为每秒转数 ( s - 1 ) ; t i 和 t i - 1 分别为飞 轮第 i 齿和第 i21 齿通过光电传感器产生相应齿脉 冲时的对应时间 ;α为飞轮相邻齿间的夹角 ,单位为 度 ;假定由光电传感器直接获得的原始齿脉冲经过 了波形整形和幅度归一化处理 。 为便于公式推导 , 把第 i 齿和第 i21 齿的脉冲 间隔时间 ( 以下简称为第 i 个相邻齿脉冲间隔时间) 用 T i = t i - t i21 来表示 。显然 , T i 隐性地包含了主 轴扭振信息 。 由于任意二相邻齿间的夹角 α 是固定的 , 故容 易建立下列关系 α 360°
0 引 言
研究已经证实扭转振动是船舶 、 汽车和机车发 动机系统轴系损坏的主要原因 , 因此检测发动机轴 系扭振对保证动力发动机的安全是十分重要的 。目 前已有许多扭振测量方法被提出 , 例如惯性传感器 法和磁电传感器法[ 1 ] 。尽管这些方法已在实际工 程中应用 , 但仍有进一步改进测量精度的需要[ 2 ] 。 这里 ,本文将提出一种新的能实时精确测量主轴系 统扭振振幅的方法 。它采取了基于光电传感器的数 字化方案 ,并且具有易于硬件实现和与远程计算机 接口的特点 。 首先 ,根据脉冲填充法的原理 ,在主轴作匀速转 动的条件下 ,建立了一个扭振振速与主轴相邻齿间 夹角的关系方程 , 并由此推出了计算齿脉冲发生时 刻发动机主轴系统扭振振幅的理论公式 。然后 , 给 出了递推算法和主轴平均转速计算公式 。同时 , 也 讨论了扭振算法的基本误差和主轴平均转速波动的 影响 。最后 ,给出了一个实现本算法的 FP GA 硬件 电路 ,用动态系统仿真工具 SystemView 对其工作 性能进行了功能模拟仿真和评价 , 取得的理论与实 验数据良好吻合的结果验证了本测量方法和硬件设 计的正确性与工程可行性 。