趙 浩

（嘉興學(xué)院，浙江嘉興 314001）

在回轉(zhuǎn)機(jī)械中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料性能的原因，使轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生振動，具體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速的隨機(jī)波動，即存在角加速度，由此產(chǎn)生振動力矩。這種振動極易引起機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞和結(jié)構(gòu)松散，尤其是當(dāng)振動頻率接近機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率時，會造成很大的破壞性，因此對扭轉(zhuǎn)振動的測量具有重要的實際意義。

近年來，一些學(xué)者和專家在扭振測量領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的研究。黃震［1］等提出了一種基于激光多普勒技術(shù)和光學(xué)外差原理對高速回轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行扭振測量的新方法，可以直接測量轉(zhuǎn)動角加速度;廖明夫［2］創(chuàng)立了一種測量轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動的新方法，通過設(shè)計專門測扭裝置直接提取和分析由轉(zhuǎn)子扭振變化的動應(yīng)變信號，從而獲取轉(zhuǎn)子扭振特征;李松和［3］等從扭振數(shù)字化測量的原理入手，推導(dǎo)出了測量信號中畸點(diǎn)數(shù)據(jù)的判據(jù);趙文生［4］等研究了一種基于希爾伯特變換的高分辨率扭轉(zhuǎn)振動測量方法及相應(yīng)的脈沖調(diào)制解調(diào);劉彬［5］等用動力學(xué)理論推導(dǎo)，得到了轉(zhuǎn)軸瞬時轉(zhuǎn)速波動的非平穩(wěn)描述;何青［6］等開發(fā)完成了一種新型智能化扭振測量分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了扭振的在線高精度測量;時培明［7］等提出了一種基于扭振信號拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的軋機(jī)動態(tài)轉(zhuǎn)矩測量方法，解決了不在同一軸上的關(guān)鍵點(diǎn)扭振信息提取技術(shù);邱群虎［8］等通過理論推導(dǎo)，定量分析了用等分齒盤作為扭轉(zhuǎn)振動測量信號齒盤時，齒數(shù)與扭振測量精度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系;楊卓君［9］等介紹了一種把加速度傳感器直接安裝在轉(zhuǎn)子上，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下測量轉(zhuǎn)子扭振的方法;楊懌菲［10］等采用軟硬件協(xié)同設(shè)計思想，提出了一種用SOPC技術(shù)實現(xiàn)軸系扭振測量的方案;賀敏佳［11］利用Newton力學(xué)法建立了一種復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭振的測量模型，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的扭振計算提供了新的途徑。

本文提出了一種非接觸式的扭振直接測量方法。原理是將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化成高頻脈沖數(shù)并進(jìn)行計數(shù)，高頻脈沖數(shù)的差值反映了轉(zhuǎn)軸的瞬時扭振信息。該系統(tǒng)測量扭轉(zhuǎn)振動的實時性高，對回轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷具有實用價值。

1 扭振測量基本原理

轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速信號由高精度光柵和紅外光電對管獲取。光柵作為精密測量的一種工具，由于它本身具有的優(yōu)點(diǎn)，已在精密儀器、坐標(biāo)測量、精確定位、高精度精密加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［12］。通過光柵組件將柵格均勻的光柵片固定在轉(zhuǎn)軸上，光柵片的兩側(cè)安裝紅外光電對管。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，利用紅外光電對管，采集透過光柵片形成類似正弦信號的轉(zhuǎn)速信號。

將轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行濾波、放大和整形后得到如圖1所示的方波信號S。如果轉(zhuǎn)軸無扭振，則S信號的脈寬都相同;當(dāng)轉(zhuǎn)軸存在扭振時，S信號的脈寬發(fā)生變化，變化的大小反映扭振的大小，因此，只要測出脈寬的變化，就得到轉(zhuǎn)軸的扭振。由旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩平衡方程式得

式中:T為電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;（GD2/375）·dn/dt為轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動;GD2為飛輪力矩，對于設(shè)計好的轉(zhuǎn)軸其為定值。由此可知，扭振對轉(zhuǎn)軸的影響直接以角加速度的形式表現(xiàn)出來。

信號S和高頻脈沖信號CLOCK進(jìn)行與邏輯，得到信號GPCZ。設(shè)計的光柵格數(shù)為z，柵格與柵線均勻分布，則一個柵格的角度和一個柵線的角度同為θ=π/z。高頻脈沖的頻率為f，設(shè)GPCZ信號脈寬內(nèi)高頻脈沖數(shù)為m，一個周期內(nèi)高頻脈沖數(shù)為M，則t1～t2時間段的平均角速度為ω1=π·f/（m·z），t2～t3時間段的平均角速度為ω2=π·f/［（M －m）·z］，則轉(zhuǎn)軸在 t1～t3這段時間的平均角加速度為:

其中高頻脈沖頻率f和柵格數(shù)z為已知量，由式（2）可知，只要測得一個GPCZ脈寬內(nèi)的高頻脈沖數(shù)m和一個脈沖周期內(nèi)的高頻脈沖數(shù)M，就得到角加速度值γ。

2 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)上述功能，測量系統(tǒng)的總體構(gòu)成由如圖2所示。該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速傳感器、信號處理電路、數(shù)據(jù)處理電路和液晶顯示4部分構(gòu)成。

紅外光電接收三極管輸出轉(zhuǎn)速信號，轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過濾波、放大和整形后送入FPGA。高頻脈沖由外部晶振經(jīng)過FPGA的內(nèi)部倍頻器倍頻后產(chǎn)生，F(xiàn)PGA將其和轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行與邏輯，并對一個GPCZ脈寬內(nèi)的高頻脈沖m和一個脈沖周期內(nèi)的高頻脈沖M同時進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)束后通知單片機(jī)將計數(shù)結(jié)果取出。單片機(jī)對計數(shù)值進(jìn)行處理后得到角加速度值，最后通過液晶屏將角加速度值顯示出來。

3 測量系統(tǒng)的實現(xiàn)

由上述角加速度測量系統(tǒng)的原理可知，為得到一個GPCZ脈寬內(nèi)的高頻脈沖數(shù)m和一個脈沖周期內(nèi)的高頻脈沖M，應(yīng)實現(xiàn)如圖3的處理結(jié)果。

圖中RESET為計數(shù)器清零及允許計數(shù)信號，由單片機(jī)控制，其為邏輯“1”時，計數(shù)器清零，為邏輯“0”時，系統(tǒng)開始工作。DATAA為光電接收管輸出的轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過濾波、放大、整形后的方波信號;GPCZ為轉(zhuǎn)速信號與高頻脈沖信號CLOCK的與信號;START為計數(shù)器計數(shù)開始信號，上升沿有效;DONE為計數(shù)器計數(shù)結(jié)束、鎖存器鎖存計數(shù)值和打開數(shù)據(jù)選擇器信號，下降沿有效。

當(dāng)RESET為邏輯“0”，且第1個DATAA信號脈沖上升沿到來的時候，START翻轉(zhuǎn)為高電平，打開計數(shù)器1、2前的與門電路，F(xiàn)PGA內(nèi)部計數(shù)器對一個GPCZ脈寬內(nèi)的高頻脈沖數(shù)m和一個脈沖周期內(nèi)的高頻脈沖數(shù)M同時進(jìn)行計數(shù)。第2個DATAA信號脈沖上升沿到來的時候，DONE翻轉(zhuǎn)為低電平，F(xiàn)PGA內(nèi)部計數(shù)器對一個GPCZ脈寬內(nèi)的高頻脈沖數(shù)m和一個脈沖周期內(nèi)的高頻脈沖數(shù)M同時進(jìn)行計數(shù)。第2個DATAA信號脈沖上升沿到來的時候，DONE翻轉(zhuǎn)為低電平，F(xiàn)PGA內(nèi)部計數(shù)器結(jié)束計數(shù)，鎖存計數(shù)值，并打開數(shù)據(jù)選擇器，通知單片機(jī)讀取計數(shù)結(jié)果。為完成圖3的功能，由FPGA實現(xiàn)的信號處理電路如圖4所示。

由圖4所示，電路由倍頻器、門控電路、計數(shù)器、鎖存器和八選一數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成。倍頻器用于產(chǎn)生高頻插值脈沖CLOCK;門控電路用于產(chǎn)生控制信號START和DONE;鎖存器用于鎖存計數(shù)器的計數(shù)值。FPGA內(nèi)部是兩個24位計數(shù)器，單片機(jī)是8位I/O口讀取，八選一數(shù)據(jù)選擇器用于將FPGA的計數(shù)值依次讀出給單片機(jī)。單片機(jī)把取入的計數(shù)值按式（2）進(jìn)行計算，并將處理結(jié)果用液晶屏顯示出來。

4 電動機(jī)實例測試

實例1:實驗對象是浙江大學(xué)方圓產(chǎn)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的D26型直流電動機(jī)。系統(tǒng)組裝完成后進(jìn)行實際扭振測量，空載運(yùn)行實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB擬合后如圖5所示;負(fù)載運(yùn)行實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB擬合后如圖6所示。

直流電動機(jī)空載時，其氣隙磁場僅由勵磁磁勢建立，負(fù)載后電樞繞組產(chǎn)生電流，形成電樞磁勢，此時電動機(jī)的氣隙磁場由勵磁磁勢和電樞磁勢共同建立。電樞磁勢對勵磁磁勢的影響導(dǎo)致電動機(jī)的氣隙磁場發(fā)生畸變且成去磁作用，同時還與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，對電動機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，另外直流電動機(jī)的換向過程對電磁轉(zhuǎn)矩也會產(chǎn)生影響，這些影響都以扭轉(zhuǎn)振動的形式體現(xiàn)出來，所以直流電動機(jī)負(fù)載時的扭振明顯大于空載時的扭振。

實例2:實驗對象是浙江嘉興新華年電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JW5612型三相異步電動機(jī)。系統(tǒng)組裝完成后進(jìn)行實際扭振測量，電動機(jī)空載運(yùn)行，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB擬合后如圖7所示。

對于理想的三相異步電動機(jī)，定子繞組為三相對稱正弦繞組，通以三相對稱電流時，產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子切割該磁場后產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流與磁場相互作用產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。但是對于實際的三相異步電動機(jī)，在設(shè)計制造和實際運(yùn)行時都存在一些影響理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場的因素。例如，由于定子繞組的繞組系數(shù)設(shè)計上的問題而產(chǎn)生的高次諧波;定子和轉(zhuǎn)子的齒磁諧波磁勢;制造中定子槽數(shù)配合以及氣隙的不均勻;更嚴(yán)重的是由于三相電壓、三相電流不平衡造成的電動機(jī)不對稱運(yùn)行。綜上所述的這些因素造成的電磁轉(zhuǎn)矩的不穩(wěn)定，即扭振，都將直接以轉(zhuǎn)子角加速度的形式表現(xiàn)出來。

實例3:實驗對象是浙江大學(xué)方圓產(chǎn)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的D24型單相電容電動機(jī)。系統(tǒng)組裝完成后進(jìn)行實際扭振測量，電動機(jī)空載運(yùn)行，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB擬合后如圖8所示。

對于單相電容電動機(jī)，其定子繞組產(chǎn)生的磁場為橢圓形，所以它的扭轉(zhuǎn)振動與三相異步電動機(jī)相比明顯增大。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于高頻脈沖插值的扭振測量方法，詳細(xì)闡述了其工作原理和實現(xiàn)過程，并對幾種電動機(jī)進(jìn)行了實際測試。實驗結(jié)果表明，各種因素對氣隙磁場的影響以及高次諧波分量的存在都會影響轉(zhuǎn)軸的瞬時速度，對這些振動分量的分析以及如何抑制都是有待研究的問題。

［1］黃震，劉彬，董全林．基于激光多普勒技術(shù)扭振測量的研究［J］．光學(xué)學(xué)報，2006，26（3）:389－392．

［2］廖明夫，段曙光，李穎峰．轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動測量的新方法［J］．航空學(xué)報，2006，27（3）:525－530．

［3］李松和，俞小莉，沈瑜銘，等．內(nèi)燃機(jī)曲軸扭振數(shù)字化測量信號中畸點(diǎn)的處理［J］．振動、測試與診斷，2006，26（1）:58－60．

［4］趙文生，熊詩波．希爾伯特變換在扭振測量中的應(yīng)用［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報，2006，37（2）:187－189．

［5］劉彬，蔣金水，趙武，等．軋機(jī)轉(zhuǎn)速波動測量的扭振監(jiān)測實驗研究［J］．計量學(xué)報，2007，28（3）:272－275．

［6］何青，杜冬梅．機(jī)組軸系扭振智能測量系統(tǒng)研究［J］．儀器儀表學(xué)報，2007，28（4）:708 －713．

［7］時培明，劉彬，趙武，等．扭振信號拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的軋機(jī)動態(tài)扭矩測量［J］．計量學(xué)報，2007，28（4）:365－369．

［8］邱群虎，閆兵，李聰．測量齒盤齒數(shù)對扭振測量精度影響的研究［J］．車用發(fā)動機(jī)，2007（5）:70－72，77．

［9］楊卓君，廖明夫．基于加速度傳感器測量扭振方法的研究［J］．噪聲與振動控制，2008，28（5）:163 －167．

［10］楊懌菲，唐小華，王花朋．SOPC技術(shù)在扭振信號測量中的應(yīng)用研究［J］．微計算機(jī)信息，2009，25（11）:230－232．

［11］賀敏佳．復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭振測量模型與實驗研究［J］．機(jī)械設(shè)計與制造，2009（8）:104－106．

［12］陳慶樟．光柵位移傳感器在位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用及誤差分析［J］．機(jī)床與液壓，2008，36（8）:216 －218．