常 玉 ， 高翠云， 童懷俊

(1. 安徽建筑大學(xué) 電能質(zhì)量分析及負(fù)荷檢測技術(shù)研究室，合肥 230601;2. 惠而浦(中國)股份有限公司研發(fā)中心，合肥 230088)

通過對洗衣機(jī)各工作階段的轉(zhuǎn)速測量有助于了解洗衣機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而進(jìn)行優(yōu)化控制或故障診斷。洗衣機(jī)轉(zhuǎn)速測量和一般電機(jī)測速有相似性，有許多學(xué)者對電機(jī)測速進(jìn)行了大量研究，大多采用振動信號、光譜法、圖像處理手段，利用頻域法或時頻分析法等進(jìn)行電機(jī)測速。如Lin等[1]對處于穩(wěn)態(tài)工作發(fā)動機(jī)，通過振動信號的最低諧波頻率分量計(jì)算其轉(zhuǎn)速，并使用頻譜校正技術(shù)提高測量精度；Gryllias等[2]提出使用復(fù)雜連續(xù)小波變換估算發(fā)動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速。Urbanek等[3]對顯著變化或具有相對復(fù)雜的光譜特征的轉(zhuǎn)速信號提出基于相位解調(diào)和聯(lián)合時頻分析的兩步瞬時頻率估計(jì)方法。極少數(shù)學(xué)者采用圖像處理的方法測速，如Zhong等[4]則提出了一種基于視覺和條紋圖案的瞬時轉(zhuǎn)速測量。這些方法各具特色，但是相比較而言，采取振動測速成本較低，而且光譜法和圖像處理法算法復(fù)雜度相對較高。因此，基于振動信號的轉(zhuǎn)速提取十分值得研究。

針對洗衣機(jī)振動的研究主要是對已知轉(zhuǎn)速下的振動特性進(jìn)行減振優(yōu)化控制研究，直接進(jìn)行測速的研究文獻(xiàn)相對較少。比較傳統(tǒng)的方法是將傳感器安裝在筒體并采用傳統(tǒng)的編碼器測速，如畢飛龍等[5]采取將霍爾傳感器安裝在外筒，利用脈沖編碼測速得到內(nèi)筒轉(zhuǎn)速。也有學(xué)者利用時頻分析法，如Boyraz等[6]則在滾筒洗衣機(jī)外筒安裝加速度傳感器，應(yīng)用希爾伯特變換來計(jì)算信號的相位角及其時間導(dǎo)數(shù)獲得瞬時頻率，即可換算成轉(zhuǎn)速。

最新的洗衣機(jī)檢測國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T4288—2018[7]明確提出需要在洗衣機(jī)外箱體上安裝振動傳感器進(jìn)行振動性能包括加速度、速度、位移振動量測量，而且對這些參數(shù)測量要在對應(yīng)的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行檢測，即必須同時測量轉(zhuǎn)速。但是，該標(biāo)準(zhǔn)中對轉(zhuǎn)速測量要求將傳感器安裝在洗衣機(jī)外筒，意味著必須打開箱體進(jìn)行安裝。從測試的方便性和時效性，本文提出在滿足標(biāo)準(zhǔn)測量振動參數(shù)的基礎(chǔ)上，同時利用振動信號提取轉(zhuǎn)速，大大提高檢測效率，該舉措有助于實(shí)現(xiàn)不拆卸狀態(tài)下的整機(jī)性能測量。

在箱體外部安裝振動傳感器，信號強(qiáng)度比在內(nèi)筒或外筒安裝小很多，信噪比較低，測試難度大大提高，特別是脫水階段，信號變化劇烈，進(jìn)一步增加了檢測難度。

上述文獻(xiàn)中的研究者對電機(jī)或洗衣機(jī)振動信號進(jìn)行了測速研究，但絕大多數(shù)針對洗衣機(jī)的研究都是對位于筒體上的傳感器振動信號進(jìn)行處理，不符合GB/T4288—2018標(biāo)準(zhǔn)要求的在外箱體進(jìn)行檢測。Jung等[8]在滾筒洗衣機(jī)外箱體進(jìn)行振動檢測，但卻是對箱體振動信號進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而為滾筒洗衣機(jī)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

針對上述問題，文中按照國標(biāo)要求將3D加速度傳感器安裝在洗衣機(jī)外箱體上提取振動信號，充分研究洗衣機(jī)脫水段振動信號上升控制曲線與自由衰減段的不同特點(diǎn)，提出了一種采用平均幅度差函數(shù)和差分閾值分段處理相結(jié)合的算法來提取轉(zhuǎn)速。

通過對某型洗衣機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該方法測量的轉(zhuǎn)速精度滿足國標(biāo)的要求。該方法能夠在無通訊協(xié)議下測得轉(zhuǎn)速，測試方式簡單，工作效率高。該方法不僅適用于工業(yè)現(xiàn)場的出廠檢測，而且為實(shí)現(xiàn)面向提高生命周期的洗衣機(jī)健康預(yù)測、故障診斷及壽命預(yù)測的特征提取和狀態(tài)識別技術(shù)打下基礎(chǔ)。

1 平均幅度差函數(shù)(AMDF)

語音信號處理領(lǐng)域常用平均幅度差函數(shù)法求解基音周期[9]，定義為

(1)

式中：L為分幀的長度；k為延遲量，將延時后的信號與原信號相減， 當(dāng)差值最小時所對應(yīng)的延遲量k即為信號周期。Ri(k)在周期的各整數(shù)倍上具有谷值特性， AMDF檢測周期時，是搜尋谷點(diǎn)值，若將一個毛刺點(diǎn)作為谷點(diǎn)，會存在檢測錯誤，在文獻(xiàn)[10]介紹了通過線性變化將原函數(shù)的峰、谷點(diǎn)反轉(zhuǎn)。線性變換公式如式(2)所示

(2)

(3)

T=Nmax/Fs

(4)

2 方 法

洗衣機(jī)振動信號雖然是非平穩(wěn)隨機(jī)信號，但是經(jīng)過去噪預(yù)處理，也具有與語音濁音信號類似的短時準(zhǔn)平穩(wěn)特征，如圖1和圖2所示。

振動信號的轉(zhuǎn)速定義為每分鐘電機(jī)旋轉(zhuǎn)的周數(shù)，如前文所述，在洗衣機(jī)外箱體安裝傳感器信噪比相對較低，為提高穩(wěn)健性，采用線性變換后的AMDF進(jìn)行周期求取， 從而獲得轉(zhuǎn)速V， 如公式(5)所示

圖2 語音信號波形與AMDF

V=60/T

(5)

表1為某型波輪式洗衣機(jī)的洗衣機(jī)脫水階段時長為2分45秒的上升到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速控制曲線表，圖3為其對應(yīng)的模擬曲線。本文的研究目的就是通過采集安裝在洗衣機(jī)外箱體的振動傳感器數(shù)據(jù)，提取轉(zhuǎn)速，并獲得類似圖3的含有上升控制曲線與自由衰減曲線的脫水段完整轉(zhuǎn)速曲線。波輪洗衣機(jī)脫水階段和洗滌階段相比，信號變化更加劇烈。從表1我們就可以得知0～120 r/min僅僅用了10 s的時間。此外，洗衣機(jī)脫水轉(zhuǎn)速到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和設(shè)定的脫水時間后不再供給電源，自由衰減到零轉(zhuǎn)速。圖4為實(shí)測的面板設(shè)置為3分鐘脫水的某型洗衣機(jī)脫水階段的振動信號波形圖。從圖4可以看出起始段和衰減段的能量比較弱，信噪比較低，而中間部分相對能量高一些。根據(jù)該特點(diǎn)，本文提出分段測量轉(zhuǎn)速，即將脫水段劃分為三段，即轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段。

表1 某型洗衣機(jī)脫水階段轉(zhuǎn)速控制曲線表

圖3 表1對應(yīng)的模擬轉(zhuǎn)速曲線

圖4 某型洗衣機(jī)脫水階段振動信號波形

2.1 方法框架

如圖5所示，對脫水段振動信號處理時，首先進(jìn)行低通濾波及分幀預(yù)處理，采用AMDF提取出一次轉(zhuǎn)速曲線，再利用差分閾值分段處理，即可將脫水段分成轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段。對相對低信噪比的轉(zhuǎn)速上升段和轉(zhuǎn)速衰減段再次利用低通和AMDF獲得二次轉(zhuǎn)速曲線，然后和高轉(zhuǎn)速段的一次曲線按時間順序進(jìn)行整合。最后，對尾部信噪比過低的振動信號進(jìn)行判斷與截除以及部分奇異點(diǎn)進(jìn)行修正。

圖5 方法框圖

2.2 預(yù)處理

預(yù)處理分為三部分：低通濾波、加窗與分幀。對不同的脫水段振動信號進(jìn)行處理時，首先進(jìn)行低通濾波，濾波參數(shù)根據(jù)對應(yīng)段的速度曲線上邊界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置。通帶截止頻率ωp和阻帶截止頻率ωs分別如式(6)和式(7)所示

ωp=2π(V/60)/Fs

(6)

ωs=2π(V/60+5)/Fs

(7)

式中：V表示某段轉(zhuǎn)速曲線上邊界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速；Fs為采樣率。本文采用矩形窗，采樣率為10 000 Hz，幀長為5 s，幀移5 s。

2.3 分段轉(zhuǎn)速提取

該小節(jié)重點(diǎn)介紹如何將脫水段劃分為三段，即轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段。AMDF算法受信噪比的影響較大，即使進(jìn)行了低通濾波，波形中的個別調(diào)制干擾依然會造成周期計(jì)算錯誤，特別是能量低的部分，計(jì)算誤差會進(jìn)一步加劇。設(shè)置合理的周期上、下限值即對應(yīng)轉(zhuǎn)速限值有助于消除干擾。上、下限值參數(shù)的設(shè)置如式(8)、式(9)

Tmax=Fs*wlen

(8)

Tmin=Fs(60/V)

(9)

式中：V表示某段轉(zhuǎn)速曲線的上邊界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速， wlen為幀長。

鑒于此，本文先根據(jù)整個工作過程的轉(zhuǎn)速范圍提取獲得一次轉(zhuǎn)速曲線，然后利用差分閾值法進(jìn)行分段，獲得轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段，根據(jù)三段的分界點(diǎn)轉(zhuǎn)速重新利用AMDF計(jì)算上升段和衰減段的轉(zhuǎn)速，獲得更加精準(zhǔn)的分段轉(zhuǎn)速曲線，最后整合并修正奇異點(diǎn)獲得。

2.3.1 一次轉(zhuǎn)速曲線提取

從圖6可以看出，為了提取一次轉(zhuǎn)速曲線，需要做以下步驟

圖6 一次轉(zhuǎn)速曲線提取過程

(1) 首先對脫水段的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理中的降噪部分，即低通濾波。本文洗衣機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為700 r/min，但是洗衣機(jī)的最高轉(zhuǎn)速通常為900 r/min。因此根據(jù)公式(6)～(7)，設(shè)置低通濾波器的通帶截止頻率為15 Hz，阻帶截止頻率為20 Hz；

(2) 然后對低通濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理中的加窗和分幀，采樣率為10 000 Hz，幀長wlen為5 s，幀移為5 s，采用矩形窗。根據(jù)式(8)～式(9)設(shè)置上下門限閾值，此時V=700 r/min，即下門限設(shè)置為700 r/min所對應(yīng)的采樣點(diǎn)個數(shù)，上門限閾值則為幀長(相應(yīng)轉(zhuǎn)速為12 r/min)對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)。

(3) 對分幀后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即對每一幀數(shù)據(jù)利用平均幅度差函數(shù)法求出周期，并換算成頻率和轉(zhuǎn)速，即可顯示出一次轉(zhuǎn)速曲線，該曲線中的高轉(zhuǎn)速段轉(zhuǎn)速相對準(zhǔn)確，因此需要繼續(xù)分段，界定出高轉(zhuǎn)速段、上升段與衰減段。

2.3.2 基于差分閾值整形的分段界定

為了將一次轉(zhuǎn)速曲線分段界定出來，如圖7所示，本文采用差分閾值整形的方法尋找出分界點(diǎn)，再利用分界點(diǎn)對脫水段進(jìn)行分段界定，即轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段。

(1) 差分閾值整形

圖7 脫水段的分段界定

首先對已求出的脫水段的轉(zhuǎn)速進(jìn)行差分計(jì)算。如公式(10)所示，第i+1幀洗衣機(jī)脫水段轉(zhuǎn)速為v(i+1)與第i幀洗衣機(jī)脫水段轉(zhuǎn)速v(i)的絕對差值A(chǔ)dv(i)為

Adv(i)=|v(i+1)-v(i)|

(10)

對差分后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行兩次閾值整形。設(shè)定兩個閾值d1和d2，d1和d2是通過大量統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出。首先進(jìn)行第一次閾值整形，如公式(11)所示，若差分后的數(shù)據(jù)的絕對值小于d1，則置1；反之，則置0，其中，TP1(i)為第一次閾值整形后的值

(11)

然后進(jìn)行第二次閾值整形， 若TP1(i)中連續(xù)為1的個數(shù)小于d2，找到該段的數(shù)據(jù)起始和結(jié)束位置，將該段內(nèi)原有的1置0，得到修改后的TP1，其余不變。將修改后的TP1從第一個為1到最后一個為1之間的所有數(shù)據(jù)全部設(shè)置為1，得到第二次閾值整形后的值TP2，并找到TP2從0跳變到1和從1跳變到0的兩個分界點(diǎn)對應(yīng)的位置，分別表示為location1和location2。

(2) 分段界定

對于差分閾值整形后的數(shù)據(jù)，找到從0跳變到1和從1跳變到0的兩個分界點(diǎn)location1和location2對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，分別表示為V1h和V3h。由于分幀的影響，為了得到分界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，由脫水段的起始位置到第一個分界點(diǎn)向后推一幀設(shè)定為轉(zhuǎn)速上升段，第一個分界點(diǎn)向前推一幀到第二個分界點(diǎn)為高轉(zhuǎn)速段，第二個分界點(diǎn)向前推一幀到脫水段的結(jié)束位置為轉(zhuǎn)速衰減段。

2.3.3 不同脫水段的轉(zhuǎn)速曲線二次提取

根據(jù)分段的兩個分界點(diǎn)，可以得知脫水的3個階段的轉(zhuǎn)速范圍分別為(12～V1h)，(V1h～Vmax，Vmax～V3h)，(V3h～12)。由于高轉(zhuǎn)速段的信噪比和能量相對較高，一次轉(zhuǎn)速曲線提取后加上差分閾值分段獲得左右兩個邊界點(diǎn)轉(zhuǎn)速后，位于(V1h～Vmax，Vmax～V3h)之間的一次轉(zhuǎn)速曲線波形平滑、誤差較小，不需要重新進(jìn)行二次提??；而上升段和衰減段轉(zhuǎn)速突變點(diǎn)較多誤差相對較大需要進(jìn)行二次轉(zhuǎn)速提取，即再次進(jìn)行低通濾波和AMDF計(jì)算轉(zhuǎn)速。對于轉(zhuǎn)速上升段，此時V=V1h，對于轉(zhuǎn)速衰減段V=V3h，分別將V代入濾波參數(shù)設(shè)置式(6)～式(7)進(jìn)行分段濾波，再分別將V代入AMDF參數(shù)設(shè)置公式(9)得到轉(zhuǎn)速上升段與轉(zhuǎn)速衰減段的下門限的閾值，由于分幀的長度不變，因此對于轉(zhuǎn)速上升段和轉(zhuǎn)速衰減段的上門限的閾值都根據(jù)公式(8)設(shè)定，然后可以分別獲得轉(zhuǎn)速上升段與轉(zhuǎn)速衰減段的閾值范圍，最后再對轉(zhuǎn)速上升段與轉(zhuǎn)速衰減段的振動信號利用AMDF分別求出轉(zhuǎn)速。

2.4 分段整合

為了實(shí)現(xiàn)分界點(diǎn)的無縫銜接，將轉(zhuǎn)速上升段、高轉(zhuǎn)速段、轉(zhuǎn)速衰減段得出的轉(zhuǎn)速進(jìn)行三段整合。采取將上升段的倒數(shù)第三幀轉(zhuǎn)速，與高轉(zhuǎn)速段的第一幀轉(zhuǎn)速相拼接，得到第一次整合后轉(zhuǎn)速，將第一次整合后的最后一幀轉(zhuǎn)速，與衰減段的第三幀轉(zhuǎn)速相拼接，最終即可得出脫水段的轉(zhuǎn)速曲線。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

洗衣機(jī)振動數(shù)據(jù)是利用本實(shí)驗(yàn)室的面向多領(lǐng)域的通用自動測試平臺(General Purposed Automatic Testing System, GPTS)進(jìn)行采集，GPTS受安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目資助，榮獲安徽省科技進(jìn)步二等獎。其借鑒虛擬儀器思想設(shè)計(jì)，具有較好的開放性和二次開發(fā)性，可廣泛適用于低頻信號自動檢測。數(shù)據(jù)的采集模式為多通道采集，采集通道為6個通道，采樣率設(shè)置為10 000 Hz，采集方式為連續(xù)采集。本文對某型號波輪洗衣機(jī)進(jìn)行振動測試，主要對ADXL335型3D加速度傳感器采集的最敏感的z軸振動信號進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)的衣物重量為2.2 kg。

為針對脫水階段特性測試，按照工程師建議將洗衣機(jī)設(shè)置成直接脫水工作模式，為充分了解脫水階段的特性，選擇了3種不同的脫水時間即1 min(標(biāo)記為類別一)、3 min(標(biāo)記為類別二)及9 min(標(biāo)記為類別三)進(jìn)行測試，目標(biāo)轉(zhuǎn)速均為700 r/min，每種參數(shù)對應(yīng)35組數(shù)據(jù)。洗衣機(jī)面板上設(shè)置的脫水1 min、3 min和9 min，在實(shí)際測試中對應(yīng)的測試時間分別為2分35秒、4分35秒和10分40秒。

3.2 脫水振動特性的分析

以脫水設(shè)置3分鐘的類別二中第4號樣本為例進(jìn)行具體分析。

首先對脫水段振動信號進(jìn)行低通濾波，圖8為類別二模式下的第4號樣本的脫水振動信號與低通濾波后的波形，由圖8(a)脫水振動信號可見，洗衣機(jī)脫水段的工作狀態(tài)是非平穩(wěn)態(tài)。圖8(b)為脫水振動信號及濾波后的趨勢細(xì)節(jié)。

對低通濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)速曲線提取，再通過差分閾值計(jì)算以及兩次整合后，標(biāo)記出高轉(zhuǎn)速段轉(zhuǎn)速，如圖9所示。

圖8 類別二4號樣本的脫水階段振動信號原始波形和濾波后波形及97～102 s時間段展開的波形細(xì)節(jié)

圖9 類別二4號樣本的差分閾值整形過程

分別對界定出的三段進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，如圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)所示，最后將三段轉(zhuǎn)速進(jìn)行整合，整合后的轉(zhuǎn)速圖如圖11所示，由于從洗衣機(jī)吸合到開始振動會經(jīng)歷約12 s，因此根據(jù)分幀特性從第3幀(對應(yīng)為15 s)開始含有振動信號。

3.3 衰減段低信噪比振動信號的處理

由圖12給出的衰減段振動信號所示，從洗衣機(jī)振動衰減到洗衣機(jī)蜂鳴器響起這一段時間內(nèi)，存在大量信噪比和能量很低的振動信號，這會造成圖10(c)衰減段所示的大量錯誤轉(zhuǎn)速。

圖10 類別二4號樣本的上升段轉(zhuǎn)速曲線、高轉(zhuǎn)速段轉(zhuǎn)速曲線及衰減段轉(zhuǎn)速曲線

圖11 類別二4號樣本的三段整合轉(zhuǎn)速曲線

對衰減段進(jìn)行處理，保留信噪比和能量相對高的振動信號轉(zhuǎn)速。設(shè)置兩個閾值d3和d4，這兩個閾值是通過大量實(shí)驗(yàn)獲得，本文設(shè)置d3=75，d4=115。首先比較衰減段的轉(zhuǎn)速，記第i幀的轉(zhuǎn)速為V*，后移一點(diǎn)時的轉(zhuǎn)速與該點(diǎn)的差值記為E1，后移兩位時的轉(zhuǎn)速與該點(diǎn)的差值為E2，如公式(12)所示，尋找location3(i)為1時的第一個位置，記衰減段第一個轉(zhuǎn)速到該位置轉(zhuǎn)速為去低信噪比信號的轉(zhuǎn)速。圖13給出了衰減段去低信噪比信號前后的轉(zhuǎn)速

圖12 類別二4號樣本的衰減段振動信號和濾波后信號及30～48 s時間段內(nèi)波形細(xì)節(jié)圖

(12)

圖13 類別二4號樣本的衰減段去低信噪比信號前后的轉(zhuǎn)速曲線

對去除低信噪比后的衰減段轉(zhuǎn)速與上升段和高轉(zhuǎn)速段進(jìn)行三段整合，如圖14(a)所示，依然會存在奇異點(diǎn)，因此需要對奇異點(diǎn)進(jìn)行修正。為了便于修正，將整合后的轉(zhuǎn)速分兩部分分別進(jìn)行修正，第一部分為起始點(diǎn)到轉(zhuǎn)速最高點(diǎn)，第二部分則從最高點(diǎn)到末點(diǎn)。進(jìn)行修正時，首先找出奇異點(diǎn)，如公式(13)所示對第一部分的奇異點(diǎn)進(jìn)行判斷，設(shè)置一個閾值d5且小于零，在轉(zhuǎn)速誤差允許范圍(-10～10)內(nèi)，本文選擇d5=-8，其中第幀洗衣機(jī)脫水段轉(zhuǎn)速為v(i+1)， 第i幀轉(zhuǎn)速為v(i)，v(i-1)則為第i-1幀轉(zhuǎn)速

(13)

對第二部分的奇異點(diǎn)則采用公式(14)的判斷方法

(14)

再將找出的奇異點(diǎn)進(jìn)行修正，采用奇異點(diǎn)前后兩點(diǎn)求均值的方法代替該奇異點(diǎn)的值，如式(15)所示

(15)

如圖14(b)所示為奇異點(diǎn)修正后的三段轉(zhuǎn)速整合圖。

圖14 類別二4號樣本的未修正奇異點(diǎn)及修正奇異點(diǎn)的三段整合后轉(zhuǎn)速曲線

3.4 三類振動信號轉(zhuǎn)速的對比與驗(yàn)證

圖15描述了類別一的轉(zhuǎn)速曲線統(tǒng)計(jì)圖，目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為700 r/min時，如圖所示，1 min脫水振動信號的最高轉(zhuǎn)速不能達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。圖16是對類別二的脫水振動信號進(jìn)行說明，從圖中可以看出，3 min脫水振動信號剛好能夠達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。圖17則給出了類別三的脫水振動信號的轉(zhuǎn)速曲線統(tǒng)計(jì)圖，如圖所示，9 min脫水振動信號的最高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速并且會在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下維持一段平穩(wěn)狀態(tài)。如三種類別的轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)圖所示，均存在兩個平穩(wěn)段，即120 r/min和240 r/min。

圖15 類別一的35組脫水振動信號轉(zhuǎn)速曲線以及部分展開細(xì)節(jié)圖

圖16 類別二的35組脫水振動信號轉(zhuǎn)速曲線以及部分展開細(xì)節(jié)圖

圖17 類別三的35組脫水振動信號轉(zhuǎn)速曲線以及部分展開細(xì)節(jié)圖

由于波輪洗衣機(jī)采取模糊控制策略，脫水時間設(shè)置、衣物重量的變化會造成實(shí)際控制曲線與理論曲線的上升段有較大差異，但是120 r/min與240 r/min平穩(wěn)段差異不大，因此將三種類別統(tǒng)計(jì)出的轉(zhuǎn)速曲線圖與圖3所示的理論轉(zhuǎn)速曲線的120 r/min與240 r/min平穩(wěn)段以及目標(biāo)轉(zhuǎn)速段進(jìn)行誤差分析。由于1 min的最高轉(zhuǎn)速達(dá)不到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，因此采取與平均值比較的方法。從表2可知：由于上升段初期屬于快速加速段，信噪比相對較低，所以120 r/min平穩(wěn)段的標(biāo)差較大、離散度偏高，而240 r/min平穩(wěn)段及最高轉(zhuǎn)速段信號能量相對高，轉(zhuǎn)速標(biāo)差較小、測試精度高。此外，在120 r/min平穩(wěn)狀態(tài)的維持時間為25 s，240 r/min平穩(wěn)狀態(tài)為15 s，基本符合理論轉(zhuǎn)速控制時間特性。

表2 平穩(wěn)段及目標(biāo)段轉(zhuǎn)速曲線誤差表

4 結(jié) 論

通過在洗衣機(jī)箱體安裝3D加速度傳感器獲取振動信號，本文提出了一種采用平均幅度差函數(shù)和差分閾值分段處理相結(jié)合的算法來提取脫水階段振動信號對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，該方法解決了一次轉(zhuǎn)速提取中轉(zhuǎn)速上升段和轉(zhuǎn)速衰減段信噪比過低造成的測量誤差過大問題。進(jìn)一步判斷并截除衰減段信噪比和能量過低信號對應(yīng)的轉(zhuǎn)速曲線，修正完整轉(zhuǎn)速曲線中的少數(shù)奇異點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)速曲線更加接近實(shí)際值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法測試精度較高，滿足國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T4288—2018要求，可以很好地驗(yàn)證洗衣機(jī)脫水段的轉(zhuǎn)速控制曲線和自由衰減特性。但對于轉(zhuǎn)速較低段需要改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法，如提高預(yù)處理電路的增益從而提高信噪比，并且改進(jìn)低速段的算法魯棒性。