（机械电子工程专业论文）基于dsp的液压系统状态监测.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 基于d s p 的液压系统状态监测 专业：机械电子工程 硕士生：王龙鹏 指导教师：谷立臣教授 摘要 液压系统状态监测技术是保证液压设备在安全可靠的状态下高效运行的有 效手段和方法。目前，专家系统、神经网络、以及信息融合等智能诊断系统已广 泛的应用于液压系统的状态监测与故障诊断中。多种诊断技术的综合应用可以降 低故障诊断的难度，缩短故障诊断的时间，提高工作效率为企业带来了巨大的经 济效益。 本文在针对现有监测方法不足的基础上，提出了一种基于d s p 的液压系统 状态在线监测方案，即：以基于电流信号的液压系统状态监测技术为监测系统的 技术核心，以d s p 为核心的液压系统状态监测器为硬件平台，以上位机为监测 系统的扩展平台来进行液压系统的状态监测。通过对液压系统状态监测器的软、 硬件设计，研制出了该监测器的样机，并通过大量的实验对监测器功能进行了检 测。 通过理论分析和实验结果证明，液压系统状态监测器实现了电机电信号的滤 波整流，信号的采样和恢复，状态数据的显示，按键输入的响应，与上位机的异 步串行通信，电压、电流信号有效值的监测、电机的功率因数和输入功率的监测， 液压系统功率的监测和电流信号包络线与电机输入功率变化曲线的获得等监测 系统要求的基本功能。能够独立、准确的完成液压系统状态在线监测工作，为液 压系统状态监测提供了硬件支持。 关键词：d s p ；液压系统；状态监测：监测器 论文类型：应用基础 一 注：本论文得到陕西省自然科学基金项目设备多源诊断信息获取与融合技术研 究( 2 0 0 3 e 2 0 3 ) 的资助。 两安建筑科技大学硕士论文 t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go fh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do nd s p m a j o r ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n gl o n g p e n g i n s t r u c t o r ：p r o f g ul i c h e n a bs r i r a c r t h et e c h n i q u eo fh y d r a u l i cs y s t e mc o n d i t i o nm o m t o f i n ga n dm e a s u r i n gi sa n e f f e c t i v em e t h o d ，w h i c hc a ng u a r a n t e et h eh y d r a u l i ce q u i p m e n tt or u n q u i t e e f f i c i e n t l yu n d e rt h es a f er e l i a b l ec o n d i t i o n n o w , i n t e l l i g e n c ed i a g n o s e ss y s t e ms u c h a ss p e c i a l t ys y s t e m ，n e u r a ln e t w o r k ，a n di n f o r m a t i o nm i x i n gh a v eb e e nu s e di nt h e c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a i l u r ed i a g n o s eo f h y d r a u l i cs y s t e m i n t e g r a t e da p p l i c a t i o n o ft h el o t so fd i a g n o s et e c h n i q u ec a nd e c r e a s et h ed i f f i c u l t yo f d i a g n o s e s ，r e d u c et h e t i m eo f d i a g n o s e ，i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y 晰n gm u c he c o n o m i ce f f e c tt oe n t e r p r i s e t h i st e x tp u t t i n gf o r w a r das c h e m eo fh y d r a u l i cs y s t e mc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d m e a s u r i n go n l i n eb a s e do nd s p , w h i c hb a s e do na i ma tt h es h o r t a g eo fc u r r e n t m o n i t o r i n gm e t h o d 。i e ：a st h et e c h n o l o g i c a lc o r eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e mw i t l lt h e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo f h y d r a u l i es y s t e mc o n d i t i o nb a s e do ne l e c t r i cc u r r e n ts i g n a l ， t a k i n gd s pa st h ec o r eh y d r a u l i cs y s t e mc o n d i t i o nm o n i t o ra sh a r d w a r ep l a t f o r m ， r e g a r dc o m p u t e ra st h ee x p a n s i o np l a t f o r mo fm o n i t o r i n gs y s t e mt om o n i t o rt h e c o n d i t i o no fh y d r a u l i cs y s t e m t h r o e i 曲d e s i g n i n gt h es o i l - w a r ea n dh a r d w a r eo ft h e h y d r a u l i cs y s t e mc o n d i t i o nm o n i t o r , t h es a m p l eo ft h i sm o n i t o ri sd e v e l o p e d ，a n d w h i c hf u n c t i o ni sv e r i f i e dt h r o u g hal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t s p r o v e dt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t , t h eh y d r a u l i cs y s t e m c o n d i t i o nm o n i t o rh a sr e a l i z e dt h eb a s i cf u n c t i o nt h a tm o n i t o r i n gs y s t e mr e q u i r e s u c h a sf i l t e ra n dc o m m u t a t et h ee l e e t r o m e c h a n i c a ls i g n a l ，s a m p l i n ga n dr e c o v e r yt h e s i g n a l 。d i s p l a yt h es t a t ed a t a , r e s p o n dt h ei n p u to ft h ek e y , t oc o m m u n i c a t ew i t l l c o m p u t e rt h r o u g ht h ec o mp o r t , m o n i t o rt h ev i r t u a lv a l u eo fv o l t a g ea n dc u r r e n t ， m o n i t o rt h ep o w e ra n dp o w e rf a c t o ro fe l e e t r o m o t o r , m o n i t o rt h ep o w e ro fh y d r a u l i c s y s t e m , o b t a i nt h ee n v e l o p ea n dc u r v eo ft h ep o w e ra n ds oo n i tc a nc o m p l e t et h e h y d r a u l i cs y s t e mc o n d i t i o nm o n i t o r i n gi n d e p e n d e n t l ya n de x a c t l y , a n ds u p p l yt h e h a r d w a r es u p p o r tf o rt h eh y d r a u l i cs y s t e mc o n d i t i o nm o n i t o r i n g k e yw o r d s ：d s p ；h y d r a u l i cs y s t e m ：c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n g ；m o n i t o r s t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n i i 声明 y 9 7 0 6 9 3 本人郑重声明我所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除r 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请 学位或为其他用途使用过的成果。与我一t 作的同志对本研究所做的所有贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。 中请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相荚责任。 论文作者签名 王参朋当 日期：z 口口最6 脚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 内容和部分内容，可阻采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至右明岛导师签名论文作者签名：五压制勇导师签名 注：请将此页附在论文首页。 r 弱：王。os 6 | 年 两安建筑科技大学硕七论文 1 0 ! 引言 l 绪论 液压系统是工程机械的关键组成部分之一，它的工作状态与可靠性在很大程 度上决定了工程机械本身的工作性能与可靠性。从使用情况来看，液压系统的故 障在工程机械整机故障中占有相当大的比例。由于液压系统结构、工作原理都比 较复杂，其故障的发生往往牵涉到机械、电子、自动控制等环节。所以液压系统 故障的状态监测、故障的诊断等都比较困难。液压系统作为一个整体，其中任一 元件的故障均会影响到系统的工作状态，而一旦出现故障，很难准确地判断故障 发生的具体部位。实际中往往采用拆检方法，不可避免地扩大了拆修范围，装配 过程中又容易出错，易引起新的故障，因而迫切需要研制先进的检测仪器和科学 的检测方法进行液压系统的技术状态监测和故障的识别与诊断。 目前很多学者将故障诊断的新方法新技术应用于液压故障诊断领域，这对于 提高液压系统可靠性与安全性都是很有益的。但是这些诊断方法仍存在许多不足 与局限，单一的一种方法是无法从根本上解决液压系统运行可靠性与安全性问题 的。 设备状态监测技术可以有效地提高设备运行的可靠性与安全性，它将传统意 义上的设备定期维护提升为按需维护与预测维护，通过设备状态监测技术并综合 运用各种故障诊断新技术与新方法，对液压元件及系统的运行状态及故障进行实 时在线监测及诊断将是提高液压系统运行可靠性与安全性的一种有效手段“1 。 1 2 液压故障的特点与故障诊断的策略 1 2 1 液压故障的特点 故障点的隐蔽性液压装置的损坏与失效，往往发生在深层内部，由于不 便装拆，现场上的检测条件也很有限，难以直接观测，各类泵、阀、液压缸与液 压马达无不如此。由于表面症状的个数有限，加上随机因素的影响，故障分析困 难。 因果关系的复杂性液压系统的故障，症状与原因之间存在各种各样的重 叠与交叉，一个症状有多种可能原因。对于一个症状有多种可能原因的情形，应 采取有效手段剔除不存在的原因。对于一个故障源产生多个症状的情形，可利用 亡1j - 0 l j 西安建筑科技大学硕士论文 多个症状的组合去确定故障源。对于叠加现象，应全面考虑各影响因素，分清各 因素作用的主次轻重。 相关因素的随机性液压系统在运行过程中，受到各种各样随机因素影响， 如电网电压的变化、环境温度的变化、机器工作任务的变化等。由于随机因素的 影响，故障具体发生点及变化方向更不确定，引起判断与定量分析的 雠1 6 t 2 0 1 。 1 2 2 液压故障诊断的策略 由此及彼、触类旁通液压装置在原理、结构、功能加工工艺等多方面存在 着不同类型的相似性、系统数学模型的相似性。以事物的相似性为桥梁，在认识 一事物的情况下去认识另一事物，在工程技术问题的探讨中有特殊的意义，由于 条件的限制，人们可能要通过类比、仿真、故障模拟等方式去认识类似的另一事 物。 积极假设、严格验证在生产现场，往往会出现一些疑难故障，故障的分 析人员不知道系统中那些参数处于正常状态，那些参数处于不正常状态。在这种 情况下，故障分析必然是一个试探过程，通常的做法是对故障症状的可能原因做 出积极的假设，在通过适当途径验证假设是否真正成立。通过假设与验证分析， 往往能在困难中找到解决问题的路径。假设一验证分析法将积极的探索精神于严 密的逻辑论证紧密的结合起来，是典型的科学思维方法在液压故障诊断中的具体 应用，很值得在实践中广泛推行。 化整为零、层层深入“化整为零，层层深入”的基本思路是，在考察问题 时，将考察对象划分为低层次的若千子系统，每个子系统又作进一步的划分，直 至分出系统构成的最基本单元。在此基础上分别考察系统的各个子系统，找出问 题所在的子系统。液压系统是复杂庞大的，难以直接查出故障的所在位置，又不 能盲目搜寻，只能逐步的查出故障点。层层深入是在对液压系统层次的划分与子 系统的划分的基础上进行的。 取零为整、综合评判一般情况下液压系统故障信息是多方面的，故障的 因果关系可能是重叠与交错的，只从某一方面判断系统的问题可能无法得出结 论，通过对系统多方面信息的综合考察，可大大缩小问题的不确定性，减少随机 因素对诊断结果的影响对机理复杂故障，要通过不同的方式，采用不同的技术 手段，对同一问题进行考察，然后将各个结论综合起来，得出结论i 刀【1 5 1 1 1 8 l 。 1 3 选题的背景和意义 设备状态监测、故障诊断是以计算机技术、传感器技术、信号分析处理技术 2 ，气1， ，j1， 西安建筑科技大学硕士论文 等多学科为基础的综合技术。通过状态监测、故障诊断定量地掌握设备所受应力、 故障劣化、强度、性能等状态参数，预测设备的安全可靠度和工作性能，并对异 常原因、部位、危险程度等进行识别和评价，决定修正方案。既识别现状又预测 未来。诊断过程分状态监测、识别诊断和决策预防三阶段。状态监测是用检测仪 器采集设备运行中有用信号并输入到信号处理系统，得出反映设备运行状态参 数；识别诊断是根据状态监测得到的特征参数变化情况，识别设备是否正常，预 测其可靠性和性能趋势；决策预防是对识别、诊断的故障原因、部位、程度进行 评价后确定修复和预防办法。目前常用振动、声、温度、铁谱分析、电参数等诊 断技术进行诊断。设备状态监测与故障诊断技术国外最初是从航空、航天工程及 核能工程开始的，不久便发展到民用工业，目前已广泛应用到各种工程领域：如 各种机械设备和仪器的诊断；各种工程结构、部件的诊断；工艺过程、工业流程 的诊断；各种材料的无损检测等等。1 9 6 7 年4 月在美国宇航局倡导下，成立了 机械预防小组；英国在7 0 年代初，由英国机器保健中心开始，相继发展到核工 业、钢铁工业、电力工业等都有相应的机构提供监测诊断服务；瑞典在轴承监测 技术、挪威在船舶诊断技术、丹麦和德国在振动的监测技术方面都有各自的特色； 日本的特色是注视世界性的动向，积极引进消化吸收最新技术来发展自己的诊断 技术。 我国从7 0 年代开始已有一些院校科研单位进行了研究，从学习前苏联的维 修体制基础上，也研究了西方各国的维修体制，从中了解到状态监测诊断技术， 1 9 8 3 年国家经委和有关部门制定的国营工业交通管理试行条例中明确指出 “要根据生产需要，逐步采用现代故障诊断技术和状态监测技术，发展以状态监 测为基础的与防维修制”正式把设备诊断技术列入企业管理法规。实际上在6 0 年代开始，在农机行业已经进行了这项技术工作，提出“不拆卸检查技术”，针 对拖拉机、联合收割机的重要部件运用了一些简单的诊断方法和仪器，但对于诊 断技术缺乏系统的了解。只是在近一、二十年来各行各业才在诊断技术方面有了 很大的发展。因此，设备的状态监测和故障诊断的研究对状态监测技术产品化起 到一定的推动作用，且具有广阔的市场前景i l “。 1 4 论文研究的主要内容和重点 一 一一 一 ， 一 1 4 1 论文研究的主要内容 ( 1 ) 液压系统状态监测方案研究 通过液压设备机电液参数耦合特性研究，分析得到电机一液压功率模型，从 而证实液压系统功率这一重要参数的在线监测的可行性；液压系统负载变化和发 3 ，亡，了 ，i l t j 西安建筑科技大学硕士论文 生故障时的特性，都蕴含在驱动电机的电流信号中，提出基于电流的在线监测方 案；为解决软件测量的不方便性，设计以d s p 为核心的液压系统状态监测器， 为液压系统状态监测提供硬件支持。 ( 2 ) 液压系统状态监测器的硬件设计 从总体入手，首先进行监测器的核心设计，d s p 与外部r a m 的选型，d s p 仿真电路的设计；然后根据液压设备的型号、参数和监测精度等实际情况分别进 行电源模块、采集模块、输入输出模块等d s p 外设功能模块的设计。 ( 3 ) 液压系统状态监测器的软件设计 简单介绍了d s p 编程软件c c s 2 0 0 0 和上位机串行通信编程软件v c + + 6 0 。 进行监测器各个模块的软件编程设计，重点包括：d s p 初始化、中断、复位；采 集模块中的电压、电流有效值，相位角，包络线，电机功率编程设计，l c d 液 晶显示屏显示程序，按键扫描程序，与上位机的串行通信软件设计等。 ( 4 ) 液压系统状态监测器的制作与实验 介绍硬件设计与制作软件p r o t e l9 9 s e ，以其为开发平台，进行液压系统状态 监测器的电路板设计。在前面设计的基础上绘制监测器电路板的原理图，器件选 型与核对无误后，开始监测器电路板的p c b 设计和布线，最终制作出液压系统 状态监测器的样机。 在现有的实验平台上，对监测器样进行实验、校正、修改，得到预期的实验 结果，验证理论设计的正确性。 1 4 2 论文研究的重点和难点 本论文研究的重点和难点主要有： ( 1 ) 液压系统状态监测方案研究。首先在分析液压系统动力学模型的基础上 提出基于电流的液压系统状态监测理论，其次选用功能强大的数字信号处理器 ( d s p ) 作为状态监测系统的硬件核心，确定以状态监测器进行液压系统状态监 测的方案，为液压系统状态监测提供硬件支持。 ( 2 ) 电压、电流采集电路硬件设计所采集的电压、电流信号为交流信号， 且值比较大，若要达到准确、安全的采集，必须设计稳定、可靠的采集电路。首 先，根据所测电信号的幅值选用适当的电压与电流传感器，按照传感器的要求设 计采集的前置电路，将电信号的幅值降到传感器输入的幅值范围。其次，根据所 采集信号的频率和精度要求进行低通滤波电路的设计。最后，按照d s p 的输入 电压幅值范围的要求和采集精度要求，进行减法电路和整流电路的设计，为了适 应不同的电压和电流的幅值，设计放大器的放大倍数为可变，可以方便的采集各 种幅值的电压和电流信号而不用修改电路。将交流信号在负半周时进行翻转，以 4 ，一j j， 西安建筑科技大学硕士论文 适应d s p 非负输入的特性。 ( 3 ) 采集模块的软件设计。一、采集的电信号的有效值是一个平均值，要进 行多周期的采集和计算得出。二，电压与电流的相位角为两个信号的之间的位差， 用到四个a d c 通道，判断信号负过零时刻启动d s p 内置定时器来计算时间，并 换算成角度。三、电流信号的包罗线中包含了许多反映液压系统状态的信息， d s p 将采集到的电流信号还原处理后传送给上位机进行图形显示和保存数据，这 个过程中要考虑到与d s p 其它工作的时问冲突，应用d s p 中断请求程序和中断 服务程序完成。 ( 4 ) 液压系统状态髓测器制作。首先，设计出状态监测器电路板的原理图， 根据设计要求对每一个元器件进行选型。其次，原理图整体设计理论验证无误后， 为每一个元器件设计封装，进行p c b 板的设计和布线，最终完成液压系统状态 监测器样机的制作。 _tj 0 西安建筑科技大学硕士论文 2 液压系统状态监测方案研究 2 1 液压系统状态监测的目的与内容 2 1 1 液压系统状态监测的目的 对液压系统的运行状态进行监测的主要目的是： ( 1 ) 实时地、真实地反映系统的运行状态，保证系统正常工作，防止意外事 故发生； ( 2 ) 对系统中主要元件如电机、液压泵、换向阀、压力阀、伺服元件及过滤 装置等的工作状态进行监测，对潜在故障进行预报，防止元件突然失效导致系统 出现故障； ( 3 ) 预测系统状态变化趋势，对未来的运行趋势进行预报，对将要发生的故 障进行报警并且给出故障处理方法及措施1 2 】。 2 1 2 液压系统状态监测的内容 为达到以上目的，对液压系统进行状态监测时，监测系统的主要监测对象与 内容一般是液压系统的主要工作参数，具体来说有如下几方面内容： ( 1 ) 压力系统压力综合反映了系统及系统内元件的工作状态，通过对液压 泵进出油口、重要管道内及执行机构进出油口的压力( 或压力差) 的监测，可以 对系统失压、压力波动与不稳等与压力相关的故障进行监视； ( 2 ) 流量系统内流量的变化可以反映系统容积效率的变化，而容积效率的 变化又反映了系统内元件的磨损与泄漏情况。可以通过监测重要元件流量变化状 况达到对系统及元件的容积效率及元件磨损状况的监视目的； ( 3 ) 温度设计合理的液压系统，其工作温度变化范围是有限制的，系统温 度的异常升高往往意味着系统内出现故障。通过监测系统温度变化可以实现对与 温度变化有密切联系的故障的监视，如系统内泄漏增加、环境温度过高、冷却器 故障或效率降低、执行机构运动速度降低或出现爬行导致溢流量增加等； ( 4 ) 泄漏量泄漏量的大小直接反映了元件的磨损情况及密封性能的好坏， 一般说来对于液压泵和液压马达的泄漏量的监测比较容易实现，对于其他元件泄 漏量的监测则不太容易实现。 除了通过监测以上工作参数达到对系统工作状态进行监视的目的外，还可以 6 _ 。 一 j ， l 西安建筑科技大学硕士论文 监测系统的振动、噪声、油液污染程度、伺服元件的工作电流与颤振信号、电磁 阀的通电状况等，实现对系统工作状态的监视。具体选用哪些参数作为监测量要 根据系统的应用场合、信号采集的难易程度和资金多少等合理确定，在可能的情 况下应该尽可能多的选取被监测量，以便更全面地了解系统工作情况，综合分析 系统运行趋势并为故障诊断与定位提供充分依据【2 】i 删。 2 2 液压系统状态监测的方法 状态监测技术是提高液压设备运行可靠性与安全性的一种有效手段，许多先 进技术都被应用于其中，并且出现了一些有效的在线监测方法。但是大多数方法 都是需要监测许多例如压力、流量、油温等液压信号，而这些信号的获取需要在 液压系统的油路中加入一些传感器，这样或多或少的都会对油液的流动和系统功 率损耗有影响。为避免这些不便，现着重分析一种基于电流信号的液压系统状态 监测方法t 2 ) ( 1 4 ) 。 2 2 1 液压动力系统的动力学模型 电动机一油泵转子系统的机电液耦合模型如图2 1 所示。电动机转轴和油泵 转子之间用弹性联轴器联结，电动机和油泵机座均被视为刚性。系统在运行过程 中，由于偏心或不对中的影响，转子系统会发生相对于地面的横向( x ，y ) 振动， 此外在起动、制动、油液冲击等不平稳过程中还会发生扭转振动( 6 方向) 。发 生扭转振动时，电动机转轴与油泵转轴的q 和扫会不断发生变化。由于不平稳过 程中电动机转轴的转速是不断变化的，这时采用同步恒速旋转坐标系( 仃) 描 述电动机系统的运行状态较为方便i 捌【3 6 h 2 。 ， 厂 0l 图2 一l 电动机一油泵转子系统动力学模型 油泵转子系统的运动方程为： ，瑾+ q i + 丘x = f p ( 痧s i n 口一百2c o s o ) m y + c , p + k y y - m g = m e ( - o c o s o + 0 2s i n a ) 7 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) p ，一 j 西安建筑科技大学硕十论文 up + 舯孑墒= k m p + m e s s i n o - m e + g ) c o s o 式中 m ，厶油泵转子的质量和转动惯量 e _ 偏心距离 g ，0 ，t ，1 和y 方向的阻尼和刚度 口，百，痧油泵转子的机械转角、角速度和角加速度 m 。油泵的实际转矩 根据液压传动理论，油泵的转矩方程为 心2 嚣 式中p p ，g 油泵出口的实际压力和排量；油泵的效率 根据电动机理论，三相异步电动机m t 坐标系下的电压方程表达如下： u u 蜥 o o + 必 一蛾丘 皈 弋q 一啡) k q t + 必 ( q q ) 上- 皈 皈 一略k 4 - 屿 一( q q ) 工， q 皈 ( q q ) 4 - 虬 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 式中 三j ，k 表示定、转子相绕组的自感和定转子相绕组之间的互感 q ，q 定转子的电角速度 ，定子电阻和转子折算电阻 u u ，蜥，0 ，电动机定子电压和电流分量 ，转子电流分量 微分算子，：。d 讲 电动机的电磁转矩方程为： 一 一 j l t = 妄皿。( 一0 ) 电动机的转子运动方程为： 等啦吨6 8 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ， d ? 两安建筑科技大学硕十论文 式中以电动机转子的转动惯量 p 电动机磁极对数 k 机械转子的扭转刚度 万机械转轴的扭转角 电动机转轴与油泵转子的角速度存在下述平衡关系 堂：竺一毋 ( 2 8 ) d t p 将式( 2 - 4 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 代入式( 2 3 ) 得到 ( 以+ m e 2 ) o = ；以( 硼专鲁一嚣删s i n o - m e ( j ；+ g ) 础( 2 - 9 ) 2 2 2 机电液参数耦合机理分析 式( 2 1 ) ( 2 - 9 ) 构成了电动机一油泵转子系统的机电液耦合模型。 由( 2 9 ) 式容易看出：电动机一油泵转子系统是一多变量、强耦合、非 线性系统，不可能用解析方法显式表达该系统的运动规律。 结合转子系统运行机理综合分析( 2 1 ) ( 2 9 ) 式，可以归纳出转子系 统中各物理参数的耦合过程：负载决定油泵出口压力，当油压升高时，通过机电 耦合，使电动机定、转子电流增加，同时加剧转子系统( x ，y ) 方向的振动；若 由于偏心或安装不对中造成偏心距e 增大时，会通过( x , y ) 方向的振动耦合到 扭转振动系统，导致电流、油压参数发生变化；如果油泵发生故障，会使油泵的 压力、效率、流量发生变化，同时通过扭振系统的耦合，影响电流和振动参数； 若电动机发生故障( 如短路、断条等) ，必使其电感发生变化，再导致电流变化， 也会通过扭振系统的耦合，影响油压和振动参数。 动力学模型中，如果考虑扭转振动的影响，即式( 2 8 ) 中d 8 d t 0 时， 由式( 2 - 9 ) 可以看出，该系统中的机、电、液参数( 信号) 动态耦合( 相关性 强) ；由此可定性得出：该转子系统发生强烈扭转振动过程中( 如油泵在起、停、 超载、冲击等工况时) ，系统的电流与振动、油压、流量参数动态耦合，即相关 性强。 如果不考虑扭转振动的影响( 即6 为常数) ，系统中的电流与振动、油压、流 量参数静态耦合，即相关性弱1 4 】1 5 1 瞄】矧1 4 2 】。 9 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 3 基于电流信号的识别原理 从式( 2 一1 ) ( 2 9 ) 的分析可知，由于转子系统的耦合作用，电流中携带 着许多反映液压设备运行状态的有用信息，若采用合适的信号处理方法，会给状 态监测乃至故障识别工作带来极大方便。 在信号处理时，通常都会遇到有用信号中混入( 叠加) 噪声的问题，消除或 减弱噪声对信号的干扰，是信号处理中的一种最基本且重要的技术。根据有用信 号与噪声不同的特性，抑制不需要的噪声或干扰，提取出有用信号的过程称为滤 波。滤波的功能可以通过模拟滤波器或数字滤波器来实现，根据所分析问题的需 要，可选用低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器或带阻滤波器等。 机械工程中我们所监测到的振动或电气信号中许多信号是调制形式的，即故 障特征信号和固有频率信号之间调制作用而形成的信号。图2 - 2 是液压系统加载 时测取的驱动电机一相定子电流信号，从图2 2 的时域波形可以看出，系统加载 时定子电流信号为幅度调制信号，载波信号的频率为电网频率，而调制信号为一 随机信号，其频率与幅度的变化随系统载荷的变化而不断变化。图2 3 为经过解 调后得到的调制信号时域波形，时域波形记录了载荷变化过程，电机启动电流较 大，电流为正值时表示系统加载，为负值表示系统卸载。 踟 图2 2 加载过程电流的时域波形 图2 - 3 调制信号的时域波形 i o 西安建筑科技大学硕士论文 通过以上理论分析和实验，验证了基于电流信号的液压系统状态监测方法的 可行性。而且这种方法具有以下特点： 1 电流信号容易获得，不易被干扰，平稳； 2 避免改变油路，减少损耗： 3 应用软测量技术，方便快捷； 这也正是我们选用此方法的原因。该方法在冶金、矿山和建筑等大型工程机 械有实用价值和广阔的应用前景1 4 】i 钉。 2 3 液压系统状态监测系统方案 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，各种先进的技术都应用 于液压系统状态监测中，这为液压系统状态监测提供了许多方法，我们力求在其 中寻找一种方便、商效的状态监测方案。 2 3 1 监测系统设计原则 在设计针对液压系统的监测系统时需要充分考虑以下因素： 1 ) 所采用的技术的先进性。先进的技术是监测系统核心，可是使液压系统 状态监测达到事半功倍的效果。 2 ) 系统实现的可能性与难易程度。如果设计的系统实现的难度大，会提高 监测的成本，力求以低成本实现高效率的监测。 3 ) 是否需要实现实时、在线监测及远程监测。目前实时、在线监测系统已 经成为液压系统状态监测的主流，可以方便、快捷的获得和处理状态信 息，提高效率，增强了液压系统的稳定性。 4 ) 与相关系统( 如机械、电气等监测控制系统) 的兼容性与统一性。配合 相关系统，能够提高液压系统状态监铡的准确性。 5 ) 是否需要与控制系统统一成一个监控系统。监控系统在监测到液压系统 故障发生时，能迅速的作出反映，控制液压系统来解决故障，降低其带 来的经济损失。 6 ) 监测系统自身的可靠性与维护难易程度。监测系统除了要保证液压系统 的稳定性外，自身的可靠性也要保证，维护难度不应太高。若监测系统 自身发生故障，则液压系统便工作在无监测环境下，是否发生故障也无 法得知。 充分考虑上述设计原则，决定以基于电流信号的状态监测技术为技术核心， 利用高性能的集成芯片为核心的状态监测器来进行液压系统的状态监测f 2 l p o l 。 西安建筑科技大学硕十论文 2 3 2 液压系统状态监测器的构成 液压系统状态监测器是独立的设备，它以集成芯片为核心，配合外围电路和 器件，实现实时、在线的液压系统状态监测，具有以下特点： 1 ) 集成度高。整个状态监测器是在集成电路板上焊接上高集成度的芯片， 集成度很高，体积小，重量轻，携带方便。 2 ) 功能齐全。液压系统状态监测器的功能齐全，包括的功能模块有：采样 模块、输入模块、输出模块、显示模块、通信模块等。保证液压系统状 态监测所需的功能和精度。 3 ) 操作简单。借助监测器的高集成度，大部分工作都是由核心芯片完成， 需要操作人员完成的工作很少，容易上手，方便快捷。 4 ) 容易维护。所用的元器件大部分都是常见的电子器件，且价格不高，如 果发生故障，只要将坏的器件拿掉，换上新的器件即可。 液压系统状态监测器的构成如图2 4 所示： 液压系统功率监测器 l 口j 流电源 叫墨塑堡i 叫叠pn 口u li 样对象 扣寸网 叫塑妒 核心芯片 一ji 屯垂匹卜 i 工t i遇再i 模块1 il ， 图2 - 4 液压系统状态监测器的构成 其中： 1 ) 电源模块是为核心芯片和集成电路板上的其他芯片供电，一般的芯片电 压为o 一5 v ，特殊元器件还会有特殊的电源要求。 2 ) 采样模块是采集来自电网的电信号，如电动机的线电压、线电流。并对 一一 这些信号进行滤波整流等处理，然后才能传输给核心芯片进行信号分析 与处理。 3 ) 显示模块是在线显示采集和处理后的数据，能够实时的观测到系统状态 的变化，是监测器输出模块的一部分。 4 ) 输入模块是为不同的工作模式和显示模式所设。根据监测者的要求不同 可以方便地改变监测器的工作模式和显示模式。 西安建筑科技大学硕士论文 i i 5 ) 仿真模块实现核心芯片的编程调试和烧写功能。如果调试和烧写完毕后， 监测器就可以脱离上位机单独工作，如果希望添加和修改核心芯片的程 序，也用此模块来完成。 6 ) 通信模块是和上位机通信，也可以扩展为和其他的仪器通信。与上位机 通信的主要目的是实时保存数据以各分析处理，还可以利用上位机实现 显示模块无法完成的复杂显示。 监测器将采样得到的数据首先进行滤波，除去无用的干扰信号；然后进行整 流，将信号转换成核心芯片能够识别的信号，传输给核心芯片；核心芯片根据监 测的要求，将采集的信号进行还原、分析、处理，这是监测器的主要工作；最后 将处理后的数据用显示模块进行显示，同时通过通信模块与上位机进行通信和数 据保存，如果需要复杂的显示，上位机将得到的数据进行处理后显示 核心芯片是液压系统状态监测器的核心，是监测器能否快速、准确的完成这 些功能保障。所以核心芯片也应该谨慎的选择。 2 3 3 液压系统状态监测器核心芯片的选择 核心芯片的选择是液压系统状态监测方案的一个重要环节，它直接影响到监 测系统的性能。目前，应用广泛的，能够满足监测系统使用功能要求的核心芯片 主要有可编程控制器( p l c ) 、高性能单片机以及数字信号处理器( d s p ) 等， 下面将比较他们的有缺点，以选择合适的芯片。 1 可编程控制器( p l c ) ：p l c 是专门为顺序生产过程而设计的芯片，它 代替传统的继电器。具有很强的时序性，抗干扰能力强。因为p l c 是专门用于 工业现场环境，在抗干扰能力方面优越于单片机系统。与电磁阀连接容易，因为 p l c 的输出形式为数字脉冲形式，可以通过开关量输出组件输出电平信号，省去 了d a 转换，直接驱动电磁阀、电磁继电器和电磁开关等；同时可以大量节省 外围驱动电路。p l c 对主要应用这些电磁阀等的系统提供了方便。但是p l c 是 一种时序性的芯片，其计算能力不是很强，这就限制了一些液压系统状态监测方 案的实现。虽然最近也出现了些具有较强计算能力的p l c ，但其本质并没有脱 离原来的特点，仍基于循环扫描和程序执行方式，往往影响计算数度。 2 一单片机：在目前的应用研究中，较易于实现数字监测和控制的方案是使 用单片机来实现其功能，尤其是新型的8 位，1 6 位单片机具有a d 、p w m 、 e e p r o m 、比较输出、捕捉输入、s p i 接口、异步串行通信接口、f l a s h 程序 存储器等功能。单片机成本低，易开发，因为单片机价格不断下降，而其技术含 量去不断提高。另外，单片机的应用已相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范 例与大量的公用程序。尺寸小，结构易布置，由于单片机及其外围接口电路可以 两安建筑科技大学硕十论文 紧凑地放在一块印刷电路板上，这就为监测器的设计带来方便，监测器电路板的 形状和大小都可以在一定程度上随意设计。对于一些比较复杂的监测系统，其计 算量往往很大。这样，计算速度就直接影响监测的精度，一般用于下位机和小型 的监测与控制；与此同时，单片机容易受到外界的干扰，单片机系统属于微电系 统，比较容易受到强电、磁场、电脉冲的影响，甚至也容易受恶劣工作环境的影 响，所以必须采取抗干扰措施。 3 数字信号处理器( d s p ) ：具有典型的数字信号处理的能力。d s p 芯片普 遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，采用流水线技 术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数和执行等多个 步骤，将一个任务分解为若干个子任务，它们可以在执行时相互重叠。这样就增 加了处理器的处理能力，把指令周期减d , n 最小值，同时也就增加了信号处理器 的吞吐量。d s p 芯片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并 且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指 向下一个要访问的地址；d s p 芯片大多带有d m a 通道控制器和串行通信接口等， 配合片内总线结构，数据块传送速度大大提高；d s p 芯片配有中断处理器和定时 控制器，可以方便的构成一个小规模系统；具有软、硬件等待功能，能与各种存 储器接口；针对滤波、相关和矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 芯片大多配有一个专用的硬件乘法器( 1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 有两个乘法器) ，使得一次 甚至两次乘法运算可以在一个单指令周期内完成，从而提高了d s p 的运算速度； 低功耗，一般芯片为o 5 4 w ，而采用低功耗技术的d s p 芯片自有o 1 w ，可用 电池供电，节能；d s p 还具有片内外两级存储结构、快速的指令周期、特殊的 d s p 指令、驱动电流小等特点。 d s p 比单片机的推出时间稍晚，而复杂度、性能要高的多。以简单的性能指 标m i p s 为例，单片机为l i o m i p s ，d s p 为3 0 2 0 0 m 1 p s 。单片机只有单总线， 且片外地址、数据线复用：而d s p 片内有多总线，片外的地址、数据总线分开， 还有比异步串口速度高许多的同步串行和通信口，因此，数据输入，输出能力很 强。d s p 数据位宽、乘加器位宽也比单片机大，进行数字信号处理时不仅速度快， 精度也高，但单片机控制接口种类比d s p 多，两者软件设计比较类似在成本 上，d s p 价格比单片机高，不过d s p 的价格也在不断的下降。 通过以上比较和分析，考虑到液压系统状态监测的实际情况，选择价格适中， 信号处理能力较强的数字信号处理器( d s p ) 作为监测器的核心芯片田1 1 3 0 】。 2 3 4 液压系统状态监测系统总体方案 综合以上分柝结果，我们把液压系统状态监测系统的总统方案确定为： 1 4 西安建筑科技大学硕士论文 以基于电流信号的液压系统状态监测技术为监测系统的技术核心，以d s p 为 核心的液压系统状态监测器为监测系统的硬件平台，以上位机为监测系统的扩展 平台来进行液压系统的状态监测。具体方案如下： n 技术核心：基于电流信号的液压系统状态监测为我们提供了一种方便、 可靠的技术，它只需要监测液压系统驱动电机的电信号，借助与软测量 技术来间接监测液压系统的状态。通过电机的功率和b p 神经网络可以监 测到液压系统的功率；电流包罗线中包含了许多液压系统的状态特性， 可以方便的确定液压系统的运行状态。 2 ) 硬件平台：液压系统状态监测器是监测系统的硬件平台，其组成为：d s p 为核心芯片；采集模块为电压传感器、电流传感器和滤波整流电路构成； 显示模块为l c d 液晶显示屏和显示电路构成；输入模块为压电式按键和 输入电路构成；仿真模块为d s p 仿真器和仿真电路构成；通信模块为通 用d b 9 串口和通信电路构成。 3 ) 扩展平台：状态监测器通过通信模块与上位机进行通信，上位机将监测 到的数据进行长期存储、复杂的分析处理、多功能的显示，弥补状态监 测器的小存储量和显示简单等不足。 液压系统状态监测系统的结构如图2 5 所示： 图2 - 5 液压系统状态监测系统的结构 液压系统状态监测系统的简化流程图如图2 - 6 所示： 西安建筑科技大学硕十论文 2 4 本章小节 图2 - 6 液压系统状态监测系统简化流程图 本章在分析了液压系统状态监测的目的与内容的基础上，确定了液压系统状 态监测的方案为：以基于电流信号的液压系统状态监测技术为监测系统的技术核 心，以d s p 为核心的液压系统状态监测器为硬件平台，以上位机为监测系统的 扩展平台来进行液压系统的状态监测。 1 6 p 膏 ， 西安建筑科技大学硕士论文 3 液压系统状态监测器的硬件设计 液压系统状态监测系统的核心部件就是液压系统状态监测器，它也是整