（机械电子工程专业论文）基于dsp的转子动平衡测试系统的开发与研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 英文摘要 摘要 本文针对当前国内外单片机智能动平衡测量仪，存在的只能实现固定转速转 子动平衡测试，且数据处理能力有限、运算速度低等局限性。开发和研究了基于 d s p 的转子动平衡测试系统。 随着当前精密数控加工技术的发展，日益要求解决高速转子加工生产过程中 严重影响其加工精度的动平衡问题。本文主要解决中、低速转子平衡问题。对于 高速挠性转子动平衡，将采用p c 机嵌入a f d 采集卡测试并进行复杂的挠性转子 动平衡算法实现。同时重庆大学现代测控研究室将进一步开发、研究基于d s p 的 1 6 通道挠性转子动平衡测试系统。 本论文首先对不平衡算法：刚性转子影响系数法以及基于d f t 的不平衡振幅、 相位提取算法作了详细归纳、阐述。在参考和借鉴国内外智能动平衡仪的基础上， 提出了采用d s p ( 数字信号处理器) 技术，开发转子动平衡测试系统。论文中对系统 的主体电路结构、主控芯片的选择、模拟量输入通道设计和a f d 采样方法进行了 详细的方案比较和论证；并给出了基准脉冲整形、时钟电路、通讯模块、数据存 储器、按键电路和液晶电路等功能模块的电路原理图。论文所述系统通过：转速 基准信号测试电路设计、基准信号3 2 倍频( a d 触发源) 电路设计、基准信号5 0 倍频( 开关电容滤波器时钟脉冲) 电路设计、双通道振动信号自动量程转换电路 设计和振动信号中心频率自适应带通滤波电路设计，解决了现场复杂环境条件下 系统a d 硬件同步采样问题、信号跟踪滤波问题以及自适应量程切换问题。通过 硬件电路设计实现了系统的实时、高效。系统的软件设计遵循自顶向下的模块化 设计思路。文中重点分析了主程序的总体框架设计、a d 采样中断程序的设计、 转速测量程序设计、不平衡计算以及基于d f t 的不平衡相位程序设计。最后通过 对几种数据类型各种运算的运算时间比较，确定在本系统中所有参数采用整型数 或长整型数的计算方法，优化了程序的设计，在保证计算精度的前提下更好的满 足系统对实时性的要求。最后对软、硬件设计和调试中遇到的问题作了详细的总 结。 整个系统设计通过了全面的软硬件测试，实验结果表明系统能够对转子振动 信号进行精确测量；对不平衡进行准确计算和实时显示；并能通过r s 2 3 2 实现与 p c 机的数据通讯。试验结果表明本系统设计达到了预定技术指标，基于d s p 的转 子动平衡测试系统必将具有广阔的应用前景。 关键词：转子动平衡，矢量影响系数法，自适应带通滤波器，d s p 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ep r e s e n ti n t e l l i g e n tv i b r a t i o nb a l a n c i n gm e a s u r i n gi n s t r u m e n tw i t hs i n g l e c h i p c o m p u t e rh o m e a n da b r o a dc a nr e a l i z et h eb a l a n c et e s t i n go n l ya tm e d i u mo rl o wf i x e d s p e e d ，f u r t h e r m o r e ，t o g e t h e r 埘t l l t h el i m i t e d d a t a - p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y o ft h e s i n g l e c h i pc o m p u t e r , am o r ea d v a n c e ds y s t e mi sd e m a n d e d t h ea u t h o ro f t h i sp a p e r t h e r e f o r em a k e sr e s e a r c ho nt h eh i g h s p e e dr o t o rv i b r a t i o nb a l a n c i n gt e s t i n gs y s t e m b a s e do n d s p t h ed e v e l o p m e n to fc u r r e n tp r e c i s i o nn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gt e c h n o l o g y m a k e si te v e nm o r en e c e s s a r yt oa c h i e v eh i g h e rv i b r a t i n gb a l a n c e ，w h i c hi sc l o s e l y r e l a t e dw i t hm a c h i n i n gp r e c i s i o n t h em e t h o dp r o p o s e dh e r ei sm a i n l yf o rh i g h s p e e d r i g i dr o t o rt oa c h i e v ev i b r a t i n gb a l a n c e ，f o rh i g h s p e e df l e x i b l er o t o r , t h es y s t e mp l a y s t h er o l eo f d a t a - c o l l e c t o r , u p l o a d i n gc o l l e c t e dd a t at op c t ob ef n r t h e rp r o g r a m m e dt o o b t a i nc o m p l i c a t e df l e x i b l er o t o rv i b r a t i n gb a l a n c e w ei s d e v e l o p i n ga 16 一c h a n n e l f l e x i b l er o t o rv i b r a t i n gb a l a n c et e s t i n gs y s t e mb a s e do nd s p t h e p a p e rf i r s te x p o u n d st h e c a l c u l a t i o no fi n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o df o r f l e x i b l er o t o ra n dv e c t o ri n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o df o rf l e x i b l e r o t o ra n dt h e c a l c u l a t i o no f p h a s e f o rb a l a n c eb a s e do nd f ta n dd e v e l o p sh i g h - s p e e dr o t o rv i b r a t i n g b a l a n c et e s t i n gs y s t e mb yu t i l i z i n gd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a sc o r ec h i pw h i l er e f e r r i n gt o i n t e l l i g e n tv i b r a t i n g b a l a n c ei n s t r u m e n t sh o m ea n da b r o a d t h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r e 、c h i p sf o rc e n t r a lc o n t r o lc h o o s i n g 、i n p u tc h a n n e lo f s i m u l a t i o na m o u n td e s i g n a n da d s a m p l i n g o ft h e s y s t e m a r e c o m p a r e d ， c h o i c e m a k i n gm e t h o d sa n dd e s i g np r i n c i p l e f o rf i m c t i o nm o d u l a rs u c ha sr e f e r e n c e p u l s ea d j u s t i n g 、c l o c k c i r c u i t 、c o m m u n i c a t i o nm o d u l a r 、d a t am e m o r y 、k e y b o a r dc i r c u i t a n dl i q u i dc r y s t a lc i r c u i tp r e s e n t e di i lt h ep a p e r t h e p a p e r d e m o n s t r a t e sh a r d w a r ec i r c u i t sd e s i g no fr o t a t i n gr e f e r e n c es i g n a lt e s t i n g ， 3 2 疔e q u e n c yd o u b l i n g o f r e f e r e n c es i g n a l ( a dt r i g g e rs o u r c e ) 、5 0f r e q u e n c yd o u b l i n g o fr e f e r e n c es i g n a l ( s w i t c h e d c a p a c i t o rf i l t e rc l o c kp u l s e ) 、a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t a r r a n g e c o n v e r s i o no fd o u b l ec h a n n e lv i b r a f i o f is i g n a la n ds e l f - a d a p t i v eb a n d - p a s s o fc e n t r a lf r e q u e n c yo fv i b r a t i o ns i g n a lb a s e d0 nt e s t i n gt r a i t so fh i g h s p e e dv i b r a t i n g b a l a n c ea n dt e c h n i c a li n d e x t h eh a r d w a r ec i r c u i t sd e s i g ne n s u r e st h es y s t e m se f f i c i e n c ya n dr e a l t i m e ，t h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o l l o w st o p b o s o md e s i g ni d e aof m o d u l a r i z a t i o n h 重庆大学硕士学位论文 英二： 摘要 t h e p a p e rd e s i g n st h ec o r ep r o g r a m m ef l a m e ，a i ds a m p l i n gi m e r r u p tp r o g r a m m e ， m e a s u r i n gr o t a t i n gs p e e ds o f t w a r e ，u n b a l a n c i n g c a l c u l a t i o na n du n b a l a n c e p h a s e p r o g r a m m e f i n a l i z e st h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fu s i n gi n t o rl o n gi n ta sp a r a m e t e r s a f t e rm a k i n g c o m p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t i o nt i m eo f t h ed i f f e r e n td a t at y p e s ，o p t i m i z e s p r o g r a m m ed e s i g n ，g u a r a n t e e sc a l c u l a t i o np r e c i s i o na n da tt h es a m et i m eb e t t e rm e e t s t h er e a l t i m e r e q u i r e m e n tf i n a l l y , ad e t a i l e ds u m m a r yf o rp r o b l e m se n c o u n t e r e di n h a r d w a r ed e s i g na n d d e b u g g i n g i sp r e s e n t e d t h eo v e r a l lh a r d w a r et e s t i n gs h o w st h es y s t e mc a na c h i e v e3 2f r e q u e n c yd o u b l i n g p h a s e l o c k e da n d5 0f r e q u e n c yd o u b l i n gp h a s e l o c k e do fr o t a t i n gf r e q u e n c ys oa st o s a r i s f yd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so f b a l a n c i n g t e s tw i t hd i f f e r e n t r o t a t i n gs p e e d ，c a na c h i e v e a u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta r r a n g ec o n v e r s i o na n df m a l l ys e l f - a d a p t i v eb a n d p a s sf i l t e r w i t hr o t o rf r e q u e n c ya si t sc e n t r a lf r e q u e n c y t h es y s t e mc a nm e a s t l r e ，c a l c u l a t ea n d d e m o n s t r a t ev i b r a t i n gs i g n a l si nr e a lt i m e a n dr e a l i z ed a t ac o m m u n i c a t i o n 、 r j t hp c t h r o u g hr s 2 3 2 t h es y s t e m m e e t st h e p r e a r r a n g e dt e c h n i c a li n d e x ，a n d t h e r e f o r e h i g h - s p e e dr o t o rv i b r a t i n gb a l a n c et e s t i n gs y s t e mb a s e do nd s p w i l ls u r e l yb ew i d e l y a p p l i e d k e yw o r d s ： r o t o r v i b r a t i n g b a l a n c e s e l f - a d a p t i v eb a n d - p a s s f i l t e r ， v e c t o ri n f i u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o d d s p 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述1 】 2 】【3 1 【4 【5 】 6 【7 1 【8 】 设备故障诊断技术形成于二十世纪7 0 年代，随着现代科学技术的飞跃发展，很 多前沿学科的先进技术成果引入到设备的状态监测与故障诊断领域，使得设备状态 监测与故障诊断技术己发展成为了一门系统的新兴边缘交叉综合工程学科。设备故 障诊断技术根据设备运行过程中的二次效应及其动态变化，以及诸如振动、噪声、 温度、压力等物理参数，对设备运行状态进行监测，做出是否有故障、故障种类、 故障部位、故障严重程度、故障发展变化趋势等分析诊断结果；判断设备往能劣 化趋势，并制定出相应对策和处理措施。特别是近2 0 年来，随着通信技术、电子 技术、传感技术、信号处理技术、可靠性分析技术、模式识别、系统理论、人工智 能、预报决策、控制理论等的进步和发展，各学科研究成果广泛应用到设备的状态 监测与故障诊断领域，为设备状态检测与故障诊断技术提供了系统的理论工具和适 用分析方法。使机械设备的状态监测与故障诊断从方法到手段都有了很大的发展： 尤其是计算机软、硬件技术的迅猛发展和普及。更使设备状态监测与故障诊断技术 具有前所未有的应用价值和适用性。 旋转机械状态监测与故障诊断中。振动监测是主要的手段之一，利用振动信 号对故障进行监测与诊断是设备故障诊断方法中最有效、最常用的方法。振动是 旋转机械产生故障的主要原因，转子不平衡又是产生振动的主要原因。 转子不平衡所引起的周期性振动是旋转机械的主要激振源，也是多种自激振 动的触发因素，它是由转子质量分布不均匀、制造、安装误差等原因造成的，且 与转子转速有关。不平衡会引起转子的挠曲和内应力，使机器产生振动和噪声， 加速轴承、轴封等零部件的磨损。降低机器的工作效率，甚至会引起各种严重的 事故。据统计由于不平衡原因引起的振动故障约占机器总故障的2 4 。尤其对高 速、超高速旋转机械不平衡原因引起的振动十分显著。因此测试转子不平衡大小、 相位在转子适当校正面加上( 或减去) 测得的校正质量，使得校正质量激发的振 动与原始不平衡产生的振动，从总体上尽可能抵消以达到整体平衡。 1 2 不平衡基本概念【2 】【3 】【6 】【8 】 不平衡可分为：静不平衡、力偶不平衡、准静不平衡、动不平衡四种类型； 1 2 1 静不平衡 在完全平衡转子的质心所在横截面上，存在不平衡作用时，该不平衡称为静 不平衡。针对质心位置有，当质心位于两个径向支承中点时，转子的中心主惯性 重庆大学硕士学位论文 轴相对于回转轴线平行移动。当质心位于两个径向支承外时，转子的中心主惯性 轴相对于回转轴线有一定的角位移。 1 2 2 力偶不平衡 在完全平衡转子的两个不同横截面上存在两个大小相等方向相反的不平衡质 量时，则此不平衡称为力偶不平衡。对于力偶不平衡转子的中心主惯性轴相对于 回转轴线有一角位移，并与回转轴线在两个径向支承中点处相交。 1 2 3 准静不平衡 准静不平衡是指在完全平衡转子的非质心横截面上作用的不平衡称之为准静 不平衡。 1 2 4 动不平衡 在完全平衡转子的质心所在横截面上，作用有不平衡，同时在两个不同的横 截面上施加两个大小相等方向相反的力偶不平衡，则称之为动不平衡。静不平衡、 力偶不平衡和准静不平衡都是动不平衡的特殊形式。 1 3 转子动平衡技术的理论发展 3 1 1 4 1 5 】 6 】 7 j 8 】 9 1 1 3 3 1 1 3 5 1 1 3 8 1 1 3 9 1 1 4 1 】 转子动平衡技术的发展大致经历了刚性转子动平衡技术和挠性转子动平衡技 术两个发展阶段。刚性转子动平衡技术限于低于一阶临界速，单面或双校正面转 子平衡，但随着现代工业的不断发展，转子逐渐向高速和重载方向发展，许多转 子被设计在高于其一阶甚至二阶临界转速上运行。为了针对该类型高速转子的平 衡技术，产生了挠性转子动平衡技术。挠性转予动平衡技术基本上可以归纳为两 大类：模态平衡法和影响系数法， 模态平衡法的研究始于1 9 5 4 年，m e l d a l u 首次利用转子模态响应的正交性提 出转子前三阶模态平衡步骤，从而为模态平衡法提供了根本的理论依据。此后， b i s h o p 和p a r k i n s o n 3 5 】 有关模态平衡法的研究成果与m e l d a l 的理论被公认为是模态平衡法理论与事件的 基础。挠性转子影响系数法的基本思想始于二十世纪6 0 年代初，由e i h a d i 提出 并经g o o d m a n 加以扩展，引入了最小二乘及加权最小二乘法，形成了多测点、多 转速的平衡方法。 为了克服采用模态平衡法必须首先对转子的模态振型有先验性了解，以及为 了克服影响系数法起停机次数过多。p a r k i n s o n 和d a r l o w 在二千世纪八十年代初， 提出一种新的基于模态振型平衡法和影响系数法的挠性转子动平衡方法一混合平 衡法。它基于影响系数法，利用模态平衡法中振型分离的特点，更加完善挠性转 子动平衡技术”1 。 2 重庆大学硕士学位论文 1 4 转子动平衡技术的发展趋势8 】 3 1 1 4 j t l 5 j i 【6 】【7 j f 8 1 【9 1 1 3 5 】 3 9 3 9 1 1 4 1 1 随着社会和技术进步，一方面对动平衡技术的要求越来越高，另一方面现代 科学技术的发展尤其是计算机技术的发展，许多前沿的科学技术和方法被应用到 动平衡技术，从而使得高速、复杂转子的快速、自动平衡称为可能。纵观转予动 平衡技术的发展趋势主要向高速、超高速转子度动平衡技术以及高精度动平衡技 术发展。转子动平衡技术的发展趋势主要分为三个方面： 1 4 1 转子现场动平衡技术 早期动平衡技术的研究以动平衡机为代表，转子现场动平衡是指转子在现场 实际工况下，利用一些现场测试和分析设备对转子实施的振动测试和动平衡。然 而对于大型旋转机械转子，由于其现场实际工况与动平衡机的工作条件存在很大 差异，即使转子在动平衡机上达到平衡，投入实际运行后由于支承状况、外激振 和机组热变形等条件的改变而发生变化，因而影响平衡精度。 1 4 2 无试重平衡法l j j 目前的许多平衡方法尤其以影响系数法为代表都要求被测转子多次停机试 重，才能计算出合理的平衡配置。为了避免试重启停造成平衡效率不高的特点， 二十世纪八十年代，g e n i e l k s 在g a s c h 提出的无试重平衡法的基础上提出了多盘弯 曲转子无试重平衡法。无试重平衡法的基本思想是：通过转子一轴承系统振动理 论解的计算，以及转子振动响应的实际测量来计算和优化转子的配重量。该方法 的关键问题在于转子一轴承系统模型的精度和优化算法的选取。但，目前所有的 无试重平衡法都必须依赖转子一轴承系统的先验数据积累。 1 4 3 转子自动平衡法。 转子自动平衡是指在机组不停机状态下，通过组可精密控制的平衡头来实 现对转子系统连续动平衡的方法。由于自动平衡启停机次数少，而且可以在转子 运行过程中实现平衡状态的自动调节。因而已经成为动平衡技术研究和发展的主 流。v a nd e 在1 9 8 1 年首次提出了转子自动平衡的基本构想，并设计出一种极坐标 式的平衡头，被称为v a nd ev e g t e 平衡头。在此基础上，g o s i e w s k 对转子自动平 衡的原理与控制策略进行了进步的研究。l e e 通过选取平衡头在轴向的位置，利 用v a nd ev e g t e 平衡头实现了挠性转子的自动平衡。 转子自动平衡的关键技术主要集中在平衡头的设计、制造、安装和控制上。 根据平衡头的基本工作原理的不同，大体上分为三大类：直接平衡头、电磁力平 衡头和移动质量平衡头。虽然自动平衡法具有突出的平衡特点而且专家和学者们 投入大量精力研究，但它基本上还是处于原理和控制策略的研究上，离实际的应 用还有很长一段距离。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 5 转子现场智能动平衡仪的发剐1 0 】 现场智能动平衡仪发展至今分为四代：纯模拟类仪器、模拟类和数字类仪器、 智能化仪器、虚拟仪器。 1 5 1 纯模拟类仪器 第一代纯模拟类仪器是早期的动平衡测试系统，主要是由光电矢量瓦特计和 测振仪等组成，其基本结构都是电磁机械式，通过指针或光点等来显示测试结果 并由此估算不平衡量大小和加重位置。 1 5 2 模拟和数字复合类仪器 第二代是模拟和数字相结合的数字类仪器，以闪频式动平衡仪为代表，将模 拟信号的测量结果转化为数字信号量，并以数字显示方式输出测量结果，适用于 快速响应和较高准确度要求的不平衡和相位测量，并能够选择频带带宽，不过仍 需人工计算不平衡量和相位。 1 5 3 智能化仪器 第三代智能化仪器，以液晶显示现场动平衡仪为代表，内置m c s 5 1 系列单片 机，集信号采集、信号处理、不平衡量计算、字符图形显示等功能于一体，具有 智能化仪器的基本特点，但其功能实现主要以硬件和固化软件为基础，不利于二 次开发，功能比较单一，数据存储容量小，处理速度慢，计算精度不高，很难， 满足针对高速转子动平衡。 1 5 4 虚拟仪器 第四代虚拟仪器，最具代表性的是现场动平衡虚拟仪器，由于其是用c 语言 等开发的高性能软件仪器，在工程实际中操作不便，功能不强，现场使用性价比 不太高，携带不方便，而且便携式电脑的数据采集卡价格偏高。 现在智能动平衡仪的发展趋势还是以智能化仪器为主要方向，而且随着d s p 技术和嵌入式技术的广泛应用，现场动平衡智能仪器有了更高、更先进的开发平 台，更能适应各种工况条件转子平衡的需要。 1 6 基于d s p 转子动平衡测试仪 1 6 1d s p ( 数字处理器) 的特点 d s p 芯片采用改进的哈佛结构，其主要特点是程序空间和数据空间相对独立， 都有各自的总线：程序总线和数据总线。d s p 可以同时实现对数据空间和程序空 间进行寻址，大大提高了数据处理能力，特别适合实时的数字信号处理。其中以 德卅i 仪器公司t l 的d s p 为代表，t i 公司的d s p 芯片结构是基本哈佛结构的改进 类型。独特之处在于数据总线和程序总线间进行了局部的交叉连接。由此可以允 许数据存放在程序存储器中，并能被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 性。只要优化调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。 同时改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中，省去了从存储器中读取指 令的时间，大大提供了运行速度。 d s p 指令系统采用四级流水线操作。在流水线操作中，一个任务被分解为若 干个子任务，各个任务可以在执行期间相互重叠。d s p 指令系统的四级流水线操 作与哈佛结构相配合增加了处理器的处理能力，把指令周期减小到了最小值，同 时也增加了信号处理器的吞吐量。 d s p 具有独特的硬件乘法器结构。在一般的p c 机上，算术逻辑单元( a l u ) 只能完成两个操作数的加、减及逻辑运算，而乘法( 或除法) 则由加法和移位来 实现。因此这样的计算机的汇编乘、除指令在机器内部，实际上还是由加法和移 位来实现，因此它们实现乘法运算就非常慢。而d s p 则有硬件乘法器，使得乘法 运算可以在一个指令周期内完成，速度非常快。d s p 不仅有独特的硬件乘法器结 构同时还有一套专门为数字信号处理而设计的指令系统集。 1 6 2d s p 应用于动平衡测试 由于d s p 的高效、实时数据处理能力等优越性，自二十世纪6 0 年代以来，迅 速得到了广泛的应用。d s p 的应用几乎遍及整个电子领域，典型应用在通信、语 音处理、图形图像处理、自动控制、仪器仪表及医学电子等。随着现代对实时信 号处理要求的提高和大规模集成电路技术的迅速发展，d s p 必将得到更加广泛得 应用。 基于d s p 的动平衡测试，正是利用d s p 的优越硬件结构以及功能强大的高效、 快速数字信号实时处理能力。在动平衡测试中能方便有效的进行动平衡算法运算、 f f t 运算以及滤波器设计等数据处理。 1 7 本课题研究的内容及意义 1 7 1 本课题研究的内容 1 7 1 1 系统总体结构设计 结合智能仪器设计特点，基于d s p 的高速转子动平衡测试系统总体规划包 括：人机交互功能模块：按键选择电路与液晶图形菜单控制；双通道模拟信号a d 采集、一路转速基准信号测试；液晶图形显示：实时模拟信号时域波形显示，频 谱图显示：通讯模块设计：实现p c 机r s 2 3 2 通讯；转子不平衡大小、相位计算 模块：通过动平衡算法，精确测量不平衡量大小；通过提取f f 丁基波分量，精确 计算不平衡量相位；平衡精度评估：转子采取平衡措施后，测试并计算残余不平 衡量和不平衡减少率。 重庆大学硕士学位论文 1 7 1 2 系统主体硬件电路原理图与p c b 图设计 微处理器及其配套电源、时钟、晶振以及外围存储扩展电路设计；系统转 速基准信号测试硬件电路设计：主要包括：转子转速基准信号整形电路；转子基 准信号3 2 倍频锁相环电路，用以触发a i d 实现3 2 点整周期采样。转子基准信号 5 0 倍频锁相环电路，用以作为四阶开关电容模拟滤波器m f l o c c n 的时钟脉冲，以 实现跟踪转子基准信号的带通滤波功能。系统采样预处理电路设计，主要包括：振 动信号自动增益电路：包括精密放大电路、超欠量程识路、自动换程电路。振动信 号自适应跟踪带通滤波电路。 1 7 1 3 系统主要软件设计 主要包括：液晶图形菜单界面程序；键盘监控程序；转速测试程序；a d 采 样程序；波形显示程序；通讯模块程序：f f t 及频谱显示程序；系统软、硬件调 试，系统平衡效果评估。 1 7 2 本课题研究的意义 伴随着我国制造加工业的芨展，制造加工质量和精度向更高、更精密的层次 发展。尤其高速数控机床加工( 包括车、摩、削) 要求保证严格的质量保证。这 就迫切要求解决由于转子制造、安装等原因造成的转子不平衡问题，对机床转子 进行动平衡进行测试。传统的智能动平衡仪未能满足高速乃至超高速转子的动平 衡测试，叩待能针对高速转子的动平衡测试系统。因此基于d s p 的高速转子动平 衡测试系统具有很强的工程适用意义： a ) 具有极强的工程迫切性，由于国内精密数控机床制造加工的蓬勃发展，迫 切需要解决高速、超高速转子的现场动平衡测试系统。 b 1 具有广泛的适用性，本课题所研制的现场智能动平衡测试系统采用了锁相 环实现a d 采样和自动跟踪带通滤波( 跟踪转子转频) 。因而可以实现对不 同转速的转子的动平衡测试。 c ) 具有良好的现场实用性，本系统采用硬件电路和模数芯片实现对信号采集 的预处理，具有极强的抗干扰特性。 d 1 具有良好的低功耗特性，由于采用的d s p 处理器采用+ 3 3 v 供电，系统在 现场测试中功耗极低。 e 1 具有良好的经济效益，本系统基于d s p 和功能强大的辅助硬件电路，具有 良好的测试性能且硬件成本低。 1 8 本课题研究的可行性翻【1 0 】【1 7 】 1 8 1 现有理论基础 转子现场动平衡测试，针对转子类型：刚性转子或挠性转子，在计算不平衡 重庆大学硕士学位论文 量大小、相位时分别采用影响系数法与矢量法。各种类型转子不平衡计算算法已 经形成了完备的理论体系，且具有工程可操作性。随着计算机技术与i f ( 集成电路1 技术的发展，为各种方式的动平衡测试提供了可以利用的工具。尤其是i c 技术的 发展，从4 位单片机到8 位m c s 5 1 系列单片机和1 6 位9 6 系列单片机，都为动平 衡测试的智能化、现场化提供了开发平台。目前国内采用8 位1 6 位单片机已成功 的开发出智能动平衡仪。近几年来，具有高速、实时数字信号处理能力的d s p ( 数 字信号处理器) 芯片，形成了一系列实用的产品，尤以t i 公司的t m s 3 2 0 ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 、l f 2 8 1 2 、l f 5 4 x x 、l f 6 2 x x ) 系列为代表。d s p 超强的软硬 件资源使得针对高速转子的动平衡测试成为可能。 1 8 2 现有技术基础 从技术支持角度来看，重庆大学在设备状态监测与故障诊断技术领域，尤其 是动平衡测试领域进行了十多年的大量的理论研究、系统( 硬件、软件) 研究和工 程应用研究，“处于国内领先水平，达到国际当今先迸水平”。重庆大学研制的动平 衡机在国内得到广泛应用。 重庆大学硕士学位论文 2 转子动平衡理论及算泫 2 转子动平衡理论及算法 机械转子按其动力学性能分为刚性转子和挠性转子，刚性转子与挠性转子两 者的动力学特性有很大不同，因而它门的平衡方法差异也很大。在工程上，把工 作转速是否超过转予第一阶临界转速作为挠性转子与剐性转子的分界，一般认为 转子工作转速远低于其第一阶临界转速，不平衡离心力较小而转子比较刚硬，因 而不平衡力引起的转子挠曲变形很小( 与转子偏心量相比) ，这种转子称为刚性转 子。反之，不平衡引起的挠曲变形不能忽略的转子称为挠性转予( 或称为柔性转 子) 。 但从平衡的角度来说，k f e d e r n n 】提出的确定柔性的办法有较强的合理性，设 n 为工作转速，n 1 为第一阶临界转速。影响一个转予系统临界转速的因素很多， 如跨距的大小、轴的尺寸大小、转子的支承结构、转子的支承数目、联轴器的形 式等。任意改变一个都能改变它的临界转速。通常：n n 0 5 为刚性转子； 1 1 1 1 0 5 _ 5 ，如盘形转子只进行单面平衡；d l l ，长轴转 子采用双面平衡；而对于介于其问1 0 _ 夤气 、 - 0 、匕7 、 y 、 1 、 心 v c o n = n 5 v c c 、 v c c t 5 5 v 1 0 1 庐4 0 31 0 4t 0 51 0 b c a p a c i t a n c e ，c 1 ( p f 】 f l g u r e l & h c l 4 0 4 6 a 丁y p i c a l c e n t e r f r e q u e n c y v s l 7 , 1 c i ( v c c 25 5 图4 1 2 1 6 8 j 中心振荡频率与电阻r 1 ，c i 。关系曲线图 f i 9 4 】2 t h ec u r v e o f c e n t r e f r e q u e n c y w i t h r ia n d c i 在本系统中，锁相环路将转频3 2 倍频，转子转频0 ，则可得到压控振荡器振 1 荡频率输出为毛= 3 2 乏，由r c 振荡电路串并联网络的频率特性可知：= - 而1 。 通过锁相环路中r 1 、c 1 的值的配置可设置相应的中心振荡频率。 压控振荡器( v c o ) 外围电阻、电容r i 、r 2 、c 1 的参数选择对v c o 的自由 振荡频率以及线性度都有直接的影响，而且三个参数值必须满足定的范围： 5 j q 茎r l ，r ，r ss 1 m k 2( 4 8 ) c 1 1 0 0 p fa t 5 v( 4 9 ) 三参数选择与振荡中心频率的相互关系必须满足图4 1 2 、图4 1 3 、图4 1 4 所 标示的线性关系。 针对本系统的锁相倍数和压控振荡器( v c o ) 中心振荡频率值，通过计算取： r ：1 0 0 j q g = 1 0 0 0 p f 。由图4 7 的曲线关系可对应出相应的中心振荡频率 的大致范围为= 2 k z 左右，和实际计算得到的振荡中心频率非常接近。同时由 于本系统是适用于多种转速的转子动平衡测试系统，在对转频的锁相倍频设计中 必须有较宽的频率捕获范围；其中与锁相环频率捕获范围相关的有r 2 、r 3 、c 2 ， r 2 ，确定锁相环倍频的捕获频率范围，r 3 、c 2 确定锁相捕获范围的大小。图4 1 3 、 图4 1 4 电阻i 也，c 1 以及r r 的比例关系曲线图，最终确定锁相频率的捕获范围。 蚋 m琊懈m懈懈、 重庆大学硕士学位论文 4 基准信号测量怀应用硬件电路设计 型 望 叫 g 星 一 茁 o = - 一- 、 、 、一 、 、l 。r 2 ：3 k 、r 2 ；3 。k 、二，一。 、二 ：，：j v c o i n = o 5 v c c 、3 一 t i c v c c = 6 v h c t v c c t s 5 vr 2 一 5 m l1 0 1 0 21 0 30 41 0 51 0 6 c a p a c i t a n c ec i p f l g u r e 3 1 。h c 4 0 4 6 a a n o h c t 4 0 4 6 a o f # s e t f r o u e n c y 姻r 2 , c 1 ( v c c = 6 v v c c = 5 。5 、，) 图4 1 3 偏置振荡频率与电阻r 2 ，c 1 关系曲线图 f i 酣1 3 t h ec o w co f o i t s e t f r e q u e n c y w i t h r 2a n d c i ：；v c 嚣c i i 宝巍t o 旁5 v 蒜l 一 辩4 5 v5 i 。 j ，r _ ， 1t 0 1 0 2 r 2 ，r f i g u r e3 3 h c t 4 0 4 6 a f m a x f m i nv sr 2 r 1 ( v c c ；4 。5 v t o 5 5 v ) 图4 1 4 6 “r 2 、r 1 比例与频率振荡范围曲线图 f i 9 4 1 4c u r v e o f o f f s e tf r e q u e n c yw i t hr 2 r 本系统中应用的锁相环路，其核心使集成锁相环c d 4 0 4 6 ，c d 4 0 4 6 内置两个相 位比较器p c i 、p c 2 和一个压控振荡器( v c o ) 在本系统锁相环设计中使用p c 2 作为数字鉴项器。p c 2 的输出经过r 6 、r 9 、c 1 3 低通滤波后作为压控振荡器的控 制信号。c 1 、r 7 、r 8 的取值则决定压控振荡器( v c 0 ) 输出的下限频率f 和上限 频率，当鉴相器输出的误差电压最低时v c 0 振荡频率为下限频率，而当误差电 压最高时为上限频率【2 纠 其中： = 1 0 ”e , ( c 1 + 3 2 ) ( - 1 2 ) = + 1 0 ”足( c l + 3 2 )( h 2 ) r 单位为q 、c 单位为p f ( 4 1o ) ( 4 1 1 ) 雠舭”m懈蛳， 伯 薹薯善 重庆大学硕士学位论文4 基准信号测量怀应用硬什电路设计 由下限频率和上限频率可以相应计算得到压控振荡器的中心频率： c o ：皇j ( h 2 ) ( 4 1 2 ) 4 3 基准信号锁相环3 2 倍频( a d 触发源) 2 6 1 2 7 】 在动平衡测试中，提取的特征参数主要是由振荡速度传感器测得的振动幅值 最大值和相对于初始零位的最大幅值处对应的相位，锁相环正是具有相位保持的 特点。在本系统中采用锁相环技术方面是为了消除采样不同步以及周期测量误 差对测量精度的影响。另一方面，由于本系统针对一定范围的不同转频的动平衡 测试，采用锁相环技术可以保证转子每个采样周期内整周期采样3 2 个点不变，而 只是根据不同转子的旋转周期的长短，其采样间隔相应的改变，但最终能实现整 周期采样3 2 个点。锁相倍频的采样方法实际上是硬件同步的采样方法，用锁相环 产生的频率( 转子转频的3 2 倍) 来同步a f d 采样的频率和时刻，锁相环3 2 倍频 每发出一个上跳变就启动a d 采样通道a d c 0 0 和a d c 0 1 进行一次数据采集。锁 相倍频的原理如图4 1 5 ，根据反馈f = ，环路锁定后频率为= f ，实 现了输出频率c 是输入频率f 的2 的1 次幂倍数，只要改变分频器的分频比( 1 2 “) 就可以改变锁相环路的输出频率。 f 图4 15 1 2 7 1 锁相倍频原理图” f i 9 4 1 5p h a s el o c k e df r e q u e n c ym u l t i p l i e rs c h e m a t i c s 图4 ，1 5 中，分频器采用c d 4 0 2 4 进行3 2 倍分频，将其接在c d 4 0 4 6 相位比较 器比较输入端，针对某一转频，当v c o 振荡频率高于时，比较器p c 2 输出 的v c o 的控制电压应为低电平，以便把频率拉低，而当v c o 振荡频率低于f 时， v c o 控制电压应为高电平，使得振荡频率拉高。从而使锁相环路达到稳定的跟踪 某个频率f 成分。 系统中，经过整形后的基准脉冲方波信号a 经过上述锁相环路3 2 倍频后，稳 定跟踪转子转频，倍频后脉冲信号上升沿触发d s p 芯片a d c s o c 启动两通道a d 采样，以保证整周期同步3 2 个点采样。电路原理如图4 1 6 。 重庆大学硕士学位论文4 基准信号测量怀应用硬件电路设计 图4 1 6 锁相倍频采样环路 f i 9 4 16p h a s el o c k e df r e q u e n c ym u l t i p l i e rs a m p l i n gc i r c u i t 在转子动平衡测试系统中，为了精确的测得转子不平