（电机与电器专业论文）基于dsp的电机噪声在线检测系统.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t m o t o rn o i s er e f l e c t st h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s sa n dt e c h n i c a ll e v e l i t i sa l l i m p o r t a n tp a r a m e t e ro fm o t o lt h ed i s q u a l i f i c a t i o no ft h en o i s el e a d sd i r e c t l yt ot h e p r o d u c tr e t u r n s ，n o to n l yb r i n g sh u g ee c o n o m i cl o s s e st ot h em a n u f a c t u r e r s ，b u ta l s o d a m a g e st h ec r e d i b i l i t yo ft h em a n u f a c t u r e r s t h eo n - l i n ed e t e c t i o no ft h en o i s ei s s t i l lap r o b l e mf o rm o t o rf a c t o r i e s ，b e i n g g r a d u a l l yc o n c e r n e db yp e o p l e ，a n d b e c o m i n gar e s e a r c hh o t t h ep u r p o s eo ft h es t u d yi st od e s i g nas e to fo n - l i n ed e t e c t i o ns y s t e mf o rm o t o r n o i s ew h i c hu s et h et i sd s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2c h i pa st h ec o r ep r o c e s s o r , t h em a i n f u n c t i o ni st oc o m p l e t et h em o t o rv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gt oo b t a i n t h es o u n dp o w e rl e v e lo f m o t o rn o i s ea n d p r e l i m i n a r i l yj u d g cm o t o rn o i s es o u r c e t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h em e c h a n i s mo ft h em o t o rn o i s eg e n e r a t e d c o m p a r e dt h ec u r r e n t m e t h o d so fm o t o rn o i s em e a s u r e m e n ta n dc h o s et h ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o d f i n a l l y t h ec a l c u l a t i o no fs o u n dp o w e rl e v e lf o rm o t o rn o i s ei sd e r i v e d a n dt h ef a s t f o u r i e rt r a n s f o r mt h e o r yi sa l s oi n t r o d u c e d t h ep a p e rh i g h l i g h tt h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so ft h es y s t e mu s i n gt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2a st h ec o r e ，i n c l u d i n gh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g na n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o nf o rs i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e 、s i g n a la n a l y s i s a n dp r o c e s s i n gm o d u l e 、d a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n do t h e r s r e l e v a n t e x p e r i m e n t sh a db e e n d o n ea f t e rt h es y s t e mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h ee x p e r i m e u t a ld a t a o b t a i n e das i m p l ew e r ec a l c u l a t e da n ds i m p l ya n a l y s e d k e y w o r d s ：m o t o rn o i s e ；m o t o rv i b r a t i o n ；o n - l i n ed e t e c t i o n ；s o u n dp o w e rl e v e l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了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 为获得直昌盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： 签字日期：矽叼年) 月以自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌态堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) r，每 学位论文作者签名：岛如嘲导师签名：i 何杌争 h 、j j f 签字日期：多吲年阴2 l 佃签字日期：p 唧年j2 月叫日 f 第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题研究背景 噪声是一种不同频率和不同强度无规律地组合在一起的声音，噪声已成为 环境污染的最重要的原因之一。它影响着人们生活和工作，还会使物理装置和 设备疲劳和失效，或干扰其他信号的感觉和鉴别。当噪声超过一定限度时，还 会损害人们的健康，特别的噪声甚至还会使建筑物遭受损害。目前噪声污染与 水污染和废气成为环境的三大公害。为了创造合适的工作环境，提高劳动生产 率以及保证人们的身心健康，必须采取一定的措旆，把噪声降到允许范围之类l i l 。 电机作为从小型机械到大型机械的动力设备其应用领域极为广泛。但电机 也是种噪声源。电机噪声反映了产品设计，制造工艺水平，是电机产品的主 要质量指标之一。由于电机的全民普遍性，在国民经济和日常生活领域，越来 越多的电机电器进入豪华大厅和千家万户。这些产品的噪声问题也越来越受到 社会重视。但是在许多情况下这些设备产生的噪声仍不能满足用户的要求。从 人类居住环境的角度来看，随着电机性能的提高，人们对电机噪声尤其是家电 产品及其中的电机噪声的要求越来越商。电机出厂前的噪声检测也越来越受到 人们的关注，已列为国家强制性标准检测项目，即噪声达不到国家标准规定的 要求，则判为不合格产品。 以前由于缺乏便捷可靠的噪声检测手段，主要依靠工人的主观检测噪声的方 法，让检测线经过消音室，富有经验的工人用耳听来辨别电机的机械故障和电 磁故障。这种方式对操作人员要求高，受人为因素影响大，检测速度慢，劳动强 度大，严重影响了电机出厂试验的速度与准确率，以致电机产品的噪声性能指标 不够稳定。有的电机还因为噪声超标退货，不仅给电机生产厂家带来经济上的 损失，而且在一定程度上影响了品牌的声誉。所以实现电机出厂前噪声的智能 化在线检测，提高检测的准确性，可以改善目前我国电机生产企业在噪声检测 方面的落后局面，提高劳动生产率，提高检测的客观性和准确性，减少产品的 不合格率，消除退货现象，大幅度提高企业的经济效益【2 1 3 11 4 1 。 目前，国内外对电机等机械表面噪声测试主要有声压法，声强法，振速法 等。但是电机噪声测定的声学环境对测量结果影响很大，同一台电机在不同的 第1 章前言 声学环境可能有不同的测试结果，尤其在制造车间背景噪声很大的情况下，实 测噪声不能精确地反映电机的噪声情况。声压法测量受环境噪声的影响，因此 在不少场合，如在生产流水线上逐台测量电机噪声时；或被测电机的噪声小于 环境噪声时，都会由于其他的影响以及反射噪声的影响使得声级计无法测得电 机的实际噪声。声强法测量，其仪器价格昂贵，且测试过程复杂，难以在生产 现场使用。 振动是所有设备在运行过程中普遍存在的现象，电机和其他设备一样，在运 行过程中都会发生不同程度的振动。对于各种类型和规格的电机来说，在他们 稳定运行时，振动都有一种典型特性和一个允许限值。当电机内部出现故障、 零部件产生缺陷、装配和安装情况发生变化时，其振动的幅值，振动形式及频 谱成分均会发生变化，而且不同的缺陷和故障，其引起振动的方式也不同。因 此振动能客观的反映电机的运行状态。所以对电机的振动进行检测和诊断，是 掌握其运行状态和发现故障的重要技术手段。任何机械振动系统都是声波源， 电机的振动和噪声当然也密不可分。所以可以通过对电机振动的检测来判断电 机的噪声是否合格1 6 1 。 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技 术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备， 以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理， 以得到符合人们需要的信号形式。自从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初d s p 芯片诞 生以来，d s p 芯片得到了飞速的发展，已经在信号处理、通信、雷达等许多领域 得到广泛的应用。目前，d s p 芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有 巨大的应用潜力，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主 要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求， d s p 芯片一般具有如下主要特点：采用哈佛结构、流水线作业、具有快速运算能 力、高速数据传输通信能力以及良好的仿真开发技术功能。 d s p 在信号处理方面的特点就给电机噪声的在线检测系统提供了良好的条 件。它的引入使得噪声测量更加方便快捷，且误差小，降低了成本而提高了效 率。配合一些专用噪声测量分析软件，可使噪声测量与分析实时进行，缩短了 测量与信号处理周期，减轻了研究人员的负担，使得工程师能将更多的精力放 在寻找噪声控制的策略上。 第1 章前言 1 2 国内外研究现状 根据市场分析及效益预测：环保问题已经越来越得到国家的高度重视，噪 声污染作为环境污染的一个方面也越来越重要，噪声已经是环保的一个重要指 标。随着人们的生活质量的提高，传统的如风机、内燃机、机床、电机、工厂 噪声、家用电器振动噪声等越来越受到人们的重视，成为质量保证的一个重要 指标，因此噪声和振动的研究成果有着非常广泛的市场。 1 2 1 电机的噪声检测技术的发展 电机噪声的检测经过几十年的发展，大概经历了以下几个发展阶段： 1 调查性噪声测试：所需仪器只要一个a 计权声级计，测量时测出总的声 功率级d b ( a ) 就够了。 2 噪声的简易诊断：测定a 计权总声功率之外，还需要进行噪声的频谱分 析，分析噪声中的主要频率成份，分析电机内主要噪声源。 3 电机噪声的精密诊断：对电机的噪声信号进行详细的记录和分析，通过 噪声分析来发现电机某些故障产生的原因。 4 振动检测技术( v i b r o a c o u s t i c a l d i a g n o s i s ) ：对诊断的电机采集振动信 号进行信号处理，然后诊断故障原因，大大提高了诊断的准确率。这种方法通 过电机表面的振动量，来确定其噪声辐射值，在十分恶劣的声学环境下测量， 几乎不受环境反射和背景噪声的影响，故引起人们的广泛重视，但在线测试时， 需要克服测试线线体振动的影响，还必须简化测点，否则难以满足大批量生产 的节拍。 目前在电机噪声检测、小型设备的状态检测和故障诊断领域，计算机及信 号处理技术并没有得到合理的使用，只有依靠专家知识和他们在实践中积累的 经验来进行诊断。尽管如此，通过测量电机的振动来达到电机噪声测量的技术 仍然得到了广泛的重视。国内已有相当的研究机构、大学、工厂把这种检测技 术运用到生产试验当中。据统计，我国目前直接从事噪声与振动控制的设计、 研究的单位就有5 0 0 多家，噪声与振动控制的队伍基本形成。全国性的噪声与 振动控制学术交流活动十分活跃，国内噪声控制与振动技术学术交流会议己经 开过七次，交流论文1 5 0 余篇，大大促进了振速法测量噪声理论的发展。 第1 章前言 1 2 2 在线检测技术 在线检测技术的起源与发展同大工业的发展密切相关。它产生于2 0 世纪3 0 年代到5 0 年代，由于工业电子学的发展，在线检测技术也由机械式检测装置发 展到电气化装置，从简单的红绿灯指示报警到在线检测装置的放大杠杆或位移 弹性原件上加上微小电接触点发信号，进而通过继电器反馈控制加工机床，按 照既定工序进行加工。6 0 年代，世界经济继续迅速发展，微电子技术，计算机 技术，传感器技术都有了令人注目的发展，从而给在线检测技术提供了发展的 基础。进入7 0 年代，在线检测技术已经明确作为种新技术和学科，受到世界 各国工业界科技界的重视。8 0 年代至今，国际上一些工业发达国家在钢铁工业、 交通运输、化工、机械加工、造纸、发电等工业上的在线检测技术都有较大发 展。目前国外已经有一些专业公司生产成套的在线检测仪器和系统，供用户选 择使用。然而我国在线检测技术的研究和应用起步较晚。 工业在线检测技术的社会经济效益巨大，可以保证产品质量、节约和降低成 本、提高劳动生产率、减轻工人劳动强度。因而在国内外越来越受到重视。随 着社会工业发展，除了安全性外，机械产品的振动噪声等舒适性指标也越来越 受到人们的关注。同时，机器运转噪声中蕴含着机器状态的重要信息，可用于 设备的实时检测和快速诊断。然而在生产线上，机器的运转噪声测量常常要在 较强的背 景噪声下进行，传统的声压级很难直接测得其真实噪声，而较为准确的声强法 则由于耗时及操作不便等因素，难以满足生产线上的工作节拍。且对于有异响 的机器，也很难进行进一步的故障诊断。振速法则是一种十分简便而有效的方 法。其原理是当物体出现声频范围内的振动时，会激发周围空气介质相应振动， 从而以声波形式向外辐射噪声。该方法的应用越来越普遍。 1 3 本文的主要工作 电机噪声在线检测系统要满足最终功能需求：拾取振动信号，将振动信号转 换成电信号；进行a d 转换，送入d s p 进行处理；同时可以将数据送入计算机 保存。本课题任务就是利用数字信号处理器( d s p ) 设计一套实时的检测系统。 主要研究内容有： ( 1 ) 利用数字信号处理器( d s p ) 进行系统硬件设计 4 第l 章前言 本文采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片作为整个系统的核心部 件，设计出系统的硬件电路和编写相应的软件程序，并进行调试。完善系统的 整体功能，使其有利于现场的实际使用。 ( 2 ) 信号的采集 针对电机噪声类型以及振动机理的分析，确定分析对象所用到的参数，在 实际工作中实现采集功能，对采集到的模拟信号要进行模数转换，将转换后得 到的数字信号送到数字信号处理器中，对它们进行下一步的分析。同时可以将 采集到的信号数据通过数据通信进行存储，作为资料保存。 ( 3 ) 对数据进行处理 对于采集到的振动信号，再经过模数转换后得到的数字信号进行时域或频 域分析，判断电机噪声是否合格 ( 4 ) 数据通信 实现检测设备与之间的通信，将检测系统在实际工作中采集到的原始数据 下载到p c 机中，作为以后该类型设备的参考数据资料。 ( 5 ) 系统集成 将各个功能模块组成一个系统，完成可靠性的工程测试。 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 噪声是不同频率、不同强度、无规律地组合在一起的声音，所以噪声具有 声音一切的特性，产生声音的根源是物体的振动，机械设备因原始制造误差、 运动部件之间的空隙、零部件之间的滚动与摩擦、回转与往复件的不平衡力等 都会引起振动，而且微小的振动有时都会引起其他部件产生共振，使之被放大 成为主要的振动和噪声源。振动不但产生损害人健康的噪声，而且它还具有能 量，这种能量对机器本身也是十分有害的。0 1 下面介绍一下电机噪声机理。 2 1 电机噪声机理 电机运转时通常有多种噪声源同时并存，按大类可分为空气动力噪声、通 风噪声、电磁噪声、机械噪声。这些噪声的产生是不可避免的，其噪声的大小 与设计、制造、安装质量有关。通风噪声主要表现为涡流声、哨声，它包括风 扇或其它通风元件以及转子旋转形成的气体涡流噪声；电磁噪声是由在时间和 空间上作变化并在电机各部分之间作用的磁拉力引起的，在设计刁i 当的电机中 电磁噪声可以很突出；机械噪声主要为轴承噪声、电刷噪声、转子动不平衡引 起的噪声。同一种设备的噪声还与其运行状况有关，例如电机运行速度不同， 则其噪声也有所区别。高速运转时噪声的主要成分是空气动力噪声，低中速运 行时电磁噪声和轴承噪声则比较突出。【2 1 2 1 1 机械噪声与轴承噪声 噪声中机械噪声约占到5 。其他具体来源有：轴承严重缺油、油中有杂质 或轴承磨损、质量低劣。小型电机会因端盖强度不够，机座刚度不够而增大轴 承噪声。转子不平稳或转轴弯曲引起转子振动，同时使机座发生振动产生噪音； 定、转子铁心松动；定、转子间气隙不均导致相擦；新绕制的电机，相间绝缘 纸或槽楔突出于槽口外与转子相擦；构件( 端罩、风罩、出线盒盖等) 振动； 铁心松散或片问短路、槽齿损坏；风扇与风罩相擦或风扇不平衡、风叶松动； 机内有杂物；联轴器连接松动；炭刷换向器间相擦；地脚固定不稳，安装不正。 6 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 2 1 2 电磁噪声 电机空隙中的磁场脉动，引起定子、转子和整个电机结构的振动产生的一 种低频噪声为电磁噪声。其数值大小决定于电磁负荷与电机的设计参数。中速 和低速电机此项噪声较突出。电磁噪声约占电机噪声总量的2 0 左右。具体来 源有：定、转子槽配合不当；定、转子长度配合不好( 相差太多) ；转子铁心的 径向振动：绕组节距不对；转子槽斜度不够；某一级相组中线圈接反；匝间短 路、相间短路，并联绕组中有支路断路；笼型转子的导条开焊或断裂。“1 2 1 3 空气动力噪声 当冷却用风扇和鼓风用风机在空气中高速旋转时，在风机与空气之间的相 互作用下，将会产生很大的噪声。电机转动时，风扇和转子上某些凸出部位使 空气产生冲击和摩擦形成空气动力噪声。它随风扇和转子圆周速度的增高而增 大。风扇旋转形成一个宽频带的连续噪声，在此项噪声中所占比重较大( 尤其 是转速在1 5 0 0 r m i n 以上的高速电动机) 。风扇噪声强度决定于风扇( 叶片角度、 宽度、电机转速) 和风路设计的好坏。空气动力噪声是电机噪声的主要部分， 约占7 5 左右。 综上所述，电机噪声产生的原因大致就是这样，但由于电机的噪声对环境 的影响危害之大，必须对电机噪声进行控制。运行中的电机，其噪声受多种因 素的综合影响，除因使用年久构件陈旧引起故障而产生噪声外，电机结构设计 及装配质量符合标准与否，也直接影响到噪声的大小。 2 2 电机噪声的测量方法 在噪声测量中，通常有两种描述噪声大小的指标，即是声强和声压。声压 是个标量，它表示噪声的大小。声强是个矢量，它不但能表示声音的大小，而 且能给出声能流动的方向。在噪声测试技术方面，国内起步比较晚，但近年来 发展迅速。 以往测量电机的噪声通常是采用最简单的声级计进行声压级测量。即测量 电机一定距离包络面上的平均声压级，再换算成声功率级，以评价电机的噪声 质量。它不仅可以测量声级，还可以接入带通滤波器，对噪声进行频谱分析。 由于声压法测量受环境噪声的影响，因此在不少场合，如在生产流水线上 逐台测量电机噪声时或被测电机的噪声小于环境噪声时，都会由于其他的影响 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 以及反射噪声的影响使得声级计无法测得电机的实际噪声。 目前国内外声强测量的系统有三类。第一类由专用的声强测量仪与声强探 头组成的系统，如丹麦b & k 公司的3 3 6 0 声强测量系统。这一测量系统的分析 功能有限，价格昂贵。第二类，将双通道f f t 分析仪与微机联机，配上声探头 组成声强测量系统。f f t 分析仪的价格也很昂贵。第三类由微机实现的声强测量 分析系统。由于计算机的推广和普及，价格很便宜，对声强的开展也起到十分 重要的促进作用。但是计算机体积庞大、计算速度慢，只适合于算法仿真，不 能适合现场数据处理。 所以总体来说声强法测试虽然准确，但是仪器价格昂贵，测试也比较复杂， 同时受环境噪声的影响。因此也不适合在生产流水线上逐台测量电机噪声时或 被测电机的噪声小于环境噪声时应用。 振速法则是一种十分简便而有效的方法。振动是所有设备在运行过程中普 遍存在的现象，噪声与振动研究的基础是声学和振动理论，噪声测量技术是声 学理论的应用。振动测试与分析技术，就是利用现代测试手段，对所研究的结 构的振动同时采集振动信号和噪声信号并对所得到的信号进行处理，以获得在 各种工作状态下结构的振动特性，从而判断结构的动态特性是否符合设计要求， 为科研人员验证理论和建立新的理论、设计人员进行优化设计、工艺人员改进 制造工艺提供可靠依据。振动测试与信号分析技术是机械动力学学科的重要分 支之一，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面。随着科学技术的日益 发展，对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿命等方面要求越来越高，人 们对于振动的认识也越来越深入，因而对振动测试与振动信号分析技术的研究 提出了越来越高的要求“”1 。 电机噪声测定时所处的声学环境，对测量的结果影响很大，同一台电机在不 同的声学环境，可以得出不同的结果，因此在电机噪声测定时都规定了声学环 境。电机的噪声测量方法在国家标准g b l 0 0 6 9 - 8 8 ( ( 旋转电机噪声测定方法及限 值 和国际标准化组织i s 0 1 6 8 0 ( 1 9 8 6 ) 声学一旋转电机辐射空气噪声的测定 方法中均有严格的规定。也就是说声压法和声强法必须在指定的三种声学环 境下：自由场，半自由场，混响场。而如果是在现场进行噪声检测，还必须测 试背景噪声，进行修正。而且为了使得测量结果准确，声强计与电机之间需保 持较小的距离，在自动测试线上采用比较困难。对于背景噪声不断变化或背景 噪声非常大时，单单检测噪声的声压级，声强级是不舍理的。所以本文对电机 8 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 的噪声在线检测选择振速法。 2 3 振速法测定电机噪声声功率级的实现 用测量表面振动来确定机器表面振动所辐射的空气声功率的测量方法，适用 于那些因为背景噪声很高或其他环境影响较大而不能按照g b 3 7 6 7 ，g b 3 7 6 8 ， g b 6 8 8 1 ，g b 6 8 8 2 ，g b l 0 0 6 9 等用声压法和声强法测定机器噪声的基础标准或专业 标准规定直接正确测定的场合同。 下面根据g b l 6 5 3 9 的计算要求，对振速法测定电机噪声声功率级进行详细 介绍。 2 3 1 理论推导过程中用到的定义 1 ) 结构声：通过机器固体结构传递在可听声的频率范围内的振动。它可以 由固体结构表面的振动速度或者振动加速度来表征。 2 ) 封闭机器：是指机械结构振动噪声主要通过封闭于机器外表面辐射的那 类机器设备。电机属于这类。 3 ) 振动速度位移的时间变化率的矢量，其振动速度的均方根( r m s ) 用符 号v 表示，单位为米每秒( m s ) 。振动位移是振动速度对时间的积分，频率为，时， 正弦振动位移有效值( r n 1 s ) d 由下式计算： d ：旦 2 z f 振动加速度是振动速度对时间的微分，频率为厂时，正弦振动加速度有效 值( 加1 s ) a 由下式计算： a = 2 z f v 4 ) 振动速度级l 速度与基准速度之比的以十为底的对数乘以2 0 ，单位为贝 尔】，b 。但通常 用d b 为单位，以分贝( d b ) 为单位的速度级由式( 2 1 ) 表示： t ，2 厶= 1 0 1 9 鲁( 2 1 ) r o 式中：v 一一在有效频带范围内振动速度有效值； k 一一基准速度，一般等于1 0 9 m s ( = l n n l s ) 。 9 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 注：空气声和结构声基准速度的性质同空气中平面波的声强级，声压级和振动速度级的 性质是一样的，其量值几乎相等，所以在论文中采用v o = 5 x 1 0 - 8 m s 。该值为g b 3 2 3 8 的基准值。 5 1 辐射因数盯： 表示声辐射效率的因数，由公式( 2 ) 计算： 盯= 一( 2 2 ) p c s , v 2 式中： 见一一机器振动面辐射的声功率，单位w ； s一一振动表面面积，单位2；s m 筇一一空气声阻抗( p ：空气的平均密度，c ：空气声速) ，单 位p a s m ： 矿2 一一s s 面上的振动速度有效值的平方均值，单位为m m s 。 口，p 。和v 2 是在同一时期的三个值。 6 ) 辐射指数 用1 0 1 9 c r 来表示。 7 ) 空气声功率级 给出的声功率与参考声功率之比，取以l o 为底对数的1 0 倍。又是按制定 的频率宽度表示，例如倍频程声功率级，1 3 倍频程声功率级等。空气声功率级 以分贝为单位表示( 参考声功率：l p w ) 。对于机器表面规定部分的空气声功率 级k ，由式( 2 ，3 ) 给出： 厶b = 1 0 1 9 p o ( 2 3 ) 式中：见一一相关机器表面辐射的声功率，单位w ； 风一一基准声功率( = 1 0 。2 w = 1 p w ) ，单位w ； 8 1 振动测试面 测量位置分布所需而假定的表面或部分表面。其面积用符号e 表示。 9 ) 附加结构振动速度级 当机器没有工作或其他无关的振源影响时，所测定到的振动速度级。附加 结构声是由被测机器之外的其他结构产生的，如由连接的耦合机组产生的。 1 0 ) 零阶球面 l o 第2 章 电机噪声机理分析和测量方法 在整个外表面上按同一相位同幅进行的球形振动。 2 3 2 振动测量面上振动速度测定理论 1 ) 振动测试面的选取 如果机器具备相同的结构并且几何对称，其激励也是均匀对称的，那么测 试的结果已证明所有单元结构在任何频段的相应平均速度级都是等效的，这样 就可以在单一结构上进行测试。当测点可以均匀分布时，将振动测量面划分为n 个面积相等为j ，的部分，测点则配置于每个部分面的中心。 若测点不均匀分布时，从初始结果中己知振动测试面的某些部分比其他的 振动更强烈，则应在较强的那部分上更密集的布置测点。在此情况下，测点i 则代表该部分面积& 2 ) 测点数的确定 振动测量面上初始测点数的选择应按表2 1 进行 表2 1 初始测点数 振动测量面面积e 单位m 2测点数 s 一1 1 1 0 如果在任何频段内，测得的以分贝计的最高和最低振动速度级之差大于表1 给出的测点数，则必须增加测点数。此外相应频带中由显著纯音成分存在时， 也应增加测点。测点数应成倍的增加直到振动速度级的平均值云的偏差控制在 l d b 范围内为止。 3 ) 环境条件 测试设备应按生产厂的说明考虑环境条件来选择。用与阻抗变换器在 一体的传感器，可以降低电缆的影响。 4 ) 测试程序 在规定的运行条件下，各测点在规定的频率范围内按频带测定振动速度级 。振动速度级l w 可以由加速度级k 来计算或由加速度信号直接积分而得， 这可以避免计算。测量时间的选择应适合于结构辐射声的特征和信号处理技术。 5 ) 传感器的安装 髓 加驴 & 2 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 传感器的安装应尽可能的做到在有效频率范围内精确的反映测量面上的真 实振动速度。传感器的振动轴线应垂直于振动表面。 6 ) 传感器质量的影响 特别推荐用轻的传感器，若不具备这样的传感器，则对均匀结构( 平板、 圆柱体) 可以按传感器影响的修正进行修正；对其他结构，这个修正的精 度尚不明确。 7 ) 辐射因数的确定 机器的辐射因数应按图5 6 推荐的方法测定，或按2 3 4 的第二条进行计算。 2 3 3 噪声功率级计算方法 1 ) 附加( 外界) 结构声的修正 所测声级应按表2 2 进行附加( 外界) 结构噪声的修正。 表2 2 附加结构噪声的修正 2 ) 振动测试面上振动速度级平均值的确定 按相关的测试程序测定的振动速度级，由式( 2 4 ) 计算各测点i - 1 ，n 的 速度级： l “2 l ”。k n + k “( 2 4 1 式中：l 。一一未修正的实测振动速度级； k 。一一附加结构修正因数； k 。一一传感器质量修正因数： 振动测量面上墨上的平均分贝瓦可以按照式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 中的一个合 适的计算 a ) 均匀分布测点的情况下： 云- 1 0 l g 万1 善ul o ( 2 5 ) b ) 不均匀分布测点的情况下： 1 2 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 云= l 。l g 葛1 萎n 墨，1 0 ”上1 ( 2 6 ) 2 3 4 结构声辐射引起的空气声功率级计算 1 ) 基本概念 根据上一节计算的k 数值按式( 2 7 ) 计算声功率级丘。分贝值： 。c + 【1 0 1 8 百s s + l o l g o + l o l g 去】( 2 7 ) 式中： 厶一一测量面上的速度级均值( 基准速度为5 0 m m s ) d b ，按照上节计算； s ，一一相应测量面面积，单位州2 ； 仃一一辐射因数； 卯一一空气特征阻抗； s o = 1m 2 ；( ) 。= 4 0 0 n s m ( r i j 气在2 0o c ，气压为1 0 5 帕时的阻抗) 。 若需要a 计权空气声功率级则应从频带声功率级来计算。 对辐射指数已确定的机器，若用带相应辐射指数及a 计权的振动噪声检测 仪测定，则式( 2 7 ) 应改为： 。g + l o l g i s s + l o l g 盖( 2 8 ) 2 ) 辐射指数l o l g o 的测取 如果辐射指数是根据国标1 6 5 3 9 中确定辐射指数1 0 1 9 0 的方法对相应 频带测量求得的，则该频带的空气声功率级应按照式( 2 7 ) 来求取。 3 ) 由振动加速度级确定振动速度级 以分贝为单位的振动加速度级l a 按式( 2 9 ) 计算： ( 2 9 ) 矿一面 m 鼠 k 锨度速加动振内段频应相一一口中式 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 参考加速度值( = 1 0 _ 6 m s ) 。 当中心频率为厶，用v o = 5 x 1 0 8 i 抵时，测试振动速度级厶分贝值与测试 加速度级厶。之间的关系由式( 2 1 0 ) 表示 由( 2 ) 及( 3 ) 式推导而来】： 厶= 乞。 2 0 1 9 等一l o ( 2 1 0 ) 式中：l 频带中心频率，单位h z ： 厶基准频率( - - 1 h z ) 。 用加速度传感器测量振动时，可用加速度传感器响应的电压值u 按式( 2 1 1 ) 计算加速度级l 的分贝值( 参考加速度1 0 _ 6 m s 2 ) ： l 。 = 2 0 1 9 器卜眨 式中：u 以微伏每秒平方i z v ( m s 2 1 表示。 2 4 振动测点配置 在生产线上测量噪声主要用于质量监控，而测点的选择对信号采集和测量 结果影响很大，故应进行多点测量。经平均后作为对电机噪声的综合评价。根 据g b1 0 0 6 8 卜8 8 旋转电机振动测定方法及限值，对电机振动测点的配置如 下： 1 ) 对轴中心高为4 5 4 0 0 m r n 的电机，测点数为6 点。 图2 1 测点配置 在电机两端按轴向、垂直径向和水平径向各l 点( 见图2 1 ) ，其中测点2 ， 3 ，4 ，5 的测量方向延长线应尽可能通过轴承支撑点的中心。 对有外风扇的电机，可取消风扇端的轴向测点；但对允许正反转运行的斜 槽转子电机，应在非风扇端的轴向测点上同时测量正、反两个旋转方向的轴向 1 4 第2 章电机噪声机理分析和测量方法 振动。 2 ) 对轴中心高大于4 0 0 唧的整台电机，测点数为6 点，测点配置见图2 1 及 图2 2 。 3 ) 对座式轴承的电机测点按图2 3 配置，测点数为6 点。 电机的测点配置 例2 3 座式轴承电机的测点配置 现行确定的六点主要是考虑电机在三维空间的噪声辐射。而在生产线上的 噪声测量则是在已知某一类电机的基本性能的情况下，监控电机的工艺质量。 且受生产节拍的限制，只能选择关键点进行检测，注意，该测点必须经大量试 验论证方能确定。但在本课题中，从上面的噪声检测的理论推导的结果来看， 需要通过传感器获得的参数是振动加速度的有效值，而不是具体的振动情况。 而且由于时间和条件的限制，本文将只在电机外壳中心位置选取一个测点。 咀一睁 第3 章t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 在信号处理系统中的应用 第3 章t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 在信号处理系统中的应用 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是- - n 涉及许多学 科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。数字信号处理技术是利用计算机或专 用设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别 等处理，以得到符合人们需要的信号形式，它已经在信号处理、通信、控制、 故障诊断等领域得到极为广泛的应用。 3 1d s p 的概述 d s p 芯片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，即数字信号处理芯片，也称数字 信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理预算的微处理器，其主要应 用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；( 2 ) 程序和数据空间分 开，可以同时访问指令和数据；( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据 总线在两块中同时访问： ( 4 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持；( 6 ) 具有在单 周期内操作的多个硬件地址产生器；( 7 ) 可以并行执行多个操作；( 8 ) 支持 流水线操作，使取指、译码、执行等操作可以并行执行。 从2 0 世纪8 0 年代初第一块d s p 芯片问世以来，d s p 芯片也经历了2 0 多年的发 展，现在国际上生产d s p 芯片的厂家主要有日本o k i 电气公司、美国德, j , h t i 公司、 a d 公司、m o t o l o r a 公司等。在设计的这个系统中，选用的d s p 芯片是t i 公司生产 的定点d s p 芯片t m s 2 3 0 c 5 4 x 系列中的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 简称v c 5 4 0 2 ) 8 。 3 2t m s 3 2 0 c 5 4 x 体系结构特点 t m s 3 2 0 c 5 4 x 是美国t i 公司推出的新型高性能1 6 位定点数字信号处理器系 列，它凭借其高速度、低功耗、小型封装和最佳电源效率的完美结合，在便携 设备及无线通信领域得到广泛应用。本节主要介绍它的体系结构、功能特性等 内容，为下章的数字信号处理系统的设计提供参考。 1 6 第3 章t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 在信号处理系统中的应用 3 2 1t m s 3 2 0 c 5 4 x 系统组成 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系统组成包括：c p u 、存储器、片内外设与专用硬件电路三部分。 c 5 4 x 的增强型哈佛结构及内部总线使芯片的处理能力发挥到最大，程序和数 据空间分开允许同时读取程序指令和数据。这种并行结构的有力支持使得算术、 逻辑和位操作能够在单个机器周期内全部被执行。图3 1 所示即为c 5 4 x 的内部结 构图。 图31t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部结构与总线链接 羽e l 札 h 鞠晰 3 2 2c p u 和总线结构 t m s 3 2 0 c 5 4 x 的c p u 是基于t m s 3 2 0 c 5 4 x 的1 6 位定点低功耗内核。它的中央处理 单元( c p u ) 具有改进的哈佛结构、低功耗设计和高度并行性等特点 9 1 0 。 t m $ 3 2 0 c 5 4 x 系列的c p u 包括： 算术逻辑单元( a l u ) ： 两个4 0 位的累加器a 、b ； 桶型移位寄存器 乘累加单元( m a c ) 数据地址产生单元( d a g e n ) 和程序地址产生单元( p a g e n ) ： 1 算术逻辑运算单元 t m s 3 2 0 c 5 4 x 算术逻辑单元包括1 个4 0 位的a l u ，1 个比较、选择和存储 单元( c s s u ) 和1 个指数编码器。 2 累加器 t m $ 3 2 0 c 5 4 x 芯片由2 个独立的4 0 位累加器a c c a 和a c c b ，可以存放 第3 章t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 在信号处理系统中的应用 a l u 或m a c 单元的运算结果，也可以作为a l u 的一个输入。 3 桶型移位寄存器 4 0 位的桶型移位寄存器主要用于累加器或数据区操作数的定标。它和指数编 码器配合可以把累加器中的值在一个周期内进行归一化操作，还能完成数据缩 放、位提取、精度扩展和溢出保护。 4 乘累加器单元 m a c 具有强大的乘累加功能，该单元能够快速高效地完成如卷积、相关和 滤波等运算。 5 寻址单元 t m s 3 2 0 c 5 4 x 提供了高效灵活的寻址方式，它分为数据和程序两种模式。数 据寻址提供了7 种基本的寻址方式，程序模式主要是采用程序计数器( p c ) 来 寻址。 3 2 3 存储器配置 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列的可寻址存储器空间被组织为三个可独立选择的空间： 6 4 k 字程序空间，6 4 k 字数据空间和6 4 k 字的输入输出( v o ) 空间。这些空间 提供了共1 9 2 k 字的地址范围。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 芯片都包含随机存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 。在 存储器空间配置上，芯片片上或片外的r o m 和r a m 、外部的e p r o m 和 e e p r o m 以及芯片中的存储器映象寄存器都包含在上述的三个独立空间中。程 序存储空间用于装载程序指令和常数表：数据存储空间存放程序指令使用的l 临 时变量：输入输出( i 0 ) 空间则为外部设备提供了一个存储器映射接口，并且 还可以放置额外的存储器。片上r a m 总是配置到数据存储空间，也可以配置到 程序存储空间；片上r o m 则总是配置到程序存储空间，但一部分r o m 也可以 配置到数据存储空间中。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列中的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，它的存储器空间配置主要由三个 标志位设置： m p m c 位：0 表示片内r o m 使能并能够访问；l 表示片内r o m 无法访问。 o v l y位：0 表示片内r a m 只映射在数据空间；1 表示片内r a m 同时映 射到程序空间和数据空间。 d r o m 位：0 表示片内r o m 的不映射到数据空间：l 表示片内r o m 的一 第3 章t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 在信号处理系统中的应用 部分映射倒数据空间。 如图3 2 所示为t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的存储器空间配置图。从图中可以看出， 当m p m c 的值不同时，程序存储空间配置内容是不同的，而数据存储空间则没 有发生变化【17 1 。 在本系统中，设置m p m c = 1 ，o v l y = 0 ，d r o m = 0 。 ( o v l y = 1 1 ( o 4 l y = 叶 “剧盼搿” ( o v l y = m o n c t l r o m f 4 k 4 0 屯m 釉, m m t s m c b i p d 嚣嚣搿 r o g 。- 0 一 o n - c pd r 1 1 g k i1 6 - 1 璀) 8 管盆警1 i f d r o m 2 c i d r o n = q ( d r o m 一。茹：嚣稳一舛胛m 瓣一w ) 图3 2t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的存储器空间配置 3 2 4 片内集成外设 与c p u 结构不同，c 5 4 x 系列中不同的芯片型号他们在外设配置上存在着差 异。c