【《某电机转速信号测量分析及曲线拟合案例》3600字】

某电机转速信号测量分析及曲线拟合案例目录TOC\o"1-3"\h\u32112某电机转速信号测量分析及曲线拟合案例 11917第1章转速信号测量分析 1112381.1转速波形分析 1220651.1.1光电信号转速波形分析 1131031.1.2磁电信号的转速波形分析 2249041.2频谱信号分析 3157901.2.1光电传感器频谱信号分析 447611.2.2磁电传感器频谱信号分析 5150961.3对比分析 623594第2章转速信号曲线拟合 6149962.1转速频率与输入电压之间的函数关系 6262422.2曲线拟合 796382.2.1使用LabVIEW进行拟合： 756662.2.2使用Matlab进行曲线拟合 958672.3测量误差的分析 9第1章转速信号测量分析1.1转速波形分析1.1.1光电信号转速波形分析设计中使用的光电传感器为投射式光电传感器，需要一个作为光源的发光装置，一个接受光源的装置，中间为带有凹槽的能够遮光的转盘。设计中使用的电机叶片上的带有凹槽的转盘便可以作为光电测量的遮光罩。图４-1光电信号波形图4-2实验用电机以电压为7.5V时，光电信号的波形进行分析。由于光电信号只有在转盘上有缺口时才能够产生信号，在遮光板遮挡时，输出信号无法到达光敏二极管，即无法产生信号。所以光电传感器产生的信号只有0或者1，在图像上则表现为方波。方波中的一个周期，即一次高电平加上一次低电平在电机叶片上体现为一个缺口加上连接该缺口的一部分遮光板。在图中以圆圈标注。在图中7.5V时，光电信号测量频率为168Hz。已知测试电机有6个磁极对数，则图像上需要6个周期为电机旋转一周，在图4-3中以红色圆圈标注。于是在测试的150ms之内，电机大致转过了4圈加上两个周期，则在6s内，总共转过了160圈加上80个周期，在60s内约转过了1700转，由于手动计算测量存在误差，所以与LabVIEW测量出的1680转存在误差。1.1.2磁电信号的转速波形分析磁电传感器是通过电磁感应，将电机转速转化为线圈中的感应电动势进行输出。由于该传感器能够直接将电机叶片旋转的机械能转化为电能输出，所以在测量时无需通电。根据电磁感应定律，当w匝线圈在一个恒定的磁场内移动时，穿过线圈的磁通量为∅，则线圈内的感应电动势与磁通量变化率d∅dt的关系为：E=−w（实验所使用的是磁阻式磁电传感器，电机叶片上拥有导磁材料，通过叶片的转动改变磁阻，引起磁通量的增强和减弱，在线圈中产生电动势。图4-4中标注的便是实验电机的导磁材料，当电机运转时拥有导磁材料的齿每次经过磁电传感器，传感器的磁阻便会变化一次。线圈中的感应电动势变化频率，即电机的转速频率为电机叶片转速与叶片上的导磁材料的个数的乘积。图4-3实验电机上的导磁片图4-4磁电信号转速波形同样以电压值为7.5V时的磁电信号的波形进行分析，波形在0V刻度线上下跳动十分对称，且呈一种类似正弦波的波形。波峰与波谷的高低不平，本文认为是由于测试电机的轴承有些松动，在电机叶片转动时会频繁发生上下跳动，影响传感器线圈接收磁通量的大小。光电信号的幅值没有受到该影响的原因，本文认为是光电传感器接收信号只有“能收到信号”与“无法收到信号”，即只有1和0，所以光电信号在幅值上并不会受到影响。不过由于电机叶片的上下跳动会影响叶片旋转的稳定性，所以无论是光电或是磁电传感器测出的波形，每个转动周期都会存在一定误差且无法消除。在测量电机上存在6个磁阻片，每个磁阻片通过传感器都会产生一个周期的波形，所以当波形产生6个周期时，电机转动一周。如图4-5所示，在150ms内，产生了4组波形，则叶片在150ms内旋转了4周，通过计算，叶片在60s内总共转动了1600次左右，与系统测量的1680次基本吻合。1.2频谱信号分析频谱，是一个信号频率的分布特征，一般用来分析那些复杂的波形曲线，频谱分析可以将复杂的振荡波形分解为数个振幅与频率不同的谐波振荡。这些谐波振荡按照频率的不同进行排列，被称为频谱。在频谱分析前，波形信号的横坐标表示的是时间，而频谱分析后的波形信号的横坐标则为频率。这便是将信号分析从时域引入到频域进行分析，使我们对信号有了另一层面的认识。1.2.1光电传感器频谱信号分析图4-57.5V时光电传感器频率谱图4-5中为当给定电压为7.5V时，光电传感器输出的频率谱。由于在频谱测量的配置中选择了峰值输出，所以在图中的0.1kHz与0.2kHz之间的峰值，即为在此电压下，该电机的转速频率。在0.3kHz与0.4kHz之间，同样有一处峰值，但较低于主峰峰值，观察横坐标值可看出，峰值位置大约在335Hz左右，正是电机转速频率168Hz的两倍左右，这便是该频率的两倍频。在图中最右侧的0.5kHz处，还有该频率的三倍频。倍频是谐波的一种，通过带通滤波器选出各个倍数的谐波，就产生了倍频。若是在信号中倍频的振幅大于主频的振幅，则测量仪器或是被测仪器可能出现问题或是损坏。在图中也可看出，在波形中有除了主频与倍频之外的谐波信号，这些谐波信号产生的原因大部分都来自于外界干扰：光电传感器中的光敏二极管接收到外界光的变化、在硬件接线中损失信号等等，这些外界干扰很难被消除。排除外界因素，本文认为由于电机的轴承不稳定，电机叶片在旋转时容易上下抖动，影响信号的接收。于是取3V作为低电压输入，在该电压值下，电机叶片的抖动会更加剧烈，与7.5V电压输入的频率谱对比如下图4-63V时光电传感器频率谱由图4-6可见，在3V的低频电压下，谐波信号与在7.5V电压下并无二至，所以在光电传感器中，电机叶片的晃动与谐波信号的产生没有必然性的联系。1.2.2磁电传感器频谱信号分析图4-77.5V时磁电传感器频率谱图4-7为给定电压为7.5V时，磁电传感器输出的频率谱，可以看出磁电传感器的频率谱谐波较光电传感器有明显改善。原因可能是光电传感器对外界的干扰，如外界光线对其的干扰，而磁电传感器工作时只会获取磁通量的变化，即只对周围磁场的变化产生反应。所以受到的干扰较光电传感器小。对于电机叶片上下震动对频率的影响，同样取3V电压进行测量，如图4-8，可以看出谐波相较7.5V严重了许多。由于在低频时，电机叶片的上下振动会影响到传感器线圈中磁通量的增大或减小，从而产生较多的谐波，而在高频时，叶片的上下振动幅度变小，谐波的产生也同样变少了。图4-83V时磁电传感器频率谱1.3对比分析光电传感器：在仪器周围环境良好的情况下时使用，与电机轴承的牢固与否没有必然联系。在使用时需要接入电源。磁电传感器：与仪器周围的环境没有必然联系，但要保证仪器周围没有较大的磁场影响测量，与电机本身轴承的牢固与否有一定的关联。在使用时无需接入电源。适合在电机转速较高，且电机状态稳定时测量。第2章转速信号曲线拟合曲线拟合是在测量中得到实验数据，找到一系列的参数，通过这些参数的规律得出函数关系式，便于对后续实验结果的归纳总结。在这部分使用LabVIEW创建程序进行曲线拟合，之后使用Matlab进行验证与确认。2.1转速频率与输入电压之间的函数关系测量结果：1.使用光电传感器从5V-10V，每隔0.5V进行采样，测量电机输出频率数据如下：表5-1光电传感器测量数据电压(V)52.566.577.588.599.510频率（Hz）1101211321441561671781902012132242.使用磁电传感器测量电机输出频率数据如下：表5-2磁电传感器测量数据电压(V)52.566.577.588.599.510频率（Hz）1091211321441561671781902022132242.2曲线拟合2.2.1使用LabVIEW进行拟合：曲线拟合后面板：图5-1曲线拟合后面板由于电机输出的频率是随输入电压的变化而变化的，所以需要两个不同的变量，使用控件：数学——拟合——广义多项式拟合来进行拟合曲线。其中X为曲线的X轴，为输入电压值；Y为曲线的Y轴，为输出频率值多项式阶数为拟合后的函数阶数最大值，由于电压与频率为线性关系，所以多项式阶数为1方法为选择拟合曲线的方法最佳多项式拟合为拟合曲线后，在曲线上对应的输入坐标的点最后通过捆绑控件将输入的二维数组数据与拟合后的曲线显示在同一波形上。图5-2多项式拟合控件曲线拟合前面板（图5-3）：图5-3曲线拟合前面板由于光电传感器与磁电传感器测量的频率数据几乎相同，所以两者将只拟合一次，拟合结果如图5-4：图5-4曲线拟合结果图5-4中，绿色的坐标点为左侧输入数组中输入的数据，红色的曲线为拟合后的曲线。可以在最佳多项式拟合中得知误差基本都在0.5Hz之间。2.2.2使用Matlab进行曲线拟合图5-5Matlab曲线拟合结果拟合结果如图5-5，拟合系数为22.28，拟合曲线的精确值显示为均方根误差RMSE1.0837，趋近于1，误差值较小。2.3测量误差的分析前文中提到电机叶片的上下振动可能会影响传感器测量频率信号。由于设计使用的电机可调电压范围为2-12V，所以取3-6V作为低电压，7-10V作为高电压进行测量。在低电压的情况下，电机转速慢，叶片上下抖动的幅度更大；高电压下，较快的电机转速使叶片上下抖动的幅度减小。测量后分别拟合曲线，比较两者的精确值。表5-3光电传感器与磁电传感器低电压与高电压频率信号输出光电传感器3-6V电压（V）33.541.552.56频率（Hz）62738698110122132光电传感器7-10V电压（V）77.588.599.510频率（Hz）156167178190201213224磁电传感器3-6V电压（V）33.541.552.56频率（Hz）617386