CN209927277U - 一种含时变间谐波扭振信号发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种含时变间谐波扭振信号发生器，包括主控制器，所述主控制器的输入端与第一滤波器、第二滤波器和模数模块的输出端电性连接，所述模数模块的输入端与第三滤波器的输出端电性连接，所述主控制器与SRAM模块、FLASH模块、网卡芯片、USB芯片和RS232模块双向电性连接，所述主控制器的输出端与电平模块、光耦和数模模块的输入端电性连接。本实用新型与机械式扭振测试台相比，结构简单，测试工况覆盖全面，能够充分检验扭振分析装置的精度，同时能够提供各类的线性信号或多频信号，并且可以评估扭振分析装置对时变间谐波信号处理情况。

Description

一种含时变间谐波扭振信号发生器

技术领域

本实用新型涉及信号发生器技术领域，具体为一种含时变间谐波扭振信号发生器。

背景技术

扭振信号在各类旋转轴系系统中的测量、应用、研究越来越广泛。机械惯性式扭振仪可以测量较低频率的轴系扭振，但由于这种测量是接触式测量，系统结构复杂，安装麻烦，数据记录难度大，难以胜任高转速轴系测量，现在主要为数字式电信号扭振测量装置替代。数字式扭振仪一般采用非接触传感器对实时转速进行高采样率实时采集，然后采用时频算法处理分析，其具有安装方便，可胜任宽转速范围的扭振测量，能够实时分析等优点。该系统中的非接触传感器，主要有霍尔转速齿轮传感器、磁电齿轮转速传感器、光电编码器、激光传感器、光电反射型传感器、光电对射型传感器，这些传感器主要特征是轴系带着特征码盘旋转后，通过对应装置产生由实时转速调制过的脉冲信号，测量仪器通过对该脉冲信号进行解调、分析处理得到的扭振信号。对该脉冲信号的解调方法可以分为两类模拟式处理与数字式处理，模拟式处理，主要是通过系列窄带滤波电路与积分电路，完成信号的解调，数字式处理，是经过滤波、整形后，通过算法处理分析得到扭振信息。处理方法不同，得到结果的准确程度有较大差异，快速方便检验扭振采集装置的准确度就有一定的必要性。扭振信号发生器就是用来产生相对标准与确定的扭振信号来衡量扭振采集装置的准确度。机械台架式的扭振标定系统不仅能够对扭振采集装置进行校准，也能够对传感器信号进行一定评估，但台架系统复杂，造价昂贵，纯数字式扭振标定器没有台架系统，仅模拟扭振测量系统中传感器出来的信号，可以更方便的评价扭振采集装置中信号处理的准确度，但现有纯数字式扭振标定器仅提供比较单一的线性信号或者单频信号，不能评估扭振分析装置对非时变间谐波信号处理情况。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种含时变间谐波扭振信号发生器，解决了现有扭振信号标定器不能评估扭振分析装置对非时变间谐波信号处理情况的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种含时变间谐波扭振信号发生器，包括主控制器，所述主控制器的输入端与第一滤波器、第二滤波器和模数模块的输出端电性连接，所述模数模块的输入端与第三滤波器的输出端电性连接，所述主控制器与SRAM模块、 FLASH模块、网卡芯片、USB芯片和RS232模块双向电性连接，所述主控制器的输出端与电平模块、光耦和数模模块的输入端电性连接。

进一步优化本技术方案，所述网卡芯片、USB芯片和RS232模块与PC显示屏双向电性连接。

进一步优化本技术方案，所述光耦的输出端与继电器的输入端电性连接。

进一步优化本技术方案，所述第一滤波器和第二滤波器分别通过 eQEP总线和eCAP总线与主控制器电性连接。

进一步优化本技术方案，所述主控制器分别通过ePMW总线和 GPIO总线与电平模块和光耦电性连接。

进一步优化本技术方案，所述主控制器通过XINTF总线与网卡芯片和USB芯片电性连接。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种含时变间谐波扭振信号发生器，具备以下有益效果：

该含时变间谐波扭振信号发生器，与机械式扭振测试台相比，结构简单，测试工况复杂，能够充分检验扭振分析装置的精度，同时能够提供复杂的线性信号或多频信号，并且可以评估扭振分析装置对非时变间谐波信号处理情况。

附图说明

图1为本实用新型系统原理示意图.

图中：1、主控制器；2、SPAM；3、FLASH模块；4、第一滤波器；5、第二滤波器；6、第三滤波器；7、模数模块；8、网卡芯片；9、 USB芯片；10、RS232模块；11、PC显示屏；12、电平模块；13、光耦；14、数模模块；15、继电器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种含时变间谐波扭振信号发生器，包括主控制器1，主控制器1的型号为TMS320F28335， F28335主频为150MHz,具有12路PWM和6路CAP，能够同时对外提供多个扭振转速脉冲信号，且可以通过CAP捕获脉冲信号，进行自校准，主控制器1的输入端与第一滤波器4、第二滤波器5和模数模块 7的输出端电性连接，模数模块7的型号为AD7606，为了保证精度，主控制器1通过XINTF总线与模数模块7电性连接，可以用来采集扭振的模拟信号，模数模块7的输入端与第三滤波器6的输出端电性连接，主控制器1与SRAM模块2、FLASH模块3、网卡芯片8、USB芯片9和RS232模块10双向电性连接，SRAM模块2的型号为IS61LV51216AL，FLASH模块3的型号为39VF800A，网卡芯片8的型号为W5300，USB芯片9型号FT2232H，RS232模块10的型号为MAX3232，主控制器1的输出端与电平模块12、光耦13和数模模块14的输入端电性连接，电平模块12的型号为74LVC245，光耦13的型号为PC817, 数模模块14的型号为DAC8552，主控制器1通过SPI总线与数模模块14电性连接，用来产生模拟信号，与机械式扭振测试台相比，结构简单，测试工况复杂，能够充分检验扭振分析装置的精度，同时能够提供复杂的线性信号或多频信号，并且可以评估扭振分析装置对非时变间谐波信号处理情况。

具体的，网卡芯片8、USB芯片9和RS232模块10与PC显示屏 11双向电性连接。

具体的，光耦13的输出端与继电器15的输入端电性连接。

具体的，第一滤波器4和第二滤波器5分别通过eQEP总线和eCAP 总线与主控制器1电性连接。

具体的，主控制器1分别通过ePMW总线和GPIO总线与电平模块 12和光耦13电性连接

具体的，主控制器1通过XINTF总线与网卡芯片8和USB芯片9 电性连接。

目前基于瞬时转速来测量轴系扭振的方法应用比较广泛，通过齿轮传感器来进行轴系瞬时转速采集是目前典型的方法，其主要原理如图1所示，通过齿轮传感器来监测装在轴系上的等间距分布的齿轮码盘，轴系旋转时，假设没有扭振，则轴的瞬时速度等于其平均速度，码盘也是匀速转动，这样，传感器输出的每齿一个脉冲信号的重复周期是相同的，而当轴系发生扭振时，则相当于在其平均速度基础上叠加了一个扭振的波动速度。此时，传感器输出的脉冲序列就不再是均匀间隔的，而是一个载波频率被扭振信号调制的调频信号了，该信号瞬时幅值方程为：

其中f(t)为原调制信号，K_PPM为调位系数，F₀为未调脉冲重复频率(Hz)，A为脉冲幅度(V)，τ₀为脉冲宽度(S),ω₀为F₀的角频率(rad/s), 式中第一项是直流项，第二项包含有原调制信号f(t)的微分信息，最后一项表示的是以Kω₀为载频的相位调制(PM)信号。相位调制(PM) 和频率调制(FM)的频谱除在相位上相差

外，两者带宽是一样的。

模拟式的扭振测试通过低通滤波器与积分器来解调此信号获得扭角信号。数字式扭振仪通多脉冲捕获电路(CAP)对脉冲信号进行采集，对该信号的解调如下：设轴旋转一周的时间为t_c，由公式可得周平均角速度为ω_c，齿轮齿数为N，测出旋转n个齿的时间为t_n, 由公式

可得该齿的平均速度为ω，由公式

可得轴的扭角为θ，积分计算后可得到公式

故只要测出t_c， t_n即可。

扭振信号发生器则通过已知的扭角信号，来逆求解传感器信号序列。即求解公式

中的t_n序列。公式

中，θ(n)若已知，t_c可从已知扭角信号中获得，N为实际模拟的齿轮数，也即序列的长度，也为已知，因此可解方程求得t_n

实施例2：

目前部分扭振测试分析仪器采用扭角三角波作为扭振模拟信号，其产生100齿的齿轮输出脉冲信号，前半转慢，后半转快的扭振信号，主要是50个5000Hz和50个5063.3Hz的方波脉冲。其周平均转速为 3018r/min，扭振频率为50.3Hz，其扭角峰值为0.566，三角波形周期函数傅里叶展开公式为：

可计算得1谐次扭角0.458°、3谐次扭角0.051°、5谐次扭角 0.018°。对产生的扭角信号进行FFT，频谱如图所示，可知1、3、5 跟理论幅值有一定误差，可以通过改进信号处理方法，例如等时间插值重排、例如加窗处理等提高幅值计算精度。实际中轴系运行转速多样，可按一定比例调整脉冲周期，即调整这100个脉冲信号的频率，即可以模拟不同的转速，实测信号中齿轮个数也可以通过调整脉冲个数，模拟不同齿轮数量的测试情况。但三角波发生器并不能够完全覆盖所有的扭角波形，不能对分析方法以及仪器进行充分检定。

实施例3：

在更多情况下，扭角信号并非是三角波信号，而是跟激振频率相关的正弦信号，对此类扭振信号进行模拟以检测扭振装置对该类信号的分析能力。

设单频扭角信号为

其中A＝1；

ω＝100π，则θ(t)＝sin(100πt)，将公式θ(t)＝sin(100πt)代入公式

得到公式：

其中t_c为转速平均周期，可得N代表的是齿轮数量，这里取100，n为实时通过的齿轮序号，1-100，可通过二分法，解出 t_n序列。跟线性扭角波形情况下不同的是，t_n序列是非等间隔的，由t_n时间序列可生成模拟的脉冲信号。

实施例4：

在某些情况下，扭角并不是单频信号，而是可能含有间谐波的扭角信号，设扭角信号为：

其中A₁＝1；

ω₁＝100π；A₂＝0.5；

ω₂＝90π，则θ(t_n)＝sin(100πt_n)+0.5sin(90πt_n)；

可得

其中t_c为轴系旋转一周的时间，即通过100齿轮的时间，即t_c＝t₁₀₀，可得：

sin(100πt_c)+0.5sin(90πt_c)＝0

求该方程的第三个零点，即t_c。t_c出现误差后，是随时间累积的，误差呈线性增长，在实际t_c测试过程中，还会受到采样计数时钟的影响，因此在求取以上信号t_c时，采用与信号重构时取样时钟一致的时间步长，本例为20MHz，相位变化2π点，可以求取该信号的第三个过零点，本例中求得0.02067815s。

实施例5：

实施例1-4中产生的都是平稳信号，实际中扭角信号有可能为多模态的，时变间谐波扭振信号，设扭角信号为：

设A₁＝1；ε₁＝0.5；ω₁＝100π；A₂＝0.5；ε₂＝2；ω₂＝90π；

θ(t)＝1e^-0.5tsin(100πt)+0.5e^-2tsin(90πt)；

其中t_c可通过20MHz定步长搜索求得0.02066315s；

N取100，二分法可解出t_n序列。

实施例6：

在实际扭角模型中，还需要考虑噪声的影响，高斯噪声是概率密度函数服从正态分布的噪声。高斯分布，记为N(μ,σ²)，其中μ为高斯分布的均值(数学期望)，σ²为高斯分布的方差，当μ＝0,σ²＝1时，该分布称为标准正态分布。高斯分布的一维概率密度可表示为式：

在实施例5中生成t_n时间序列时上加上高斯噪声，高斯噪声幅度与测定序列的信噪比为100dB。

综上所述，该含时变间谐波扭振信号发生器，与机械式扭振测试台相比，结构简单，测试工况复杂，能够充分检验扭振分析装置的精度，同时能够提供复杂的线性信号或多频信号，并且可以评估扭振分析装置对非时变间谐波信号处理情况。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种含时变间谐波扭振信号发生器，包括主控制器(1)，其特征在于：所述主控制器(1)的输入端与第一滤波器(4)、第二滤波器(5)和模数模块(7)的输出端电性连接，所述模数模块(7)的输入端与第三滤波器(6)的输出端电性连接，所述主控制器(1)与SRAM模块(2)、FLASH模块(3)、网卡芯片(8)、USB芯片(9)和RS232模块(10)双向电性连接，所述主控制器(1)的输出端与电平模块(12)、光耦(13)和数模模块(14)的输入端电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种含时变间谐波扭振信号发生器，其特征在于：所述网卡芯片(8)、USB芯片(9)和RS232模块(10)与PC显示屏(11)双向电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种含时变间谐波扭振信号发生器，其特征在于：所述光耦(13)的输出端与继电器(15)的输入端电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种含时变间谐波扭振信号发生器，其特征在于：所述第一滤波器(4)和第二滤波器(5)分别通过eQEP总线和eCAP总线与主控制器(1)电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种含时变间谐波扭振信号发生器，其特征在于：所述主控制器(1)分别通过ePMW总线和GPIO总线与电平模块(12)和光耦(13)电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种含时变间谐波扭振信号发生器，其特征在于：所述主控制器(1)通过XINTF总线与网卡芯片(8)和USB芯片(9)电性连接。

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