动平衡测量数字滤波方法研究

　　1　引言

　　动平衡是旋转类产品生产、制造过程中必须解决的一个基本的共性问题,其优劣程度直接决定产品的工作性能、使用寿命,对产品的质量产生巨大的影响。如在汽车和电动工具等行业,其电机向高速化和轻量化的发展,对此类产品的振动、噪声等性能要求也越来越高,需要高精度、高效率、自动化的动平衡技术。因此,对于全自动动平衡的关键部分动平衡测量单元的研究有着重要的现实意义。

　　动平衡机主要由机械支承系统、驱动系统和测量系统组成。由于其支承结构、轴承、驱动系统的振动、电气系统的干扰以及基础振动等原因,通常测试信号中除不平衡信号外,还包含很多噪声。特别是在动平衡精度要求较高的场合,由于不平衡量比较小,其信噪比S/N相当恶劣,从而导致动平衡的测试精度及稳定性降低,尤其是平衡机技术指标最小可达剩余不平衡量无法进一步提高。人们提出了许多实现提取的算法,如相关分析法、相敏分析、FFT(DFT)频谱分析、最小二乘估计等技术,但这些算法的可靠性随着信噪比的降低而迅速降低,测量误差也增大(尤其是相位)。因此,提高动平衡机采样信号的信噪比,成为高精度提取不平衡信号的关键。而提高不平衡信号的信噪比,滤波器的设计是关键。

　　传统的动平衡机普遍使用模拟滤波器[1~3],如模拟带通滤波、双T网络、开关电容跟踪滤波等。随着微处理器的发展,尤其是专为数字信号处理而设计的各种数字信号处理器不断问世以及性价比的不断提高,使得用软件实现各种数字滤波算法成为可能。数字滤波器具有一些模拟电路所无法比拟的优点,它除了成本低,动态范围大,工作可靠,受外界温度、环境及老化的影响小,能实现陡峭的频响外,更重要的是它对信号能进行极其灵活、柔性化的处理,所以在智能仪器系统中得到了广泛应用。下面重点研究数字滤波方法在动平衡测量系统中的应用。

　　2　动平衡数字滤波方法

　　2.1　时域同步平均滤波

　　时域同步平均滤波是动平衡信号处理数字滤波方法中较早采用的方法[4],它只对和转子基准信号一致且同频、倍频的不平衡信号进行平均,而噪声和非同步信号平均后趋于零,结果使测量的幅值,尤其是相位更加正确、稳定[5]。

　　设x(t)动平衡测试信号,对应的离散信号为xi,i=1,2,…,n。按工件转速频率f0提取相应的周期信号,则将xi分为p段,每段对应周期T=1/f0,并设各段采样点数相等为N。那么,时域同步平均yi可以表示为

　　由图1(N=16,p =6)可知,同步时域平均是一种梳状数字滤波器特性。它由一系列等距分布的带通滤波器及旁瓣组成,带通滤波器的中心频率是转速频率的整数倍。平均次数P越大,通带宽度越窄。它能有效滤除和转速非整倍频的信号,并保证和转速同频及倍频的信号无相移。通常的提取方法都能滤除转速倍频信号。因此,适合在动平衡信号预处理中使用。