轉子在線動平衡嵌入式控制系統開發與驗證*

樊紅衛，景敏卿，智靜娟，辛文輝，李 猛，劉 恒（.西安交通大學機械工程學院 西安，70049）（2.西安科技大學機械工程學院 西安，70054）（.西安理工大學機械與精密儀器工程學院 西安，70048）

轉子在線動平衡嵌入式控制系統開發與驗證*

樊紅衛1，2，景敏卿1，智靜娟1，辛文輝3，李 猛1，劉 恒1
（1.西安交通大學機械工程學院 西安，710049）（2.西安科技大學機械工程學院 西安，710054）
（3.西安理工大學機械與精密儀器工程學院 西安，710048）

為了快速、有效抑制由于質量不平衡引起的轉子振動并在線監測轉子的實時平衡狀態，基于模塊化設計思想設計了一種針對電磁式主動平衡裝置的嵌入式在線自動平衡控制系統。使用數字信號處理器（digital signal processor，簡稱DSP）和現場可編程門陣列（field programmable gate array，簡稱FPGA）構建了一種快速平衡控制器，基于影響系數法建立了自適應平衡控制模型，采用C和C#語言分別開發了多線程的平衡控制軟件和人機交互界面，針對某國產電主軸完成了整個系統功能的試驗驗證。結果表明：當主軸在3 kr/min平穩運行時，通過該自平衡系統可將其振動大約降低43％。

轉子不平衡；在線自動平衡；嵌入式控制系統；自適應控制；數字信號處理器

引 言

隨著現代工業技術的飛速發展，旋轉機械逐步向高速化、精密化、智能化的方向發展，這使得機器的振動問題越發突顯。機器的劇烈振動對機器本身及周圍環境都會帶來一系列的危害。在這些有害振源中，由質量不平衡所引起的基頻振動是最為常見的振動形式之一。因此，研究轉子特別是精密用途的轉子的精密、智能動平衡技術具有重要的工程應用價值［1-2］。

在動平衡技術領域，根據機器是否需要停機可將轉子動平衡方法分為離線平衡和在線平衡［3-4］。在線平衡根據是否需要外部能量和控制系統又分為主動平衡和被動平衡［5］。由于主動平衡是一種基于實時測試信號的平衡方式，因此它不依賴于轉子-軸承系統的精確動力學模型，故其應用范圍極廣。在線主動平衡實際上是利用傳感器和一套測控裝置，在線檢測工作中的轉子振動幅值及相位，通過相應的控制算法得到平衡執行裝置應該產生的平衡補償矢量，最終依靠外部能量驅動執行裝置運動到目標位置，從而實現對轉子質量分布不均勻的補償，達到抑制轉子振動的目的。

國內外已有諸多學者對在線主動平衡技術進行了探索［6-14］。國外已有成熟的在線動平衡系統應用于磨床；而國內對在線主動平衡技術的研究才剛起步，依然停留在理論研究和實驗階段，未得到真正工程應用。

本課題組自2010年以來對新的電磁式主動平衡技術進行了持續研究。筆者首先介紹用于電磁平衡裝置［13］的在線主動平衡測控系統方案及原理，其中，控制器核心部分由DSP與FPGA協同工作。這里，FPGA實現信號采集與存儲，DSP實現信號處理、控制算法執行及與上位機通信等。針對構建的控制硬件，完成了軟件開發，包括自適應控制算法、多線程底層程序、人機交互界面開發等。針對一臺國產剛性電主軸，完成了整個平衡系統的功能驗證。

1 在線主動平衡系統設計方案

1.1 在線主動平衡技術要求

筆者討論的動平衡控制系統是針對文獻［13］提出的電磁圓環形平衡裝置設計的，該平衡裝置是通過線圈通電產生電磁場從而達到平穩驅動攜帶偏心質量的配重盤轉動實現對轉子質量的重新分布，進而達到抑制振動的目的。為此，相應的測控系統應考慮以下方面的要求：選擇對不平衡具有最敏感反映的電渦流位移傳感器作為測振傳感器；采用濾波、放大等必要預處理提高信號的信噪比，并實現快速采集和運算；采用具有智能、快速特點的平衡控制算法；測控器硬件應能夠長期可靠工作；驅動電路應能夠平穩驅動平衡頭運動到預定位置；控制軟件應具有良好的交互性，方便用戶監控平衡過程。

1.2 在線主動平衡系統設計方案

針對數控磨床，一個完整的在線主動系統由砂輪-電主軸組合轉子、傳感器（電渦流位移傳感器和光纖轉速傳感器）、平衡控制器和平衡執行裝置即電磁平衡頭、驅動單元以及遠程主機等6部分組成，如圖1所示。

圖1 在線主動平衡測控系統基本組成Fig.1 Structure of online active balance control system

2 在線主動平衡測控器硬件設計

2.1 硬件模塊化設計

為了便于系統移植和功能擴充，將平衡控制器設計成模塊化結構，每一個模塊為一獨立的功能單元，主要分為電源模塊、信號預處理模塊、控制模塊和驅動模塊4部分，各模塊之間通過自定義背板總線實現通訊。若某個模塊出現故障可以單獨替換，系統靈活性、實用性和可靠性較高，如圖2所示。

2.2 控制模塊詳細設計

控制模塊是整個平衡控制器的核心部分，應具有強的數據處理能力和高的實時性。因此，選擇高性能DSP芯片作為核心處理器［15］，同時選擇FPGA作為輔助芯片。這里，DSP選擇TI公司32位浮點TMS320C6713PYP。FPGA選擇EP2C8Q208C8，該芯片除了實現系統邏輯控制外，同時實現控制系統信號采集。FPGA利用其內部隨機存取存儲器（random access memory，簡稱RAM）實現先進先出（first in first out，簡稱FIFO）存儲功能，通過DSP的外部存儲器接口（external memory interface，簡稱EMIF）實現二者無縫連接，避免復雜的接口邏輯設計，解決了模擬數字轉換器（analog to digital converter，簡稱ADC）與DSP的高速數據傳輸問題。FPGA檢測到外觸發信號時，能夠以指定采樣頻率（轉頻的倍頻）進行采樣，從而實現整周期采樣，提高信號處理質量。當FPGA模塊采集到指定長度的信號后通知DSP讀取數據，大大減少了DSP運行負擔，提高了系統效率。這種DSP和FPGA協同工作的模式保證了系統運行的高效性和條理性。

圖2 控制器硬件模塊連接圖Fig.2 Controller hardware module connection

為了將控制系統的數據在用戶界面上實時顯示以便用戶操作，DSP通過EMIF接口與硬件TCP/IP協議棧芯片連接，通過網口實現與主機交互。以DSP與FPGA為控制核心，再加上外部存儲、A/D，D/A等器件構成控制模塊電路，如圖3所示。

圖3 控制模塊電路原理圖Fig.3 Control module circuit principle diagram

3 在線主動平衡測控器軟件設計

平衡控制器硬件為在線主動控制系統提供總的構架，是堅實的物理基礎；平衡控制策略及算法的設計、軟件的開發及DSP與FPGA之間的任務協調則是整個系統能否實現預定功能的關鍵所在，是在線主動平衡測控系統的靈魂。

3.1 在線主動平衡控制算法

在線主動平衡控制方法主要有影響系數法［16］和基于影響系數的自適應平衡算法［17-18］等。自適應平衡算法是在傳統影響系數法基礎上提出的，它兼顧了影響系數法的優點并通過引入遺忘因子有效避免了錯誤影響系數可能引起的振動增大問題，彌補了影響系數法的不足；同時，引入加權因子提高了系統的穩定性。

筆者針對剛性機床電主軸，提出了一種單平面自適應平衡方法，具體如下。

由單平面影響系數的定義，可知當轉子角速度為ω時，影響系數a（）

ω為

其中：pk，pk+1分別為第k次、k+1次試重的質徑積（g·cm）；uk，uk+1分別為第k次、k+1次試重時所測得的主軸振動量（μm）。

在線主動平衡的目標是實現uk+1=0，將其代入式（1）得

平衡過程中，用最近兩次迭代中配重盤的配重矢量以及振動響應來估算影響系數，得

由于試驗現場擾動及測量噪聲的存在，用式（3）計算影響系數會產生較大誤差。為此，引入加權因子β來權衡相鄰兩次計算得到的影響系數的真實性，減小測量噪聲對影響系數值的影響，得到第k次迭代時的影響系數，如式（4）所示

其中：0≤β≤1，具體值需根據現場工況調整得到。

實際動平衡過程中，用在線估測到的影響系數?ak替代式（2）中的影響系數。

為進一步提高系統的穩定性，在式（2）中引入增益因子G，得

綜合式（4）與式（5），可得每次迭代后配重盤應合成的矢量，其控制框圖如圖4所示。

圖4 平衡控制算法框圖Fig.4 Balancing control law block diagram

3.2 控制系統軟件設計

控制系統軟件包含兩部分：控制器底層運行程序和用戶界面程序。底層程序用C語言開發，利用DSP/BIOS模塊創建3個線程：任務線程、數據傳輸線程和外觸發中斷線程，保證系統工作的高效性。任務線程主要包括信號采集、存儲、處理及控制算法執行；數據傳輸線程主要包括接收控制命令、將任務線程實時數據通過結構體方式打包上傳到頂層；外觸發中斷線程主要是檢測外觸發采樣信號實現各路信號的同步采集，流程如圖5示。

遠程人機界面程序用C#語言編寫，界面如圖6所示。其中：網絡連接部分通過設置IP和端口號實現與控制器網絡連接；控制命令設置部分決定控制器是否開啟，同時向底層傳輸控制參數初始值；采樣參數設置部分設定采樣長度、采樣頻率及采樣模式（外觸發采樣）；時域與頻域信號在線顯示部分顯示主軸轉動過程中各傳感器采集到的信號的實時波形。配重盤的位置顯示部分實時顯示平衡過程中配重盤的位置變化。

4 試驗驗證

4.1 試驗臺

為了驗證在線動平衡控制器各模塊工作的有效性及控制算法的正確性，建立了帶有電磁平衡頭的電主軸振動測試試驗臺，自平衡電主軸的結構及試驗臺如圖7所示。電主軸右端安裝了一個自主開發的電磁平衡頭，靠近電磁平衡頭位置處安裝有一個帶螺紋孔的不平衡盤。

試驗中，在不平衡盤上加3個重量為2.33g的螺釘來模擬砂輪-電主軸在運行過程中的不平衡量，不平衡量相對于外觸發點的相位為180°。位于電主軸軸頸外側、相互垂直的兩個電渦流位移傳感器用于提取振動位移，光纖傳感器用于測量主軸的真實轉速，利用轉速信號上升沿實現外觸發采樣，保證各傳感器相位基準統一。

圖5 底層程序流程圖Fig.5 Program flow diagram

圖6 用戶界面Fig.6 User interface

4.2 系統考核試驗

電主軸轉速設為3 kr/min，待轉速穩定后在頂層用戶界面設定控制策略為自動控制，初始影響系數為0.2+0.1i，加權系數為0.9，增益系數為0.8，設定平衡門限值為10μm即當電主軸振動量大于10μm時開啟在線主動平衡。

在線主動平衡之前，電主軸初始基頻振動為20.35μm、相位為131°；在線平衡后，基頻振幅降至11.675μm、相位變為141.5°，振動幅值減小了43％。

在線主動平衡前、后軸心軌跡如圖8所示?？梢钥闯觯篴.軸心軌跡在平衡后明顯縮小，軸的動態運行精度因此提高；b.電主軸軸心軌跡仍然呈近似橢圓狀，這是殘余不平衡所致。

圖7 試驗臺Fig.7 Test bed

圖8 軸心軌跡Fig.8 Shaft orbit

試驗結果證明了所開發的自動平衡測控器是可行、有效的，它與頂層之間的通信、基頻信號的提取及平衡算法的執行都是正常的，與電磁平衡頭協同工作能夠實現對剛性主軸轉子的單平面在線主動平衡。

5 結 論

1）針對砂輪-電主軸組合轉子，提出了一種單平面在線主動平衡方案，主要提出了基于DSP和FPGA的在線主動平衡控制系統，其模塊化的設計便于自由重構和功能擴展（如軟/硬件向雙面平衡擴展）。

2）對這種平衡系統，從硬件設計、平衡算法和軟件開發等方面進行了詳細介紹，特別是建立了單平面平衡的自適應控制算法，保證了平衡試重過程無需依靠人為操作，平衡過程具有高智能性。

3）建立了系統考核試驗臺，完成了功能驗證。結果表明：當主軸轉速為3 kr/min時，基頻振動由初始20.35μm降至平衡后的11.675μm，振幅減小了約43％。這說明提出的平衡算法是有效的、所開發的控制系統工作是可靠的。本研究工作為機床主軸的在線主動平衡提供了新的技術途徑，對于其他剛性轉子具有一定的參考價值和推廣前景。

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TH113.2+5；TP273+.2

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.04.024

樊紅衛，男，1984年10月生，博士生。主要研究方向為旋轉機械狀態監測與在線動平衡，磁力機械等。曾發表《Study on pinion tooth surface generation strategy of spiral bevel gears》（《Chinese Journal of Mechanical Engineering》2012，Vol.25，No.4）等論文。

E-mail：fanhongwei84@163.com

*國家自然科學基金資助項目（51175410）

2014-03-27；

2014-06-15