基于DSP的泵站動(dòng)力機(jī)組振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

摘 要：在大型泵站日常運(yùn)維工作中，泵站機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象是巡查工作的要點(diǎn)之一。機(jī)組運(yùn)行過程中受外界或自身因素引發(fā)的異常振動(dòng)可以通過測(cè)量動(dòng)力機(jī)組外殼的振動(dòng)情況進(jìn)行有效觀測(cè)。鑒于此，對(duì)動(dòng)力機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行收集和測(cè)量，提出一種基于加速度傳感器及微控制器的振動(dòng)測(cè)量方案。該方案能夠進(jìn)行動(dòng)力機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)采集，并通過微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，對(duì)大型泵站的日常運(yùn)維工作起到正向作用。

關(guān)鍵詞：傳感器；加速度；振動(dòng)；數(shù)據(jù)可視化；微控制器；測(cè)量系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

在日常工作中，機(jī)組設(shè)備在面對(duì)各種任務(wù)時(shí)難以避免地會(huì)出現(xiàn)故障損壞，所以日常的運(yùn)維工作十分重要[1-2]。在工程應(yīng)用過程中，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)異常噪聲或振動(dòng)聲音，或者機(jī)組的旋轉(zhuǎn)部件存在不平衡或偏心現(xiàn)象，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，影響設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在大型泵站日常運(yùn)維工作中，泵站機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象是巡查工作的要點(diǎn)之一，工作人員需要通過定期的振動(dòng)檢查和監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行中存在的問題，并采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)和修復(fù)措施，以確保機(jī)組的安全、可靠和高效運(yùn)行。為了清晰地顯示機(jī)組運(yùn)行過程中受外界或自身因素引發(fā)的異常振動(dòng)，可以通過測(cè)量動(dòng)力機(jī)組的電動(dòng)機(jī)部分的振動(dòng)情況進(jìn)行有效觀測(cè)[3-5]。

1 方案設(shè)計(jì)

泵站動(dòng)力機(jī)組振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要由加速度傳感器、微控制器、顯示模塊等組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)采用加速度傳感器精確采集機(jī)組設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，再將信號(hào)送入DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和處理，并將數(shù)據(jù)輸出給OLED模塊進(jìn)行可視化處理。在振動(dòng)信號(hào)采集的過程中難免會(huì)受到外部干擾，因此需要加入外部濾波電路進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)處理。本文測(cè)試對(duì)象的振動(dòng)頻率較低。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 加速度傳感器ADXL335

本系統(tǒng)采用ADI公司的ADXL335三軸加速度傳感器，ADXL335功耗低、集成度高，能夠在較寬的工作范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的加速度測(cè)量，可測(cè)量的加速度范圍通常為±3 g。其通過標(biāo)準(zhǔn)的模擬輸出接口，以電壓的形式提供加速度數(shù)據(jù)，可以與大多數(shù)微控制器兼容。它不僅測(cè)量靜態(tài)加速進(jìn)行傾斜測(cè)試，而且還測(cè)量其他加速，例如沖擊、運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)[6]。

同時(shí)，ADXL335是一種MEMS的電容式傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測(cè)量的同時(shí)，還可以用于測(cè)量高頻信號(hào)或快速變化的物理量，非常適用于本次的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2 微處理器模塊

微處理器模塊采用DSPIC33FJ64GS606為核心控制器，DSPIC33FJ64GS606具備豐富的外設(shè)和功能集，它擁有多個(gè)通用輸入/輸出引腳，可以方便地連接振動(dòng)傳感器和外部硬件電路[7]。同時(shí)，它還提供了模擬輸入和輸出通道，可以精確地采集到傳感器輸入的模擬電壓信號(hào)。此外，它還包含多個(gè)PWM輸出通道和定時(shí)器，可以精準(zhǔn)設(shè)置周期并配置引腳。

2.3 硬件信號(hào)處理

2.3.1 ADXL335防噪濾波電容器設(shè)計(jì)

在XOUT、YOUT、ZOUT各管腳接了一個(gè)0.01 μF的電容，對(duì)應(yīng)的帶寬為500 Hz，可有效限制傳感器在測(cè)量中的噪聲干擾[8]。同時(shí)為了進(jìn)一步減小干擾，采用屏蔽線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)物如圖2所示。

2.3.2 濾波與放大電路

本系統(tǒng)所有電路使用的運(yùn)放是LM358。LM358是一款性能穩(wěn)定、使用方便的雙運(yùn)放芯片，具有低功耗、寬工作電壓范圍、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，同樣也適用于雙電源工作模式[9]。

整體電路如圖3所示。由于DSP引腳輸入電平的范圍不能高于3.3 V，而傳感器的輸出電壓并不能達(dá)到，所以需要在外部電路中將電壓抬高。本系統(tǒng)中根據(jù)傳感器實(shí)際輸出選擇將電壓抬高1.65 V。輸入的電壓信號(hào)首先利用加法器，將通過3.3 V分壓出的1.65 V加上傳感器本身的輸出電壓，這樣可以達(dá)到DSP的合理輸入電壓范圍。加法器同時(shí)附帶電壓放大功能，由于機(jī)組設(shè)備振動(dòng)的幅度比較小，傳感器所測(cè)得的電壓信號(hào)非常微弱，需要放大電路增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度。采用放大器可以減少電路的復(fù)雜性和成本，通常具有更好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

最后信號(hào)再經(jīng)過低通濾波電路進(jìn)行濾波。本次設(shè)計(jì)中采用的是二階的有源低通濾波電路，濾除輸入信號(hào)中的高頻成分，只保留低頻成分。為了方便計(jì)算，電路中的R6=R7=R，C2=C3=C。傳遞函數(shù)為：

式中：Uo（s）為輸出；Ui（s）為輸入。根據(jù)如下公式：

整理可得：

用j2πf取代s，且令，得出電壓放大倍數(shù)為：

令上式分母的模等于，并把電阻電容值代入，可以解出通帶截止頻率為fp≈0.64f0。在未接入傳感器的情況下啟動(dòng)交流伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)可以通過示波器看到明顯的電磁干擾，通過不斷調(diào)節(jié)低通濾波器的截止頻率，最終確定當(dāng)截止頻率為50 Hz時(shí)，干擾波形有明顯的減少，故確定為50 Hz，

同時(shí)并不會(huì)濾除掉電機(jī)本身的振動(dòng)信號(hào)。本次仿真中R=10 kΩ，C=0.2 μF，波特圖如圖4所示。可以看到在-3 dB時(shí)截止頻率接近50 Hz，將各個(gè)元器件值代入公式，可得計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果相符合。實(shí)物如圖5所示。

3 軟件處理

系統(tǒng)裝置使用DSP進(jìn)行軟件編程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行ADC模塊的初始化處理和I/O口配置，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過AD采樣、數(shù)字濾波后最終輸出數(shù)據(jù)。圖6為內(nèi)部程序設(shè)計(jì)流程。

在外部設(shè)備按下按鈕后，微處理器識(shí)別到高電平信號(hào)后進(jìn)行AD采樣，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，其中包括低通濾波和求平均值，最大程度上保證數(shù)據(jù)的精確度；最后判斷數(shù)據(jù)位數(shù)，并依次上傳數(shù)據(jù)給OLED屏進(jìn)行顯示。

4 測(cè)試結(jié)果

使用傳感器對(duì)機(jī)組外殼進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制折線圖，不同轉(zhuǎn)速下的振幅數(shù)據(jù)如圖7所示。OLED顯示如圖8所示。

通過測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速增加到一定界限時(shí)，幅值可能會(huì)達(dá)到峰值，然后隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加而減小。這是由于驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)設(shè)備的固有特性以及機(jī)械振動(dòng)的物理原理所導(dǎo)致的。

當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，系統(tǒng)中的慣性力和慣性力矩也會(huì)增加，這可能導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振或諧振。在共振頻率附近，幅值可能會(huì)達(dá)到最大值。然而，一旦超過共振頻率或轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，幅值可能會(huì)減小[10]。

總的來說，幅值的變化受到多種因素的影響。因此，在設(shè)計(jì)和操作時(shí)，需要確保系統(tǒng)在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，避免過大的振動(dòng)對(duì)設(shè)備造成損壞或不穩(wěn)定的影響。

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)是以ADXL335三軸加速度傳感器為核心，以DSP為控制器的檢測(cè)方法。傳感器采集到數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波電路后發(fā)送給控制器；控制器讀取到數(shù)據(jù)，通過A/D轉(zhuǎn)換后再通過算法處理和計(jì)算后得到振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)；最后通過OLED進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。將傳感器通過金屬探頭觸碰機(jī)組的電動(dòng)機(jī)部分，通過傳感器的實(shí)際測(cè)量后系統(tǒng)可以較為精準(zhǔn)地得到機(jī)組設(shè)備的振動(dòng)情況，為后續(xù)的振動(dòng)處理提供較為良好的數(shù)據(jù)支撐。

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作者簡(jiǎn)介：董倪葳（1999—），男，碩士生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮印?/p>

徐 露（1986—），女，博士，講師，研究方向?yàn)闇y(cè)控。

蔣 偉（1980—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮印?/p>

收稿日期：2023-06-16 修回日期：2023-07-14