一个优化脉冲计数自动均衡器补偿向量的计算方法

文摘

平衡位置的准确性在自动平衡系统深深影响动平衡。补偿矢量合成的两个砝码位于电磁dual-weight自动均衡器。因此,如果抗衡的位置是不准确的,它可能会导致一个错误的调整和较大的转子系统的不平衡。本文优化脉冲计数方法补偿向量计算电磁dual-weight平衡系统,提出了基于可编程逻辑控制器(PLC)。螺旋桨自动平衡模拟试验台是用于验证方法的效果得到运用和综合补偿向量的位置在工作模式。误差小于1/80这意味着它不超过一步80 -位置均衡器在1200 rpm。该控制系统能工作没有电脑或高速数据采集设备,它提高了控制系统的稳定性和灵活性,促进了自动平衡系统的设计,并展示了优秀的工业应用潜力。

1。介绍

超过70%的旋转机械振动故障的imbalance-induced振动引起的转子系统(1]。已研制出许多平衡过程抑制这imbalance-induced振动2- - - - - -10]。动平衡的转子系统通常是通过启动和停止设备和应用测试砝码的重量。自动平衡系统变化的位置代表一个给定平面上形成实时补偿向量。这种方法有显著的优势,能够运用砝码没有停止设备,已越来越多地应用于工业领域11- - - - - -22),如民用高精度机床,磨床,和军事涡轮螺旋桨自动平衡系统。

在电磁自动平衡系统23,24),补偿向量是由两个独立运用预装在转子旋转。与激光添加质量或删除质量平衡装置,结构简单,没有污染和疲劳损伤会发生,但这两个砝码的周长抗衡磁盘需要准确定位在平衡来获得一个精确的补偿向量。补偿向量的精度会严重影响振动抑制的结果。如果位置误差大于一个位置,这将导致错误的调整和较大的转子系统的不平衡。在本文中,我们提出一个方法精确测量平衡位置的自动平衡系统基于可编程序逻辑控制器(PLC)。该系统不需要电脑或高速数据采集设备,大大提高了控制系统的稳定性和灵活性。该方法允许精确计算补偿向量在自动平衡。

2。测量原理的补偿向量

2.1。自动平衡系统的结构

电磁自动平衡头包括两个部分:一个移动环和一个静态的戒指。三维结构图如图1。动环安装在转轴上,轴,旋转和静态环是用一个支架固定在底座。安装两个代表一定的质量在一定半径的平衡盘移动戒指。偏心质量在每个平衡盘的大小取决于结构,平衡盘的受力分析,主要是转子的平衡能力要求。一旦安装半径确定抗衡,抗衡的质量在每个磁盘可以计算。的最大平衡能力自动均衡器本文中使用18 g×m。在旋转,每个平衡将产生一个补偿向量。两个因素导致薪酬的不同角度不同大小和方向的向量。相反极性的磁铁环安装在平衡盘的外缘,和平衡是由电磁力产生的静电环。平衡时,在指定的位置,它的位置是被创造的自锁力磁铁。

实时监控的定位磁铁的位置平衡移动的端盖上安装环和两个平衡盘的外缘。在相应位置的静态环,三个霍尔传感器是用来检测信号的三个定位磁铁。三个霍尔传感器轴向方向的排列在一条直线和转子轴平行。静环的主体有两个电磁线圈。线圈通电时,形成一个电磁场动环与静环。电磁场的变化规律,与磁铁的磁场相互作用的平衡盘,导致平衡相对于轴旋转。指定的目标位置平衡的旋转方向和步骤的数量。

整个自动系统包括两个模块,振动测量模块和平衡驱动器模块。第一个模块可以提供补偿质量基于影响系数法(ICM)振动矢量,然后转换为两个平衡位置。其他模块,平衡驱动器,设计有两个移动权重提供0到2先生赔偿能力基于转子系统的要求。通过检测实时振动矢量,计算所需的补偿重量由ICM的位置,然后转换成两个砝码。然后抗衡的最优运动路径的选择,以便补偿向量相结合产生的两个砝码相对原始质量不平衡转子系统的向量。这是通过使用一个错误的算法,以确保实时抑制振动的3,4,16,20.,25,26]。的振动抑制效果的平衡头在正常运动平衡图所示2(一个)。如果抗衡的位置是不正确的在其运动平衡将在相反的方向,提高振动,如图2 (b)。

由于原理electromagnetic-driven一步一步正负脉冲交替,两个砝码的位置将决定下一步的方向和影响平衡的效果。因此,准确运用平衡致动器位置是至关重要的。砝码必须准确定位,以确保准确的运动和生成所需的补偿向量。目前,大多数自动平衡系统用于高速旋转机械采用高速数据采集设备获取的位置信号内部制衡。然而,高速数据采集设备需要的计算机信号采集和计算。然而,其他设备,如飞机发动机经常携带有限的重量,需要一个轻量级的均衡器。因此,有必要设计一个简单的和轻量级的均衡器控制系统,不依赖于一个大尺寸的数据采集设备和主机。

2.2。补偿向量的计算原则

高速数据采集设备(如倪高速采集设备)和主机采集软件(如虚拟仪器软件)通常用于检测和分析高速脉冲信号具有大尺寸,从而限制工业应用。因此,在这项研究中,我们开发一种低成本、高度稳定,操作简单平衡位置检测系统基于PLC。PLC是一种专门为在工业环境中应用程序设计的控制系统。具有可靠性高,容易编程,安装方便、灵活配置。没有电脑可以使用PLC通过使用一个触摸屏和其他设备。

平衡位置检测和控制系统如图3。参考霍尔传感器和两个霍尔位置传感器收集三个磁铁的信号,分别计算两个砝码平衡器的相对位置,并提供反馈信息,形成一个闭环控制系统的PLC控制器和平衡装置。由于不同角度两个磁盘上的磁铁和参考之间的磁体,两个磁盘的霍尔信号和参考信号有不同的时间间隔。控制器启动时机尽快检测参考霍尔信号和节省了定时器的当前值,当它检测到大厅每个磁盘的信号。通过比较这两次,每个革命所花费的时间,也就是说,两个参考霍尔信号之间的时间间隔,这两个磁盘的当前位置。抗衡的排列位置传感器和信号的时间序列图所示4如图,位置计算5。两个砝码的位置可以根据计算两盘的位置在一个旋转周期信号。

对于一个给定的直径一个执行机构,更多的职位能够相互制衡,平衡精度越高,越难获得稳定的砝码高速转子的平衡位置。本文中使用均衡器,磁铁,可以容纳的最大数量在80年这种结构。所以抗衡的均衡器用于实验共有80步骤来确保最大精度;因此,步角是4.5°。平衡位置的稳定性是非常重要的运动平衡的平衡头。甚至是一个错误的一步将导致错误的运动平衡,防止准确的平衡,和轴的振动可能会增加,这是危险的。因此,两个砝码的位置检测的结果必须是稳定的,和平衡位置的误差不能超过一个步骤。

3所示。优化脉冲计数法计算补偿向量

3.1。计时方法

磁铁通过霍尔传感器的引用时,会生成一个脉冲信号,PLC内部的定时器开始计数。当再次引用磁铁通过霍尔传感器,当前值T,即,the time it takes the rotor to make one revolution isT(单位:秒)。转子的速度(单位:rpm)被定义为

在一个旋转的转子,另两个相应的磁铁和霍尔传感器接收的信号记录当前值(T₁和T₂在同一时间,以秒为单位)。当前位置的两个砝码被定义为

准确计算的关键位置的精确测量 。这种测量方法不需要高精度的测量时间;因此,可以使用PLC的高速脉冲函数,因为它有足够的精度。

3.2。脉冲计数方法

PLC产生高速脉冲在指定频率稳定的方式。脉冲频率 ,脉冲的数量对应于一个旋转的转子 ,和参考信号和大厅之间的脉冲信号的两个砝码 。被定义为速度

当前位置的两个砝码被定义为

当一个外部干扰的原因与一个值的波动 ,相关的错误的计算两个表示为砝码

因此,的大小脉冲频率有关吗 。很明显,脉冲频率的增加降低了随机误差,但在高脉冲频率,噪声干扰会发生和稳定性降低;因此,脉冲频率不应太高。

3.3。优化脉冲计数方法

在转子的转动过程中,传感器信号将产生随机波动由于环境因素的干涉。最小二乘回归方程的定义是

在方程(6),序列号我作为横坐标吗x和计算位置的磁盘作为纵坐标y。曲线拟合后,回归线必须通过平均值 。如果数据的平均数n,有x(x<n/ 2)计算结果总误差 ,后的相对误差平均被定义为

每个位置的误差计算结果后平均小于一半的前平均每个位置的平均误差结果。当每个位置的平均误差结果之前平均是4.5°,平均每个职位的结果后产生的误差小于2.25°。因此,平均过程降低了可接受的值的误差和消除环境干扰造成的误差。

4所示。实验研究

4.1。模拟试验

一步的角度在实验中使用的自动平衡头是4.5°。在仿真测试中,我们设置的霍尔信号盘1滞后参考霍尔信号由45°。虚拟仪器软件是用来模拟参考霍尔信号和双碟霍尔信号和计算位置,当霍尔传感器波形生成一个脉冲下降沿和电压低于−4伏,程序将把它作为一个信号。获得的模拟信号的仿真如图6。图中的每个著名的峰值代表一个霍尔信号。这两个模拟信号具有相同的白噪声和广场的一个叠加波有不同的阶段,这是类似于实际的霍尔信号。例如,在磁盘1中,当磁盘1角的计算值波动角度超过一半的一步,即。,when the error exceeds ±2.25°, an error of one step occurs between the calculated result of the position of disk 1 and the actual position. In the simulation experiment, the phase difference between the disc 1 signal and the reference signal is 45°, corresponding to the 10th step position of disc 1. The simulation results are shown in Figure7(一)。可以看出三个突然变化的脉冲计数法结果计算位置从45°到40.5°200年之后运行的模拟度4.5的倍数(均衡器的步骤间隔是4.5°)。盘1的计算位置偏离实际的位置。计算结果不够稳定,这个计划需要改进。

在一个实际的转子的旋转,传感器的信号被很多因素,例如,一个复杂的电磁环境,额外的振动引起的人体的运动,和附近的汽车和地铁等,生成随机波动,导致位置错误。添加的噪声信号在模拟测试是用来模拟这些干扰。磁盘的位置1的值是平均,消除错误造成的波动,即。,50个职位的平均结果相邻磁盘上的当前位置1。结果如图7 (b)。平均角不超过±2.25°波动(图的数据7 (b)4.5不圆的倍数。目的是显示数据波动很小。如果圆形,只有一个直线图45°)。在45°定位结果稳定,平衡位置是稳定和准确的方案。

4.2。螺旋桨测试试验台自动平衡

欧姆龙CP1H (PLC)控制系统的核心设备。的自动平衡试验台测试如图8。基于plc过程计算平衡位置如图5。脉冲频率设置为20 kHz根据精度要求。

在实验中,制衡1固定在24步的位置。表1显示脉冲的数量在一个给定的时期,和图9显示位置脉冲计数方法的结果。脉冲在第四圈的总数是990。平衡的位置对应于292脉冲和被定义为

因为步骤的数量必须是一个整数,结果是圆形的到24。然而,脉冲在第五圈的总数是993,抗衡1对应的脉冲数是290。在这种情况下,平衡的位置被定义为1

之后,当前位置是23步,一步不到前面的圆的位置的结果。这个错误不符合精度要求。

多匝的脉冲的平均数据是用来消除波动计算的位置。在分析脉冲计数方案的实验数据,发现位置的波动主要是由于外部干扰。当波动发生在脉冲被引用霍尔传感器和制衡霍尔传感器同时,平衡的位置会波动。经过反复实验,发现平均每50点稳定的位置检测结果抗衡,并提供所需的位置精度。表2显示部分平衡的位置1的数据平均后,和图10显示的位置结果优化脉冲计数方法。平衡位置的计算结果是稳定的。

5。总结与展望

我们开发了一个优化的精确测量的脉冲计数的位置运用在基于PLC的自动平衡。结果表明,该方法是可行的,和位置的结果是稳定的误差分析和算法修正。该方法为高速数据采集设备的性能提供了一个可接受的错误。是得出以下结论:(1)本研究只验证该方法在实验室条件下的原则。在未来的研究中,有必要优化硬件配置和方法在实际工作环境干扰(如一个环境与交变电磁场和变速)。(2)因为基于plc的方法性能良好的电磁自动平衡,有必要考虑将振动监测纳入位置检测项目后续研究改进自动平衡控制系统的性能。(3)柔性转子的平衡器也可以用来添加补偿向量,但不同的转子有不同的情态动词在不同的速度,所以均衡器的结构和安装位置应合理优化适应这种工作状态。(4)基于plc平衡位置检测系统不需要计算机和高速数据采集设备,简化了控制系统结构位置和允许集成监控和驱动控制。系统的稳定性也降低了控制系统的成本,这在工业应用是有价值的。

数据可用性

所需的原始/处理数据复制这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

1. y . c .罗研究转子主动平衡控制系统的基于振动信号提取、合肥工业大学、合肥,中国,2015。
2. r·h·Pessrkinson d . r .能源部,简化螺旋桨平衡系统和方法美国弗吉尼亚州亚历山德里亚,美国专利,2016年。
3. C.-J。陆和M.-H。天山”Pure-rotary周期性运动的平面two-ball平衡系统,”机械系统和信号处理32卷,第268 - 251页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. Ehyaei和m . m .穆贾达姆,“动态响应和稳定性分析的一个灵活的旋转不平衡轴配备n自动ball-balancers,”杂志的声音和振动,卷321,不。3 - 5,554 - 571年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. s . n . Mahmoodi m . j .工艺,s . c .向南和m . Ahmadian”主动振动控制使用加速度反馈自适应优化修改行增强器对频率跟踪,”杂志的声音和振动,卷330,不。7,1300 - 1311年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. f . Beltran-Carbaja和g . Silva-Navarro杜芬机械振动主动控制系统使用动态振动吸收器,”杂志的声音和振动,卷333,不。14日,第3030 - 3019页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. x, k . s . Lei,毛泽东和朱y,“一种新的自适应比例积分控制策略对转子主动平衡系统在加速,“机制和机器理论卷,136年,第121 - 105页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. t .信使和m . Pyrz“离散优化刚性转子的平衡,”机械科学与技术杂志》上,27卷,不。8,2231 - 2236年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. z世海和z . Zimiao现场动平衡技术研究对于大型柴油机曲轴系统,”冲击和振动卷,2017篇文章ID 7150472, 10页,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. w·c·箔、p·e·阿莱尔和e·j·甘特“评:转子平衡,”冲击和振动,5卷,不。5 - 6,325 - 336年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. x, h .问:吴,j·j·高,和w·m·王,“新液体转移主动平衡系统对磨床使用压缩空气,”振动和声学》杂志上,卷137,不。1,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. b . Hredzak和g .郭”新机电平衡不平衡补偿装置活跃,”杂志的声音和振动,卷294,不。4 - 5,737 - 751年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. j·苏和b高,“一种新型砂轮自动装置,”应用力学和材料卷,66 - 68,1743 - 1747年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. w . l . Winzenz d·博斯韦尔a . Badre-Alam d·莫里斯,飞机螺旋桨平衡系统美国弗吉尼亚州亚历山德里亚,美国专利,2015年。
15. r·布莱恩·r·m·保罗,s . b . j . C教会“C - 130 j - 30空中螺旋桨平衡,”第七届DSTO学报》国际会议上健康和使用监测(嗡嗡2011),墨尔本,澳大利亚,2011年3月。视图:谷歌学术搜索
16. y . m .黄和g . h . Tarng方法控制球平衡系统的光盘驱动器美国弗吉尼亚州亚历山德里亚,美国专利,2010年。
17. b·g·拜耶科夫“平衡转子弹性轴正交的,”应用数学和力学》期刊上,卷77,不。4、369 - 379年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. t·金姆和Na,“新球自动均衡器设计降低转子系统的瞬态响应,“机械系统和信号处理,37卷,不。1 - 2、265 - 275年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. a . Blanco-Ortega g . Silva-Navarro j . Coln-Ocampo m . Oliver-Salazar和g . Vela-Valds“转子-轴承系统,自动平衡”进步Vibrations-Theory和应用程序的分析和控制Intechopen有限,伦敦,英国,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. d . j . Rodrigues a . r . Champneys Friswell, r·e·威尔逊,“自动2平面刚性转子的平衡,”国际期刊的非线性力学,43卷,不。6,527 - 541年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. b . Dyniewicz a PreGowska, c . i Bajer“旋转系统的自适应控制,”机械系统和信号处理,43卷,不。1 - 2、90 - 102年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. d . j . Rodrigues a . r . Champneys Friswell,和r·e·威尔逊”2个飞机自动平衡:对称破坏分析,“国际期刊的非线性力学,46卷,不。9日,第1154 - 1139页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 他x, x, k, h, j .高,和江z,“性能分析与实验研究空心转子electromagnetic-ring主动平衡装置的机床主轴,”应用科学,9卷,不。4 p。692年,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. p.h.史蒂夫·e·a·罗素和w·韦恩与Transient-Discriminating螺旋桨飞机平衡系统美国弗吉尼亚州亚历山德里亚,美国专利,2009年。
25. 曹x l . f . Chen和j·j·高,”研究bi-disc电磁转子自动平衡器运动控制,”北京化工大学学报(自然科学版),37卷,不。4、121 - 125年,2010页。视图:谷歌学术搜索
26. w·m·h·l . f . Chen问:Wu Wang和j·j·高,“无错误的运动控制算法的研究bi-disc均衡器,”北京化工大学学报(自然科学版),39卷,不。2、89 - 94年,2012页。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2020贾丽芳陈等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。