電機轉速測量系統(tǒng)的轉速信號測量分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26734電機轉速測量系統(tǒng)的轉速信號測量分析案例 1227231.1轉速波形分析 136431.1.1光電信號轉速波形分析 115651.1.2磁電信號的轉速波形分析 247441.2頻譜信號分析 367251.2.1光電傳感器頻譜信號分析 483231.2.2磁電傳感器頻譜信號分析 520751.3對比分析 61.1轉速波形分析1.1.1光電信號轉速波形分析設計中使用的光電傳感器為投射式光電傳感器，需要一個作為光源的發(fā)光裝置，一個接受光源的裝置，中間為帶有凹槽的能夠遮光的轉盤。設計中使用的電機葉片上的帶有凹槽的轉盤便可以作為光電測量的遮光罩。圖４-1光電信號波形圖4-2實驗用電機以電壓為7.5V時，光電信號的波形進行分析。由于光電信號只有在轉盤上有缺口時才能夠產生信號，在遮光板遮擋時，輸出信號無法到達光敏二極管，即無法產生信號。所以光電傳感器產生的信號只有0或者1，在圖像上則表現(xiàn)為方波。方波中的一個周期，即一次高電平加上一次低電平在電機葉片上體現(xiàn)為一個缺口加上連接該缺口的一部分遮光板。在圖中以圓圈標注。在圖中7.5V時，光電信號測量頻率為168Hz。已知測試電機有6個磁極對數，則圖像上需要6個周期為電機旋轉一周，在圖4-3中以紅色圓圈標注。于是在測試的150ms之內，電機大致轉過了4圈加上兩個周期，則在6s內，總共轉過了160圈加上80個周期，在60s內約轉過了1700轉，由于手動計算測量存在誤差，所以與LabVIEW測量出的1680轉存在誤差。1.1.2磁電信號的轉速波形分析磁電傳感器是通過電磁感應，將電機轉速轉化為線圈中的感應電動勢進行輸出。由于該傳感器能夠直接將電機葉片旋轉的機械能轉化為電能輸出，所以在測量時無需通電。根據電磁感應定律，當w匝線圈在一個恒定的磁場內移動時，穿過線圈的磁通量為?，則線圈內的感應電動勢與磁通量變化率d?dt的關系為：E=?w（實驗所使用的是磁阻式磁電傳感器，電機葉片上擁有導磁材料，通過葉片的轉動改變磁阻，引起磁通量的增強和減弱，在線圈中產生電動勢。圖4-4中標注的便是實驗電機的導磁材料，當電機運轉時擁有導磁材料的齒每次經過磁電傳感器，傳感器的磁阻便會變化一次。線圈中的感應電動勢變化頻率，即電機的轉速頻率為電機葉片轉速與葉片上的導磁材料的個數的乘積。圖4-3實驗電機上的導磁片圖4-4磁電信號轉速波形同樣以電壓值為7.5V時的磁電信號的波形進行分析，波形在0V刻度線上下跳動十分對稱，且呈一種類似正弦波的波形。波峰與波谷的高低不平，本文認為是由于測試電機的軸承有些松動，在電機葉片轉動時會頻繁發(fā)生上下跳動，影響傳感器線圈接收磁通量的大小。光電信號的幅值沒有受到該影響的原因，本文認為是光電傳感器接收信號只有“能收到信號”與“無法收到信號”，即只有1和0，所以光電信號在幅值上并不會受到影響。不過由于電機葉片的上下跳動會影響葉片旋轉的穩(wěn)定性，所以無論是光電或是磁電傳感器測出的波形，每個轉動周期都會存在一定誤差且無法消除。在測量電機上存在6個磁阻片，每個磁阻片通過傳感器都會產生一個周期的波形，所以當波形產生6個周期時，電機轉動一周。如圖4-5所示，在150ms內，產生了4組波形，則葉片在150ms內旋轉了4周，通過計算，葉片在60s內總共轉動了1600次左右，與系統(tǒng)測量的1680次基本吻合。1.2頻譜信號分析頻譜，是一個信號頻率的分布特征，一般用來分析那些復雜的波形曲線，頻譜分析可以將復雜的振蕩波形分解為數個振幅與頻率不同的諧波振蕩。這些諧波振蕩按照頻率的不同進行排列，被稱為頻譜。在頻譜分析前，波形信號的橫坐標表示的是時間，而頻譜分析后的波形信號的橫坐標則為頻率。這便是將信號分析從時域引入到頻域進行分析，使我們對信號有了另一層面的認識。1.2.1光電傳感器頻譜信號分析圖4-57.5V時光電傳感器頻率譜圖4-5中為當給定電壓為7.5V時，光電傳感器輸出的頻率譜。由于在頻譜測量的配置中選擇了峰值輸出，所以在圖中的0.1kHz與0.2kHz之間的峰值，即為在此電壓下，該電機的轉速頻率。在0.3kHz與0.4kHz之間，同樣有一處峰值，但較低于主峰峰值，觀察橫坐標值可看出，峰值位置大約在335Hz左右，正是電機轉速頻率168Hz的兩倍左右，這便是該頻率的兩倍頻。在圖中最右側的0.5kHz處，還有該頻率的三倍頻。倍頻是諧波的一種，通過帶通濾波器選出各個倍數的諧波，就產生了倍頻。若是在信號中倍頻的振幅大于主頻的振幅，則測量儀器或是被測儀器可能出現(xiàn)問題或是損壞。在圖中也可看出，在波形中有除了主頻與倍頻之外的諧波信號，這些諧波信號產生的原因大部分都來自于外界干擾：光電傳感器中的光敏二極管接收到外界光的變化、在硬件接線中損失信號等等，這些外界干擾很難被消除。排除外界因素，本文認為由于電機的軸承不穩(wěn)定，電機葉片在旋轉時容易上下抖動，影響信號的接收。于是取3V作為低電壓輸入，在該電壓值下，電機葉片的抖動會更加劇烈，與7.5V電壓輸入的頻率譜對比如下圖4-63V時光電傳感器頻率譜由圖4-6可見，在3V的低頻電壓下，諧波信號與在7.5V電壓下并無二至，所以在光電傳感器中，電機葉片的晃動與諧波信號的產生沒有必然性的聯(lián)系。1.2.2磁電傳感器頻譜信號分析圖4-77.5V時磁電傳感器頻率譜圖4-7為給定電壓為7.5V時，磁電傳感器輸出的頻率譜，可以看出磁電傳感器的頻率譜諧波較光電傳感器有明顯改善。原因可能是光電傳感器對外界的干擾，如外界光線對其的干擾，而磁電傳感器工作時只會獲取磁通量的變化，即只對周圍磁場的變化產生反應。所以受到的干擾較光電傳感器小。對于電機葉片上下震動對頻率的影響，同樣取3V電壓進行測量，如圖4-8，可以看出諧波相較7.5V嚴重了許多。由于在低頻時，電機葉片的上下振動會影響到傳感器線圈中磁通量的增大或減小，從而產生較多的諧波，而在高頻時，葉片的上下振動幅度變小，諧波的產生也同樣變少了。圖4-83V時磁電傳感器頻率譜1.3對比分析光電傳感器：在儀器