一种基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法，先采集振动信号，并通过低通滤波和降采样的方式对采集的振动信号进行预处理；然后对处理后的振动信号进行时频分析，通过多次同步压缩变换获取到时频域，再利用维特比算法进行瞬时频率脊线的提取；最后将提取到的瞬时频率转换为瞬时转速。最后将提取到的瞬时频率转换为瞬时转速。最后将提取到的瞬时频率转换为瞬时转速。

【技术实现步骤摘要】
一种基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法


[0001]本专利技术属于机械转速监测
，更为具体地讲，涉及一种基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法。

技术介绍

[0002]转速是旋转机械一个非常重要的参数，准确获取旋转机械的瞬时转速是旋转机械故障诊断的首要条件。目前绝大多数的转速测量方法均需在曲轴的端部安装同步旋转的带齿或带缺口编码盘，其原理是：当曲轴旋转时，由齿盘或编码盘上的齿或缺口在传感器上触发一系列的脉冲信号，通过计算两个相邻脉冲的时间间隔或者通过计算在某一特定时间内的脉冲来计算转速。但这种转速测量方法存在如下问题：需要编码器/盘等特殊的硬件；硬件安装困难、可移植性差；为了提高角速度的测量精度必须使用很高的采样频率等。由于上述缺点，基于外部硬件的转速测量方法在许多场合的适用性较差。
[0003]目前旋转机械故障诊断主要针对定转速的情况，在变转速下这些方法存在较大挑战，因为此时无法采用经典的基于傅立叶变换理论谱去分析旋转机械中所获取的信号。然而变转速的工作状态几乎无处不在，因此变转速工况下的故障诊断一直是机械故障诊断领域关注的焦点之一。
[0004]基于振动信号的转速估计方法由于其简便、稳定、可靠成为了近期学者研究的热点。振动信号处理大致可以将它分为时域、频域、时频域三种类型的处理方法。基于时域的方法是根据振动信号的时间历程记录波形，分析信号的组成和特征量，从而在时间坐标轴上显示出振动信息。这种方法虽然不会使信号发生畸变或损失但它的精密程度不够好；基于频域的方法通过频谱来对信号进行旋转机械进行监测，其理论基础是傅里叶变换。然而仅靠频域与时域无法体现变转速设备的转速变化情况，所以时频分析方法才是转速估计效果最佳的方法。基于时频域的方法将振动信号反映在时频域，此时可以分析出振动信号瞬时频率随时间的变化，而瞬时频率与转速存在线性的关系，当我们能把瞬时频率提取出来我们就能得到瞬时转速。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法，不需要额外硬件，仅通过旋转机械的振动信号在时频域上估计出旋转机械的转速。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007](1)、采集振动信号并预处理；
[0008](1.1)、采集卡以采样频率f
s
采集待测设备的振动信号s(t)＝A(t)e
iθ(t)
，其中，t表示采样时间，A(t)表示振动信号的幅度，θ(t)表示振动信号的相位；
[0009](1.2)、计算振动信号s(t)的频率
[0010](1.3)、对振动信号s(t)进行低通滤波处理，去除f＞f
m
的高频噪声；
[0011](1.4)、对滤波后的振动信号进行降采样，使得其中，表示降采样后的采样频率，f
m
表示振动信号的实际最高频率，得到预处理后的振动信号其中，分别表示预处理后振动信号的幅度和相位；
[0012](2)、对振动信号进行时频分析；
[0013](2.1)、对振动信号进行短时傅里叶变换；
[0014][0015]其中，G(t,w)表示短时傅里叶变换表达式，g(
·
)表示窗函数，w表示频率，u与t均表示时间；
[0016](2.2)、对中的幅度和相位在t时刻进行泰勒展开，令中的幅度和相位在t时刻进行泰勒展开，令则可得其中，表示相位的一阶导数；
[0017](2.3)、将代入至短时傅里叶变换表达式G(t,w)，得：
[0018][0019](2.4)、对G(t,w)在时间上进行求导，得到：
[0020][0021]由此可得瞬时频率的估计值为:
[0022][0023](2.5)、根据短时傅里叶变换G(t,w)计算多次同步压缩变换，得到时频域；
[0024][0025][0026][0027]...
[0028][0029]其中，T
N
(t,η)表示第N次同步压缩变换，η表示通过多次同步压缩重排后的频率；
[0030](3)、在时频域上运用维特比算法进行瞬时频率的估计；
[0031](3.1)、定义两个惩罚函数；
[0032]第一个惩罚函数记为f(
·
)：由在某一时刻t对时频域上的值进行排序而形成，最大值的惩罚函数值为0，第二个最大值的惩罚函数值为1，第三个最大值的惩罚函数值为2，以此类推；
[0033]第二个惩罚函数为a(
·
)：
[0034][0035]其中，x与y表示两个连续时刻的瞬时频率值，c是惩罚函数的权重，Δ为阈值；
[0036](3.2)、计算瞬时频率的估计曲线；
[0037]在时频域上定义两个时刻，记为t1、t2；
[0038]从时刻t1到时刻t2沿着在时频域上的一条曲线I(t)的路径惩罚函数之和来计算瞬时频率的估计曲线：
[0039][0040]MSST(t,I(t))表示多次同步压缩时频分析中这条曲线在t时刻的值
[0041](4)、将瞬时频率曲线转化为瞬时转速曲线；
[0042][0043]其中，N(t)表示t时刻的瞬时转速，表示t时刻的瞬时频率，p为电机旋转磁场的磁极对数；
[0044](5)、利用低通滤波器对瞬时转速曲线进行平滑处理，从而提取出各个时刻对应的瞬时转速。
[0045]本专利技术的专利技术目的是这样实现的：
[0046]本专利技术基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法，先采集振动信号，并通过低通滤波和降采样的方式对采集的振动信号进行预处理；然后对处理后的振动信号进行时频分析，通过多次同步压缩变换获取到时频域，再利用维特比算法进行瞬时频率脊线的提取；最后将提取到的瞬时频率转换为瞬时转速。
[0047]同时，本专利技术基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法还具有以下有益效果：
[0048](1)、本专利技术通过对振动信号进行低通滤波和降采样的处理，有效提高了振动信号的信噪比并且使得运算量与运算时间大大减少；
[0049](2)、本专利技术在不需要外界额外硬件的情况下就能进行转子转速估计，减少了成本与硬件要求；在转速估计过程中，本专利技术通过时频域中瞬时频率能量更加聚集的时频分析方法，提高了瞬时频率提取的精度，实现了转速的高精度估计，可完全替代转速计；
[0050](3)、本专利技术不仅适用于匀转速工况并且也可以用于变转速工况，适用范围广。
附图说明
[0051]图1是本专利技术基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法流程图；
[0052]图2是振动信号的时域波形图及频域图；
[0053]图3是振动信号预处理后的时域波形图及频域图；
[0054]图4是振动信号进行6次同步压缩变换后的时频图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振动时频多次同步压缩变换的转子转速估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、采集振动信号并预处理；(1.1)、采集卡以采样频率f
s
采集待测设备的振动信号s(t)＝A(t)e
iθ(t)
，其中，t表示采样时间，A(t)表示振动信号的幅度，θ(t)表示振动信号的相位；(1.2)、计算振动信号s(t)的频率(1.3)、对振动信号s(t)进行低通滤波处理，去除f＞f
m
的高频噪声，f
m
表示振动信号的实际最高频率；(1.4)、对滤波后的振动信号进行降采样，使得其中，表示降采样后的采样频率，得到预处理后的振动信号其中，分别表示预处理后振动信号的幅度和相位；(2)、对振动信号进行时频分析；(2.1)、对振动信号进行短时傅里叶变换；其中，G(t,w)表示短时傅里叶变换表达式，g(
·
)表示窗函数，w表示频率，u与t均表示时间；(2.2)、对中的幅度和相位在t时刻进行泰勒展开，令中的幅度和相位在t时刻进行泰勒展开，令则可得其中，表示相位的一阶导数；(2.3)、将代入至短时傅里叶变换表达式G(t,w)，得：(2.4)、对G(t,w)在时间上进行求导，得到：由...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉伍格祖，刘志亮，左明健，
申请(专利权)人：青岛明思为科技有限公司，
类型：发明
国别省市：