基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法及系统,该方法为：对首先通过对编码器信号成分分析及建模，得到多尺度调制下的编码器脉冲信号，经快速傅里叶变换后得到脉冲信号频谱；其次对脉冲信号频谱进行多尺度频域滤波拆分得到不同调制尺度下的解析信号；然后对多尺度调制解析信号成分频域降频与调制特征成分敏感度评估；继而通过频域多尺度调制解析信号成分加权重构得到解析信号频谱，对多尺度重构解析频谱的时域转换得到解析信号；最后根据解析信号的性质，可以获得编码器多尺度重构信号的瞬时角速度。本方法为实现了编码器角速度的高精度计算。算。算。

【技术实现步骤摘要】
基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法及系统


[0001]本专利技术涉及旋转机械故障诊断
，具体涉及一种基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法及系统。

技术介绍

[0002]编码器主要用来速度测量和定位，在精密制造、汽车工程、铁路船舶等领域有着广泛的应用。旋转机械瞬时角速度包含其运行状态与特征频率的信息，并且具有不受传递路径影响、无传递衰减等优点，是机械设备状态监测及故障诊断的重要手段之一。然而，如何获取精确的瞬时角速度信号，提高旋转机械瞬时角速度信号的信噪比，是基于瞬时角速度信号的旋转机械状态监测及故障诊断面临的重要挑战。编码器随转轴旋转输出的方波及脉冲信号，可拆分为一系列奇倍频调制信号，各调制频率尺度上调制的旋转机械信息不尽相同。传统M法，T法及频率解调法获取的瞬时角速度只利用了1倍频上的调制信息，而忽略了更高调制频率尺度上的有效信息，造成了采样带宽及有效性调制信息的浪费。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法及系统。
[0004]为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法,包括以下步骤：
[0005]获取旋转机械编码器信号ω(t)；
[0006]对编码器信号ω(t)进行成分分析与建模，得到多尺度调制下的编码器脉冲信号；
[0007]对多尺度调制下的编码器脉冲信号进行快速傅里叶变换，得到编码器脉冲信号频谱FT(f)；
[0008]对编码器脉冲信号频谱FT(f)进行多尺度频域滤波拆分，得到不同调制尺度下的解析信号AS
m
(f)；
[0009]对不同调制尺度下的解析信号AS
m
(f)成分频域降频，使不同调制尺度的解析信号平移到同一调制频率段，得到降频后的不同调制尺度下的解析信号AS
m
’
(f)；
[0010]评估不同调制尺度的解析信号调制特征成分的敏感度，并对不同调制尺度下的每个特征事件的敏感度进行加权；
[0011]对平移到同一调制频率段的不同调制尺度的解析信号进行频域加权重构，得到频域多尺度重构解析信号ASz(f)；
[0012]对频域多尺度重构解析信号ASz(f)进行时域转换，得到时域多尺度重构解析信号y(t)；
[0013]计算时域多尺度重构解析信号y(t)的瞬时角速度，得到编码器瞬时角速度。
[0014]本方法为考虑机械故障的编码器角速度估计提供了一种有效手段，利用更高调制
频率尺度上的有效旋转机械信息，进行多调制尺度的瞬时角速度精确重构，实现了编码器角速度的高精度计算。
[0015]在该方法的一种优选方案中，对编码器信号ω(t)进行成分分析与建模，得到多尺度调制下的编码器脉冲信号的步骤为：
[0016]成分分析：将编码器信号ω(t)分为恒定转速部分和波动转速部分，即其中ω0为恒转速，ω
k
(t)为第k个特征事件引起的瞬时角速度波动，n为特征事件的总数；
[0017]建模：编码器脉冲信号的连续傅里叶级数展开为得到多尺度调制下的编码器脉冲信号，其中为脉冲信号中调制的转角相位信息，其中，t是指时间，m为正整数，m代表第m阶调制尺度，N是编码器线数，为编码器初始转角；
[0018]脉冲信号调制频率f
c
与恒定转速成分关系为：其中f
r
为轴旋转频率，f
mc
为第m阶调制频率。
[0019]在该方法的一种优选方案中，编码器脉冲信号频谱
[0020][0021]在该方法的一种优选方案中，得到不同调制尺度下的解析信号AS
m
(f)的步骤为：
[0022]频域上对以不同调制尺度频率为中心的调制信号的正频谱加矩形窗，得到不同调制尺度的解析信号为：
[0023]式中，N是编码器线数，m为正整数，m＝1,2,3
……
，表示第m阶调制尺度，f
r
为轴旋转频率。
[0024]在该方法的一种优选方案中，降频后的不同调制尺度下的解析信号AS
m
’
(f)的计算公式为：
[0025][0026]该优选方案对不同尺度的调制信息进行了降频操作，将以往忽略了的信息纳入到了考虑范围内，获取了以往被忽视的更高调制频率尺度上的旋转机械信息，使得最终的编码顺口瞬时角速度更为准确。
[0027]在该方法的一种优选方案中，评估不同调制尺度的解析信号调制特征成分的敏感度，并对不同调制尺度下的每个特征事件的敏感度进行加权步骤为：
[0028]不同调制尺度的解析信号调制特征成分的敏感度评估指标计算公式为：
[0029]其中，Mean()是指对给定频率范围内的函数值取平均值，ind
m_k
为第m阶调制尺度内对特征事件k的敏感度指标，f
k
为关
心的特征事件k的频率，f
mc
为m阶脉冲信号调制频率；
[0030]为不同调制尺度内每个特征事件的敏感度进行加权，公式为其中，W
m_k
表示特征事件k基于敏感度的第m阶调制尺度下的加权系数，M表示调制尺度的总阶数。
[0031]在该方法的一种优选方案中，解析信号频谱其中，W
m_k
表示特征事件k基于敏感度的第m阶调制尺度下的加权系数，M表示调制尺度的总阶数。
[0032]在该方法的一种优选方案中，编码器瞬时角速度其中，Im为取虚部，为重构解析信号的微分信号。
[0033]本专利技术还提出了一种编码器瞬时角速度估计系统，包括数据获取模块，处理器和存储器，所述数据获取模块获取旋转机械编码器信号并传输给处理器，处理器与存储器通信连接，所述存储器用于存放至少一个可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行本专利技术的基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法对应的操作以获得编码器瞬时角速度。
[0034]本专利技术的有益效果是：本专利技术为考虑机械故障的编码器角速度估计提供了一种有效手段，能获取被忽视的更高调制频率尺度上的旋转机械信息，利用这些有效信息进行多调制尺度的瞬时角速度精确重构，实现了编码器角速度的高精度计算，在旋转机械故障诊断具有良好的应用前景。
[0035]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0036]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0037]图1是旋转机械编码器信号多尺度调制示意图；
[0038]图2是本方法流程示意图；
[0039]图3是多尺度调制信号频域滤波拆分示意图；
[0040]图4是多尺度调制解析信号成分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法,其特征在于，包括以下步骤：获取旋转机械编码器信号ω(t)；对编码器信号ω(t)进行成分分析与建模，得到多尺度调制下的编码器脉冲信号；对多尺度调制下的编码器脉冲信号进行快速傅里叶变换，得到编码器脉冲信号频谱FT(f)；对编码器脉冲信号频谱FT(f)进行多尺度频域滤波拆分，得到不同调制尺度下的解析信号AS
m
(f)；对不同调制尺度下的解析信号AS
m
(f)成分频域降频，使不同调制尺度的解析信号平移到同一调制频率段，得到降频后的不同调制尺度下的解析信号AS
m
’
(f)；评估不同调制尺度的解析信号调制特征成分的敏感度，并对不同调制尺度下的每个特征事件的敏感度进行加权；对平移到同一调制频率段的不同调制尺度的解析信号进行频域加权重构，得到频域多尺度重构解析信号ASz(f)；对频域多尺度重构解析信号ASz(f)进行时域转换，得到时域多尺度重构解析信号y(t)；计算时域多尺度重构解析信号y(t)的瞬时角速度，得到编码器瞬时角速度。2.根据权利要求1所述的基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法,其特征在于，对编码器信号ω(t)进行成分分析与建模，得到多尺度调制下的编码器脉冲信号的步骤为：成分分析：将编码器信号ω(t)分为恒定转速部分和波动转速部分，即其中ω0为恒转速，ω
k
(t)为第k个特征事件引起的瞬时角速度波动，n为特征事件的总数；建模：编码器脉冲信号的连续傅里叶级数展开为得到多尺度调制下的编码器脉冲信号，其中为脉冲信号中调制的转角相位信息，其中，t是指时间，m为正整数，m代表第m阶调制尺度，N是编码器线数，为编码器初始转角；脉冲信号调制频率f
c
与恒定转速成分关系为：其中f
r
为轴旋转频率，f
mc
为第m阶调制频率。3.根据权利要求1所述的基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法,其特征在于，编码器脉冲信号频谱4.根据权利要求1所述的基于多频率调制尺度拆分与重构的编码器瞬时角速度估计方法,其特征在于，得到不同调制尺度下的解析信号AS...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾强，张艺超，刘元昊，王利明，丁晓喜，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：