电机振动的频谱分析
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电机振动的频谱分析
Spectral Analysis of Vibration Motor
姜威威（大连交通大学电气信息学院，辽宁大连116028）耿森润（东华大学信息科学与技术学院，上海201620）李文（大连交通大学软件学院，辽宁大连116028）
摘
要
详细介绍了电机振动数据采集系统的构成，实验中采用将电机加速到不同转速，突然切断电源，采集电机急停数据，然后利用NI 公司的LabVIEW 对电机平稳运行和急停振动数据进行频谱分析，在频率上分析引起电机振动的机械原因和电磁原因，对比总结出电机的振动特征。
关键词：振动数据采集，LabVIEW ，频谱分析，振动特征
Abstract
This paper introduces the structure of motor vibration data acquisition system in detail,accelerate the motor to the dif-ferent speed in the experiment,suddenly cut off the power,to acquire emergency stop data of motor,then use the LabVIEW of NI company to carry out a spectrum analysis of motor＇svibration data of smooth operation and emergency stop,analyz-ing the mechanical reasons and electromagnetic reasons which cause the vibration of motor in frequency,comparing to sum up the vibration characteristics of the motor．
Keywords :acquireVibration data,LABVIEW,Spectrum Analysis,vibration characteristics
本文对基于LabVIEW 测控平台采集的交流感应电机的振动数据进行频谱分析，介绍了机械振动和电磁振动两种振源影响下的频谱特征的提取。文中首先对电机振动数据采集系统进行了简要介绍，给出了实验设计方案，然后对采集到的振动数据利用LabVIEW 软件进行频谱分析，最后对电磁振动频谱特征进行提取。
现对电机转速的控制。根据具体速度设定，通过LabVIEW 编程计算得到一个数字量，经该模块转换得到一个0～20mA之间的模拟量。用该电流信号控制变频器，然后变频器通过改变输入异步电机电流的频率来改变电机的转速，实现电机转速控制。
电机、发电机及振动加速度传感器的相关参数在表1和表
2中给出。
表1
电机、发电机参数
1电机振动数据采集系统简介
为了分析异步电机在变频器驱动下的电机振动特征，我们
对电机－发电机组进行了振动采集实验。整个系统由振动发生装置、振动检测装置、振动数据采集装置、振动调节反馈装置组成，其结构框图如图1所示。
表2
传感器参数表
2实验方案设计
在电机运行期间所采集的振动数据实际上包含的是电磁振
动和机械振动共同作用下的振动信息，分析电机振动时应加以区分是由电磁原因还是机械原因产生的振动，方法是将电机运转至最高转速后，突然切断电源，若振动随之突然减小，则振动
图1
电机振动采集系统的结构框图
是由电磁原因引起的，若振动变化不大，则振动主要是由机械原因引起的。
在实验中布置了四个加速度传感器分别用来测试电机的垂向、横向、机座和发电机垂向的振动，为了能够比较准确地反映
在电机振动实验采集系统中，振动检测装置里振动信号是由压电式加速度传感器检测的，霍尔传感器用于检测电机转轴对称安放的两个磁铁的信号，测量电机的转速；在振动数据采集装置中使用了四通道的数据采集模块NI9234实现了四路数据采集，该模块通过振动传感器将电机的振动数据采集上来，经
USB 口传送至计算机，数字输入输出模块NI9401检测单位时
间里霍尔传感器发出的脉冲个数（单位时间电机转数），从而测量电机的转速；在振动调节反馈装置中，使用NI cDAQ－9172将三个NI 设备与计算机相连接，其中由D ／A 模块NI9265来实
0～4000Hz频段的电机振动情况，其采样频率设为12．8kHz。
我们将电机分别加速到300rpm 、600rpm 、900rpm 、1200rpm 、1500rpm ，通过调整PID 参数，使电机平稳运行，采集数据，然后迅速切断电源，采集电机的急停数据，然后采用NI 公司的LabVIEW 软件，分析平稳运行和急停时的频率特征
。
《工业控制计算机》2011年第24卷第11期49
3电机振动频谱分析3．1频谱分析简介
直接从采集的时域振动数据很难比较全面地了解系统的振动情况，为了对时域信号中各谐波分量的幅频和相频特性进行了解，需要对时域信号做频谱分析。通过频谱分析可以了解构成信号的各频率分量及特征，从而由这些频率信息揭示系统振动的状态。
信号频谱分析是采用Fourier 变换，建立了信号在时域和频域之间变换的桥梁，Fourier 变换在传统的信号分析与处理方法中发挥了极其重要的作用，电机振动产生的大多是平稳信号，对于平稳信号，Fourier 变换就可以分析。
Fourier 变换将时域信号x （t ）变换为频域信号X （f ），从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征．时域信号x （t ）的傅氏
变换为：
X （f ）＝
乙x （t ）e
＋∞－∞
－j2πft
dt
式中X （f ）为信号的频域表示，x （t ）为信号的时域表示，f 为频率。
3．2频谱分析模块
由于时域信号分为连续信号和离散信号，连续信号可分为绝对可积、平方可积和均方可积；离散信号可分为绝对可和、平方可和和均方可和，所以对应的频谱也分为多种。在所分析的区间（－
图3
不同转速下的FFT
频谱图
∞，＋∞）内，能量为有限值的信号称为能量信号，而许多信号，如周期信号、随机信号等，它们在区间（－∞，＋∞）内能量不是有限值，在
这种情况下，研究信号的平均功率更为合适。因此对于实验数据的频域分析一般可分为幅度谱、相位谱和功率谱分析，分别是将信号的基波和各次谐波的振幅、相位和功率按频率的高低依次排列而成的图形。本文以幅度谱为主程序框图如图2所示。
电机在平稳运行和急停情况下，都出现部分峰值集中在250Hz 到800Hz 内附近，在2400Hz 到2800Hz 频带内又出现比较明显的振动峰值，且振动峰值随速度的增加而增大的情况，另外在电机平稳运行时，在150Hz 附近出现振动峰值，150Hz 为工频的三倍频，峰值频率受工频的影响。
4结束语
通过电机平稳运行和急停的振动频谱特征分析可知，在采用
变频器驱动的电机中，由于电磁振动在电机断电后立即消失，所以引起机械的频率主要分布在250Hz 到800Hz 以及2400Hz 到
2800Hz 频带内，引起电磁振动的频率集中在150Hz 附近。
参考文献
图2
程序框图
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学版），2007，9（1）：41－44
［2］左经刚，曹建伟．典型故障频谱的分析［J ］．中国设备管理，2001（1）：
读取测量文件VI 将采集好的数据读入，采样点选择16384个点，频谱测量VI 对数据进行频谱分析，加的是hanning 窗，其幅度采用均方根值，即有效值，其单位为mg ，用有效值来描述振动信号的能量，具有稳定性和重复性好的特点，结果线性显示。在程序的前面板即可以将FFT 的频谱图导出。
42－44
［3］郭存杰，张来斌，王朝晖．基于振动频谱分析的交流电动机故障诊断
［J ］．石油矿场机械，2005，34（4）：21－23
［4］张洪奎．电机振动的原因分析及处理对策［J ］．石油和化工设备，2005
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［5］段芮，刘君．三相异步电动机振动原因及处理方法浅析［J ］．上海电力
学院学报，2007，23（1）：4－7
［收稿日期：2011．7．18
］
3．3频谱特征组图
图3给出了变频器驱动（载波频率3000Hz ）和急停情况
下，不同转速所对应的频谱特性（图中由上至下五个频谱分别对应转速为300rpm 、600rpm 、900rpm 、1200rpm 、1500rpm ）。本
（上接第47页）
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3
程序运行效果
运行后的程序效果如图3所示。
参考文献
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Standard ，Version 2．02，February 4, 1999
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［3］顾键，王京春，黄德先．OPC－COM技术在工业自动化软件中的应用
［J ］．计算机工程与应用，2002（12）：207－209
［收稿日期：2011．7．24］
图3
程序运行效果图