1 系统功能要求
动平衡测试系统的主要功能就是采集来自传感器的转子不平衡振动信号，经处理后通过模数转换再由处理器计算出转子不平衡信号的幅值和相位信息，最终获取不平衡量的大小和相位[1]。
动平衡测试系统一般由以下几部分组成: 机械测振系统( 主要包含传感器和相位信号发生器) 、电子测量系统、校正装置和安全防护装置等。通常对动平衡测试系统有以下几点要求: ①良好的滤波特性; ②良好的抗干扰性和较大的动态范围; ③较宽的频率响应和较高的测量精度; ④可长时间的稳定工作; ⑤操作方便、显示直观。
2 系统的整体框架
动平衡测试系统总体架构如图 1 所示，其中箭头方向表明为各信号的传递方向。从图中可以看出，系统主要包括机械测振、信号处理、数据处理等几部分。机械测振部分主要利用振动传感器检测出转子的不平衡振动信号。信号处理部分包括两路振动信号理电路和基准信号处理电路，用以实现对振动信号的提取和基准信号的处理。数据处理部分首先通过单片机内部 A/D 转换器对模拟信号进行 A/D 转换，然后处理器利用各种算法实现对转子不平衡信息的精确求解，并完成数据通信等功能。
系统的主要工作流程如图 2 所示。图中系统工作方式主要有影响系数的标定，转子不平衡量的测量、数据发送三部分。下面重点分析转子不平衡量的测量过程。
操作人员首先把转子放在动平衡机的传感器支承架上，待电机带动该转子作匀速运转，在转动的过程中: ①通过传感器将转子因不平衡而产生的振动信号转换为电信号，该电信号通过振动信号处理电路后被送往单片机内部的 A/D 转换器，将电压信号转换为数字信号，之后利用 DFT 算法对数字信号进行计算求解，并使用相应的数字滤波算法保证精度，精确计算出转左右端面的振动幅值; ②在转子某一端面做上标记，由光电传感对此产生脉冲信号，经基准信号处理电路处理后被送到单片机的 I/O 端口，一可控制单片机内的 A/D 转换器对振动信号进行采集，二可作为基准信号，计算出转子的相位信息; ③利用之前标定好的影响系数求解出转子的不平衡量大小及其相位，并将这些数据通过串口发送给上位机显示处理。其中的上位机是 ARM 的转子动平衡去重控制系统，通过串口与该测试系统进行信息、交互，发送控制命令来设定测试系统的工作方式[2]。上位机在接收到该系统发送的不平衡量后，通过人机交互界面予以显示，然后对不平衡校正的策略进行分析和求解，最终控制去重系统对转子进行加工。
3 振动信号滤波设计
压电加速度传感器的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰，会引起高频噪声，对输入信号产生失真和干扰，此外低频信号甚至直流信号也会对振动信号有所干扰。为此，需用设计带通滤波电路，让有用信号通过，最大幅度的衰减无用的高低频信号。
常用的滤波器有很多，这里设计了两种滤波器，6阶 RC 有源带通滤波器及自适应有源开关电容带通滤波器。实验证明这两种滤波器滤波效果明显，但二者之间如何选择，还需考虑系统实际的工作情况。一种情况是转子测试时的旋转速度相对固定在某一范围内时，可以使 6 阶 RC 有源带通滤波器，减小硬件复杂度，简化结构，降低成本[3，4]; 另一种是系统需适用不同的测试转速时，就需要使用自适应有源开关电容带通滤波器，这种滤波器具有较好的选频特性、跟踪能力和线性度，可以转子的转频为中心频率，达到对转频特征信号的自适应跟踪滤波要求。
4 单片机外部电路设计
单片机是整个动平衡测试系统的核心部分，用来实现信号的 A/D 转换，振动信号信息和不平衡量信息的快速、精确计算，不平衡数据的发送等功能。因此除了要选择合适的单片机芯片外，还要根据实际情况进行单片机外围电路的设计。设计电路主要包括系统电源供电电路、数据串口发送电路、JTAG 接口调试电路等一些必须电路。在电源供电电路设计中，为了减小电源间的干扰，输入直流须经过集成稳压器后分为相互隔离的两路，一路电压为 3. 3V，主要用于给单片机供电; 另一路为 + 5V，用于给振动信号处理电路、串口通讯电路等电路供电[5]。
数据串口发送芯片使用 MAX232 芯片，它是一种双组驱动器 /接收器，片内含有一个电容性压电发生器，以便在单 5V 电源供电时提供 EIA/TIA - 232 - E电平。每个接收器将 EIA/TIA - 232 - EJTAG 电平输
入转换为 5V TTL/CMDS 电平。C8051F005 单片机内部有一个 JTAG 接口和逻辑，提供生产和系统测试所需要的边界扫描功能，支持闪存的读和写操作，方便通过 JTAG 接口的使用安装在最终应用系统上的产品 CIP - 51 单片机进行非侵入式、全速的在系统调试。JTAG 接口使用了单片机上的四个专用引脚为TCK、TMS、TDI 和 TDO[6]。
5 软件整体架构流程
系统软件采用模块化设计，在仁程序模块下分为若干个相对独立的子模块，例如 A/D 转换模块、振动信号求解模块、数字滤波模块、不平衡量求解模块、数据发送模块等。在模块的适当位置设置软件陷阱，进行冗余设计，以提高系统抗干扰性。
首先对系统进行初始化，包括配置 I/O 端口、A/D 初始化、串口初始化等，然后响应不同的工作方式，
执行相应的功能模块。当标定影响系数时，系统共测试三次，分别为不加试重情况、第一次加试重情况和第二次加试重情况，再通过算法计算出影响系数并保存在单片机 RAM 中[7，8]。当进行转子动平衡测量时，首先对振动信号进行整周期的 A/D 采集，然后利用 DFT 算法进行振动幅值及其相位的计算，接着通
过之前计算得到的影响系数求解出不平衡量的大及其相位。当接收到上位机的发送请求后，系统将该数据发送给上位机，由上位机做进一步处理。
6 结 语
笔者对转子动平衡测试系统做了初步的研究与设计，尚有一些工作需要进一步的研究和开展。系统实现了动平衡测试的基本功能，在后续工作中还需对系统功能进行丰富和扩充。
参考文献:
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[2] 夏松波，刘永光，李 勇，等. 旋转机械自平衡综述[J]. 中国机械工程，1999，10( 4) : 458 - 461.
[3] 欧阳红兵，曾 胜，汪希营. 转子系统在线动平衡综述及展望[J]. 机械强度，1997，19( 4) : 20 - 21.
[4] R E D Bishop，G M L Glad well. Journal of mechanical engineeringscience[J]. Journal of engineering for industry，1979( 1) : 66 - 77.
[5] 杨建刚. 旋转机械振动分析与工程应用[M]. 北京: 中国电力出版社，2007.
[6] 周仁睦. 转子动平衡一原理、方法和标准[M]. 北京: 化学工业出版社，1992.
[7] 钟沈江，许沧粟. 立式硬支撑动平衡微机化测量系统的研究[J]. 小型内燃机与摩托车，2003( 3) : 37 - 40.
[8] R E D Bishop，A G Parkinson. Transactions of the american societyof mechanical engineers[J]. Journal of engineering for industry，1972( 3) : 561 - 576.
