一种无线传输的旋转编码器采集卡及应用

摘要

本发明设计了一种无线传输的旋转编码器采集卡，其包括信号采集模块、无线传输模块、主板，信号采集模块、无线传输模块安装在主板上，信号采集模块的采集引脚与网口连接，网口与旋转编码器连接，无线传输模块与信号采集模块连接；其中无线传输模块包括数据传输单元Ⅱ、缓存单元，用于接收传送数据传输单元Ⅰ传输的数据及用于接收来自电脑的指令；本发明采集卡能采集获得编码器时间差数据和角度数据，并用于对旋转机械进行故障检测分析，本发明装置结构简单，易操作，适于工业化生产和市场推广应用。

权利要求

1.一种无线传输的旋转编码器采集卡，其特征在于：包括信号采集模块、无线传输模块、主板，信号采集模块、无线传输模块安装在主板上，信号采集模块的采集引脚与网口连接，网口与旋转编码器连接，无线传输模块与信号采集模块连接；其中无线传输模块包括数据传输单元Ⅱ、缓存单元；

信号采集模块包括时钟单元、外部中断单元Ⅰ、外部中断单元Ⅱ、运算处理单元、数据传输单元Ⅰ；时钟单元与运算处理单元连接，旋转编码器通过外部中断单元Ⅰ与运算处理单元连接，运算处理单元与数据传输单元Ⅰ连接，数据传输单元Ⅰ通过无线传输模块的数据传输单元Ⅱ与电脑连接，电脑通过无线传输模块与外部中断单元Ⅱ连接，外部中断单元Ⅱ与数据传输单元Ⅰ连接，无线传输模块用于接收传送数据传输单元Ⅰ传输的数据及用于接收来自电脑的指令；

时钟单元，用于计时；

外部中断单元Ⅰ，用于接收旋转编码器输出的A、B、Z相位信号，当A相位信号或B相位信号变化时，外部中断单元Ⅰ被触发，并启动运算处理单元；

运算处理单元，用于计算外部中断单元Ⅰ触发时间t(n)与上一次触发时间t(n‑1)的时间差，根据A、B、Z相位信号的变化，通过正交编码器编码原理计算旋转编码器在t(n)时刻的角度；

外部中断单元Ⅱ，用于接收无线传输模块传输的电脑指令，当收到采集指令时，外部中断单元Ⅱ被触发并启动数据传输单元Ⅰ向无线传输模块传输数据，当收到停止采集指令时，外部中断单元Ⅱ被触发并停止数据传输单元Ⅰ的数据传输；

上述无线传输的旋转编码器采集卡在旋转机械的故障检测中的检测步骤如下：（1）将无线传输的旋转编码器采集卡与安装在被检测对象上的旋转编码器连接，通过电脑收集无线传输的旋转编码器采集卡采集的时间差Δt(n)数据和t(n)时刻的旋转编码器角度c(n)数据；

（2）利用公式C(n) =c(n)+m×360°将旋转编码器在t(n)时刻的角度c(n)转化为增量角度C(n)，其中m为编码器所转圈数；

（3）计算旋转编码器在t(n)时刻与t(n‑1)时刻的角度差 ，将时间差Δt(n)与角度差ΔC(n)带入公式 中，获得瞬时角速度v(n)；

（4）采用 计算平均转速D，其中N为数据总量，瞬时角速度的速度波动A(n)=v(n) – D；

（5）以旋转编码器所在的转轴为参考轴，依据被检测对象转速与参考轴的转速计算被检测对象的故障阶次GearOrder， ；

（6）对瞬时角速度的速度波动A(n)进行阶比分析，对速度波动A(n)进行傅里叶变换得到阶比谱O（order）= abs(fft(A(n)))， ，其中阶比分析最大阶次为编码器光栅数dpi的一半；

（7）被检测对象发生故障时，在阶比谱O（order）中当阶次等于故障阶次时，故障阶次GearOrder处会出现一个较高的峰值，其峰值的大小代表了被检测对象的故障程度，随着被检测对象故障程度的增加在阶比谱中其故障阶次的峰值也将会增加。

2.根据权利要求1所述的无线传输的旋转编码器采集卡，其特征在于：还包括外壳、散热风扇。

说明书

一种无线传输的旋转编码器采集卡及应用

技术领域

[0001] 本发明属于机械状态监测及故障诊断技术领域，特别涉及一种无线传输的旋转编码器采集卡及应用。

背景技术

[0002] 旋转编码器广泛运用于旋转机械位置检测中，随着机械设备的长期使用容易导致部分零部件的损坏从而给生产带来损失甚至给工人带来危险，所以使用编码器信号进行旋
转机械状态监测及故障诊断具有较高的价值，旋转机械的不正常运转会产生瞬时速度的波
动，检测这些波动需要精确的检测编码器角度的变化，传统采集卡的检测方法通过轮询的
方式检测，以规定的频率检测编码器信号的状态并将每个时刻的状态发送给电脑，为保证
能精确反应编码器角度的变化需要超过1MHz的采样频率，从而造成了大量无用数据的产生
而且造成了内存的浪费并且对数据传输速度的要求较高。

发明内容

[0003] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种无线传输的旋转编码器采集卡，本采集卡采用中断采集的方式来获取旋转编码器信号，当旋转编码器的状态变化时触发中断并记
录变化时间差，可以保证采集信号的精度并且极大的减少了采集的数据量，避免了通过轮
询的方式检测编码器信号所带来的内存浪费与对传输速度的高要求的问题。

[0004] 本发明无线传输的旋转编码器采集卡包括信号采集模块、无线传输模块、主板，信号采集模块、无线传输模块安装在主板上，信号采集模块的采集引脚与网口连接，网口与旋
转编码器连接，无线传输模块与信号采集模块连接；其中无线传输模块包括数据传输单元
Ⅱ、缓存单元，用于接收传送数据传输单元Ⅰ传输的数据及用于接收来自电脑的指令；

[0005] 所述信号采集模块包括时钟单元、外部中断单元Ⅰ、外部中断单元Ⅱ、运算处理单元、数据传输单元Ⅰ；时钟单元与运算处理单元连接，旋转编码器通过外部中断单元Ⅰ与运算
处理单元连接，运算处理单元与数据传输单元Ⅰ连接，数据传输单元Ⅰ通过无线传输模块的
数据传输单元Ⅱ与电脑连接，电脑通过无线传输模块与外部中断单元Ⅱ连接，外部中断单
元Ⅱ与数据传输单元Ⅰ连接；

[0006] 时钟单元，用于计时；

[0007] 外部中断单元Ⅰ，用于接收旋转编码器输出的A、B、Z相位信号，当A相位信号或B相位信号变化时，外部中断单元Ⅰ被触发，并启动运算处理单元；

[0008] 运算处理单元，用于计算外部中断单元Ⅰ触发时间t(n)与上一次触发时间t(n‑1)的时间差，根据A、B、Z相位信号的变化，通过正交编码器编码原理计算旋转编码器在t(n)时
刻的角度；

[0009] 外部中断单元Ⅱ，用于接收无线传输模块传输的电脑指令，当收到采集指令时，外部中断单元Ⅱ被触发并启动数据传输单元Ⅰ向无线传输模块传输数据，当收到停止采集指
令时，外部中断单元Ⅱ被触发并停止数据传输单元Ⅰ的数据传输。

[0010] 本发明中所述旋转编码器均为光栅编码器，光栅编码器输出的信号为TTL信号，A、B相位为正交编码相位，Z相位为键相位；在编码器经过零位时发生Z相变化，Z相位的变化触
发外部中断单元Ⅰ并通知运算处理单元将当前角度c（n）置0，在编码器经过其光栅时发生A
或B相变化；

[0011] 当无线传输模块通过无线网络收到来自电脑的采集指令时，无线传输模块使外部中断单元Ⅱ触发，运算处理单元中的时间差与角度数据通过数据传输单元Ⅰ进入无线传输
模块的缓存单元中，数据传输单元Ⅱ会将缓存单元中的数据取出并发送给电脑；而当编码
器相位变化时外部中断单元Ⅰ被触发，进而通知运算处理单元判断当前相位的状态，判断当
前旋转编码器角度增加还是减少，获得旋转编码器在t(n)时刻的角度，并且获得此时外部
中断单元Ⅰ被触发时与上一次触发的时间差；使用这样的方式可以兼容任何线束的编码器；

[0012] 数据传输单元Ⅰ的作用是将运算处理单元所得到绝对角度与时间差通过SPI协议的方式传输给无线传输模块，无线传输模块接受数据后先放置在缓存单元中，数据传输单
元Ⅱ会将缓存中的数据取出并发送给电脑。

[0013] 本发明无线传输的旋转编码器采集卡还包括外壳、散热风扇，所述外壳包括上盖和壳体，上盖上开有通风孔与螺纹孔，散热风扇通过螺栓设置在上盖上，上盖的两侧设置有
卡块，卡块与壳体上的卡槽相配合，壳体主要用于主板的固定；所述散热风扇用于给无线传
输模块散热，在采集的过程中无线传输模块消耗的能量增加，所产生的热量也随之增加，散
热风扇将外部的气流吹入采集卡中使其温度降低防止防止温度升高影响采集卡工作。

[0014] 本发明另一目的是将上述无线传输的旋转编码器采集卡应用在旋转机械的故障检测中，具体如下：

[0015] （1）将无线传输的旋转编码器采集卡与安装在被检测对象上的旋转编码器连接，通过电脑发送采集指令，当无线传输模块收到采集指令后通过外部中断单元Ⅱ开启数据传
输单元Ⅰ，将数据传输给无线传输模块，再由无线传输模块发送给电脑，通过电脑收集无线
传输的旋转编码器采集卡采集的时间差Δt(n)数据和t(n)时刻的旋转编码器角度c(n)数
据，其中n=1,2,3....N；

[0016] （2）利用公式C(n) =c(n)+m×360°将旋转编码器在t(n)时刻的角度c(n)转化为增量角度C(n)，其中m为编码器所转圈数；

[0017] （3）计算旋转编码器在t(n)时刻与t(n‑1)时刻的角度差，将时间差Δt(n)与角度差ΔC(n)带入公式 中，获得瞬时角速度v(n)；

[0018] （4）瞬时角速度v(n)包括平均速度D与速度波动A(n)，将瞬时角速度v(n)的均值带入公式 求得平均转速D，其中N为数据总量；瞬时角速度的速度波动A(n)=v(n) – 
D；

[0019] （5）以旋转编码器所在的转轴为参考，依据被检测对象转速与参考转轴的转速计算被检测对象的故障阶次GearOrder， ；

[0020] （6）对瞬时角速度的速度波动A(n)进行阶比分析，对速度波动A(n)进行傅里叶变换得到阶比谱O（order）= abs(fft(A(n)))， ，其中阶比分析最大阶次为编
码器光栅数dpi的一半；

[0021] （7）被检测对象发生故障时，在阶比谱O（order）中当阶次等于故障阶次（order=GearOrder）时，在阶比谱的故障阶次GearOrder处会出现一个较高的峰值，其峰值的大小代
表了被检测对象的故障程度，随着被检测对象故障程度的增加在阶比谱中其故障阶次的峰
值也将会增加。

[0022] 本发明的优点和技术效果：本发明相对于现有的编码器采集设备而言，使用了采集绝对角度与时间差的形式，而非等时间间隔采样，极大的提高了效率，减少了计算量；使
用了无线传输模块，极大的方便了使用者进行现场测量与安装，而且采集卡的体积与重量
较小便于携带，采用本发明采集卡采集编码器时间差数据和角度数据，用于对旋转机械进
行故障检测分析，利用向前差分求出瞬时速度并获得速度波动，对速度波动进行阶比分析，
在阶比谱中能够观察旋转机械因齿轮故障导致的速度波动从而实现对旋转机械的故障检
测。

附图说明

[0023] 图1为本发明的旋转编码器采集卡结构示意图；

[0024] 图2为本发明中主板，信号采集模块，无线传输模块结构示意图；

[0025] 图3为本发明中散热风扇与上盖的结构示意图；

[0026] 图4为本发明中信号采集模块、无线传输模块结构示意图；

[0027] 图5为旋转设备结构示意图；

[0028] 图6为本发明中编码器所采集绝对角度C(n)波形图；

[0029] 图7为本发明中编码器所采集时间间隔T(n)波形图；

[0030] 图8为本发明中瞬时速度v(n)波形图；

[0031] 图9为本发明中瞬时速度波动A(n)波形图；

[0032] 图10为本发明中瞬时速度的阶次谱；

[0033] 图11为实施例2无故障太阳轮的阶比谱；

[0034] 图中：1‑壳体；2‑网口；3‑信号采集模块；4‑上盖；5‑散热风扇；6‑螺钉；7‑主板；8‑无线传输模块；9‑电机；10‑行星齿轮减速器；11‑光栅编码器；12‑负载。

具体实施方式

[0035] 下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

[0036] 实施例1：利用无线传输的旋转编码器采集卡对太阳轮故障检测方法如下：

[0037] 如图1‑3所示，本无线传输的旋转编码器采集卡包括信号采集模块3、无线传输模块8、主板7、外壳、散热风扇5、网口2，外壳包括壳体1、上盖4，主板7设置在壳体1中，信号采
集模块、无线传输模块安装在主板上，上盖4通过两侧卡块安装在壳体1的卡槽内并位于无
线传输模块8的上方，上盖上开有通风孔与螺纹孔，散热风扇通过螺栓6固定在上盖4上，网
口2焊接在主板7上并位于信号采集模块3一侧，信号采集模块的采集引脚与网口连接，网口
与旋转编码器连接，无线传输模块与信号采集模块连接；其中无线传输模块包括数据传输
单元Ⅱ、缓存单元，用于接收传送数据传输单元Ⅰ传输的数据及用于接收来自电脑的指令；

[0038] 如图4所示，信号采集模块型号为K210，其还包括时钟单元、外部中断单元Ⅰ、外部中断单元Ⅱ、运算处理单元、数据传输单元Ⅰ；时钟单元与运算处理单元连接，旋转编码器通
过外部中断单元Ⅰ与运算处理单元连接，运算处理单元与数据传输单元Ⅰ连接，数据传输单
元Ⅰ通过无线传输模块的数据传输单元Ⅱ与电脑连接，电脑通过无线传输模块与外部中断
单元Ⅱ连接，外部中断单元Ⅱ与数据传输单元Ⅰ连接；

[0039] 时钟单元，用于计时；

[0040] 外部中断单元Ⅰ，用于接收旋转编码器输出的A、B、Z相位信号，当A相位信号或B相位信号变化时，外部中断单元Ⅰ被触发，并启动运算处理单元；

[0041] 运算处理单元，用于计算外部中断单元Ⅰ触发时间tn+1与上一次触发时间tn的时间差，根据A、B、Z相位信号的变化，通过正交编码器编码原理计算旋转编码器在tn+1时刻的角
度；

[0042] 外部中断单元Ⅱ，用于接收无线传输模块传输的电脑指令，当收到采集指令时，外部中断单元Ⅱ被触发并启动数据传输单元Ⅰ向无线传输模块传输数据，当收到停止采集指
令时，外部中断单元Ⅱ被触发并停止数据传输单元Ⅰ的数据传输。

[0043] 采用上述无线传输的旋转编码器采集卡对如图5所示的行星齿轮减速器进行故障检测，旋转设备包括电机9、行星齿轮减速器10、光栅编码器11，负载12，其中行星齿轮减速
器的减速比为5，太阳轮齿数21，行星轮齿数31，齿圈齿数为84，光栅编码器线束为5000，使
用线切割机在太阳轮齿根处加工了一条齿根裂纹作为人工故障，对太阳轮故障的检测方法
具体操作流程如下：

[0044] 1、将无线传输的旋转编码器采集卡与安装在电机9输出轴上的光栅编码器11连接，启动电机9并设定电机转速为300r/min，使用无线传输的旋转编码器采集卡采集时间差
Δt(n)数据和t(n)时刻的光栅编码器11角度c(n)数据，并将数据以二进制形式存储于计算
机中，使用matlab读取计算机中所存储的数据Δt(n)与c(n) n =1,2…10000，结果见图6、
7；

[0045] 2、如图6所示采集到的编码器角度信号c(n)为0‑360°的角度信号，无法直接用于计算瞬时角速度v(n)，利用公式C(n) =c(n)+m×360°将旋转编码器在t(n)时刻的角度c(n)
转化为增量角度C(n)，其中m为编码器所转圈数，m=1,2…21；

[0046] 3、使用matlab计算旋转编码器在t(n)时刻与t(n‑1)时刻的角度差，将时间差Δt(n)与角度差ΔC(n)带入向前差分公式
中，获得瞬时角速度v(n)，结果见图8；

[0047] 4、瞬时角速度v(n)包括平均转速v(n)与速度波动A(n)，平均转速v(n)是由电机与负载决定的总体速度变化，速度波动A(n)是由齿轮刚度、啮合角度等所带来的微观变化，故
需要将速度波动A(n)分离出来，首先在matlab中求出瞬时角速度v(n)的平均转速
，平均转速D计算结果为3.14rad/s，即60r/min；其中N为数据总量10000，然后通
过A(n)=v(n) – D计算瞬时角速度的速度波动A(n)，计算结果见图9；光栅编码器放置于输
出端，电机转速被设定为300r/min，经减速器减速后输出端转速为60r/min，本步骤计算的
到的平均转速与实际转速一致；

[0048] 5、光栅编码器放置于输出端，阶比分析时以输出轴作为参考轴，太阳轮的转速为300r/min行星架与输出轴相连，行星齿轮减速器减速比为5，故输出轴转速为60r/min，太阳
轮 发 生 故障 的 转 速 为 太 阳 轮 相 对 行 星 架 转 速 ，故 太 阳 轮故 障 阶 次
 =  ，算得 ；

[0049] 6、在matlab中对瞬时角速度的速度波动A(n)进行阶比分析，对速度波动A(n)进行傅里叶变换得到阶比谱O（order），其中阶比分析最大阶次为编码器光栅数dpi=5000的一半
即5000/2=2500阶，带入公式O（order）= abs(fft(A(n)))， ，计算得到其阶
比谱如图10所示；

[0050] 7、在阶比谱中可以看出太阳轮故障阶次GearOrder=4阶较为突出，说明机器在运行的过程中由于太阳轮的故障，瞬时速度产生了较大的波动，而机器中太阳轮齿根处存在
的一处人工故障与检测结果一致。

[0051] 实施例2：利用无线传输的旋转编码器采集卡对正常太阳轮检测方法如下：

[0052] 本实施例实验设备与操作流程与实施例1相同，将实施例1中故障太阳轮换成正常的太阳轮，按照实施例1进行数据采集与数据分析后得到太阳轮无故障的阶比谱如图11所
示，在图11中可以看到当太阳没有故障时在故障阶次4处其不存在峰值或峰值很小，结合实
施例1与实施例2当齿轮出现故障时，在该齿轮的故障阶次上会出现一个较大的峰值，其峰
值的大小与故障的大小有关，在实施例2中太阳轮没有明显的故障，在阶比谱中其故障阶次
4阶处无明显峰值，在实施例1中太阳轮含有人工加工的故障，在其阶比谱中可以看到太阳
轮故障阶次4阶处有较高峰值，由实施例1与实施例2可证明使用无线传输的旋转编码器采
集卡与阶比分析方法可以对齿轮故障进行检测。