正弦跟踪滤波器 移除谐波和噪声

Tips 使用小技巧

当运行正弦测试时,我们只对输出频率的幅值感兴趣,或者说我们需要一个纯的正弦。正弦追踪滤波器的作用就是分离出驱动输出产生的这些纯的正弦。

测试人员希望产品在规定频率和规定幅值下进行振动测试。然而,由于振动台系统的固有噪声,控制器除了接收纯的正弦外,还会掺杂一些噪声和谐波。背景噪声也会改变纯正弦振幅的示值。

理论实例

我们做一个1G振幅5Hz到100Hz的正弦扫描。随着扫频的进行,我们来看看10Hz的时间点。驱动正在输出1G的振幅,但同时输入通道会从其它频率(5Hz、20Hz、50Hz、100Hz等)采集噪声。

如果从100 Hz的谐波采集到的0.5 G, 50 Hz的系统噪音又产生0.3 G。控制器会将0.8 G计算在内,并以此调整驱动输出,此时,只需输出剩余的0.2 G,就可达到10 Hz 1 G。

控制器在10Hz时测量到的加速度仍然是1G。然而,它在10Hz时只输出了0.2 G。输出频率的振幅已大幅调整了。很明显,测试没有产生预期的结果,因为,正弦测试主要考核的是输出的既定频率的幅值。

解决方案

采用正弦跟踪滤波器对纯正弦进行分离,使控制器能够精确地读取出纯正弦的幅值,并进行精准的控制。它被称为跟踪滤波器,因为它会跟踪测试过程中不同的频率,过滤掉噪声,并保持滤波器带宽狭窄,从而分离出每个频率的纯的正弦。

在上面的例子中,频率不是10Hz的振幅读数会影响测试。通过在测试中应用正弦跟踪滤波器,滤除了100Hz(0.5G)和50Hz(0.3G)的噪声。在10Hz处,控制器测得的1G,就是驱动输出的10Hz 1G。如此,正是我们预期的实验结果。

跟踪滤波器试验

上面的例子是一个简要的解释,来说明其它频率如何影响控制读数。实际上,振动控制器是根据定义带宽的有效值进行调整。下面的实验将提供更深入的解释。

设置

设置VR9500控制器进行300Hz到4000Hz的1G的正弦扫频试验。输出自闭环接到输入。函数发生器产生一个1G的1000Hz的正弦波并连接到输入通道2。

无跟踪滤波器的情况

图1. 即使除了1000外其它频率没有任何输出,所有频率均显示 1G

在没有跟踪滤波器的情况下,控制器在整个扫频带宽内均读取到1G的信号,控制器就在每一个频率上均显示1G。实际上,除了1000Hz以外,所有频率下都是0G的输出,但是显示所有频率为1G。为什么呢?

当控制器扫频通过每一个频率时,它考量的是整个带宽,而不仅仅是扫频时刻的频率。带宽内任何时候都有1G的加速度,但是除了1000H之外,其它频率对带宽没有任何影响。

没有跟踪滤波器的情况下,控制器从所有频率读取加速度,并基于有效值进行控制。来自噪声和谐波的加速度未被滤除,经过平均后参与到控制中。

带跟踪滤波器的情况

在VibrationVIEW软件的正弦设置中,用户可以定义跟踪滤波器的带宽。可以按照百分比带宽和最大带宽来设定。

百分比带宽将跟踪滤波器的带宽设置为输出频率的百分比。比如, 20%的比例带宽。当正弦扫描(输出频率)为10Hz时,跟踪滤波器带宽为10 Hz的20%或2Hz。在控制平均加速度从9Hz到11Hz,并过滤掉所有其它频率。

百分比带宽随输出频率的增加而增加。例如,在10Hz时,20%的百分比带宽是2Hz。然而,在2000Hz时,百分比带宽是400Hz。在这个频率下,1800Hz到2200Hz之间的任何地方的噪音都会对读数产生影响。

最大带宽设置跟踪过滤器的最大允许带宽。百分比带宽不能超过最大带宽,系统会始终使用两个带宽中较小的一个。

图 2. 跟踪滤波器在不同百分比带宽下的影响

当扫描以低频开始时,百分比带宽增加,直到等于最大带宽。这一点称为交叉频率。在达到交叉频率后,采用最大带宽作为跟踪滤波器带宽。

举例

这里,我们设置不同的百分比带宽,观察1000Hz附近跟踪滤波器的影响。

不同的滤波器带宽下,较宽的跟踪滤波器能更快地产生1000Hz的信号。百分比带宽越高,跟踪滤波器越宽。跟踪滤波器越宽,则加速度上升越快。

在图2中,最高(20%)的百分比带宽时,加速度上升得最快。当使用最窄的百分比带宽(1%)时,加速度的增加最准确。

最终结论

  • 更窄的跟踪滤波器,提供更好的滤波和更大的稳定性
    • 稳定性能改善扫频通过共振峰时的性能
    • 减少滤波(更大的带宽)将提高极低频下的性能
    • 增加滤波将以增长响应时间为代价,滤波需要更多的测量时间
    • 跟踪滤波器响应时间和带宽成反比。虽然可以设置响应时间和跟踪滤波器带宽,但性能受到这种反比关系的限制。1/TFBW=最小RT(秒),1/RT=最窄的TFBW

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日期

Wed, 13 Jan 2021 09:31:08 +0000

作者

VR China

类别

Tips 使用小技巧