MATLAB在汽車發(fā)動機振動頻率檢測中的應用*

鄧汝奎，范毅，李光平，班璐

MATLAB在汽車發(fā)動機振動頻率檢測中的應用*

鄧汝奎，范毅，李光平，班璐

（南寧學院，廣西 南寧 530200）

汽車發(fā)動機振動頻譜分析在機械故障診斷中有著重要意義。采用STM32單片機采集振動加速度數(shù)據(jù)，運用MATLAB軟件自帶FFT函數(shù)對加速度數(shù)據(jù)進行時域-頻域信號轉換，獲取發(fā)動機振動頻譜特征，為發(fā)動機振動檢測提供診斷依據(jù)。實驗表明，采用該方案能夠在硬件成本較低的情況下，實現(xiàn)發(fā)動機頻譜分析。

汽車發(fā)動機；振動檢測；MATLAB；FFT

前言

汽車發(fā)動機隨使用里程及年限的增長，造成零件磨損或損壞，由此產(chǎn)生異常振動[1]。通過對其振動頻率的分析，能夠很好監(jiān)測發(fā)動機運行狀態(tài)是否良好。加速度是振動分析的重要參數(shù)，對加速度頻率分析能夠直觀獲取發(fā)動機的運行狀態(tài)[2]。MATLAB是美國Math Works出品的商業(yè)軟件，在數(shù)學科技應用中具有非常強大的功能，內(nèi)部集成了許多工程應用常用的數(shù)學模型，相比C語言應用要簡單得多[3]。在振動頻率分析計算方面，像FFT、小波分析、伯德圖等都有現(xiàn)成的應用函數(shù)可以直接調用，非常適用于發(fā)動機振動頻率計算分析。

1 發(fā)動機振動檢測硬件組成

MATLAB對發(fā)動機振動頻率分析，首先需要解決數(shù)據(jù)采集問題，獲取發(fā)動機振動加速度，并以一定的格式存儲，便于MATLAB處理分析。采用離線方案，先采集數(shù)據(jù)，集中收集實驗所需的各個工況下的發(fā)動機振動加速度，運用MAT -LAB自帶功能函數(shù)對數(shù)據(jù)文檔進行頻譜分析。

振動加速度采集采用MPU6050模塊，可以同時獲取發(fā)動機3軸加速度，便于從不同維度分析發(fā)動機的振動頻率。由于MPU6050模塊不能直接將數(shù)據(jù)傳送至上位機，因此采用STM32單片機讀取MPU6050模塊數(shù)據(jù)，再通過串口傳輸至PC端上位機，這樣MATLAB就可以處理發(fā)動機振動加速度數(shù)據(jù)了。

2 軟件調試

STM32單片機通過I2C接口讀取加速度信息。首先通過I2C協(xié)議配置MPU6050內(nèi)部寄存器，完成對傳感器的采樣率、分辨率、工作模式的配置[4]。MPU6050以1KHz（默認值）采樣率完成數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)I2C總線將加速度數(shù)據(jù)傳送至STM32單片機。單片機運用內(nèi)部定時器以定時發(fā)送的方式從串口傳輸數(shù)據(jù)至PC端，單片機定時發(fā)送的頻率應低于MPU6050加速度數(shù)據(jù)的采樣速率，避免重復采集同一加速度數(shù)據(jù)，同時，頻率至少為發(fā)動機振動主頻的2倍，保證振動信號的完整。在設置串口通信速率時，還應高于單片機定時發(fā)送的速率，避免加速度數(shù)據(jù)丟失。

如圖1所示串口助手設置串口波特率115200bit/s時，此時，每秒傳輸14400字節(jié)，加速度數(shù)據(jù)分辨率設置為16位，即每個加速度數(shù)據(jù)占2個字節(jié)，此時每秒可發(fā)送7200個加速度數(shù)據(jù)，遠高于加速度傳感器1KHz的采樣率，符合速率要求。串口助手接收到加速度數(shù)據(jù)后，以text文本保存，如圖2所示，可以通過單片機編程配置，只發(fā)送其中一軸的加速度數(shù)據(jù)，按列排列存儲。

圖1 串口助手界面

圖2 怠速工況下的發(fā)動機振動數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)處理

單片機采集到發(fā)動機振動加速度后，在電腦端用串口助手存儲數(shù)據(jù)于text文件，MATLAB可以通過讀取text指令獲取加速度數(shù)據(jù)。MATLAB處理數(shù)據(jù)前需讀取數(shù)據(jù)用textread指令讀取加速度數(shù)據(jù)，數(shù)組存放于數(shù)組data中：[data]=textre（d（'振動數(shù)據(jù).tx；）；在MATLAB完成原始數(shù)據(jù)的采集后，就可以用FFT函數(shù)處理分析頻譜，處理之前先進行基本參數(shù)的設置，采樣周期T，采樣頻率Fs，信號序列長度L等三大參數(shù)[5]，根據(jù)硬件采集參數(shù)，配置相關參數(shù)即可，如下：

Fs=500；%采樣頻率

T=1/Fs；%采樣時間

L=1024；%序列長度

原始數(shù)據(jù)采集根據(jù)實際需要，采樣時長不一，采樣時間越長數(shù)據(jù)就越多，根據(jù)檢測精度的需要，可以將數(shù)據(jù)分割成一定長度的信號序列，然后逐段進行頻譜轉換，如程序中每個信號序列長度1024，由此獲得連續(xù)的頻譜變化圖，觀測發(fā)動機振動頻率在隨時間變化的特征，為發(fā)動機振動分析提供依據(jù)，程序如下：

LL=length（data）/L；%數(shù)據(jù)分段

fix（LL）%取整

tt =（0:L-1）*T；

N = 2^nextpow2（L；

for il=0:1:（LL-1）%計算每段數(shù)據(jù)頻率

ⅱ=（L*il+1）：（il+1）*L；

figure（il+1）

subplot（2,1,1）

plot（tt,data）

set（gca,'box','off'；

xlabel（'t（seconds）'）

ylabel（'振動加速度'）

Y = fft（data），N；

P2 = abs（Y/L；

P1 = P2（1：L/2+1；

P1（2:end-1）= 2*P1（2:end-1；

%定義頻域 f 并繪制單側幅值頻譜 P1

subplot（2,1,2）

f = Fs*（0:（L/2）/L；

plot（f,P1）

axis（[0 500 0 600]；

set（gca,'XTick',0:25:500；

set（gca,'box','off'；

xlabel（'f （Hz）'）

ylabel（'|P1（f）|'）

grid on

end

如圖3所示，在發(fā)動機怠速800轉/分的工況下，截取了某一段數(shù)據(jù)，圖中上半部分為發(fā)動機怠速工況時，發(fā)動的振動加速度原始數(shù)值，圖中下半部分為經(jīng)過FFT轉換后的發(fā)動機振動頻譜，此時可以看出發(fā)動機振動主頻在25Hz。對于四缸發(fā)動機轉速為800轉/分時，四沖程發(fā)動機曲軸每轉1圈，氣缸爆燃2次，計算其理論振動應為26.67Hz，與經(jīng)MATLAB的FFT頻域轉換后的實測數(shù)值的振動頻率基本接近。由此可以判斷運用MATLAB對于發(fā)動機振動頻率分析具有較強的可行性。

圖3 發(fā)動機振動頻譜

4 結論

本文運用MPU6050加速度傳感器采集發(fā)動機振動加速度，STM32單片機作為數(shù)據(jù)中轉設備，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，為MATLAB數(shù)據(jù)處理做好準備。調用FFT模塊，采取分段處理的方式，對發(fā)動機振動頻率進行連續(xù)的動態(tài)分析，實現(xiàn)發(fā)動機振動頻率的連續(xù)監(jiān)測。實驗結果表明，采用基于MATLAB的發(fā)動機振動檢測方式，能夠準確測量的發(fā)動機的振動頻率，為發(fā)動機振動頻率的檢測提供了一種低成本的解決方案。

[1] 高遠.基于振動信號的汽車發(fā)動機缺缸及軸瓦磨損故障診斷研究[D].天津大學,2018.

[2] 李梅林,李毅強,謝惠民,田丹.車用發(fā)動機振動測試研究[J].湖南大學學報（自然科學版）,2003(02):41-43.

[3] 席平原.應用MATLAB工具箱實現(xiàn)機械優(yōu)化設計[J].機械設計與研究,2003(03):40-42+7.

[4] 何楓,楊鳳年,何文德.基于STM32+MPU6050的小型四旋翼無人機設計[J].電腦知識與技術,2020,16(19):213-214.

[5] 姜皓月,王晟旻.基于Matlab的FFT算法研究[J].電子制作,2020 (01):52-54.

Application of MATLAB in vibration frequency detection of automobile engine*

Deng Rukui, Fan Yi, Li Guangping, Ban Lu

（Nanning University, Guangxi Nanning 530200）

Vibration spectrum analysis of automobile engine plays an important role in mechanical fault diagnosis. The vibration acceleration data is collected by STM32 single chip microcomputer, and the time domain-frequency domain signal conversion of the acceleration data is carried out by using the FFT function of MATLAB software. The frequency spectrum characteristics of engine vibration are obtained, which provides diagnostic basis for engine vibration detection. Experiments show that the scheme can realize engine spectrum analysis with low hardware cost.

Automotive engine; Vibration detection; MATLAB; FFT

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.040

U464

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鄧汝奎（1985-）男，碩士，講師，就職于南寧學院，研究方向為汽車電氣及控制技術。

2020年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（項目編號：2020KY64008）。