基于LabVIEW的车轮动平衡检测系统设计

王自平，袁海兵，夏檑

（湖北汽车工业学院 机械工程学院，湖北 十堰442002）

汽车高速行驶过程中，车轮的不平衡引起车身振动，影响乘坐舒适性、操控稳定性以及安全性，同时也会加剧零部件的磨损与振动。对车轮动不平衡的质量以及相位的检测，是解决车轮动平衡的关键环节［1］。冯维杰等人［2］通过STM32 单片机搭建的车轮动平衡检测系统，具有较高的集成度以及较小体积等优点，但由于单片机的限制，检测精度、检测速度较低，现场稳定性较差。王洪等人［3］搭建设计信号检测的硬件电路，采用FFT对采集信号去噪处理，在转速较低情况下采集得到的动平衡信号噪声较大，仅采用FFT消噪对不平衡质量的大小及相位解算精度有限。

为了提高检测精度，文中搭建了基于工业PC机的车轮动平衡检测平台。通过分析车轮动平衡的检测原理选用传感器、数据采集模块、工业PC机等。测控系统采用PCI-1712-AE 数据采集模块对传感器信号进行采集，通过LabVIEW 搭建系统控制软件，并通过Matlab Script节点进行VMD滤波操作，对测控系统进行标定处理。最后将采集数据通过TDMS方式进行存储，显示解算数据并生成报表。

1 动平衡检测原理及系统标定

1.1 动平衡检测原理

根据转子的两面不平衡等效原理［4-5］，车轮的不平衡量可以分解到任意2 个垂直于旋转主轴的平面，可以在分解平面合适位置添加适当大小的质量，消除车轮的动不平衡量，这2 个平面称为校正平面。汽车车轮不平衡量检测等效工作原理图如图1所示，其中Mup、Mdown为车轮上下平面的等效不平衡质量；Fu为上校正平面上不平衡质量产生的离心力，在x、y 方向上的分量为Fux、Fuy；Fd为下校正平面不平衡质量产生的离心力，在x、y 方向上 的 分 量 为Fdx、Fdy；Nux、Nuy、Ndx、Ndy为 上 下 传感器在x、y 方向上的受力；R 为车轮等效半径；ω为主轴旋转角速度；H为车轮的上下校正平面之间的距离；L1为上传感器至下校正平面的距离；L2为两传感器之间距离。

图1 车轮动平衡检测原理

由图1 可知，在xoy 平面内x 方向上由力平衡方程和力矩平衡方程可得：

由式（1）得：

同理可计算Fuy、Fdy。根据力的合成可得：

由式（4）可计算出最终的不平衡量，最终传感器提取到的主轴信号表示为

式中：K 为电压信号与作用力之间的比例系数，即标定系数。式（3）可表示为

根据相关参数，由式（6）可精确解算出车轮动不平衡量的大小和位置，根据动平衡的解算原理搭建车轮动不平衡量检测系统。

1.2 系统标定

建立传感器采集信号的电压值与实际不平衡质量大小的关系，通过影响系数法对测控系统进行标定。式（3）变形可得：

整个系统标定过程如下：1）将标准车轮安装至检测系统，使主轴旋转转速达到工作转速，通过传感器采集信号得到Nu0、Nd0；2）在检测车轮的上校正平面零度位置添加已知质量m，旋转主轴通过传感器采集信号得到Nu1、Nd1、Nu2、Nd2。将获得的参数代入式（7）可得标定系数K11、K12、K21和K22。

2 车轮动平衡检测系统硬件设计

2.1 系统方案

车轮动不平衡测试系统结构如图2所示，在测试系统中，由伺服电机通过带传动带动待测车轮作旋转运动，模拟车轮的行驶状态。测控系统包括压电式传感器、数据采集模块以及工业PC 机等。传感器检测数据，通过数据采集模块将数据传输工业PC机，工业PC机根据车轮不平衡检测原理对车轮的不平衡质量、相位进行解算。采用带传动，对主轴存在压轴力，其中采用拉杆对压轴力进行平衡。

图2 测控系统结构图

2.2 传感器

测控系统采用2个压电式振动传感器和1个转速传感器，压电式传感器检测主轴试验负载，转速传感器检测主轴转速，如图2所示。将压电式传感器接触式安装至测量主轴外壳，转速传感器采用光电式传感器非接触式安装。压电式振动传感器通过电荷放大器的输出电压为0～10 V。

2.3 工业PC机与数据采集模块

工业PC 机选用研华公司的IPPC-6172AR2AE，前端配有USB 接口，方便数据读取，双通道DDR3 内存，容量达4 GB。前面板密封设计，方便清洁，提高了工控系统的可靠性。PC 机采用触摸屏，方便工控现场的操作。

车轮动平衡检测过程中采样频率为4 kS·s-1。选用研华公司的数据采集模块PCI-1712-AE，该采集卡具有16 路模拟量输入、2 路模拟量输出、16路TTL DI 输入、16 路TTL DO 输出、3 路计数器，采样频率为1 MS·s-1。系统热启动后可以保持I/O 口的设置和数字量输出值。压电式传感器与PCI-1712-AE采集模块的2路模拟量输入通道AI0、AI1相连，输入量程选择0～10 V，数据采集模块输入电压与压力传感器输出电压为0～10 V，数据采集模块与压力传感器通过接线端子直接相连，不需要其他转换模块。为了提高检测精度以及抗干扰能力选择差分输入模式。测试过程中采集卡的计数通道CNT0 连接转速传感器。实验过程中通过单位时间内计数通道值计算主轴转速。

3 车轮动平衡检测系统软件设计

测控系统的软件部分包括系统参数初始化、系统标定、数据采集、信号去噪处理、车轮动不平衡量的质量与相位解算、采集数据的保存以及信号分析。采用NI 公司的LabVIEW 2016 进行软件界面搭建。结合Matlab的数据处理功能，实现测控系统的信号去噪及信号解算。在LabVIEW中采用生产者/消费者采集模式搭建信号的采集程序，实现多线程的信号采集。

3.1 数据采集

PCI-1712-AE 数据采集模块使用研华官方提供的DAQNavi_SDK 驱动程序，驱动程序提供了模拟输入、输出、计数器以及IO 口的vi 函数。通过LabVIEW 调用不同的vi 函数完成数据采集模块的配置并进行数据采集，使用DAQNaviRead 对传感器进行数据采集，主要包括2个模拟通道、1个计数通道的使用。模拟通道采用Waveform信号采集模式，并设置差分采样，采集速率为4 kS·s-1。数据采集程序如图3所示，封装成子vi，在主程序中调用，完成传感器信号的采集。

图3 数据采集

3.2 VMD去噪

传统滤波去噪大多采用傅里叶变换去噪，容易受到系统频率的干扰，文中采用变分模态VMD 信号去噪方法。LabVIEW 提供了Matlab Script 节点调用程序，LabVIEW 通过Matlab Script 节点将数据传递至Matlab，利用Matlab的强大数据处理能力对采集数据进行VMD去噪。对去噪完成的信号进行车轮动不平衡质量及相位的解算，将解算数据返回至LabVIEW。VMD［6］是新的信号去噪算法，相对于FFT、EMD、EEMD、小波去噪，VMD 对噪声具有较好的鲁棒性。在VMD 信号去噪过程中，选用合适的分解模态层数以及惩罚参数对采集信号进行分解，通过相关性计算，区分分解信号中的相关信号与不相关信号，对相关信号进行重构，去除不相关模态。变分模态分解的过程中，分解层数和惩罚因子的设置是对信号有效分解的关键。通过构建合适的适应度函数，将分解层数N与惩罚因子σ作为优化参数，适应度函数F作为优化目标。变分模态分解前后，由于初始信号的总能量与N个IMF的能量和相等，每个IMF 分量包含的频率成分不同，利用能量熵来表征信号能量的分布，对采集信号进行变分模态分解，并计算各模态函数的能量熵值：

式中：p(i)为第i 个模态函数的能量占总信号能量的百分比；Ei为分解过程中每个模态函数的能量；E 为所有模态函数总和。在优化中过程中以HV作为适应度函数：

通过天牛须优化算法［7］对构建的适应度函数进行优化，优化参数范围为N ∈[1,15],σ ∈[0,10 000]。优化迭代如图4所示，当分解层数N为6、惩罚因子σ 为8724 时，适应度为0.0026，根据最优参数对传感器信号进行变分模态分解。

图4 优化迭代图

3.3 软件界面

软件系统界面采用LabVIEW 进行搭建，主界面如图5 所示，其中信号处理的复杂操作通过Script节点连接Matlab进行。界面主要包括采集波形显示、滤波波形显示、不平衡量的解算结果显示和主轴转速显示。将采集得到的原始信号、去噪信号以及不平衡量解算结果通过TDMS 方式进行保存以及Excel 报表生成。TDMS 主要记录解算的不平衡质量大小及其相位。

图5 测控系统主界面

4 结论

基于LabVIEW 搭建检测系统软件平台，通过调用LabVIEW 的Matlab Script 对采集数据去噪处理，标定测控系统，最后解算车轮动不平衡量的大小及相位，并对采集数据以及解算数据进行保存及显示。采集系统包含信号采集、信号处理、界面显示等功能。试验结果分析显示，试验平台满足数据采集需求，测控系统人机界面友好、操作简单。