基于DSP的滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．引言

滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種通用機(jī)械部件，它的運(yùn)行狀態(tài)是否正常往往直接影響到整臺(tái)機(jī)器的性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，由于滾動(dòng)軸承損壞而引起的故障約占30％^[1]。由此可見(jiàn)，滾動(dòng)軸承的故障診斷在工程中還是有其重要意義的。

一方面國(guó)內(nèi)企業(yè)的重要大型設(shè)備往往采用在線系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是在線系統(tǒng)價(jià)格高昂、通用性差、安裝和維護(hù)不便，不適用于大量的中小型設(shè)備。另一方面小型的振動(dòng)檢測(cè)儀只是起到對(duì)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的作用，而且數(shù)據(jù)的分析需要有豐富經(jīng)驗(yàn)的人去從事，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷的要求。本文設(shè)計(jì)的以TI公司生產(chǎn)的TMS320C6713為數(shù)字信號(hào)處理器的滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)，就可以滿足中小型設(shè)備實(shí)時(shí)智能故障診斷的需要^[2]。

2．滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)原理

滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)主要包括硬件部分和軟件部分兩個(gè)方面：

(1) 硬件部分：主要用模擬電路實(shí)現(xiàn)共振解調(diào)技術(shù)^[3-4]和數(shù)字信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)。故障產(chǎn)生的沖擊信號(hào)使得硬件諧振器發(fā)生共振，通過(guò)諧振器的共振響應(yīng)將微弱的沖擊信號(hào)調(diào)制到高頻的共振信號(hào)中去，再用解調(diào)的辦法對(duì)高頻信號(hào)處理，進(jìn)而獲得一種剔除了低頻振動(dòng)干擾的共振解調(diào)波，由此達(dá)到精確診斷的目的。最后信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，再送入DSP進(jìn)行FFT變換。

(2) 軟件部分：主要是基于DSP對(duì)共振解調(diào)后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障特征的識(shí)別與診斷。DSP對(duì)AD傳送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖，系統(tǒng)能自動(dòng)分析頻譜，得出故障位置、故障類型、嚴(yán)重程度等結(jié)論并通過(guò)LCD顯示出來(lái)。

圖1．滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)框圖

3．系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用的是硬件共振解調(diào)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軸承的故障診斷，它比軟件共振解調(diào)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以有效的提取機(jī)械早期故障的微沖擊信號(hào)，在故障早期實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修^[5]，此外用硬件實(shí)現(xiàn)比用軟件實(shí)現(xiàn)運(yùn)算速度快，更好的體現(xiàn)了實(shí)時(shí)診斷的要求。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要原理：

(1) 振動(dòng)信號(hào)處理電路，它主要包括振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理電路及共振解調(diào)處理電路部分，如圖2所示：

圖2．振動(dòng)信號(hào)處理電路原理框圖

① 前端振動(dòng)傳感器檢測(cè)到軸承的振動(dòng)信號(hào)（其中包含諧振器的共振信號(hào)）。

② 振動(dòng)信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大得到易于處理的低頻信號(hào)，電荷放大器和程控放大器起到傳感器輸出和后續(xù)處理電路的阻抗匹配和信號(hào)放大作用。由于軸承故障振動(dòng)信號(hào)非常微弱，且傳感器輸出阻抗很大，因此，需要高信噪比和高增益專用前置放大集成電路。

③ 帶通濾波器對(duì)信號(hào)作預(yù)處理，經(jīng)過(guò)帶通濾波器處理后，可有效濾掉低頻振動(dòng)和高頻干擾，只保留共振頻率附近的頻率段。

④ 包絡(luò)檢波器檢出共振波的外包絡(luò)，將高頻共振信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻包絡(luò)信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)共振解調(diào)功能。經(jīng)包絡(luò)分析器和低通濾波器處理后，可進(jìn)一步剔除時(shí)域尖峰信號(hào)的干擾，為后續(xù)故障識(shí)別系統(tǒng)提供較穩(wěn)定的識(shí)別信號(hào)。

⑤ 由于滾動(dòng)軸承的故障頻率由幾十到幾百赫茲不等，因此在做進(jìn)一步處理之前有必要濾掉高頻成分。同時(shí)，在A/D轉(zhuǎn)換之前選擇合適的濾波，也能起到抗頻率混疊的作用。

(2) 數(shù)字信號(hào)處理電路部分，如圖3所示：

圖3．?dāng)?shù)字信號(hào)處理電路原理框圖

① 低頻解調(diào)信號(hào)被A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成適用于DSP處理的數(shù)字信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用的是TI公司的多采樣頻率、低功耗、單電源供電的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9221，其最大采樣頻率高達(dá)1.5MHz，信噪比70dB，采樣精度高，足以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。

② 數(shù)字信號(hào)處理器是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的運(yùn)算速度直接影響了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中的DSP芯片采用TI公司的TMS320C6713。這是一款用于高精度高性能應(yīng)用的浮點(diǎn)型DSP，它在C67x的基礎(chǔ)上，增加了很多外圍設(shè)備和接口。該芯片內(nèi)核主頻最高可達(dá)300MHz，處理能力可達(dá)2400MPIS，內(nèi)部具有可配置的二級(jí)Cache，具有豐富的外設(shè)資源，32bits的外圍數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口(EMIF)可以與SDRAM，F(xiàn)LASH等存儲(chǔ)器件無(wú)縫連接，支持HPI，PCI，I2C總線。

③ TMS320C6713的內(nèi)部最多只有256K的L2 SRAM，不能滿足系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)的空間，系統(tǒng)采用Micron公司的32位SDRAM芯片MT48LC4M32B2，擴(kuò)展了128M的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間。

圖4．DSP與SDRAM的連線圖

④ 本系統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)器采用SST公司的SST39VF160。SST39VF160采用單電源2.7V供電，訪問(wèn)時(shí)間僅為90ns，快速擦除，全片擦除只需15ms，快速燒寫(xiě)，全片燒寫(xiě)只需7s。

⑤ TMS320C6713需要高精度、穩(wěn)定的雙電源供電，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)采用TI公司推出的具有外部補(bǔ)償電路、過(guò)流保護(hù)電路的高精度電源芯片TPS54310（圖中未畫(huà)出）。

⑥ 按鍵控制電路和LCD顯示線路比較簡(jiǎn)單這里就不詳細(xì)介紹了。

4．系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件功能強(qiáng)大，其軟件系統(tǒng)涵蓋各種算法的實(shí)現(xiàn)；字符、漢字、圖形的顯示；定時(shí)器、串行口、USB、外部中斷的響應(yīng)；程控放大器、液晶顯示屏、系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)置控制；通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)；內(nèi)存管理等。

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1) AD傳送來(lái)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)FFT變換，將時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，進(jìn)而得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖。

(2) 系統(tǒng)軟件采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行智能診斷^[6]。把能反映振動(dòng)信號(hào)特征的信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，把故障位置、故障類型和嚴(yán)重程度等診斷結(jié)論作為網(wǎng)絡(luò)的輸出，用BP算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練^[7]，然后用這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)際的軸承解調(diào)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)診斷，報(bào)告故障。

(3) 解調(diào)波的各分量以及故障位置、故障類型、嚴(yán)重程度和軸承號(hào)等數(shù)據(jù)通過(guò)大屏幕LCD顯示，便于人工輔助判斷。

(4) 鍵盤(pán)具有功能快捷鍵、英文及數(shù)字鍵支持人工數(shù)據(jù)錄入與交互。操作過(guò)程中可以通過(guò)按鍵設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)、功能，控制采樣長(zhǎng)度等等。

(5) 所有測(cè)量數(shù)據(jù)被有效保存，便于數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)可將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中存儲(chǔ)和進(jìn)行進(jìn)一步的故障分析，同時(shí)也可下載上位機(jī)中軸承庫(kù)的軸承具體型號(hào)參數(shù)及其特征頻率等相關(guān)信息。

圖5．系統(tǒng)軟件功能圖

5．結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的振動(dòng)診斷儀一般都是對(duì)振動(dòng)的有效值、最大幅值、峭度等時(shí)域特征信息進(jìn)行判斷而診斷故障的，診斷方式簡(jiǎn)單，信號(hào)處理十分粗糙、可信度低。本系統(tǒng)是利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障進(jìn)行診斷的，實(shí)現(xiàn)了診斷的智能化，提升診斷速度和診斷精度。另外本系統(tǒng)是采用硬件共振解調(diào)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)分析以及故障診斷的，它比用軟件實(shí)現(xiàn)共振解調(diào)技術(shù)的好處是在故障形成的初期，沖擊故障信號(hào)較弱時(shí)就可以對(duì)故障進(jìn)行成功的診斷，這樣就可以對(duì)早期故障設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視，同時(shí)也有充裕的時(shí)間采購(gòu)替換件。因此本系統(tǒng)在工程中擁有很廣闊的應(yīng)用空間。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文利用DSP系統(tǒng)高速信號(hào)處理的性能，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承的實(shí)時(shí)智能診斷。采用硬件共振解調(diào)技術(shù)，避免了軟件共振解調(diào)技術(shù)帶來(lái)的早期故障難以發(fā)現(xiàn)的不足，能夠廣泛應(yīng)用于中小設(shè)備的滾動(dòng)軸承故障診斷。