基于DSP的滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統設計

1．引言

滾動(dòng)軸承是各種旋轉機械中應用最廣泛的一種通用機械部件，它的運行狀態(tài)是否正常往往直接影響到整臺機器的性能。據統計，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉機械中，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。

一方面國內企業(yè)的重要大型設備往往采用在線(xiàn)系統對設備的工況進(jìn)行監測，但是在線(xiàn)系統價(jià)格高昂、通用性差、安裝和維護不便，不適用于大量的中小型設備。另一方面小型的振動(dòng)檢測儀只是起到對數據采集和存儲的作用，而且數據的分析需要有豐富經(jīng)驗的人去從事，難以實(shí)現實(shí)時(shí)診斷的要求。本文設計的以TI公司生產(chǎn)的TMS320C6713為數字信號處理器的滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統，就可以滿(mǎn)足中小型設備實(shí)時(shí)智能故障診斷的需要^[2]。

2．滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統原理

滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統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)現共振解調技術(shù)^[3-4]和數字信號處理電路設計。故障產(chǎn)生的沖擊信號使得硬件諧振器發(fā)生共振，通過(guò)諧振器的共振響應將微弱的沖擊信號調制到高頻的共振信號中去，再用解調的辦法對高頻信號處理，進(jìn)而獲得一種剔除了低頻振動(dòng)干擾的共振解調波，由此達到精確診斷的目的。最后信號通過(guò)A/D轉換后，再送入DSP進(jìn)行FFT變換。

(2) 軟件部分：主要是基于DSP對共振解調后的振動(dòng)信號進(jìn)行故障特征的識別與診斷。DSP對AD傳送來(lái)的數字信號進(jìn)行時(shí)頻轉換，得到振動(dòng)信號的頻譜圖，系統能自動(dòng)分析頻譜，得出故障位置、故障類(lèi)型、嚴重程度等結論并通過(guò)LCD顯示出來(lái)。

圖1．滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統框圖

3．系統的硬件結構

本系統采用的是硬件共振解調技術(shù)來(lái)實(shí)現軸承的故障診斷，它比軟件共振解調技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以有效的提取機械早期故障的微沖擊信號，在故障早期實(shí)現預知維修^[5]，此外用硬件實(shí)現比用軟件實(shí)現運算速度快，更好的體現了實(shí)時(shí)診斷的要求。

系統硬件設計的主要原理：

(1) 振動(dòng)信號處理電路，它主要包括振動(dòng)信號預處理電路及共振解調處理電路部分，如圖2所示：

圖2．振動(dòng)信號處理電路原理框圖

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

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

③ 帶通濾波器對信號作預處理，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 )，將高頻共振信號轉換為低頻包絡(luò )信號，即實(shí)現共振解調功能。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)域尖峰信號的干擾，為后續故障識別系統提供較穩定的識別信號。

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(yíng)/D轉換之前選擇合適的濾波，也能起到抗頻率混疊的作用。

(2) 數字信號處理電路部分，如圖3所示：

圖3．數字信號處理電路原理框圖

① 低頻解調信號被A/D轉換器轉換成適用于DSP處理的數字信號。本設計選用的是TI公司的多采樣頻率、低功耗、單電源供電的A/D轉換芯片AD9221，其最大采樣頻率高達1.5MHz，信噪比70dB，采樣精度高，足以滿(mǎn)足系統設計的需要。

② 數字信號處理器是本設計的關(guān)鍵，它的運算速度直接影響了系統實(shí)時(shí)性的實(shí)現。本系統中的DSP芯片采用TI公司的TMS320C6713。這是一款用于高精度高性能應用的浮點(diǎn)型DSP，它在C67x的基礎上，增加了很多外圍設備和接口。該芯片內核主頻最高可達300MHz，處理能力可達2400MPIS，內部具有可配置的二級Cache，具有豐富的外設資源，32bits的外圍數據存儲器接口(EMIF)可以與SDRAM，FLASH等存儲器件無(wú)縫連接，支持HPI，PCI，I2C總線(xiàn)。

③ TMS320C6713的內部最多只有256K的L2 SRAM，不能滿(mǎn)足系統大容量數據存儲的需要，需要擴展外部存儲的空間，系統采用Micron公司的32位SDRAM芯片MT48LC4M32B2，擴展了128M的動(dòng)態(tài)存儲空間。

圖4．DSP與SDRAM的連線(xiàn)圖

④ 本系統的Flash存儲器采用SST公司的SST39VF160。SST39VF160采用單電源2.7V供電，訪(fǎng)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、穩定的雙電源供電，以保證系統的正常運行。本系統采用TI公司推出的具有外部補償電路、過(guò)流保護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(xiàn)路比較簡(jiǎn)單這里就不詳細介紹了。

4．系統的軟件設計

本系統軟件功能強大，其軟件系統涵蓋各種算法的實(shí)現；字符、漢字、圖形的顯示；定時(shí)器、串行口、USB、外部中斷的響應；程控放大器、液晶顯示屏、系統時(shí)間的設置控制；通訊協(xié)議的實(shí)現；文件系統的存儲；內存管理等。

系統軟件主要實(shí)現的功能如下：

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

(2) 系統軟件采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的診斷方法對信號進(jìn)行智能診斷^[6]。把能反映振動(dòng)信號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(lèi)型和嚴重程度等診斷結論作為網(wǎng)絡(luò )的輸出，用BP算法對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行訓練^[7]，然后用這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對實(shí)際的軸承解調信號進(jìn)行自動(dòng)診斷，報告故障。

(3) 解調波的各分量以及故障位置、故障類(lèi)型、嚴重程度和軸承號等數據通過(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、英文及數字鍵支持人工數據錄入與交互。操作過(guò)程中可以通過(guò)按鍵設置系統的參數、功能，控制采樣長(cháng)度等等。

(5) 所有測量數據被有效保存，便于數據管理。系統可將測量數據上傳到上位機中存儲和進(jìn)行進(jìn)一步的故障分析，同時(shí)也可下載上位機中軸承庫的軸承具體型號參數及其特征頻率等相關(guān)信息。

圖5．系統軟件功能圖

5．結束語(yǔ)

傳統的振動(dòng)診斷儀一般都是對振動(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，信號處理十分粗糙、可信度低。本系統是利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對故障進(jìn)行診斷的，實(shí)現了診斷的智能化，提升診斷速度和診斷精度。另外本系統是采用硬件共振解調技術(shù)來(lái)實(shí)現振動(dòng)信號分析以及故障診斷的，它比用軟件實(shí)現共振解調技術(shù)的好處是在故障形成的初期，沖擊故障信號較弱時(shí)就可以對故障進(jìn)行成功的診斷，這樣就可以對早期故障設備進(jìn)行重點(diǎn)監視，同時(shí)也有充裕的時(shí)間采購替換件。因此本系統在工程中擁有很廣闊的應用空間。

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