基于DSP的滾動軸承實時故障診斷系統(tǒng)設計

1．引言

滾動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(jù)統(tǒng)計，在使用滾動軸承的旋轉機械中，由于滾動軸承損壞而引起的故障約占30％^[1]。由此可見，滾動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(nèi)企業(yè)的重要大型設備往往采用在線系統(tǒng)對設備的工況進行監(jiān)測，但是在線系統(tǒng)價格高昂、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檢測儀只是起到對數(shù)據(jù)采集和存儲的作用，而且數(shù)據(jù)的分析需要有豐富經(jīng)驗的人去從事，難以實現(xiàn)實時診斷的要求。本文設計的以TI公司生產(chǎn)的TMS320C6713為數(shù)字信號處理器的滾動軸承實時故障診斷系統(tǒng)，就可以滿足中小型設備實時智能故障診斷的需要^[2]。

2．滾動軸承實時故障診斷系統(tǒng)原理

滾動軸承實時故障診斷系統(tǒng)主要包括硬件部分和軟件部分兩個方面：

(1) 硬件部分：主要用模擬電路實現(xiàn)共振解調(diào)技術^[3-4]和數(shù)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，通過諧振器的共振響應將微弱的沖擊信號調(diào)制到高頻的共振信號中去，再用解調(diào)的辦法對高頻信號處理，進而獲得一種剔除了低頻振動干擾的共振解調(diào)波，由此達到精確診斷的目的。最后信號通過A/D轉換后，再送入DSP進行FFT變換。

(2) 軟件部分：主要是基于DSP對共振解調(diào)后的振動信號進行故障特征的識別與診斷。DSP對AD傳送來的數(shù)字信號進行時頻轉換，得到振動信號的頻譜圖，系統(tǒng)能自動分析頻譜，得出故障位置、故障類型、嚴重程度等結論并通過LCD顯示出來。

圖1．滾動軸承實時故障診斷系統(tǒng)框圖

3．系統(tǒng)的硬件結構

本系統(tǒng)采用的是硬件共振解調(diào)技術來實現(xiàn)軸承的故障診斷，它比軟件共振解調(diào)技術的優(yōu)點是可以有效的提取機械早期故障的微沖擊信號，在故障早期實現(xiàn)預知維修^[5]，此外用硬件實現(xiàn)比用軟件實現(xiàn)運算速度快，更好的體現(xiàn)了實時診斷的要求。

系統(tǒng)硬件設計的主要原理：

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

圖2．振動信號處理電路原理框圖

① 前端振動傳感器檢測到軸承的振動信號（其中包含諧振器的共振信號）。

② 振動信號經(jīng)調(diào)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(xù)處理電路的阻抗匹配和信號放大作用。由于軸承故障振動信號非常微弱，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)過帶通濾波器處理后，可有效濾掉低頻振動和高頻干擾，只保留共振頻率附近的頻率段。

④ 包絡檢波器檢出共振波的外包絡，將高頻共振信號轉換為低頻包絡信號，即實現(xiàn)共振解調(diào)功能。經(jīng)包絡分析器和低通濾波器處理后，可進一步剔除時域尖峰信號的干擾，為后續(xù)故障識別系統(tǒng)提供較穩(wěn)定的識別信號。

⑤ 由于滾動軸承的故障頻率由幾十到幾百赫茲不等，因此在做進一步處理之前有必要濾掉高頻成分。同時，在A/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(shù)字信號處理電路部分，如圖3所示：

圖3．數(shù)字信號處理電路原理框圖

① 低頻解調(diào)信號被A/D轉換器轉換成適用于DSP處理的數(shù)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，足以滿足系統(tǒng)設計的需要。

② 數(shù)字信號處理器是本設計的關鍵，它的運算速度直接影響了系統(tǒng)實時性的實現(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用的浮點型DSP，它在C67x的基礎上，增加了很多外圍設備和接口。該芯片內(nèi)核主頻最高可達300MHz，處理能力可達2400MPIS，內(nèi)部具有可配置的二級Cache，具有豐富的外設資源，32bits的外圍數(shù)據(jù)存儲器接口(EMIF)可以與SDRAM，F(xiàn)LASH等存儲器件無縫連接，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)存儲的需要，需要擴展外部存儲的空間，系統(tǒng)采用Micron公司的32位SDRAM芯片MT48LC4M32B2，擴展了128M的動態(tài)存儲空間。

圖4．DSP與SDRAM的連線圖

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

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

⑥ 按鍵控制電路和LCD顯示線路比較簡單這里就不詳細介紹了。

4．系統(tǒng)的軟件設計

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

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)的功能如下：

(1) AD傳送來的數(shù)字信號通過FFT變換，將時域信號變換為頻域信號，進而得到振動信號的頻譜圖。

(2) 系統(tǒng)軟件采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡的診斷方法對信號進行智能診斷^[6]。把能反映振動信號特征的信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，把故障位置、故障類型和嚴重程度等診斷結論作為網(wǎng)絡的輸出，用BP算法對網(wǎng)絡進行訓練^[7]，然后用這一神經(jīng)網(wǎng)絡對實際的軸承解調(diào)信號進行自動診斷，報告故障。

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

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

(5) 所有測量數(shù)據(jù)被有效保存，便于數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)可將測量數(shù)據(jù)上傳到上位機中存儲和進行進一步的故障分析，同時也可下載上位機中軸承庫的軸承具體型號參數(shù)及其特征頻率等相關信息。

圖5．系統(tǒng)軟件功能圖

5．結束語

傳統(tǒng)的振動診斷儀一般都是對振動的有效值、最大幅值、峭度等時域特征信息進行判斷而診斷故障的，診斷方式簡單，信號處理十分粗糙、可信度低。本系統(tǒng)是利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對故障進行診斷的，實現(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)技術來實現(xiàn)振動信號分析以及故障診斷的，它比用軟件實現(xiàn)共振解調(diào)技術的好處是在故障形成的初期，沖擊故障信號較弱時就可以對故障進行成功的診斷，這樣就可以對早期故障設備進行重點監(jiān)視，同時也有充裕的時間采購替換件。因此本系統(tǒng)在工程中擁有很廣闊的應用空間。

本文作者創(chuàng)新點：本文利用DSP系統(tǒng)高速信號處理的性能，實現(xiàn)了滾動軸承的實時智能診斷。采用硬件共振解調(diào)技術，避免了軟件共振解調(diào)技術帶來的早期故障難以發(fā)現(xiàn)的不足，能夠廣泛應用于中小設備的滾動軸承故障診斷。