滚动轴承故障诊断系统的FPGA信号处理研究

论文摘要

在机械设备运转过程中,滚动轴承属最容易损坏的部件；滚动轴承故障诊断技术恰能够掌握轴承的运转情况,尽早检测出问题,起到降低事故损失和维修费用的关键作用。在该技术发展过程中产生了众多各具特色的轴承故障诊断仪,被广泛应用于工业检测、航空、铁路系统等领域。随着时代的发展和科技的进步,对设备的稳定可靠性、精准度等要求再度提高。本文利用成熟的技术构建全新的轴承诊断处理系统,解决了目前检测系统的不足,有着显著的实际意义和应用前景。本文力图通过分析研究现有条件下的某款轴承故障检测仪,并对该检测仪的电路原理和实测信号分析,得到其信号处理实现过程,总结发现其存在着信号处理电路复杂、反应速率慢、系统无法更新等问题。进而重点依据冲击脉冲法的原理,分析适合轴承诊断的信号处理算法,设计编写了本文的数学算法模型。将冲击脉冲传感器前端调理电路实测到的好轴承和损坏轴承信号通过程序验证,分别取得了较合理的结果。接着创新地提出运用先进的现场可编程逻辑阵列(FPGA)信号处理方法处理,结果表明,滚动轴承故障诊断的FPGA信号处理系统硬件电路能够满足系统所需功能,具有速度、精度和资源优势和实用参考价值,为创造出全新的更高性能的轴承故障诊断仪奠定良好的基础。本课题考查了当前FPGA开发工具及性能后,重点利用了Altera公司的DSPBuilder开发工具,实现数学算法的FPGA信号处理实现。具体在Matlab软件Simulink下依据设计的数学算法,完成了算法级建模和系统仿真验证,通过SignalCompiler模块自动生成适合硬件实现的编程文件,下载完成硬件实现。该方法省去了复杂的VHDL代码编写和修改,缩短了开发周期,提高了开发效率。这是利用FPGA技术处理滚动轴承故障信号的关键。基于DSP Builder技术的信号处理,主要实现了对故障信号的并行流水线结构的FIR数字带通滤波和滤波结果提取脉冲值的计算,提高了系统的速度和精度。整体系统进行了仿真、综合、适配直至生成Firmware的过程,取得了与所测的好轴承、损坏轴承情况一致的结果。结果表明,基于FPGA的滚动轴承故障诊断的信号处理系统能够满足功能、精度和速度上的要求,达到了预期的目的和效果,具有较好的实用参考价值。本文运用FPGA技术的DSP Builder工具在滚动轴承故障诊断系统的信号处理方面作了尝试和探索,对今后完成以FPGA为核心的嵌入便携式轴承故障诊断仪的开发有着积极的意义和广阔的实用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的来源
• 1.3 国内外发展与研究现状
• 1.3.1 滚动轴承故障诊断技术的发展
• 1.3.2 冲击脉冲技术的发展及国内外研究现状
• 1.3.3 基于FPGA的轴承故障监测诊断技术
• 1.4 课题研究的意义
• 1.5 课题研究内容和论文结构
• 1.5.1 课题研究的内容
• 1.5.2 论文结构
• 第二章 滚动轴承故障诊断技术及FPGA技术
• 2.1 滚动轴承故障的特征
• 2.2 滚动轴承监测诊断技术
• 2.2.1 滚动轴承振动检测法
• 2.2.2 冲击脉冲技术
• 2.3 FPGA技术
• 2.3.1 FPGA的结构
• 2.3.2 FPGA设计流程
• 2.3.3 FPGA开发环境
• 2.4 本章小结
• 第三章 冲击脉冲算法的设计研究
• 3.1 轴承诊断仪简介及分析
• 3.1.1 电路信号端实测环境简介
• 3.1.2 信号处理过程
• 3.1.3 传感器前端调理电路实测结果
• 3.2 数学算法的设计与分析
• 3.2.1 设计编写Matlab算法
• 3.2.2 验证结果分析
• 3.3 硬件实现可行性分析
• 3.4 FPGA的优势
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于DSP Builder的硬件电路设计与实现
• 4.1 DSP Builder开发规则
• 4.2 系统顶层算法模型
• 4.3 数字带通滤波模块的设计与实现
• 4.3.1 数字带通滤波器的设计指标
• 4.3.2 基于DSP Builder的带通滤波器的建模与验证
• 4.3.3 带通滤波器的仿真
• 4.4 计算模块的DSP Builder设计与仿真
• 4.4.1 乘法累加器模块的验证
• 4.4.2 除法开方模块的验证
• 4.5 故障轴承的整体系统仿真实现
• 4.6 好轴承信号的整体系统仿真
• 4.7 本章小结
• 第五章 Firmware实现与分析
• 5.1 概述
• 5.2 Firmware实现分析
• 5.2.1 硬件测试
• 5.2.2 对配置器件的编程
• 5.2.3 下载SOF文件
• 5.3 性能分析
• 5.3.1 器件对比分析
• 5.3.2 处理速度分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （攻读学位其间发表论文目录）