摘 要：針對在線式設(shè)備故障診斷系統(tǒng)因其昂貴的造價(jià)、安裝和維護(hù)的不便而不適用于中小型設(shè)備故障檢測與診斷的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于TMS320C6713的滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)智能故障檢測系統(tǒng)，以滿足實(shí)時(shí)診斷、智能診斷、設(shè)備便攜等方面的要求。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的原理和方法，實(shí)現(xiàn)了硬件共振解調(diào)技術(shù)的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠方便的應(yīng)用到工程中去。 關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承;故障診斷;DSP;共振解調(diào)技術(shù) [b][align=center]Design of the Rolling Bearing Real-time Fault Diagnosis System Based on DSP YIN Jian-jun[/align][/b] Abstract：The on-line equipment fault diagnosis system is not suitable for fault detection and diagnosis of small and medium-sized equipment, because of its high cost and its inconvenience of installation and maintenance. This article designs a kind of intelligent rolling bearing real-time fault diagnosis system, which is based on TMS320C6713 to meet real-time diagnosis, intelligent diagnosis, portable equipment and other aspects of requirements. This article describes the design principles and methods of the system hardware and software in detail, realizes the application of the demodulated resonance technique based on hardware. The results show that the system can be conveniently applied to the project. Key words：Rolling Bearing;Fault Diagnosis;DSP;Demodulated Resonance Technique 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，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(nèi)企業(yè)的重要大型設(shè)備往往采用在線系統(tǒng)對設(shè)備的工況進(jìn)行監(jiān)測，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(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)字信號處理電路設(shè)計(jì)。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(yīng)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(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。最后信號通過A/D轉(zhuǎn)換后，再送入DSP進(jìn)行FFT變換。 　?。?） 軟件部分：主要是基于DSP對共振解調(diào)后的振動(dòng)信號進(jìn)行故障特征的識別與診斷。DSP對AD傳送來的數(shù)字信號進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，得到振動(dòng)信號的頻譜圖，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LCD顯示出來。 [align=center] 圖1.滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)框圖[/align] 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，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： 　?。?） 振動(dòng)信號處理電路，它主要包括振動(dòng)信號預(yù)處理電路及共振解調(diào)處理電路部分，如圖2所示： [align=center] 圖2.振動(dòng)信號處理電路原理框圖[/align] 　?、?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）。 　?、?振動(dòng)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(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用前置放大集成電路。 　?、?帶通濾波器對信號作預(yù)處理，經(jīng)過帶通濾波器處理后，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(zhuǎn)換為低頻包絡(luò)信號，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(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)字信號處理電路部分，如圖3所示： [align=center] 圖3.數(shù)字信號處理電路原理框圖[/align] 　　① 低頻解調(diào)信號被A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成適用于DSP處理的數(shù)字信號。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。 　?、?數(shù)字信號處理器是本設(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Cache，具有豐富的外設(shè)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。 　?、?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(kuò)展外部存儲的空間，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)存儲空間。 [align=center] 圖4.DSP與SDRAM的連線圖[/align] 　　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(shí)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。 　?、?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、過流保護(hù)電路的高精度電源芯片TPS54310（圖中未畫出）。 　?、?按鍵控制電路和LCD顯示線路比較簡單這里就不詳細(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;內(nèi)存管理等。 　　系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能如下： 　?。?） AD傳送來的數(shù)字信號通過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。 　?。?） 系統(tǒng)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算法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練[7]，然后用這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對實(shí)際的軸承解調(diào)信號進(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)重程度和軸承號等數(shù)據(jù)通過大屏幕LCD顯示，便于人工輔助判斷。 　?。?） 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(shè)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(jī)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(jī)中軸承庫的軸承具體型號參數(shù)及其特征頻率等相關(guān)信息。 [align=center] 圖5.系統(tǒng)軟件功能圖[/align] 5.結(jié)束語 　　傳統(tǒng)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(luò)對故障進(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)來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號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(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視，同時(shí)也有充裕的時(shí)間采購替換件。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。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 陳進(jìn).機(jī)械設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1999.1-2 　　[2] 張曉光，周寧，丁余泉.基于DSP的CMOS圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，9-2：193-196 　　[3] 梅宏斌.滾動(dòng)軸承振動(dòng)監(jiān)測與診斷—理論、方法、系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.29-31 　　[4] 梅宏斌，閻明印，楊叔子.滾動(dòng)軸承故障診斷的高頻共振法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1992，（2），12-16. 　　[5] 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