1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1．1 硬件系統(tǒng)

　　振動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)，需要對(duì)較復(fù)雜的信號(hào)進(jìn)行處理,?？紤]到單片機(jī)的控制功能強(qiáng)，其總線位數(shù)少,，運(yùn)行速度相對(duì)較慢,；而DSP(Digital Signal Processor)的運(yùn)算能力強(qiáng)，總線寬度寬,，控制功能相對(duì)較弱,。為了提高系統(tǒng)的信號(hào)處理速度，便于對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件的進(jìn)一步開發(fā),，結(jié)合單片機(jī)的控制能力,，設(shè)計(jì)了DSP+MCU的方案，如圖1所示,。該系統(tǒng)是一個(gè)基于定點(diǎn)DSP芯片TMS320C32的滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷系統(tǒng),，主要適用于對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和故障診斷,，并通過軸承溫度信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承工作狀態(tài)的監(jiān)測,。

　　滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)屬于高頻信號(hào)，因此應(yīng)用加速度傳感器進(jìn)行信號(hào)的拾取,。但由于加速度傳感器所測得的信號(hào)較弱,，必須經(jīng)過電荷放大器、抗混濾波等系列電路處理后才能進(jìn)入高速A／D轉(zhuǎn)換電路,，保證了數(shù)據(jù)分析所需的數(shù)據(jù)量,，能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的幅值域、時(shí)域和頻域分析,。處理后的振動(dòng)信號(hào)和經(jīng)單片機(jī)采集到的溫度數(shù)據(jù)均送到DSP處理器進(jìn)行處理分析,，作出故障預(yù)報(bào)和診斷,。對(duì)已形成的或正在形成的故障進(jìn)行分析處理，判斷出故障產(chǎn)生的部位及原因,，并及時(shí)采取有效的措施,。單片機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行顯示和DSP子系統(tǒng)的控制功能，包括DSP的命令解釋,、數(shù)據(jù)傳輸控制,、數(shù)據(jù)的輸入／輸出等控制功能，使DSP可以執(zhí)行高速,、實(shí)時(shí)的DSP算法,。存貯器包括程序儲(chǔ)存器和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，用于儲(chǔ)存用戶程序(EPROM)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(RAM),。

　　1．2 軟件系統(tǒng)

　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想,，使系統(tǒng)的維護(hù)、改進(jìn)和功能擴(kuò)展十分方便,，還可進(jìn)一步推廣到其他振動(dòng)信號(hào)的采集和分析,。

　　1．2．1 系統(tǒng)軟件主程序

　　軸承故障診斷系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，因此軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響數(shù)據(jù)處理的能力,。系統(tǒng)軟件由主程序,、串行口中斷服務(wù)、INT0中斷服務(wù)程序和數(shù)據(jù)處理程序組成,。主程序完成AD574A芯片初始化,、8751H的初始化、TMS320C32復(fù)位,、包括從FLASH存儲(chǔ)器中讀取已經(jīng)存入的振動(dòng)信號(hào)的各種信息。完成初始化過程后,，TMS320C32等待從875lH主處理器發(fā)出的各種命令,，根據(jù)不同命令調(diào)用相應(yīng)的處理子程序，系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示,。中斷服務(wù)程序每隔10 ms中斷一次,，并置各種定時(shí)到達(dá)標(biāo)志以便主程序判斷使用。串行中斷服務(wù)程序主要完成振動(dòng)信號(hào)的輸入,、輸出等功能,。INT0中斷服務(wù)程序主要用于接收從8751H發(fā)出的各種命令，并設(shè)置相應(yīng)的命令標(biāo)志以便于TMS320C32在主程序中識(shí)別并調(diào)用相應(yīng)的子程序,。

　　1．2．2分析處理程序

　　本系統(tǒng)利用DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能,，對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算和功率譜分析，更好地提取數(shù)據(jù)中的特征信息,，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度和提高準(zhǔn)確度,。

　　(1)FFT分析運(yùn)算子程序

　　FFT分析運(yùn)算子程序利用FFT計(jì)算相關(guān)函數(shù),。為防止發(fā)生頻疊現(xiàn)象，需要延長線性相關(guān)中序列的長度,，即延長到兩序列長度之和2N,。自相關(guān)函數(shù)的快速傅里葉變換計(jì)算過程如下：

　　(2)功率譜分析運(yùn)算子程序

　　平均周期功率譜分析首先要把序列X(n)分成K段，每段長為N,，然后對(duì)每段進(jìn)行功率譜分析,。平均周期法的每一段譜分析就是求該段的離散傅里葉變換，再除以分析點(diǎn)數(shù),。這樣的譜估計(jì)一共有K段,，對(duì)K段譜估計(jì)求平均就得到平均周期功率譜分析。

　　(3)倒譜分析運(yùn)算子程序

　　倒譜分析是對(duì)信號(hào)y(t)的功率譜的對(duì)數(shù)進(jìn)行傅里葉逆變換,。倒譜分析的離散運(yùn)算形式為：

　　2 故障診斷

　　2．1 提取軸承特征

　　小波分析利用時(shí)間平移和多分辨率的概念,，可以同時(shí)處理時(shí)、頻分析,，具有時(shí)頻局部化和多分辨功能,。其基本思想是用一族函數(shù)去表示或逼近一信號(hào)或函數(shù)，通過滿足一定條件的基本小波函數(shù)的不同尺度的平移和展縮構(gòu)成的,。但在正交小波變換中,，只對(duì)信號(hào)的低頻成分進(jìn)行了遞推分解，導(dǎo)致高頻成分的頻率分辨率較低,，表現(xiàn)為時(shí)一頻分辨率在低頻處頻率分辨率高,，在高頻處時(shí)間分辨率高，頻率分辨率卻降低,。利用DSP強(qiáng)大的數(shù)字處理功能,，本系統(tǒng)采用常見的Hilbert變換法來提取包絡(luò)信號(hào)，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和精確性,。

　　實(shí)信號(hào)X(t)的Hilbert變換為：

　　2．2 小波奇異性檢測

　　函數(shù)f(x)的局部奇異性與其小波變換的漸進(jìn)衰減性之間的關(guān)系為：

　　式中：Wsf(x)為f(x)在尺度s上的小波變換,。

　　本文根據(jù)小波變換各尺度上模極大值的傳遞性來判斷奇異點(diǎn)的位置以及作奇異性指數(shù)計(jì)算。奇異性指數(shù)的計(jì)算如下：

　　設(shè)s=2j,，在尺度i上Xk處的極大值為Mi=| Wsf(x)|,，則在各尺度相應(yīng)位置處的模極大值可構(gòu)成序列{Mi}，在i較小時(shí),，可以近似為：

　　由此可得：

　　根據(jù)上式計(jì)算幾個(gè)尺度上的α,，然后求平均值，即可得到信號(hào)在此時(shí)刻的Lip指數(shù),。

　　3 實(shí)例分析

　　實(shí)驗(yàn)用軸承參數(shù)如下：滾動(dòng)體直徑：O．84235英寸,；支架直徑：7．5653英寸；輪子直徑：35．89英寸,；接觸角α：10°,；車速：30 km／h,。

　　當(dāng)軸承外圈滾道發(fā)生點(diǎn)蝕、裂紋及表面剝落等局部損傷故障后,，滾動(dòng)軸承便產(chǎn)生沖擊振動(dòng),。利用加速度傳感器獲取軸承振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率為2*36SPS,，滾動(dòng)軸承正常,、滾子破裂、多處外圈剝落時(shí)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形如圖3所示,。按照前述方法對(duì)外圈剝落振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)處理,，并采用B樣條函數(shù)進(jìn)行7層小波變換，得到信號(hào)包絡(luò)在特征尺度重構(gòu)信號(hào)如圖4所示,。

 

　　通過檢測經(jīng)小波變換的模量極大點(diǎn)沿尺度的演變規(guī)律,，可將噪聲所產(chǎn)生的模量極大點(diǎn)與信號(hào)產(chǎn)生的模量極大點(diǎn)區(qū)分開。如果某模量極大點(diǎn)的幅值沿尺度的減小而顯著增加,，則為是由噪聲產(chǎn)生的而予以剔除,。為了考察模量極大點(diǎn)沿尺度的傳播性，本文采用一個(gè)簡單的方法做初步判斷,，即：如果某一尺度上的一個(gè)模量極大點(diǎn)的位置非常接近下一個(gè)尺度的一個(gè)模量極大點(diǎn),，并且它們具有相同的符號(hào)，那么可以認(rèn)為該模量極大點(diǎn)傳播到了下一個(gè)尺度上,，否則即為沿尺度不傳播的模量極大點(diǎn),，予以剔除。經(jīng)過篩選所保留下來的各個(gè)尺度上的模量極大點(diǎn)就反映了包絡(luò)信號(hào)的主要特征,。圖5分別表示正常,、滾子破裂、多處外圈剝落三種情況的Lip指數(shù)分布(縱坐標(biāo)(-1<α<1),，橫坐標(biāo)(O～500)),，Lip指數(shù)如表1所示。

 

　　從圖5可以看出：由故障軸承與正常軸承相比,，其信號(hào)奇異點(diǎn)明顯增多。由表1可看出在同一時(shí)刻附近故障軸承的Lip指數(shù)明顯較小,，在同一時(shí)刻附近多處外圈剝落的Lip指數(shù)較小,，故障較嚴(yán)重，這與實(shí)際解體檢測情況一致,。

　　4 結(jié)語

　　該系統(tǒng)充分利用單片機(jī)的控制功能強(qiáng),、DSP的運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)較復(fù)雜的信號(hào)具有較強(qiáng)的處理能力,。實(shí)驗(yàn)表明,，該系統(tǒng)能滿足列車滾動(dòng)軸承故障診斷的實(shí)際需要,，并減少了復(fù)雜的編程過程，有效地提高了工作效率,，降低了診斷設(shè)備成本,。