基于DSP芯片TMS320C32的滾動軸承振動故障診斷系統(tǒng)

　　滾動軸承是列車轉(zhuǎn)動機(jī)件的支撐，也是鐵路車輛上最容易危及行車安全的易損件。由于工作面接觸應(yīng)力的長期反復(fù)作用，極易引起軸承疲勞、裂紋、壓痕等故障，導(dǎo)致軸承斷裂，造成重大事故。軸承工作狀態(tài)是否正常，對于列車的安全有著重大的影響。因此，開展列車滾動軸承故障診斷的研究對避免重大事故、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有相當(dāng)大的意義。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1 硬件系統(tǒng)

　　振動控制系統(tǒng)是一個典型的實(shí)時信號處理系統(tǒng)，需要對較復(fù)雜的信號進(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，控制功能相對較弱。為了提高系統(tǒng)的信號處理速度，便于對系統(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)是一個基于定點(diǎn)DSP芯片TMS320C32的滾動軸承振動故障診斷系統(tǒng)，主要適用于對滾動軸承振動信號的采集、處理和故障診斷，并通過軸承溫度信號實(shí)現(xiàn)對軸承工作狀態(tài)的監(jiān)測。

　　滾動軸承的振動信號屬于高頻信號，因此應(yīng)用加速度傳感器進(jìn)行信號的拾取。但由于加速度傳感器所測得的信號較弱，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)對采集數(shù)據(jù)的幅值域、時域和頻域分析。處理后的振動信號和經(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)時的DSP算法。存貯器包括程序儲存器和數(shù)據(jù)儲存器，用于儲存用戶程序(EPROM)和實(shí)時數(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信號的采集和分析。

　　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)是對采集的信號進(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存儲器中讀取已經(jīng)存入的振動信號的各種信息。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)程序主要完成振動信號的輸入、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)字信號處理功能，對采樣得到的數(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

　　倒譜分析是對信號y(t)的功率譜的對數(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

　　小波分析利用時間平移和多分辨率的概念，可以同時處理時、頻分析，具有時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，只對信號的低頻成分進(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)為時一頻分辨率在低頻處頻率分辨率高，在高頻處時間分辨率高，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，提高整個系統(tǒng)的可靠性和精確性。

　　實(shí)信號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，可以近似為：

　　由此可得：

　　根據(jù)上式計(jì)算幾個尺度上的α，然后求平均值，即可得到信號在此時刻的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，滾動軸承便產(chǎn)生沖擊振動。利用加速度傳感器獲取軸承振動信號，采樣頻率為261436SPS，滾動軸承正常、滾子破裂、多處外圈剝落時振動信號的時域波形如圖3所示。按照前述方法對外圈剝落振動信號進(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，得到信號包絡(luò)在特征尺度

　　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，本文采用一個簡單的方法做初步判斷，即：如果某一尺度上的一個模量極大點(diǎn)的位置非常接近下一個尺度的一個模量極大點(diǎn)，并且它們具有相同的符號，那么可以認(rèn)為該模量極大點(diǎn)傳播到了下一個尺度上，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尺度上的模量極大點(diǎn)就反映了包絡(luò)信號的主要特征。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)(-1α1)，橫坐標(biāo)(O～500))，Lip指數(shù)如表1所示。