本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的滾動軸承故障診斷算法應(yīng)用研究與實現(xiàn)

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【摘要】：隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備逐漸朝著精密化的方向發(fā)展，如果維護(hù)不及時設(shè)備就有可能會出現(xiàn)機(jī)械故障而沒有被察覺（特別是早期故障），嚴(yán)重時會造成經(jīng)濟(jì)損失，因此設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中最好對其進(jìn)行實時監(jiān)控。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新方法被運(yùn)用于其中。而在眾多的機(jī)械設(shè)備故障診斷成果當(dāng)中，大部分是理論研究成果，有一部分是基于PC或DSP處理器的面向應(yīng)用的故障診斷設(shè)備，但一般不具有處理速度上的優(yōu)勢。因此，本文采用FPGA作為處理器，運(yùn)用相關(guān)算法實現(xiàn)故障診斷具有明顯的速度優(yōu)勢。 本文主要圍繞滾動軸承的故障診斷算法實現(xiàn)展開研究。重點研究了小波變換、希爾伯特變換和FFT變換的FPGA實現(xiàn)方法，并且用多組軸承故障數(shù)據(jù)驗證了該算法的可靠性。 首先，本文介紹了滾動軸承的故障機(jī)理。分析了滾動軸承的各種失效形式和失效時的頻率特征，以及振動信號的時域分析、頻域分析、模態(tài)分析方法。 其次，研究了小波變換、希爾伯特變換和快速傅里葉變換。在研究小波基本理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Mallat算法實現(xiàn)了小波變換的FPGA實現(xiàn)，并且具有較高的運(yùn)算精度。緊接著在希爾伯特變換的理論基礎(chǔ)上從時域角度運(yùn)用FIR濾波器完成了希爾伯特變換的FPGA實現(xiàn)，并且對該算法的實現(xiàn)進(jìn)行了仿真驗證。還研究了從離散傅里葉變換（DFT）到快速傅里葉變換（FFT）的算法結(jié)構(gòu)，最后運(yùn)用以單路徑延時反饋交換器（SDF）為核心的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了4096點FFT的FPGA實現(xiàn)，并且驗證了該算法的FPGA實現(xiàn)具有較高的運(yùn)算精度。這三種算法用FPGA實現(xiàn)所具有的高速處理速度為整個滾動軸承故障診斷算法的實時性提供了保證。 最后，通過多組數(shù)據(jù)作對比，驗證了該算法的可靠性。先用美國凱斯西儲大學(xué)的故障軸承數(shù)據(jù)，軸承的內(nèi)圈、外圈、滾珠三組數(shù)據(jù)分別用該算法進(jìn)行處理，很準(zhǔn)確的找到了故障點的頻率以及倍頻，并且和MATLAB的計算結(jié)果作對比，誤差很小。然后用軸承故障平臺采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用該故障診斷算法分別處理了軸承的內(nèi)圈、外圈、滾珠三組數(shù)據(jù)，也取得了很好地故障診斷效果，從而進(jìn)一步說明了該故障診斷算法的可靠性。
【關(guān)鍵詞】：故障診斷 小波變換 希爾伯特變換 FFT FPGA
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TH133.33;TH165.3
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-16
• 1.1 軸承故障診斷的意義11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11-14
• 1.2.1 滾動軸承故障診斷發(fā)展歷程11-12
• 1.2.2 滾動軸承故障診斷傳統(tǒng)的分析方法12-13
• 1.2.3 滾動軸承故障診斷現(xiàn)代分析方法13-14
• 1.2.4 滾動軸承故障診斷的發(fā)展趨勢14
• 1.3 軸承故障診斷方案確定14-15
• 1.4 本論文主要研究內(nèi)容15-16
• 第二章 軸承故障診斷理論基礎(chǔ)16-21
• 2.1 滾動軸承的失效形式16-17
• 2.2 滾動軸承故障特征17-18
• 2.3 滾動軸承故障診斷常用的方法18-20
• 2.3.1 振動信號預(yù)處理18
• 2.3.2 振動信號時域分析法18-20
• 2.3.2.1 有量綱參數(shù)分析18-19
• 2.3.2.2 無量綱參數(shù)分析19-20
• 2.3.3 振動信號的頻域處理20
• 2.3.4 試驗?zāi)B(tài)參數(shù)識別20
• 2.4 本章小結(jié)20-21
• 第三章 小波變換及其FPGA實現(xiàn)21-40
• 3.1 小波變換21-28
• 3.1.1 連續(xù)小波變換22-23
• 3.1.1.1 連續(xù)小波變換定義22
• 3.1.1.2 連續(xù)小波變換性質(zhì)22-23
• 3.1.2 離散小波變換23
• 3.1.3 多分辨率分析23-25
• 3.1.4 小波變換的 Mallat 算法25-28
• 3.1.4.1 小波分解的快速算法25-27
• 3.1.4.2 小波重構(gòu)的快速算法27-28
• 3.2 小波基的選取28-29
• 3.3 小波分解與重構(gòu)的 FPGA 實現(xiàn)29-39
• 3.3.1 FIR 數(shù)字濾波器29-32
• 3.3.2 FIR 濾波器的 FPGA 實現(xiàn)32-39
• 3.4 本章小結(jié)39-40
• 第四章 希爾伯特變換及其FPGA實現(xiàn)40-44
• 4.1 希爾伯特變換基本理論40-41
• 4.1.1 連續(xù)希爾伯特變換的定義40-41
• 4.1.2 離散希爾伯特變換41
• 4.2 希爾伯特變換實現(xiàn)算法41-43
• 4.3 本章小結(jié)43-44
• 第五章 快速傅里葉變換及其FPGA實現(xiàn)44-60
• 5.1 DFT 算法44-45
• 5.2 基 2 FFT 算法45-54
• 5.3 基于流水結(jié)構(gòu)的 FFT 處理器54-59
• 5.4 本章小結(jié)59-60
• 第六章 滾動軸承故障診斷算法仿真與驗證60-75
• 6.1 實驗平臺簡介60-61
• 6.2 故障診斷算法結(jié)構(gòu)61
• 6.3 數(shù)據(jù)分析61-73
• 6.3.1 算法驗證61-67
• 6.3.1.1 內(nèi)圈故障62-63
• 6.3.1.2 外圈故障63-65
• 6.3.1.3 滾珠故障65-66
• 6.3.1.4 無故障軸承66-67
• 6.3.2 實驗數(shù)據(jù)處理67-73
• 6.3.2.1 內(nèi)圈故障67-69
• 6.3.2.2 外圈故障69-70
• 6.3.2.3 滾珠故障70-71
• 6.3.2.4 無故障軸承71-73
• 6.4 算法性能分析73-74
• 6.5 本章小結(jié)74-75
• 第七章 總結(jié)和展望75-77
• 致謝77-78
• 參考文獻(xiàn)78-81
• 作者攻碩期間取得的成果81-82

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：896535