本文關鍵詞：基于FPGA的振動分析儀設計

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【摘要】：日常生活中任何旋轉(zhuǎn)設備在運行中都會產(chǎn)生振動,通常情況下振動是有害的,會對設備造成損壞甚至引起嚴重事故。振動信號作為故障特征的載體,其中包含了豐富的機械運行狀態(tài)信息,因此,振動信號的準確分析與處理對于旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測、質(zhì)量評估和故障診斷具有非常重要的意義。設備的振動信號通常都是非線性、非平穩(wěn)類信號,傳統(tǒng)分析方法對它的分析能力具有非常大的局限。黃鍔等人于1998年提出的Hilbert-Huang變換以其在處理非平穩(wěn)隨機信號方面的強大優(yōu)勢脫穎而出,十幾年來,已被應用到海洋數(shù)據(jù)、地震信號和設備狀態(tài)檢測與診斷領域。FPGA技術在數(shù)字信號方面具有強大的處理和計算能力,憑借其內(nèi)部高速的并行機制以及豐富的邏輯資源,能夠完成諸如FFT、HHT這樣的高級算法的硬件實現(xiàn),完成對振動信號進行高速、高效和實時的分析與處理。鑒于此,本文以FPGA技術為信號處理平臺,重點研究了以Hilbert-Huang變換為核心算法的振動分析儀的設計與實現(xiàn),主要的研究內(nèi)容如下:(1)研究了目前流行的各種振動分析方法的利弊,深入研究了Hilbert-Huang變換的基本原理;深刻理解經(jīng)驗模態(tài)分解的流程,為每一步的實現(xiàn)選取合適的算法;領悟Hilbert變換的本質(zhì),研究其結構的優(yōu)化方法。(2)研究了系統(tǒng)的設計需求,綜合考慮了設計過程中算法實現(xiàn)的運算量、采集過程中數(shù)據(jù)的存儲量以及傳到過程中的數(shù)據(jù)傳輸量,合理的進行芯片選型、引腳與資源的分配、組件選取和任務分配。(3)設計并實現(xiàn)了以三次樣條插值法為核心的包絡線擬合方法、以多項式擬合為核心的端點效應抑制方法,很好的實現(xiàn)了信號的經(jīng)驗模態(tài)分解;深刻理解Hilbert變換的工程本質(zhì),以分布式算法為基礎實現(xiàn)Hilbert濾波器,同時利用FIR濾波器的線性相位特性和分割查找表的方法對其結構進行優(yōu)化。(4)利用不同的仿真信號對設計進行了驗證,與MATLAB仿真結果進行類比,表明了設計的正確性和有效性。最后,將設計應用于實際的工業(yè)電機的振動監(jiān)測,通過分析相應的圖譜,對電機工作狀態(tài)進行診斷。
【關鍵詞】：旋轉(zhuǎn)機械 振動分析 FPGA Hilbert-Huang變換
【學位授予單位】：遼寧科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH825
【目錄】：

• 中文摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 1.緒論10-14
• 1.1 選題背景及意義10
• 1.2 研究綜述10-13
• 1.2.1 Hilbert-Huang變換的提出及其應用10-11
• 1.2.2 FPGA的發(fā)展與優(yōu)勢11-13
• 1.3 論文的主要工作13-14
• 2.振動分析方法14-25
• 2.1 傳統(tǒng)分析方法14-16
• 2.1.1 時域分析法14-15
• 2.1.2 傅立葉變換法15-16
• 2.2 現(xiàn)代分析方法16-18
• 2.2.1 小波變換法16-17
• 2.2.2 盲源分離法17-18
• 2.3 Hilbert-Huang變換法18-23
• 2.3.1 瞬時頻率18-19
• 2.3.2 固有模態(tài)函數(shù)19-20
• 2.3.3 邊界問題20-21
• 2.3.4 停止準則21-22
• 2.3.5 Hilbert譜和Hilbert邊際譜22-23
• 2.4 FPGA技術在振動分析領域的應用23-25
• 3.系統(tǒng)硬件設計25-36
• 3.1 FPGA核心電路設計25-26
• 3.2 電源電路設計26-27
• 3.3 USB接口電路設計27
• 3.4 網(wǎng)絡接口電路設計27-29
• 3.5 串口電路設計29
• 3.6 AD擴展板電路設計29-31
• 3.7 存儲電路設計31-33
• 3.7.1 SDRAM存儲電路的設計31
• 3.7.2 SD卡存儲電路的設計31-32
• 3.7.3 串行FLASH電路的設計32-33
• 3.8 硬件PCB設計33-34
• 3.9 設計總結34-36
• 4.系統(tǒng)軟件設計36-47
• 4.1 基于Nios II軟核處理器的SOPC設計36-38
• 4.2 用戶外設邏輯的設計38-39
• 4.3 AD7765控制模塊的設計39-41
• 4.4 DM9000A網(wǎng)口控制模塊的設計41-42
• 4.5 SD卡控制模塊的設計42-43
• 4.6 程控濾波器與程控放大器控制模塊設計43-44
• 4.7 菊花鏈控制程序設計44
• 4.8 NiosⅡ控制系統(tǒng)設計44-47
• 5.Hilbert-Huang變換的實現(xiàn)47-70
• 5.1 EMD方法的原理與實現(xiàn)47-54
• 5.1.1 EMD方法的原理47-49
• 5.1.2 三次樣條插值法的實現(xiàn)49-51
• 5.1.3 最小二乘法擬合多項式的實現(xiàn)51-53
• 5.1.4 系統(tǒng)函數(shù)分析53-54
• 5.2 Hilbert變換基礎54-57
• 5.2.1 Hilbert變換的原理54-55
• 5.2.2 FIR濾波器設計基礎55-56
• 5.2.3 分布式算法原理56-57
• 5.3 Hilbert濾波器的實現(xiàn)57-70
• 5.3.1 濾波器的相關參數(shù)設計57-60
• 5.3.2 Hilbert濾波器設計的優(yōu)化60-64
• 5.3.3 輸入處理模塊的設計實現(xiàn)64-65
• 5.3.4 預相減模塊的設計實現(xiàn)65-66
• 5.3.5 乘累加模塊的設計實現(xiàn)66-67
• 5.3.6 控制模塊的設計實現(xiàn)67-68
• 5.3.7 系統(tǒng)頂層模塊的驗證68-70
• 6.系統(tǒng)的仿真與測試70-80
• 6.1 簡單疊加信號的Hilbert-Huang變換70-72
• 6.2 復合信號的Hilbert-Huang變換72-75
• 6.3 電機振動信號的Hilbert-Huang變換75-80
• 7. 總結與展望80-82
• 參考文獻82-85
• 致謝85-86
• 附錄A 系統(tǒng)的工程圖86-87
• 作者簡介87-88

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1 白仁明;;基于發(fā)動機測試的便攜式振動分析儀[J];電子設計應用;2009年10期

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本文編號：768820