基于FPGA的自动跟踪滤波器的开发与应用

发布时间：2017-03-18 16:02

  本文关键词：基于FPGA的自动跟踪滤波器的开发与应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大型旋转机械在石油化工、航空航天以及电力冶金等行业中有着广泛的应用。为避免旋转机械突发故障给上述行业带来灾难性事故和巨大损失,对旋转机械运行状态中的振动信号进行故障诊断与预警是行业中最常用也是最为行之有效的手段。目前已有成果表明,对旋转机械处于平稳运行时的振动信号采集处理分析日益完善,而对于旋转机械启停车过程中非平稳信号尚缺乏完善的分析方法。故障诊断中对于此过程采集到的信号质量普遍低下,可利用度不高,这将严重影响故障诊断系统在事故频发的启停车阶段做出快速而准确的诊断及预警。为了确保故障诊断系统在旋转机械启停车阶段也能获得较高质量的振动信号,就需要开发一种能够动态处理启停车过程所采集信号的滤波器。针对上述存在的问题,本文提出了一种基于FPGA的跟踪旋转机械转频的滤波器来实时处理所采集到的振动信号。这种滤波器实现了对旋转机械启停车过程信号的实时处理,并且根据对现有滤波器结构的调整配合启停车过程信号连续变化的特点,实现了无扰切换滤除后的信号,最大限度的保留了启停车过程中振动信号的有效信息。本文主要研究内容有：1、首先介绍了大型旋转机械故障诊断的相关知识,指出了当前信号采集系统在启停车阶段的不足。2、分析了系统设计的总体需求,提出了整体设计框架。3、介绍了整个数采板卡硬件设计的过程,着重介绍了键相测量电路和振动电路的设计,同时也指出了一些关键部件的选型。通过测试,验证了硬件设计的有效性。4、对测得转速脉冲实时修正,利用一阶数值微分五点插值法对转速进行实时计算。利用FPGA实现此种方法计算量较小,能有效提高运算速度和精度,能满足后续根据转频滤波的实时性。开发了基于嵌入式软核Nios Ⅱ的滤波器参数实时计算模块,该模块能够根据估计出的转速实时计算出滤波器所需的滤波参数。设计开发了具有可变参数的实时滤波器模块。该模块能够根据转速实时改变参数,并利用状态机控制输出信号,对实时处理过的信号进行无扰切换。5、最后,将所有开发的模块整合,组成一个可以根据旋转机械转频滤波的系统且经过实验验证了该滤波器的可行性与有效性。
【关键词】：现场可编程逻辑门阵列 滤波器 故障诊断 旋转机械
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH17;TN713
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 研究背景与意义14-15
• 1.2 滤波器概述15-16
• 1.2.1 滤波技术的发展与分类15-16
• 1.2.2 数字滤波器的原理16
• 1.3 自动跟踪滤波器的研究背景、目的及意义16-17
• 1.4 国内外研究现状17-19
• 1.4.1 基于FPGA的系数可调FIR滤波器设计17-18
• 1.4.2 基于FPGA的可调系数FIR滤波系统的设计18
• 1.4.3 基于MAX268的自动跟踪滤波器的研究与应用18
• 1.4.4 动态系数FIR滤波器的FPGA研究18-19
• 1.4 本文主要工作及研究内容19-20
• 第二章 自动跟踪滤波器系统总体方案设计20-30
• 2.1 旋转机械故障参量的分析20-21
• 2.2 可配置自动跟踪滤波器的数采卡整体方案设计21-23
• 2.3 基于FPGA的自动跟踪滤波器总体设计23-29
• 2.3.1 FPGA的简要介绍23-25
• 2.3.2 Nios Ⅱ概要25-27
• 2.3.3 ModelSim概要27
• 2.3.4 自动跟踪滤波器的总体设计27-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 数据采集系统的硬件设计30-40
• 3.1 键相信号调理电路设计30-32
• 3.2 振动信号调理电路设计32-34
• 3.3 核心器件选型34-35
• 3.4 板卡测试35-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第四章 自动跟踪滤波器的FPGA实现40-62
• 4.1 转速测量模块的设计实现与仿真40-46
• 4.1.1 旋转机械键相的获取方式40-41
• 4.1.2 旋转机械转速计算公式推导41-44
• 4.1.3 旋转机械转速计算模块的实现44-46
• 4.2 核心滤波模块的设计实现与仿真46-56
• 4.2.1 FIR滤波器及其相关知识概要47-50
• 4.2.2 核心滤波器设计及仿真50-56
• 4.3 基于Nios Ⅱ的滤波器系数计算模块的实现与仿真56-60
• 4.3.1 窗函数设计法56-57
• 4.3.2 产生系数的Nios Ⅱ系统搭建57-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 自动跟踪滤波器系统的测试验证62-68
• 5.1 分离模块的整合62-63
• 5.2 实测运行63-66
• 5.3 本章小结66-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 6.1 本文总结68
• 6.2 未来工作展望68-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-76
• 研究成果及发表的学术论文76-78
• 作者及导师介绍78-79
• 附件79-80

  本文关键词：基于FPGA的自动跟踪滤波器的开发与应用，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：254663