基于FPGA的滚动轴承故障诊断算法应用研究与实现

发布时间：2017-09-21 19:50

  本文关键词：基于FPGA的滚动轴承故障诊断算法应用研究与实现

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【摘要】：随着科技的进步，机械设备逐渐朝着精密化的方向发展，如果维护不及时设备就有可能会出现机械故障而没有被察觉（特别是早期故障），严重时会造成经济损失，因此设备运转过程中最好对其进行实时监控。随着技术的发展，越来越多的新方法被运用于其中。而在众多的机械设备故障诊断成果当中，大部分是理论研究成果，有一部分是基于PC或DSP处理器的面向应用的故障诊断设备，但一般不具有处理速度上的优势。因此，本文采用FPGA作为处理器，运用相关算法实现故障诊断具有明显的速度优势。 本文主要围绕滚动轴承的故障诊断算法实现展开研究。重点研究了小波变换、希尔伯特变换和FFT变换的FPGA实现方法，并且用多组轴承故障数据验证了该算法的可靠性。 首先，本文介绍了滚动轴承的故障机理。分析了滚动轴承的各种失效形式和失效时的频率特征，以及振动信号的时域分析、频域分析、模态分析方法。 其次，研究了小波变换、希尔伯特变换和快速傅里叶变换。在研究小波基本理论的基础上，运用Mallat算法实现了小波变换的FPGA实现，并且具有较高的运算精度。紧接着在希尔伯特变换的理论基础上从时域角度运用FIR滤波器完成了希尔伯特变换的FPGA实现，并且对该算法的实现进行了仿真验证。还研究了从离散傅里叶变换（DFT）到快速傅里叶变换（FFT）的算法结构，最后运用以单路径延时反馈交换器（SDF）为核心的电路结构实现了4096点FFT的FPGA实现，并且验证了该算法的FPGA实现具有较高的运算精度。这三种算法用FPGA实现所具有的高速处理速度为整个滚动轴承故障诊断算法的实时性提供了保证。 最后，通过多组数据作对比，验证了该算法的可靠性。先用美国凯斯西储大学的故障轴承数据，轴承的内圈、外圈、滚珠三组数据分别用该算法进行处理，很准确的找到了故障点的频率以及倍频，并且和MATLAB的计算结果作对比，误差很小。然后用轴承故障平台采集到的数据进行分析，用该故障诊断算法分别处理了轴承的内圈、外圈、滚珠三组数据，也取得了很好地故障诊断效果，从而进一步说明了该故障诊断算法的可靠性。
【关键词】：故障诊断 小波变换 希尔伯特变换 FFT FPGA
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.33;TH165.3
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 轴承故障诊断的意义11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-14
• 1.2.1 滚动轴承故障诊断发展历程11-12
• 1.2.2 滚动轴承故障诊断传统的分析方法12-13
• 1.2.3 滚动轴承故障诊断现代分析方法13-14
• 1.2.4 滚动轴承故障诊断的发展趋势14
• 1.3 轴承故障诊断方案确定14-15
• 1.4 本论文主要研究内容15-16
• 第二章 轴承故障诊断理论基础16-21
• 2.1 滚动轴承的失效形式16-17
• 2.2 滚动轴承故障特征17-18
• 2.3 滚动轴承故障诊断常用的方法18-20
• 2.3.1 振动信号预处理18
• 2.3.2 振动信号时域分析法18-20
• 2.3.2.1 有量纲参数分析18-19
• 2.3.2.2 无量纲参数分析19-20
• 2.3.3 振动信号的频域处理20
• 2.3.4 试验模态参数识别20
• 2.4 本章小结20-21
• 第三章 小波变换及其FPGA实现21-40
• 3.1 小波变换21-28
• 3.1.1 连续小波变换22-23
• 3.1.1.1 连续小波变换定义22
• 3.1.1.2 连续小波变换性质22-23
• 3.1.2 离散小波变换23
• 3.1.3 多分辨率分析23-25
• 3.1.4 小波变换的 Mallat 算法25-28
• 3.1.4.1 小波分解的快速算法25-27
• 3.1.4.2 小波重构的快速算法27-28
• 3.2 小波基的选取28-29
• 3.3 小波分解与重构的 FPGA 实现29-39
• 3.3.1 FIR 数字滤波器29-32
• 3.3.2 FIR 滤波器的 FPGA 实现32-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第四章 希尔伯特变换及其FPGA实现40-44
• 4.1 希尔伯特变换基本理论40-41
• 4.1.1 连续希尔伯特变换的定义40-41
• 4.1.2 离散希尔伯特变换41
• 4.2 希尔伯特变换实现算法41-43
• 4.3 本章小结43-44
• 第五章 快速傅里叶变换及其FPGA实现44-60
• 5.1 DFT 算法44-45
• 5.2 基 2 FFT 算法45-54
• 5.3 基于流水结构的 FFT 处理器54-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第六章 滚动轴承故障诊断算法仿真与验证60-75
• 6.1 实验平台简介60-61
• 6.2 故障诊断算法结构61
• 6.3 数据分析61-73
• 6.3.1 算法验证61-67
• 6.3.1.1 内圈故障62-63
• 6.3.1.2 外圈故障63-65
• 6.3.1.3 滚珠故障65-66
• 6.3.1.4 无故障轴承66-67
• 6.3.2 实验数据处理67-73
• 6.3.2.1 内圈故障67-69
• 6.3.2.2 外圈故障69-70
• 6.3.2.3 滚珠故障70-71
• 6.3.2.4 无故障轴承71-73
• 6.4 算法性能分析73-74
• 6.5 本章小结74-75
• 第七章 总结和展望75-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-81
• 作者攻硕期间取得的成果81-82

【参考文献】

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本文编号：896535