基于形态滤波和包络分析的轴承故障诊断及其FPGA实现

摘要

智能化是现代机械设备监控的主要发展趋势，这就对各类机械设备的精密性提出了更高要求。轴承作为设备中必不可少的部件，在支承、旋转等方面起着重要作用，即使微小故障无疑都会对设备整体造成严重损害。因此，采用更快速、更有效的实时监控手段来尽早检测出故障是关键问题。
　　本文从算法和硬件基础两方面来探讨此问题，在算法方面以数学形态滤波器和包络分析为主构建轴承诊断核心，硬件方面以FPGA作为系统搭载平台。按照总体结构框架，本文主要章节均分为原理和FPGA实现两部分，围绕着整体诊断系统展开，论文依次研究了数学形态滤波、希尔伯特变换和FFT的基本原理及其FPGA编程。数学形态滤波具备固有的并行实现结构，并且内部仅采用布尔运算，因此相比基于小波分析、经验模态分解等技术的滤波方法具有明显的速度优势。希尔伯特变换把一维信号从双边谱变成单边谱，避免了频谱浪费同时方便后续运算。FFT能将信号在频域上依次展开，一旦发生故障，可以清晰的捕捉到轴承的故障频率。
　　随后，将以上算法按序结合，构建了完整的快速轴承诊断处理系统，运用DSP Builder及Quartus II完成系统的总体Verilog编程，并对其运算精度进行了软件仿真验证。在应用分析章节，论文采用Altera公司生产的Stratix IV GX FPGA(EP4SGX230C2)开发板进行调试实验。Stratix硬件相比基于DSP和PC机的故障检测系统在处理速度和运算精度上优势明显，保障了轴承故障在线监测的快速性和准确性。
　　最后，使用Gam3esa850风力发电机组后轴承外圈、内圈的多组实测故障数据进行硬件验证。输入一维故障数据后，经运算FPGA片上系统准确快速地捕捉到了故障频率，将Modelsim仿真结果和MATLAB的运行结果作对比分析，有力的证实了该方案的可行性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外发展及研究现状

1.3 故障诊断方案

1.4 论文的主要内容与结构

第2章 轴承故障原理分析及诊断方法

2.1 滚动轴承的失效形式和成因

2.2 轴承的振动原理及振动的类型

2.3 滚动轴承故障特征

2.4 轴承故障振动信号分析方法

2.5 本章小结

第3章 形态滤波及其FPGA实现

3.1 数学形态学

3.2 形态滤波的FPGA实现及验证

3.3 形态滤波FPGA整体实现

3.4 本章小结

第4章 包络分析及其FPGA实现

4.1 离散希尔伯特变换

4.2 快速傅里叶变换（FFT）

4.4 本章小结

第5章 基于FPGA轴承故障诊断方法的验证及应用

5.1 故障诊断系统的应用研究

5.2 实验结果分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢