基于包络谱分析的振动信号研究及其FPGA实现

摘要

振动是机械设备运行当中的一种常见现象。通过对振动信号的提取可以分析机械设备的运行状态。由于滚动轴承是机械设备的关键零件,它的好坏与设备的正常与否息息相关，因此对滚动轴承的振动信号进行研究有重要的意义。包络谱分析法是振动信号常用的分析方法，为了提高算法运行的速度，快速得到结果，可以通过FPGA来实现。为完成以上要求，本文设计了一个滚动轴承振动测试系统并且开展了以下工作：
　　(1)研制振动信号采集的硬件模块。根据振动信号的特点选取了振动加速度传感器作为数据的拾取装置，通过调理电路的设计对采集到的信号进行预处理。数模转换电路将处理过后的信号送入控制芯片当中进行存储和处理，经过无线Wi-Fi传输到终端设备当中。
　　(2)振动信号特征的提取。首先对常用的振动信号的分析方法进行了阐述，详细介绍了幅值域分析、傅里叶分析、小波分析、Hilbert包络谱分析的理论。对比这几种理论方法，选取了一种基于小波分解和Hilbert包络谱的振动信号分析方法。利用小波理论对信号进行不同频段的分解，提取出含有故障信息的频段，用Hilbert包络谱分析找出故障特征频率，同时在FPGA上实现该分析方法。
　　(3)在滚动轴承实验平台上，利用振动数据采集的硬件装置，采集存在损伤的故障轴承，结合小波和Hilbert包络谱对其进行分析，得到故障特征频率，对比FPGA和MATLAB得到的结果。
　　通过实验，将FPGA和MATLAB所得到故障频率与理论值进行对照，证明了该振动信号采集分析系统是可行的，能够快速有效的提取振动信号的特征信息。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 振动测试技术国内外研究现状及发展

1.3 本文研究的主要内容

1.4 论文章节安排

2 滚动轴承振动信号分析方法研究

2.1 滚动轴承振动机理

2.2 滚动轴承故障振动信号

2.3 滚动轴承故障信号分析方法

2.4 本章小结

3 振动测试系统硬件设计

3.1 主要技术指标

3.2 振动测量传感器

3.3振动信号采集硬件设计

3.4 通信模块接口电路

3.5 本章小结

4 振动测试系统软件设计

4.1 A/D转换

4.2 SDRAM控制器设计

4.3 通信模块的软件实现

4.4 小波变换的FPGA实现

4.5 Hilbert包络谱的FPGA实现

4.6 本章小结

5 实验验证

5.1 实验平台的搭建

5.2 实验步骤

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 改进与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文