基于DSP+MCU的列车滚动轴承故障诊断系统设计与应用

0 引言

　　滚动轴承是列车转动机件的支撑，也是铁路车辆上最容易危及行车安全的易损件。由于工作面接触应力的长期反复作用，极易引起轴承疲劳、裂纹、压痕等故障，导致轴承断裂，造成重大事故。轴承工作状态是否正常，对于列车的安全有着重大的影响。因此，开展列车滚动轴承故障诊断的研究对避免重大事故、促进经济发展具有相当大的意义。

1 系统总体设计

　　1．1 硬件系统

　　振动控制系统是一个典型的实时信号处理系统，需要对较复杂的信号进行处理。考虑到单片机的控制功能强，其总线位数少，运行速度相对较慢；而DSP(Digital Signal Processor)的运算能力强，总线宽度宽，控制功能相对较弱。为了提高系统的信号处理速度，便于对系统的硬件和软件的进一步开发，结合单片机的控制能力，设计了DSP+MCU的方案，如图1所示。该系统是一个基于定点DSP芯片TMS320C32的滚动轴承振动故障诊断系统，主要适用于对滚动轴承振动信号的采集、处理和故障诊断，并通过轴承温度信号实现对轴承工作状态的监测。

　　滚动轴承的振动信号属于高频信号，因此应用加速度传感器进行信号的拾取。但由于加速度传感器所测得的信号较弱，必须经过电荷放大器、抗混滤波等系列电路处理后才能进入高速A／D转换电路，保证了数据分析所需的数据量，能实现对采集数据的幅值域、时域和频域分析。处理后的振动信号和经单片机采集到的温度数据均送到DSP处理器进行处理分析，作出故障预报和诊断。对已形成的或正在形成的故障进行分析处理，判断出故障产生的部位及原因，并及时采取有效的措施。单片机负责执行显示和DSP子系统的控制功能，包括DSP的命令解释、数据传输控制、数据的输入／输出等控制功能，使DSP可以执行高速、实时的DSP算法。存贮器包括程序储存器和数据储存器，用于储存用户程序(EPROM)和实时数据(RAM)。

　　1．2 软件系统

　　软件采用模块化设计思想，使系统的维护、改进和功能扩展十分方便，还可进一步推广到其他振动信号的采集和分析。

　　1．2．1 系统软件主程序

　　轴承故障诊断系统的主要任务是对采集的信号进行分析和处理，因此软件设计的好坏直接影响数据处理的能力。系统软件由主程序、串行口中断服务、INT0中断服务程序和数据处理程序组成。主程序完成AD574A芯片初始化、8751H的初始化、TMS320C32复位、包括从FLASH存储器中读取已经存入的振动信号的各种信息。完成初始化过程后，TMS320C32等待从875lH主处理器发出的各种命令，根据不同命令调用相应的处理子程序，系统软件框图如图2所示。中断服务程序每隔10 ms中断一次，并置各种定时到达标志以便主程序判断使用。串行中断服务程序主要完成振动信号的输入、输出等功能。INT0中断服务程序主要用于接收从8751H发出的各种命令，并设置相应的命令标志以便于TMS320C32在主程序中识别并调用相应的子程序。

　　1．2．2 分析处理程序

　　本系统利用DSP强大的数字信号处理功能，对采样得到的数据进行FFT运算和功率谱分析，更好地提取数据中的特征信息，加快系统的响应速度和提高准确度。

　　(1)FFT分析运算子程序

　　FFT分析运算子程序利用FFT计算相关函数。为防止发生频叠现象，需要延长线性相关中序列的长度，即延长到两序列长度之和2N。自相关函数的快速傅里叶变换计算过程如下：

　　(2)功率谱分析运算子程序

　　平均周期功率谱分析首先要把序列X(n)分成K段，每段长为N，然后对每段进行功率谱分析。平均周期法的每一段谱分析就是求该段的离散傅里叶变换，再除以分析点数。这样的谱估计一共有K段，对K段谱估计求平均就得到平均周期功率谱分析。

　　(3)倒谱分析运算子程序

　　倒谱分析是对信号y(t)的功率谱的对数进行傅里叶逆变换。倒谱分析的离散运算形式为：

2 故障诊断

　　2．1 提取轴承特征

　　小波分析利用时间平移和多分辨率的概念，可以同时处理时、频分析，具有时频局部化和多分辨功能。其基本思想是用一族函数去表示或逼近一信号或函数，通过满足一定条件的基本小波函数的不同尺度的平移和展缩构成的。但在正交小波变换中，只对信号的低频成分进行了递推分解，导致高频成分的频率分辨率较低，表现为时一频分辨率在低频处频率分辨率高，在高频处时间分辨率高，频率分辨率却降低。利用DSP强大的数字处理功能，本系统采用常见的Hilbert变换法来提取包络信号，提高整个系统的可靠性和精确性。

　　实信号X(t)的Hilbert变换为：

　　2．2 小波奇异性检测

　　函数f(x)的局部奇异性与其小波变换的渐进衰减性之间的关系为：

　　式中：Wsf(x)为f(x)在尺度s上的小波变换。

本文根据小波变