CN105258926A - 一种基于dsp的转子系统故障识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP的转子系统故障识别装置，包括有振动信号检测调理模块、转速信号检测调理模块、核心控制模块、显示模块、电源模块。本发明通过振动信号检测调理模块实现对振动信号的滤波、去噪、不同倍数的放大，能够将很小的振动信号放大很多倍，使核心控制芯片对其进行处理，实现转子系统故障的识别；本发明采用了高运算速度，高精度的DSP芯片作为核心控制模块的主控芯片，实现了转子系统的对振动信号的实时检测、处理、运算，保证了转子系统的实时性。本发明采用了单输入直流电源模块，避免了所输入电源间的干扰，保证了核心控制模块运行的稳定性。

Description

一种基于DSP的转子系统故障识别装置

技术领域

本发明涉及旋转机械故障识别装置技术领域，尤其涉及一种基于DSP的转子系统故障识别装置。

背景技术

滚动轴承是机械设备转子系统重要的易损零件之一，它的运行状态直接影响到整个机械设备的状态。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，严重的会导致轴承断裂，造成事故。在旋转机械设备故障中，约有30%的故障是由轴承损坏引起的。如何能够保证转子系统在运转过程中准确识别其故障类型是保证转子系统运转的平稳性、工作高效性的一项关键性技术。传统的诊断方法如冲击脉冲法和共振解调法虽然较大的提高了诊断精度，但是仍然需要人工辅助，难以实现复杂环境下的精确诊断。因此，采用智能方法对滚动轴承进行状态检测以及故障诊断显得十分必要。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于DSP的转子系统故障识别装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：包括有振动实验台、核心控制模块、振动信号检测调理模块、转速信号检测调理模块、显示模块和电源模块，所述的核心控制模块为一主控芯片，所述的振动信号检测调理模块包括有依次串联的振动传感器供电回路、振动传感器、振动信号调理电路一，所述的转速信号检测调理模块包括有相串联的霍尔转速传感器和转速信号调理电路二，所述的主控芯片分别与所述的显示模块、电源模块、振动信号调理电路一和转速信号调理电路二连接，主控芯片与计算机连接，电源模块还分别与显示模块、振动传感器供电回路和霍尔转速传感器的电源输入接口连接；转子系统运转时，霍尔转速传感器捕获当前转子系统的转速信号，经过转速信号调理电路二的处理输入到核心控制模块的主控芯片事务管理器的捕获模块，主控芯片通过计算单位时间内的转速信号脉冲得到当前转子系统的转频，振动传感器将振动实验台的振动信号经过振动信号调理电路一的处理最终输入到核心控制模块的主控芯片的采样模块中，以振动信号一个周期采样点数为标准，对振动信号进行截取，计算截取信号的能量，即周期能量，当转子系统产生局部损伤时，损伤点就会与转子的其它元件表面发生周期性接触，从而产生周期性振动，据此，提出了周期能量的概念，通过分析知，不同类型故障的周期能量处于不同的范围内，进而计算机可以通过周期能量来判断转子系统的故障类型，并通过显示模块将周期能量和故障类型显示出来。

所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的主控芯片的型号为TMS320F2812。

所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的振动信号检测调理模块、转速信号检测调理模块、显示模块均采用标准端口与核心控制模块相连接，所述的振动传感器采用2线接口与振动信号调理电路一连接，所述的霍尔传感器采用3线接口与转速信号调理电路二连接。

所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的振动信号检测调理模块的振动信号调理电路一包括有三端恒流器U01-LM334、模拟电子开关U02-CD4051和运算放大器LM358P；三端恒流器U01-LM334的1脚同时与电阻R1、R2连接，2脚接电源模块的24V，3脚同时与电阻R1和开关二极管1N4148连接，1N4148的另一端同时与电阻R2的另一端和高通滤波电容C1连接，C1的另一端同时与低通滤波电容C2和电阻R4连接；模拟电子开关U02-CD4051的INCOM脚同时与电阻R9和运算放大器LM358P的6脚连接，R9的另一端与滤波电容C4连接，C4的另一端同时与积分滤波电路的电阻R5、电容C3和运算放大器LM358P的1脚连接，C3、R5的另一端同时与R4的另一端、LM358P的2脚连接，模拟电子开关U02-CD4051的INH、VEE、VSS脚与地连接，模拟电子开关U02-CD4051的VCC脚接电源模块的5V口，滤波电容C5一端接5V口，另一端接地，模拟电子开关U02-CD4051的A、B、C接主控芯片的101、102、104脚，模拟电子开关U03-CD4051的IO0脚与电阻R010与R011连接，IO1脚与电阻R012的一端连接，IO2脚与电阻R013的一端连接，电阻R010、R011、R012、R013的另一端接电阻R10的一端和运算放大器LM358P的7脚，IO3脚接电阻R014的一端，R014的另一端与电阻R015的一端连接，IO4脚与电阻R016、R017连接，电阻R015、R016、R017的另一端分别与电阻R10的一端和运算放大器LM358P的7脚连接，IO5脚接电阻R018的一端，IO6脚接电阻R019的一端，R019的另一端接电阻R020的一端，IO7脚接电阻R021的一端，R021的另一端接电阻R022的一端，电阻R018、R020、R022的另一端分别与电阻R10的一端和运算放大器LM358P的7脚连接，R10的另一端接二极管D2的正极和主控芯片的174脚，二极管D2的负极接电源模块VCC口，运算放大器LM358P的3脚与电阻R6、R7、电容C6的一端连接，R6的另一端接5V口，R7的另一端与R8和LM358P的5脚连接，C6、R8的另一端分别接地，LM358P的8脚接电源模块的24V口，LM358P的4脚接地。

所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的转速信号检测调理模块的转速信号调理电路二包括有霍尔转速传感器连接端口P2和施密特触发器U04-74HC132，霍尔转速传感器连接端口P2上设有传感器电源输入接口G、转速信号输出接口F和接地口E，传感器电源输入接口G分别连接电源模块的5V口、电容C7的一端，电容C7的另一端接弱地，转速信号输出接口F分别接电阻R11的一端、电阻R12的一端，电阻R11的另一端接电源VCC，电阻R12的另一端接电容C8的一端和施密特触发器U04-74HC132的1脚，电容C8的另一端接地，施密特触发器U04-74HC132的2脚接电源VCC,施密特触发器芯片74HC132的3脚接接主控芯片的106脚，74HC132的4、5、9、10、12、13脚接地，14脚接电源VCC，电容C9的两端分别于74HC132的13、14脚连接，74HC132的6、8、11脚悬空。

所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的电源模块包括有24V直流电源、5V直流电源、3.3V直流电源和1.8V直流电源,输出接口依次分别为的VCC24V口、、VCC5V口、VCC口、VCC1.8V口。

24V直流电源用于所述振动信号检测调理模块的振动传感器供电，还用于振动信号检测调理模块运算放大器供电，5V直流电源用于所述转速信号检测调理模块的霍尔转速传感器的供电、运算放大器分压供电，以及核心控制模块供电电源的转换，3.3V直流电源用于所述核心控制模块外围设备和显示模块的供电，1.8V电源用于所述核心控制模块内核的供电。

本发明的优点是：

（1）本发明通过振动信号检测调理模块的信号调理电路一对传感器监测到的振动信号进行滤波、去噪、放大处理，其中放大部分可以通过模拟电子开关CD4051实现对不同倍数的放大，能够将很小的振动信号放大很多倍，有利于我们对其提取、观察、分析；（2）本发明采用了高运算速度，高精度的DSP芯片作为核心控制模块的主控芯片，实现了转子系统的对振动信号的实时检测、处理、运算，保证了转子系统的实时性；（3）本发明采用了单输入24V直流电源模块，没有采用双输入24V和5V直流电源模块，而是通过芯片L7805将24V转为5V，比较方便，防止外部输入电压相互干扰，保证了核心控制模块运行的稳定性。

附图说明

图1是本发明的总体模块结构图。

图2是本发明的总体方案图。

图3是本发明的振动信号检测调理模块框图。

图4是本发明的振动信号检测调理电路图。

图5是本发明的转速信号检测调理模块的信号调理电路图。

图6是本发明的主控芯片TMS320F2812与振动信号检测调理模块、转速信号检测调理模块连接图。

图7是本发明的故障识别过程流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种基于DSP的转子系统故障识别装置，包括有振动试验台7、核心控制模块1、振动信号检测调理模块2、转速信号检测调理模块3、显示模块6和电源模块5，所述的核心控制模块1为一主控芯片8，所述的振动信号检测调理模块2包括有依次串联的振动传感器供电回路14、振动传感器9和振动信号调理电路一10，所述的转速信号检测调理模块3包括有相串联的霍尔转速传感器11和转速信号调理电路二12，所述的主控芯片8分别与所述的显示模块6、电源模块5、振动信号检测调理模块2的振动信号调理电路一10和转速信号检测调理模块3的转速信号调理电路二12连接，主控芯片8与计算机4连接，电源模块5还分别与显示模块6、振动传感器供电回路16和霍尔转速传感器11的电源输入接口连接，转子系统运转时，霍尔转速传感器11捕获当前转子系统的转速信号，经过转速信号调理电路二12的处理输入到核心控制模块1的主控芯片8事务管理器的捕获模块，主控芯片8通过计算单位时间内的转速信号脉冲得到当前转子系统的转频，振动传感器9将振动试验台7的振动信号经过振动信号调理电路一10的处理最终输入到核心控制模块1的主控芯片8的采样模块中，以振动信号一个周期采样点数为标准，对振动信号进行截取，计算截取信号的能量，即周期能量；当转子系统产生局部损伤时，损伤点就会与转子的其它元件表面发生周期性接触，从而产生周期性振动，据此，提出了周期能量的概念，通过分析知，不同类型故障的周期能量处于不同的范围内，进而计算机可以通过周期能量来判断转子系统的故障类型，并通过显示模块6将周期能量和故障类型显示出来。

主控芯片8的型号为TMS320F2812。显示模块6包括有液晶显示器13。

振动信号检测调理模块2、转速信号检测调理模块3、显示模块6均采用标准端口与核心控制模块1相连接，所述的振动传感器9采用标准5线航空接口端子与信号调理电路一10连接。

如图3、4、6所示，振动信号检测调理模块2的振动信号调理电路一10包括有三端恒流器U01-LM334、模拟电子开关U02-CD4051和运算放大器LM358P。三端恒流器U01-LM334的1脚同时与电阻R1、R2连接；2脚接电源模块的24V；3脚同时与电阻R1和开关二极管1N4148连接；1N4148的另一端同时与电阻R2的另一端和高通滤波电容C1连接，C1的另一端同时与低通滤波电容C2和电阻R4连接。模拟电子开关U02-CD4051的INCOM脚同时与电阻R9和运算放大器LM358P的6脚连接，R9的另一端与滤波电容C4连接，C4的另一端同时与积分滤波电路的电阻R5、电容C3和运算放大器LM358P的1脚连接，C3、R5的另一端同时与R4的另一端、LM358P的2脚连接，模拟电子开关U02-CD4051的INH、VEE、VSS脚与地连接，模拟电子开关U02-CD4051的VCC脚接电源模块的5V口，滤波电容C5一端接5V口，另一端接地，模拟电子开关U02-CD4051的A、B、C接主控芯片的101、102、104脚，模拟电子开关U03-CD4051的IO0脚与电阻R010与R011连接，IO1脚与电阻R012的一端连接，IO2脚与电阻R013的一端连接，电阻R010、R011、R012、R013的另一端接电阻R10的一端和运算放大器LM358P的7脚,IO3脚接电阻R014的一端，R014的另一端与电阻R015的一端连接，IO4脚与电阻R016、R017连接，电阻R015、R016、R017的另一端分别与电阻R10的一端和运算放大器LM358P的7脚连接，IO5脚接电阻R018的一端，IO6脚接电阻R019的一端，R019的另一端接电阻R020的一端，IO7脚接电阻R021的一端，R021的另一端接电阻R022的一端，电阻R018、R020、R022的另一端分别与电阻R10的一端和运算放大器LM358P的7脚连接，R10的另一端接二极管D2的正极和主控芯片的174脚，二极管D2的负极接电源模块VCC口，运算放大器LM358P的3脚与电阻R6、R7、电容C6的一端连接，R6的另一端接5V口，R7的另一端与R8和LM358P的5脚连接，C6、R8的另一端分别接地，LM358P的8脚接电源模块的24V口，LM358P的4脚接地。

在系统工作过程中主控芯片TMS320F2812通过控制101、102、104脚选择U02-CD4051某一通道电阻，从而选定该程控放大电路的放大倍数，VCC5V、R6、R7、R8、C6、LM358P组成中值偏压电路，使振动信号的中偏值保持在1.0V，配合U02-CD4051的程控放大电路以使振动信号能最大限度的满足主控芯片IO口的0-3V的电平需求，从而使主控芯片能很好的识别振动信号，并对其进行处理。这样就实现了主控芯片根据原始振动信号的大小通过程序控制振动信号的放大倍数，使其输入到主控芯片的信号能很好的被主控芯片识别处理。

如图5、6所示，所述的转速信号检测调理模块3的转速信号调理电路二12包括有霍尔转速传感器11的连接端口P2和施密特触发器U04-74HC132，霍尔转速传感器11连接端口P2上设有传感器电源输入接口G、转速信号输出接口F和接地口E，传感器电源输入接口G分别连接电源模块5的5V口、电容C7的一端，电容C7的另一端接弱地，转速信号输出接口F分别接电阻R11的一端、电阻R12的一端，电阻R11的另一端接电源模块5的VCC，电阻R12的另一端接电容C8的一端和施密特触发器U04-74HC132的1脚，电容C8的另一端接地，74HC132的2脚接电源模块5的VCC,施密特触发器芯片74HC132的3脚接主控芯片8的106脚，74HC132的4、5、9、10、12、13脚接地，14脚接电源模块5的VCC，电容C9的两端分别于74HC132的13、14脚连接，74HC132的6、8、11脚悬空。

霍尔转速传感器11为开关型传感器，输出信号为5V矩形波，信号峰值与供电电源相同，霍尔传感器信号经过施密特触发器74HC132调理后输入到所述核心控制模块1，GPIOA8为所述核心控制模块1的转速信号输入接口。

转速信号的检测调理过程如下，霍尔转速传感器11通过VCC5V供电，P2端口的F口将转速信号输出，经过74HC132芯片处理，得到适合输入到所述核心控制模块1的转速信号，通过GPIOA8输入到所述核心控制芯片8中。

所述的电源模块5包括有24V直流电源、24V直流电源转换的5V直流电源、、5V直流电源转换的3.3V直流电源和5V直流电源转换的1.8V直流电源,输出接口依次分别为的VCC24V口、VCC5V口、VCC口、VCC1.8V口。24V直流电源用于所述振动信号检测调理模块2的振动传感器9供电，5V直流电源用于所述转速信号检测调理模块3的霍尔转速传感器11、振动信号检测调理模块2的运算放大器供电和运算放大器分压供电，以及核心控制模块1供电电源的转换，3.3V直流电源用于所述核心控制模块1外围设备和显示模块6的供电，1.8V电源用于所述核心控制模块1内核的供电。

Claims (6)

1.一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：包括有振动实验台、核心控制模块、振动信号检测调理模块、转速信号检测调理模块、显示模块和电源模块，所述的核心控制模块为一主控芯片，所述的振动信号检测调理模块包括有依次串联的振动传感器供电回路、振动传感器、振动信号调理电路一，所述的转速信号检测调理模块包括有相串联的霍尔转速传感器和转速信号调理电路二，所述的主控芯片分别与所述的显示模块、电源模块、振动信号调理电路一和转速信号调理电路二连接，主控芯片与计算机连接，电源模块还分别与显示模块、振动传感器供电回路和霍尔转速传感器的电源输入接口连接；转子系统运转时，霍尔转速传感器捕获当前转子系统的转速信号，经过转速信号调理电路二的处理输入到核心控制模块的主控芯片事务管理器的捕获模块，主控芯片通过计算单位时间内的转速信号脉冲得到当前转子系统的转频，振动传感器将振动实验台的振动信号经过振动信号调理电路一的处理最终输入到核心控制模块的主控芯片的采样模块中，以振动信号一个周期采样点数为标准，对振动信号进行截取，计算截取信号的能量，即周期能量，计算机通过周期能量来判断转子系统的故障类型，并通过显示模块将周期能量和故障类型显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的主控芯片的型号为TMS320F2812。

3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的振动信号检测调理模块、转速信号检测调理模块、显示模块均采用标准端口与核心控制模块相连接，所述的振动传感器采用2线接口与振动信号调理电路一连接，所述的霍尔传感器采用3线接口与转速信号调理电路二连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的振动信号检测调理模块的振动信号调理电路一包括有三端恒流器U01-LM334、模拟电子开关U02-CD4051和运算放大器LM358P；三端恒流器U01-LM334的1脚同时与电阻R1、R2连接，2脚接电源模块的24V，3脚同时与电阻R1和开关二极管1N4148连接，1N4148的另一端同时与电阻R2的另一端和高通滤波电容C1连接，C1的另一端同时与低通滤波电容C2和电阻R4连接；模拟电子开关U02-CD4051的INCOM脚同时与电阻R9和运算放大器LM358P的6脚连接，R9的另一端与滤波电容C4连接，C4的另一端同时与积分滤波电路的电阻R5、电容C3和运算放大器LM358P的1脚连接，C3、R5的另一端同时与R4的另一端、LM358P的2脚连接，模拟电子开关U02-CD4051的INH、VEE、VSS脚与地连接，模拟电子开关U02-CD4051的VCC脚接电源模块的5V口，滤波电容C5一端接5V口，另一端接地，模拟电子开关U02-CD4051的A、B、C接主控芯片的101、102、104脚，模拟电子开关U03-CD4051的IO0脚与电阻R010与R011连接，IO1脚与电阻R012的一端连接，IO2脚与电阻R013的一端连接，电阻R010、R011、R012、R013的另一端接电阻R10的一端和运算放大器LM358P的7脚，IO3脚接电阻R014的一端，R014的另一端与电阻R015的一端连接，IO4脚与电阻R016、R017连接，电阻R015、R016、R017的另一端分别与电阻R10的一端和运算放大器LM358P的7脚连接，IO5脚接电阻R018的一端，IO6脚接电阻R019的一端，R019的另一端接电阻R020的一端，IO7脚接电阻R021的一端，R021的另一端接电阻R022的一端，电阻R018、R020、R022的另一端分别与电阻R10的一端和运算放大器LM358P的7脚连接，R10的另一端接二极管D2的正极和主控芯片的174脚，二极管D2的负极接电源模块VCC口，运算放大器LM358P的3脚与电阻R6、R7、电容C6的一端连接，R6的另一端接5V口，R7的另一端与R8和LM358P的5脚连接，C6、R8的另一端分别接地，LM358P的8脚接电源模块的24V口，LM358P的4脚接地。

5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的转速信号检测调理模块的转速信号调理电路二包括有霍尔转速传感器连接端口P2和施密特触发器U04-74HC132，霍尔转速传感器连接端口P2上设有传感器电源输入接口G、转速信号输出接口F和接地口E，传感器电源输入接口G分别连接电源模块的5V口、电容C7的一端，电容C7的另一端接弱地，转速信号输出接口F分别接电阻R11的一端、电阻R12的一端，电阻R11的另一端接电源VCC，电阻R12的另一端接电容C8的一端和施密特触发器U04-74HC132的1脚，电容C8的另一端接地，施密特触发器U04-74HC132的2脚接电源VCC,施密特触发器芯片74HC132的3脚接接主控芯片的106脚，74HC132的4、5、9、10、12、13脚接地，14脚接电源VCC，电容C9的两端分别于74HC132的13、14脚连接，74HC132的6、8、11脚悬空。

6.根据权利要求1所述的一种基于DSP的转子系统故障识别装置，其特征在于：所述的电源模块包括有24V直流电源、5V直流电源、3.3V直流电源和1.8V直流电源,输出接口依次分别为的VCC24V口、、VCC5V口、VCC口、VCC1.8V口。