專利名稱：一種基于dsp的機(jī)載液壓泵源故障診斷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空機(jī)載液壓泵故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于DSP的機(jī)載液壓泵源 故障診斷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對作戰(zhàn)飛機(jī)任務(wù)出勤率和戰(zhàn)備完好率要求的提高，加之測試技術(shù)、信號處 理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，目前國外先進(jìn)飛機(jī)均釆用了完備的健康管理系統(tǒng)(PHM系統(tǒng)) 以實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和壽命預(yù)測，從而有效降低飛機(jī)事故率，節(jié)省維修費(fèi)用。
航空液壓泵是飛機(jī)液壓泵源系統(tǒng)的核心部件，在飛機(jī)起飛、飛行操縱、著陸過程中起著 十分重要作用，它提供高壓液壓油，驅(qū)動飛機(jī)作動系統(tǒng)按照預(yù)定飛行姿態(tài)和軌跡飛行。
目前國內(nèi)飛機(jī)上只對液壓泵的工作壓力進(jìn)行簡單監(jiān)測，根本談不上故障診斷和壽命預(yù)測。 我國新一代大型軍用運(yùn)輸機(jī)和大型客機(jī)的研制均明確提出了要裝備飛機(jī)液壓系統(tǒng)PHM系統(tǒng)。 如果可以對機(jī)載液壓泵源進(jìn)行實時狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷就可以充分利用液壓泵源壽命，及時 調(diào)度維修資源，減少維修時間和提高飛機(jī)使用率，因此機(jī)載液壓泵源故障診斷的研究具有很 重要的理論研究意義與工程應(yīng)用價值。
鑒于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸有限，機(jī)載計算單元的能力有限，機(jī)載液壓能源故障診斷系統(tǒng)需要 具備快速性，魯棒性，小型化，集成化的特征。其中快速故障診斷技術(shù)是故障預(yù)測與故障診 斷系統(tǒng)中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題。
目前國內(nèi)的液壓泵源故障診斷是先將采集來的數(shù)據(jù)通過下位機(jī)進(jìn)行保存后，將所采集的 數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行故障診斷分析。整個故障診斷的過程是分離的，沒有做到故障診斷的實時 性和快速性要求。另外，由于數(shù)據(jù)采集卡的體積龐大，不能滿足故障診斷系統(tǒng)的小型化和集 成化的特征。
發(fā) 明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的是為航空液壓泵設(shè)計具備快速性、魯棒性、小型化、集成化的機(jī)載故障 診斷系統(tǒng)，對機(jī)載液壓泵源進(jìn)行實時的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，主要解決機(jī)載液壓泵故障診斷 系統(tǒng)快速性和準(zhǔn)確性的問題。
本發(fā)明是基于DSP的機(jī)載液壓泵源故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號調(diào)理 系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、上位機(jī)顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和恒流源模塊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳感器 采集后的模擬信號經(jīng)信號調(diào)理系統(tǒng)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號后，再經(jīng)高速A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并通過SPI接口傳輸?shù)紻SP信號處理系統(tǒng)中，在DSP信號處理系統(tǒng)中對轉(zhuǎn)換后的數(shù) 字信號進(jìn)行頻譜分析，結(jié)合知識庫數(shù)據(jù)對飛機(jī)泵源系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。最終，通過CAN總 線將數(shù)據(jù)狀態(tài)和診斷結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示系統(tǒng)(飛控計算機(jī))進(jìn)行顯示。所述的電源系統(tǒng) 為信號調(diào)理系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)提供工作電源。恒流源纟莫塊為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的加速度傳感 器提供恒流源電源。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
(1) 利用TMS320F2812的信號處理速度快和可控性好的特點(diǎn)，并編制相應(yīng)的故障診斷算 法，實現(xiàn)了機(jī)載液壓泵故障診斷系統(tǒng)快速性和魯棒性的需求。
(2) 通過選取高速、高精度AD轉(zhuǎn)換芯片AD7928,提高了故障診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
(3) 整個故障診斷系統(tǒng)采用運(yùn)算速度快，小體積、高可靠性的嵌入式系統(tǒng)，適應(yīng)飛機(jī)上靈活 的需要，滿足機(jī)載故障診斷系統(tǒng)的特殊要求。
附圖說 明


圖1是本發(fā)明的液壓泵源故障診斷系統(tǒng)框圖2是正常與柱塞軸向游隙增大后振動信號功率譜X才比圖2a是正常泵軸向振動頻譜圖2b是正常泵徑向振動頻譜圖2c是柱塞球頭游隙增大泵軸向振動頻譜圖2d是柱塞球頭游隙增大泵徑向振動頻譜圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖是實施例對本發(fā)明的液壓泵源故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。 本發(fā)明的液壓泵源故障診斷系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)1、信號調(diào)理系統(tǒng)2、信號處理系 統(tǒng)3、上位機(jī)顯示系統(tǒng)4、電源系統(tǒng)5和恒流源模塊6組成，如圖1所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)l 通過各種傳感器采集航空液壓泵源的信息，并轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給信號調(diào)理系統(tǒng)2，信號調(diào) 理系統(tǒng)2對電信號進(jìn)行電壓跟隨、濾波、放大等預(yù)處理，然后輸出給信號處理系統(tǒng)3進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換和故障診斷，最后通過CAN總線傳輸給上位機(jī)顯示系統(tǒng)4對診斷結(jié)果進(jìn)行顯示， 電源系統(tǒng)5為信號調(diào)理系統(tǒng)2和信號處理系統(tǒng)3提供電源。 1)數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)l作為整個故障診斷系統(tǒng)的輸入，作用是通過各種類型的傳感器將各種物 理信號轉(zhuǎn)化為可被傳輸?shù)碾娦盘枺?是取信息的準(zhǔn)確與否直接決定著整個系統(tǒng)信號采集、診 斷的精度。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1中傳感器包括加速度傳感器101，壓力傳感器102、流量傳感器103、 溫度傳感器104、壓差傳感器105，其中，流量傳感器103包括出口和回油流量傳感器，溫度傳感器104包括油液溫度傳感器和回油溫度傳感器。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1所采用的LCOl系列內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器101必須有外界提供電 源才能工作。但它要求的是恒流源，典型值為24V， 4mA，恒流源模塊6的作用是為IC壓 電加速度傳感器提供電源。
2) 信號調(diào)理系統(tǒng)
由于泵源系統(tǒng)的工作環(huán)境一般都較為復(fù)雜，受外部千擾大，傳感器感受的信息容易受外 界干擾影響，從而不容易發(fā)現(xiàn)和提取故障特征，因此需要對傳感器信號進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)理。
信號調(diào)理系統(tǒng)2介于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1和信號處理系統(tǒng)3之間，用于將傳感器采集到的電 信號進(jìn)行電壓跟隨、濾波、放大等預(yù)處理，將信號調(diào)整到與A/D轉(zhuǎn)換芯片所匹配的范圍。
信號調(diào)理系統(tǒng)2包括濾波電路201、信號轉(zhuǎn)化模塊202、信號調(diào)理模塊203。
濾波電路201是由二階濾波電路組成，通過調(diào)節(jié)電位計的阻值可以設(shè)置不同的截止頻率， 作用是將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1傳輸過來的電信號中的雜波進(jìn)行濾除。。
信號轉(zhuǎn)化模塊202的作用是將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1的輸出信號轉(zhuǎn)化為OV—+5￥直流電壓信 號，滿足信號處理系統(tǒng)3中的A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)301對輸入信號的要求。
信號調(diào)理模塊203主要是由電壓跟隨器組成，其作用是提高輸入電阻和降低輸出電阻， 可以有效的隔離傳感器和A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)301之間的耦合干擾。
3) 信號處理系統(tǒng)
信號處理系統(tǒng)3由A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)301及DSP信號處理系統(tǒng)302組成。 選取DSP系列中的TMS320F2812芯片為診斷系統(tǒng)的核心處理器，DSP信號處理系統(tǒng) 302自身的A/D轉(zhuǎn)換器雖然有12位精度，但在實際的使用過程中A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果誤差較 大，不能滿足數(shù)據(jù)采集的要求。故選擇一款采樣精度高、轉(zhuǎn)換誤差小的AD7928芯片組成 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)301，其采樣精度是12位，最大釆樣速率可以達(dá)到1MSPS,可以滿足故障 診斷系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性的要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1采集的模擬信號經(jīng)信號調(diào)理系統(tǒng)2調(diào)理 后，由A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)301轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過SPI接口傳送到DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)302 中，而后在DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)302中對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行頻譜分析，結(jié)合知識庫數(shù)據(jù) 進(jìn)行信號處理和故障診斷，所述的知識庫數(shù)據(jù)包括故障模式知識、采特征向量數(shù)據(jù)庫、故障 閾值、泵源關(guān)鍵部件壽命分布規(guī)律數(shù)據(jù)庫等。
本發(fā)明選取DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)302為核心處理器，選取DSPTMS320F2812芯片。 它運(yùn)算速度快，指令執(zhí)行速度高達(dá)150MIPS，具備良好的信息處理能力和實時控制能力；滿 足故障診斷系統(tǒng)的快速性和魯棒性的要求；另外還具備豐富全面的接口功能，方便采用高速 的通訊模式。采用這種小體積、高可靠性的嵌入式系統(tǒng)，適應(yīng)飛機(jī)上靈活的需要，滿足機(jī)載 故障診斷系統(tǒng)的特殊要求。4) 上位機(jī)顯示系統(tǒng)
DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)302處理后的診斷結(jié)果經(jīng)過CAN總線實時的傳輸給上位機(jī)顯示系統(tǒng) 4，上位機(jī)顯示系統(tǒng)4包括數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示模塊401、數(shù)據(jù)保存纟莫塊402和診斷結(jié)果顯示模塊 403，對于影響大(例如入口壓力不足故障)的故障能夠在數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示模塊401上顯示, 同時將故障的診斷結(jié)果在診斷結(jié)果顯示模塊403進(jìn)行顯示，以便駕駛員采取必要的措施，最 后在數(shù)據(jù)保存l莫塊402中進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。
5) 電源系統(tǒng)
220V交流電源經(jīng)過AV/DC電源轉(zhuǎn)換模塊501和電源轉(zhuǎn)換模塊502轉(zhuǎn)換為24V、 + 15V、 -15V、 5V、 3.3V、 1.8V直流電源。其中24V、 +15V、 -15V電壓供信號調(diào)理系統(tǒng) 2使用，5V、 3.3V、 1.8V電壓供信號處理系統(tǒng)3使用。
實施 例
(1)柱塞游隙增大故障 柱塞泵是整個飛機(jī)液壓系統(tǒng)中的能源提供者，要不斷地完成吸油和排油過程，主要靠柱 塞不斷的往復(fù)運(yùn)動。
柱塞與缸體柱塞孔之間會有高壓油液進(jìn)入到摩擦副配合間隙，產(chǎn)生一定的潤滑作用，阻 止干摩擦的發(fā)生。在這個過程中，柱塞和缸體之間會受到接觸應(yīng)力與摩擦力的作用，隨著工 作時間的增長或者污染物顆粒的傾入，柱塞會受到不同程度的磨損，缸體柱塞孔直徑也會增 大，這時便產(chǎn)生了由疲勞磨損造成的摩擦副配合間隙增大，出現(xiàn)柱塞游隙增大的故障，油液 通過此縫隙節(jié)流口發(fā)生泄漏，使回油流量增大。 <2)傳感器的選取與布局
正常泵在初始工作時，柱塞軸向間隙很小，碰撞振動很小。 一旦柱塞出現(xiàn)間隙增大的現(xiàn) 象，將會出現(xiàn)一個耦合的沖擊振動，疊加到泵的固有振動上，通過殼體傳出。 振動信號是對于診斷最為關(guān)鍵的物理量，蘊(yùn)含了豐富的故障信息。對于泵源系統(tǒng)而言，如果 系統(tǒng)出現(xiàn)故障則一定會引起系統(tǒng)的附加振動，利用振動信號診斷是故障診斷技術(shù)的核心，加 速度傳感器用來采集液壓泵體的振動信號。通過實驗確定選擇量程分別為500g的加速度傳 感器，在量程滿足的情況下要使靈敏度符合精度要求。 (3)液壓泵源故障診斷算法與結(jié)果
故障診斷的基本原理是將加速度傳感器所測得的振動信號進(jìn)行頻譜分析，以突出故障頻 率，從而在故障頻率處把正常液壓泵的功率譜與故障液壓泵的功率譜區(qū)分開來，以達(dá)到故障 診斷的目的。
因此，本發(fā)明中的故障診斷系統(tǒng)中采用DSP自帶的FFT算法，并與功率譜法相結(jié)合， 能夠快速準(zhǔn)確的得到被釆集信號的頻域特性，進(jìn)行故障診斷。從功率譜分析圖中可以找出正常信號與每種故障信號直觀的差異，從診斷結(jié)果則定量計 算出特征值，選定合適的閾值后，便可以很好地分離各種故障。
發(fā)生柱塞軸向游隙增大的故障，正常與故障振動信號對比如圖2a 2d。
通過圖2a 2d的對比可以得到，當(dāng)發(fā)生柱塞球頭游隙增大故障時，無論是軸向還是徑 向振動的功率譜，在l， 2， 4， 5， 7， 8倍頻處求各個小區(qū)間內(nèi)的最大能量與周圍平均能量 的比值的和都會變小。其中最明顯的是零流量時加速度信號，這是因為零流量時，流體脈動 造成的振動最小，軸頻率各個倍頻點(diǎn)處的能量也比較小，所以更容易被故障信號淹沒。當(dāng)處 于全流量工況時，因為流體脈動造成的振動最大，軸頻率各個倍頻點(diǎn)處的能量也比較大，故 障信號產(chǎn)生的影響相對較小。
因此可以通過判斷泵工作時的特定倍頻點(diǎn)功率譜之和來判定是否出現(xiàn)柱塞球頭游隙增大 故障，當(dāng)泵軸向和徑向加速度信號同時出現(xiàn)特定倍頻點(diǎn)功率譜之和小于閾值(設(shè)定為100) 時，我們認(rèn)為發(fā)生故障，這種判斷方法在零流量時準(zhǔn)確率較高。
實驗表明，本故障診斷系統(tǒng)能夠滿足機(jī)載液壓泵源故障診斷系統(tǒng)所需的快速性和準(zhǔn)確性 要求，診斷正確率高達(dá)90。/。。
權(quán)利要求
1、一種基于DSP的機(jī)載液壓泵源故障診斷系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號調(diào)理系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、上位機(jī)顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和恒流源模塊；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過傳感器采集航空液壓泵源的信息，并轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給信號調(diào)理系統(tǒng)，信號調(diào)理系統(tǒng)對電信號進(jìn)行電壓跟隨、濾波、放大預(yù)處理，預(yù)處理后的結(jié)果輸出給信號處理系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和故障診斷，診斷結(jié)果通過CAN總線傳輸給上位機(jī)顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示，電源系統(tǒng)為信號調(diào)理系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)提供電源；恒流源模塊為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的加速度傳感器提供恒流源；所述的信號處理系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及DSP信號處理系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的模擬信號經(jīng)信號調(diào)理系統(tǒng)調(diào)理后，由A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過SPI接口傳送到DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，而后在DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行頻譜分析，結(jié)合知識庫數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理和故障診斷，所述的DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)選取DSPTMS320F2812芯片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的機(jī)載液壓泵源故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述 的知識庫數(shù)據(jù)包括故障模式知識、釆特征向量數(shù)據(jù)庫、故障閾值、泵源關(guān)鍵部件壽命分布規(guī) 律數(shù)據(jù)庫等。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的機(jī)載液壓泵源故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中傳感器包括加速度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、壓差 傳感器，其中，流量傳感器包括出口和回油流量傳感器，溫度傳感器包括油液溫度傳感器和 回油溫度傳感器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的機(jī)載液壓泵源故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述 的信號調(diào)理系統(tǒng)包括濾波電路、信號轉(zhuǎn)化模塊和信號調(diào)理模塊，濾波電路是由二階濾波電路 組成，通過調(diào)節(jié)電位計的阻值設(shè)置不同的截止頻率，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸過來的電信號中的 雜波進(jìn)行濾除，信號轉(zhuǎn)化模塊的作用是將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出信號轉(zhuǎn)化為OV—+5V直流電 壓信號，滿足信號處理系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對輸入信號的要求，信號調(diào)理模塊主要是由電 壓跟隨器組成，其作用是提高輸入電阻和降低輸出電阻，隔離傳感器和A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之間的 耦合干擾。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的機(jī)載液壓泵源故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述 的上位機(jī)顯示系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊和診斷結(jié)果顯示模塊，對于影響大 的故障能夠在數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示模塊上顯示，同時將故障的診斷結(jié)果在診斷結(jié)果顯示模塊進(jìn)行顯 示，以便駕駛員采取必要的措施，最后在數(shù)據(jù)保存模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于DSP的機(jī)載液壓泵源故障診斷系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號調(diào)理系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、上位機(jī)顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和恒流源模塊，所述的信號處理系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及DSP信號處理系統(tǒng)組成，所述的DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)選取DSPTMS320F2812芯片，在信號處理系統(tǒng)中對飛機(jī)泵源系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，最終，通過CAN總線將數(shù)據(jù)狀態(tài)和診斷結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。本發(fā)明采用小體積、高可靠性的嵌入式DSP系統(tǒng)，適應(yīng)飛機(jī)上靈活的需要，滿足機(jī)載故障診斷系統(tǒng)的特殊要求，提高了故障診斷系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性。
文檔編號F04B51/00GK101581295SQ20091008731
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者雋 杜, 康 王, 王少萍, 趙四軍 申請人:北京航空航天大學(xué)