【導讀】本文介紹如何使用LTspice® 分析狀態(tài)監控系統中振動(dòng)數據的頻譜，以便能夠在工業(yè)機械電機故障的早期發(fā)出預警。同時(shí)介紹如何從Microsoft Excel® 電子表格中提取X、Y和Z平面數據，并將其轉化為可以通過(guò)LTspice進(jìn)行傅里葉變換的格式，以生成振動(dòng)數據的諧波量圖。
簡(jiǎn)介
數字技術(shù)的進(jìn)步?jīng)]有絲毫放緩的跡象，已滲透到我們生活的方方面面。為機器提供智能并非奧威爾式的反烏托邦；由于自動(dòng)化反饋環(huán)路有助于減少直接維護時(shí)間，因此可提高工廠(chǎng)自動(dòng)化的效率。
工業(yè)4.0描述了將大數據的優(yōu)勢帶入工廠(chǎng)車(chē)間的概念。裝有傳感器的機器可監控自身的性能并相互通信，從而共同分擔整個(gè)工作載荷，同時(shí)向后臺提供重要的診斷信息，而且無(wú)論在同一座建筑物里還是在不同的大陸都可以實(shí)現。
對ADI產(chǎn)品進(jìn)行的一項快速調查顯示，ADI公司主要致力于為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIOT)提供解決方案，即從傳感器到云的各種穩定可靠的高性能信號鏈組件。
在工業(yè)自動(dòng)化中的一個(gè)應用領(lǐng)域就是 狀態(tài)監控(CbM),通過(guò)仔細校準機器的標稱(chēng)工作特性，然后使用本地傳感器密切監控機器本身的狀態(tài)。偏離標稱(chēng)信號的狀態(tài)即表示機器需要維護。因此，配備狀態(tài)監控系統的機器可根據實(shí)際需要進(jìn)行維護，而不是相對隨意地安排維修計劃。
確定電機運行狀態(tài)的一種比較好的方法是檢查其振動(dòng)特征。ADI的MEMS 技術(shù)可用于持續監控電機的振動(dòng)特征，并與已知無(wú)故障電機的特征比較，由此判斷電機的運行狀況。 事實(shí)上，每種電機故障都有其自己的獨特諧波特征。通過(guò)查看振動(dòng)模式的諧波成分，可以檢測軸承、內環(huán)和外環(huán)，甚至齒輪箱齒中的故障。
在LTspice中分析振動(dòng)數據
為了產(chǎn)生用于在LTspice中進(jìn)行傅里葉分析的數據，將三個(gè)ADXL1002 加速度計連接到電機，如圖1所示，以測量側向、垂向和縱向（分別為X、Y和Z）振動(dòng)。
圖1.分別在側向、垂向和縱向測得X、Y和Z通道的振動(dòng)。
將振動(dòng)數據下載并保存到Microsoft Excel電子表格中。在500 kSPS速率下進(jìn)行數據采樣，通過(guò)一秒振動(dòng)數據得到三列Microsoft Excel數據，每列數據長(cháng)500,000行。X、Y和Z數據樣本如圖2所示。
圖2.提取X、Y和Z數據。
現在可檢查此數據的諧波成分，以確定電機的運行狀況。傅里葉分析是從波形中提取分量頻譜的數學(xué)過(guò)程。純正弦波的頻譜中僅包含一個(gè)頻率，稱(chēng)為基波頻率。如果正弦波失真，將出現除基波頻率之外的其他頻率。通過(guò)分析電機振動(dòng)模式的頻譜，可精確地診斷其運行狀況。
由于能夠執行傅里葉分析的硬件和軟件通常價(jià)格很高，所以這里我們介紹一種可以對MEMS數據進(jìn)行傅里葉分析的方法，基本上無(wú)需任何成本。
LTspice是一款功能強大、可免費使用的電路仿真器，它可以使用從狀態(tài)監控系統的MEMS傳感器中獲取的振動(dòng)數據，通過(guò)傅里葉分析繪制任何波形的頻譜。
通過(guò)圖3所示的數據格式，LTspice能夠生成傅里葉分析圖，其中每個(gè)振動(dòng)數據點(diǎn)都與其相應的時(shí)間戳配對。
圖3.時(shí)間和電壓實(shí)例的格式。
使用Microsoft Excel將數據轉換成這種格式相對比較容易。過(guò)程如下。
首先，將圖2中的數據列分成Excel文件中的三個(gè)工作表，命名為X、Y和Z，如圖4所示。
圖4.創(chuàng )建三個(gè)工作表后，將X、Y和Z數據復制到相應的工作表中。
在數據左側插入一列——此列為每個(gè)數據值的時(shí)間戳。
由于在一秒內提取了500,000個(gè)數據樣本，每個(gè)數據點(diǎn)間隔2 µs。因此，在新列的第一個(gè)單元格中，輸入
2E-6
代表2µs處的第一個(gè)時(shí)間戳。
填充其余時(shí)間戳列數值的最簡(jiǎn)單方式是使用Series命令。在Microsoft Excel的搜索框中，鍵入“Series”以顯示圖5所示的菜單選項。
從下拉菜單中選擇 填充系列或模式(Fill Series or Pattern), 然后選擇系列…(Series…)。
圖5.如何在Microsoft Excel中填充多個(gè)單元格。
此時(shí)出現圖6所示的對話(huà)框，選中 列(Columns) 和 線(xiàn)性(Linear)單選按鈕。在 步進(jìn)值(Step value)中輸入2E-6，在 停止值(Stop value)中輸入1。
圖6.使用線(xiàn)性擴展數據集填充單元格。
點(diǎn)擊確定(OK)填充左列數據時(shí)間戳，從2 µs遞增到1秒。先填充前幾個(gè)值，然后將光標一直拖到數據范圍末尾的底部單元格，也可達到同樣的目的——但對于500,000行數據，需要拖得很長(cháng)。
現在就得到LTspice可以處理的數據格式，如圖7所示。
圖7.顯示時(shí)間戳和相應數據樣本的列。
如果數據集很大，采樣間隔短，則Microsoft Excel可能會(huì )將時(shí)間戳四舍五入為不恰當的小數位數。如果出現這種情況，則突出顯示第一列，然后選擇 然后選擇格式化(Format) > 格式化單元格(Format Cells)，如圖8所示。
圖8.重新選擇單元格的格式以去除所有舍入誤差。
選擇合適的小數位數，如圖9所示。
圖9.將時(shí)間戳分辨率增加到小數點(diǎn)后5位。
在填充時(shí)間戳列并擴展有效位數后，將每個(gè)工作表的兩列復制到記事本或其他文本編輯器文件中，如圖10所示。
圖10.包含時(shí)間和振動(dòng)數據的文本文件。
總共應該有三個(gè)文本文件，其中包含狀態(tài)監控系統中X、Y和Z軸的振動(dòng)數據。
現在，可將此數據直接讀入LTspice中。
按照圖11所示在LTspice中構建原理圖。在該設計中，有六個(gè)電壓源分別對應于故障和非故障的X，Y，Z軸的數據。這樣就可以對新電機的振動(dòng)數據執行傅里葉分析，并將分析結果與疑似故障電機數據的傅里葉分析進(jìn)行比較。此方法的一大優(yōu)勢是新（非故障）電機的頻率圖可以疊加在疑似故障電機的頻率圖上，因此，性能差異一目了然。
圖11.顯示故障電機和非故障電機振動(dòng)數據電壓輸出的LTspice原理圖。
LTspice命令
.options plotwinsize=0 numdgt=15
去除了LTspice中的默認壓縮設置，有時(shí)會(huì )產(chǎn)生更清晰的結果。如果忽略此行，仿真運行速度會(huì )更快，但產(chǎn)生的結果可能不太精確。
完成原理圖后，右鍵單擊每個(gè)電壓源，選擇 高級(Advanced)按鈕，選中 PWL文件(PWL File)單選按鈕，然后輸入包含振動(dòng)數據的相應文本文件的文件名，如圖12所示。這將創(chuàng )建一個(gè)分段線(xiàn)性電壓源，其中包含一系列電壓及其相應的時(shí)間實(shí)例。如果這些文本文件與LTspice文件存儲在同一目錄中，則操作會(huì )更簡(jiǎn)單。
圖12.根據振動(dòng)數據創(chuàng )建分段線(xiàn)性電壓源。
然后應使用以下命令進(jìn)行配置，在原始振動(dòng)測試過(guò)程中運行瞬態(tài)分析
.tran 1
最后運行仿真。仿真可能需要一段時(shí)間才能完成，具體取決于數據點(diǎn)和瞬態(tài)分析時(shí)長(cháng)。
故障電機和非故障電機的仿真結果如圖13所示。該實(shí)驗在一臺轉速為587.3 rpm的電機上進(jìn)行，電機的軸承出現故障，外環(huán)未對準，負載為12磅。圖中還顯示了同一轉速下無(wú)故障電機的振動(dòng)模式。顯然，與非故障電機相比，故障電機的振動(dòng)特征幅度明顯更高。
圖13.故障和非故障電機振動(dòng)數據的時(shí)域結果。
突出顯示波形(Waveform)窗口，然后從菜單欄中選擇查看(View) > FFTT。這將基于瞬態(tài)數據計算FFT。
從圖2中的數據可以看到，在35000V這樣如此高的失調電壓上，我們通過(guò)數字只能看到很小的變化。在LTspice中進(jìn)行仿真時(shí)，這些數據會(huì )轉換成一個(gè)35,000 V的直流失調電壓，并在此失調電壓上還會(huì )疊加一個(gè)交流波形。
在傅里葉分析圖中，此失調電壓在頻譜位置的直流點(diǎn)上表現為很大的一個(gè)尖刺，因此，當LTspice自動(dòng)縮放Y軸時(shí)，相關(guān)諧波比例極小。右鍵單擊X軸，指定高于直流電壓的頻率范圍，由此可忽略直流失調電壓——5 Hz至1 kHz應該足夠。
右鍵單擊Y軸，選擇 線(xiàn)性(Linear)單選按鈕以查看諧波，如圖14所示。
圖14.去除直流雜散在線(xiàn)性坐標系中顯示的傅里葉圖。
在圖形區單擊鼠標右鍵，可添加額外的繪圖窗格，即可將振動(dòng)頻譜成分以X、Y和Z圖分別呈現，如圖15所示。
圖15.X、Y和Z振動(dòng)圖分離。
可以清楚地看到電機的10 Hz旋轉頻率，以及60 Hz、142 Hz和172 Hz處存在明顯的諧波。雖然本文不會(huì )分析電機內部的哪些組件導致了這些諧波，但毫無(wú)疑問(wèn)，振動(dòng)模式因電機磨損而改變。
結論
ADI的MEMS加速度計系列能夠提供關(guān)鍵數據，進(jìn)而在早期檢測出電機故障，但這只是解決方案的一半。必須通過(guò)傅里葉分析仔細研究這些數據。遺憾的是，能夠執行傅里葉分析的設備或軟件通常很昂貴。而LTspice能夠免費精確分析CbM數據，從而實(shí)現早期檢測和診斷機器故障。
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