【導(dǎo)讀】本文介紹如何使用LTspice® 分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中振動數(shù)據(jù)的頻譜，以便能夠在工業(yè)機械電機故障的早期發(fā)出預(yù)警。同時介紹如何從Microsoft Excel® 電子表格中提取X、Y和Z平面數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為可以通過LTspice進(jìn)行傅里葉變換的格式，以生成振動數(shù)據(jù)的諧波量圖。
簡介
數(shù)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；由于自動化反饋環(huán)路有助于減少直接維護(hù)時間，因此可提高工廠自動化的效率。
工業(yè)4.0描述了將大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢帶入工廠車間的概念。裝有傳感器的機器可監(jiān)控自身的性能并相互通信，從而共同分擔(dān)整個工作載荷，同時向后臺提供重要的診斷信息，而且無論在同一座建筑物里還是在不同的大陸都可以實現(xiàn)。
對ADI產(chǎn)品進(jìn)行的一項快速調(diào)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(wěn)定可靠的高性能信號鏈組件。
在工業(yè)自動化中的一個應(yīng)用領(lǐng)域就是 狀態(tài)監(jiān)控(CbM),通過仔細(xì)校準(zhǔn)機器的標(biāo)稱工作特性，然后使用本地傳感器密切監(jiān)控機器本身的狀態(tài)。偏離標(biāo)稱信號的狀態(tài)即表示機器需要維護(hù)。因此，配備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的機器可根據(jù)實際需要進(jìn)行維護(hù)，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特征。ADI的MEMS 技術(shù)可用于持續(xù)監(jiān)控電機的振動特征，并與已知無故障電機的特征比較，由此判斷電機的運行狀況。 事實上，每種電機故障都有其自己的獨特諧波特征。通過查看振動模式的諧波成分，可以檢測軸承、內(nèi)環(huán)和外環(huán)，甚至齒輪箱齒中的故障。
在LTspice中分析振動數(shù)據(jù)
為了產(chǎn)生用于在LTspice中進(jìn)行傅里葉分析的數(shù)據(jù)，將三個ADXL1002 加速度計連接到電機，如圖1所示，以測量側(cè)向、垂向和縱向（分別為X、Y和Z）振動。
圖1.分別在側(cè)向、垂向和縱向測得X、Y和Z通道的振動。
將振動數(shù)據(jù)下載并保存到Microsoft Excel電子表格中。在500 kSPS速率下進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，通過一秒振動數(shù)據(jù)得到三列Microsoft Excel數(shù)據(jù)，每列數(shù)據(jù)長500,000行。X、Y和Z數(shù)據(jù)樣本如圖2所示。
圖2.提取X、Y和Z數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在可檢查此數(shù)據(jù)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(shù)學(xué)過程。純正弦波的頻譜中僅包含一個頻率，稱為基波頻率。如果正弦波失真，將出現(xiàn)除基波頻率之外的其他頻率。通過分析電機振動模式的頻譜，可精確地診斷其運行狀況。
由于能夠執(zhí)行傅里葉分析的硬件和軟件通常價格很高，所以這里我們介紹一種可以對MEMS數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析的方法，基本上無需任何成本。
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(jiān)控系統(tǒng)的MEMS傳感器中獲取的振動數(shù)據(jù)，通過傅里葉分析繪制任何波形的頻譜。
通過圖3所示的數(shù)據(jù)格式，LTspice能夠生成傅里葉分析圖，其中每個振動數(shù)據(jù)點都與其相應(yīng)的時間戳配對。
圖3.時間和電壓實例的格式。
使用Microsoft Excel將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成這種格式相對比較容易。過程如下。
首先，將圖2中的數(shù)據(jù)列分成Excel文件中的三個工作表，命名為X、Y和Z，如圖4所示。
圖4.創(chuàng)建三個工作表后，將X、Y和Z數(shù)據(jù)復(fù)制到相應(yīng)的工作表中。
在數(shù)據(jù)左側(cè)插入一列——此列為每個數(shù)據(jù)值的時間戳。
由于在一秒內(nèi)提取了500,000個數(shù)據(jù)樣本，每個數(shù)據(jù)點間隔2 µs。因此，在新列的第一個單元格中，輸入
2E-6
代表2µs處的第一個時間戳。
填充其余時間戳列數(shù)值的最簡單方式是使用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中填充多個單元格。
此時出現(xiàn)圖6所示的對話框，選中 列(Columns) 和 線性(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.使用線性擴展數(shù)據(jù)集填充單元格。
點擊確定(OK)填充左列數(shù)據(jù)時間戳，從2 µs遞增到1秒。先填充前幾個值，然后將光標(biāo)一直拖到數(shù)據(jù)范圍末尾的底部單元格，也可達(dá)到同樣的目的——但對于500,000行數(shù)據(jù)，需要拖得很長。
現(xiàn)在就得到LTspice可以處理的數(shù)據(jù)格式，如圖7所示。
圖7.顯示時間戳和相應(yīng)數(shù)據(jù)樣本的列。
如果數(shù)據(jù)集很大，采樣間隔短，則Microsoft Excel可能會將時間戳四舍五入為不恰當(dāng)?shù)男?shù)位數(shù)。如果出現(xiàn)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(shù)位數(shù)，如圖9所示。
圖9.將時間戳分辨率增加到小數(shù)點后5位。
在填充時間戳列并擴展有效位數(shù)后，將每個工作表的兩列復(fù)制到記事本或其他文本編輯器文件中，如圖10所示。
圖10.包含時間和振動數(shù)據(jù)的文本文件。
總共應(yīng)該有三個文本文件，其中包含狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中X、Y和Z軸的振動數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在，可將此數(shù)據(jù)直接讀入LTspice中。
按照圖11所示在LTspice中構(gòu)建原理圖。在該設(shè)計中，有六個電壓源分別對應(yīng)于故障和非故障的X，Y，Z軸的數(shù)據(jù)。這樣就可以對新電機的振動數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉分析，并將分析結(jié)果與疑似故障電機數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)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(rèn)壓縮設(shè)置，有時會產(chǎn)生更清晰的結(jié)果。如果忽略此行，仿真運行速度會更快，但產(chǎn)生的結(jié)果可能不太精確。
完成原理圖后，右鍵單擊每個電壓源，選擇 高級(Advanced)按鈕，選中 PWL文件(PWL File)單選按鈕，然后輸入包含振動數(shù)據(jù)的相應(yīng)文本文件的文件名，如圖12所示。這將創(chuàng)建一個分段線性電壓源，其中包含一系列電壓及其相應(yīng)的時間實例。如果這些文本文件與LTspice文件存儲在同一目錄中，則操作會更簡單。
圖12.根據(jù)振動數(shù)據(jù)創(chuàng)建分段線性電壓源。
然后應(yīng)使用以下命令進(jìn)行配置，在原始振動測試過程中運行瞬態(tài)分析
.tran 1
最后運行仿真。仿真可能需要一段時間才能完成，具體取決于數(shù)據(jù)點和瞬態(tài)分析時長。
故障電機和非故障電機的仿真結(jié)果如圖13所示。該實驗在一臺轉(zhuǎn)速為587.3 rpm的電機上進(jìn)行，電機的軸承出現(xiàn)故障，外環(huán)未對準(zhǔn)，負(fù)載為12磅。圖中還顯示了同一轉(zhuǎn)速下無故障電機的振動模式。顯然，與非故障電機相比，故障電機的振動特征幅度明顯更高。
圖13.故障和非故障電機振動數(shù)據(jù)的時域結(jié)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(shù)據(jù)計算FFT。
從圖2中的數(shù)據(jù)可以看到，在35000V這樣如此高的失調(diào)電壓上，我們通過數(shù)字只能看到很小的變化。在LTspice中進(jìn)行仿真時，這些數(shù)據(jù)會轉(zhuǎn)換成一個35,000 V的直流失調(diào)電壓，并在此失調(diào)電壓上還會疊加一個交流波形。
在傅里葉分析圖中，此失調(diào)電壓在頻譜位置的直流點上表現(xiàn)為很大的一個尖刺，因此，當(dāng)LTspice自動縮放Y軸時，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(diào)電壓——5 Hz至1 kHz應(yīng)該足夠。
右鍵單擊Y軸，選擇 線性(Linear)單選按鈕以查看諧波，如圖14所示。
圖14.去除直流雜散在線性坐標(biāo)系中顯示的傅里葉圖。
在圖形區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，可添加額外的繪圖窗格，即可將振動頻譜成分以X、Y和Z圖分別呈現(xiàn)，如圖15所示。
圖15.X、Y和Z振動圖分離。
可以清楚地看到電機的10 Hz旋轉(zhuǎn)頻率，以及60 Hz、142 Hz和172 Hz處存在明顯的諧波。雖然本文不會分析電機內(nèi)部的哪些組件導(dǎo)致了這些諧波，但毫無疑問，振動模式因電機磨損而改變。
結(jié)論
ADI的MEMS加速度計系列能夠提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)而在早期檢測出電機故障，但這只是解決方案的一半。必須通過傅里葉分析仔細(xì)研究這些數(shù)據(jù)。遺憾的是，能夠執(zhí)行傅里葉分析的設(shè)備或軟件通常很昂貴。而LTspice能夠免費精確分析CbM數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)早期檢測和診斷機器故障。
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