如何使用LTspice? 分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻譜

本文介紹如何使用LTspice? 分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻譜，以便能夠在工業(yè)機(jī)械電機(jī)故障的早期發(fā)出預(yù)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(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(dòng)數(shù)據(jù)的諧波量圖。

簡(jiǎn)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(jī)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(hù)時(shí)間，因此可提高工廠自動(dòng)化的效率。

工業(yè)4.0描述了將大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)帶入工廠車間的概念。裝有傳感器的機(jī)器可監(jiān)控自身的性能并相互通信，從而共同分擔(dān)整個(gè)工作載荷，同時(shí)向后臺(tái)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(shí)現(xiàn)。

對(duì)ADI產(chǎn)品進(jìn)行的一項(xiàng)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(hào)鏈組件。

在工業(yè)自動(dòng)化中的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域就是 狀態(tài)監(jiān)控（CbM），通過仔細(xì)校準(zhǔn)機(jī)器的標(biāo)稱工作特性，然后使用本地傳感器密切監(jiān)控機(jī)器本身的狀態(tài)。偏離標(biāo)稱信號(hào)的狀態(tài)即表示機(jī)器需要維護(hù)。因此，配備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)器可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行維護(hù)，而不是相對(duì)隨意地安排維修計(jì)劃。

確定電機(jī)運(yùn)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(xù)監(jiān)控電機(jī)的振動(dòng)特征，并與已知無故障電機(jī)的特征比較，由此判斷電機(jī)的運(yùn)行狀況。 事實(shí)上，每種電機(jī)故障都有其自己的獨(dú)特諧波特征。通過查看振動(dòng)模式的諧波成分，可以檢測(cè)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(dòng)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(gè)ADXL1002 加速度計(jì)連接到電機(jī)，如圖1所示，以測(cè)量側(cè)向、垂向和縱向（分別為X、Y和Z）振動(dòng)。

圖1.分別在側(cè)向、垂向和縱向測(cè)得X、Y和Z通道的振動(dòng)。

將振動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)得到三列Microsoft Excel數(shù)據(jù)，每列數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(jī)的運(yùn)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(gè)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(jī)振動(dòng)模式的頻譜，可精確地診斷其運(yùn)行狀況。

由于能夠執(zhí)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(duì)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(qiáng)大、可免費(fèi)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(dòng)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(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)點(diǎn)都與其相應(yīng)的時(shí)間戳配對(duì)。

圖3.時(shí)間和電壓實(shí)例的格式。

使用Microsoft Excel將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成這種格式相對(duì)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(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(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(gè)數(shù)據(jù)值的時(shí)間戳。

由于在一秒內(nèi)提取了500，000個(gè)數(shù)據(jù)樣本，每個(gè)數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàng)。

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(xiàn)圖6所示的對(duì)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(kuò)展數(shù)據(jù)集填充單元格。

點(diǎn)擊確定（OK）填充左列數(shù)據(jù)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(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(duì)于500，000行數(shù)據(jù)，需要拖得很長(zhǎng)。

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(shí)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(huì)將時(shí)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(shí)間戳分辨率增加到小數(shù)點(diǎn)后5位。

在填充時(shí)間戳列并擴(kuò)展有效位數(shù)后，將每個(gè)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(shí)間和振動(dòng)數(shù)據(jù)的文本文件。

總共應(yīng)該有三個(gè)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(dòng)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在，可將此數(shù)據(jù)直接讀入LTspice中。

按照?qǐng)D11所示在LTspice中構(gòu)建原理圖。在該設(shè)計(jì)中，有六個(gè)電壓源分別對(duì)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(duì)新電機(jī)的振動(dòng)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(jī)數(shù)據(jù)的傅里葉分析進(jìn)行比較。此方法的一大優(yōu)勢(shì)是新（非故障）電機(jī)的頻率圖可以疊加在疑似故障電機(jī)的頻率圖上，因此，性能差異一目了然。

圖11.顯示故障電機(jī)和非故障電機(jī)振動(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生更清晰的結(jié)果。如果忽略此行，仿真運(yùn)行速度會(huì)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(gè)電壓源，選擇 高級(jí)（Advanced）按鈕，選中 PWL文件（PWL File）單選按鈕，然后輸入包含振動(dòng)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(gè)分段線性電壓源，其中包含一系列電壓及其相應(yīng)的時(shí)間實(shí)例。如果這些文本文件與LTspice文件存儲(chǔ)在同一目錄中，則操作會(huì)更簡(jiǎn)單。

圖12.根據(jù)振動(dòng)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(dòng)測(cè)試過程中運(yùn)行瞬態(tài)分析

.tran 1

最后運(yùn)行仿真。仿真可能需要一段時(shí)間才能完成，具體取決于數(shù)據(jù)點(diǎn)和瞬態(tài)分析時(shí)長(zhǎng)。

故障電機(jī)和非故障電機(jī)的仿真結(jié)果如圖13所示。該實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)轉(zhuǎn)速為587.3 rpm的電機(jī)上進(jìn)行，電機(jī)的軸承出現(xiàn)故障，外環(huán)未對(duì)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(jī)的振動(dòng)模式。顯然，與非故障電機(jī)相比，故障電機(jī)的振動(dòng)特征幅度明顯更高。

圖13.故障和非故障電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)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(jì)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(shí)，這些數(shù)據(jù)會(huì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)35，000 V的直流失調(diào)電壓，并在此失調(diào)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(diào)電壓在頻譜位置的直流點(diǎn)上表現(xiàn)為很大的一個(gè)尖刺，因此，當(dāng)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(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(dòng)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(dòng)圖分離。

可以清楚地看到電機(jī)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(huì)分析電機(jī)內(nèi)部的哪些組件導(dǎo)致了這些諧波，但毫無疑問，振動(dòng)模式因電機(jī)磨損而改變。

結(jié)論

ADI的MEMS加速度計(jì)系列能夠提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)而在早期檢測(cè)出電機(jī)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(fèi)精確分析CbM數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)早期檢測(cè)和診斷機(jī)器故障。