使用LTspice分析基于狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)中的振動數(shù)據(jù)

本文介紹如何使用LTspice?分析基于狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)中振動數(shù)據(jù)的頻率成分，以便對工業(yè)機(jī)械中的電機(jī)故障進(jìn)行預(yù)警。本文介紹了如何從Microsoft Excel電子表格中獲取X，Y和Z平面數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為LTspice可以應(yīng)用傅里葉變換以生成振動數(shù)據(jù)的諧波含量圖的格式。

介紹

數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步絲毫沒有放緩的跡象，滲透到我們生活的方方面面。賦予機(jī)器智能遠(yuǎn)非奧威爾式的反烏托邦;相反，它可以提高工廠自動化的效率，因為自動反饋回路可以減少直接維護(hù)時間。

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(jī)器可以監(jiān)控自己的性能并相互通信，使它們能夠分擔(dān)整體工作量，同時向后臺提供重要的診斷信息，無論是在同一棟大樓還是在另一個大陸。

對ADI公司產(chǎn)品的快速調(diào)查顯示，ADI公司致力于為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）提供解決方案，即提供從傳感器到云的可靠、高性能信號鏈組件。

工業(yè)自動化的一個領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監(jiān)控（CbM），即仔細(xì)校準(zhǔn)機(jī)器的標(biāo)稱運(yùn)行特性，然后用本地傳感器密切監(jiān)控機(jī)器本身。偏離標(biāo)稱信號的條件表明機(jī)器需要維護(hù)。因此，配備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)器可以在實際需要時進(jìn)行維修，而不是作為相對任意的維修計劃的一部分。

確定電機(jī)健康狀況的最佳方法是檢查其振動特征。ADI公司的MEMS技術(shù)能夠持續(xù)監(jiān)測電機(jī)的振動特征，在將其特征與已知的無故障電機(jī)進(jìn)行比較時，可以揭示電機(jī)的健康狀況。事實上，每個電機(jī)故障都有其獨特的諧波特征。通過查看振動模式的諧波含量，可以檢測到軸承、內(nèi)圈和外圈甚至變速箱齒中的故障。

分析LTspice中的振動數(shù)據(jù)

為了在LTspice中產(chǎn)生傅里葉分析數(shù)據(jù)，將三個ADXL1002加速度計連接到電機(jī)，如圖1所示，分別測量左右、垂直和前后方向的振動——X、Y和Z。

圖1.通道 X、Y 和 Z 分別測量了左右、垂直和前后方向的振動。

振動數(shù)據(jù)已下載并保存在Microsoft Excel電子表格中。數(shù)據(jù)以 500 kSPS 采樣，因此一秒鐘的振動數(shù)據(jù)會產(chǎn)生三列 Microsoft Excel 數(shù)據(jù)，每列 500，000 行長。X、Y 和 Z 數(shù)據(jù)的示例如圖 2 所示。

圖2.X、Y 和 Z 數(shù)據(jù)的提取。

現(xiàn)在可以檢查這些數(shù)據(jù)的諧波含量，以確定電機(jī)的健康狀況。傅里葉分析是從波形中提取分量頻率成分的數(shù)學(xué)過程。純正弦波的頻譜內(nèi)容僅包含一個頻率，稱為基波。如果正弦波失真，則會出現(xiàn)除基波之外的其他頻率。通過分析電機(jī)振動模式的頻率成分，可以確定其健康狀況的準(zhǔn)確診斷。

能夠進(jìn)行傅里葉分析的硬件和軟件可能很昂貴，因此我們在這里展示了一種對MEMS數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉分析的方法，該方法基本上是免費(fèi)的。

LTspice是一款功能強(qiáng)大且免費(fèi)的電路仿真器，能夠使用傅里葉分析繪制任何波形的頻率成分，包括從基于狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)中的MEMS傳感器獲得的振動數(shù)據(jù)。

當(dāng)數(shù)據(jù)采用圖3所示格式時，LTspice可以生成傅里葉分析圖，其中每個振動數(shù)據(jù)點與其相應(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)調(diào)整為這種格式相對容易。這是執(zhí)行此操作的過程。

首先，將圖 2 中的數(shù)據(jù)列分成 Excel 文件中的三個工作表，分別名為 X、Y 和 Z，如圖 4 所示。

圖4.創(chuàng)建了三個工作表，并將 X、Y 和 Z 數(shù)據(jù)復(fù)制到各自的工作表中。

在數(shù)據(jù)左側(cè)插入一列 - 此列表示每個數(shù)據(jù)值的時間戳。

由于在一秒的時間跨度內(nèi)采集了 500，000 個數(shù)據(jù)樣本，因此每個數(shù)據(jù)點相隔 2 μs。因此，在新列的第一個單元格中，輸入

2E-6

表示 2 μs 的第一個時間戳。

填寫時間戳列其余部分的最簡單方法是使用“系列”命令。在 Microsoft Excel 的“搜索”框中，鍵入“Series”以顯示圖 5 中所示的菜單選項。

從這里，選擇填充系列或圖案，然后選擇系列...從下拉菜單中。

圖5.如何在Microsoft Excel中填充許多單元格。

此時將顯示如圖 6 所示的對話框，其中選擇了“列”和“線性”單選按鈕。輸入步長值 2E-6，停止值 1。

圖6.使用線性擴(kuò)展的數(shù)據(jù)集填充單元格。

單擊“確定”填充左列數(shù)據(jù)時間戳，從 2 μs 遞增到 1 秒。通過填寫前幾個值，然后將光標(biāo)拖動到數(shù)據(jù)范圍末尾的底部單元格，可以實現(xiàn)相同的效果，但對于 500，000 行數(shù)據(jù)，這將是一個很長的拖拽。

數(shù)據(jù)現(xiàn)在采用可由LTspice處理的格式，如圖7所示。

圖7.顯示時間戳和相應(yīng)數(shù)據(jù)示例的列。

如果數(shù)據(jù)集很大且采樣間隔較短，則 Microsoft Excel 可能會將時間戳舍入到不適當(dāng)?shù)男?shù)位數(shù)。如果是這種情況，請突出顯示第一列，然后選擇“設(shè)置單元格格式>格式”，如圖 8 所示。

圖8.重新設(shè)置單元格格式以刪除任何舍入錯誤。

選擇適當(dāng)?shù)男?shù)位數(shù)，如圖 9 所示。

圖9.將時間戳分辨率增加到小數(shù)點后五位。

填充時間戳列并展開有效數(shù)字后，將每個工作表的兩列復(fù)制到其自己的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。

您應(yīng)該有三個文本文件，其中包含基于狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)中軸 X、Y 和 Z 軸的振動數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以直接讀取到LTspice中。

在LTspice中構(gòu)建原理圖，如圖11所示。在此設(shè)計中，有六個電壓源對應(yīng)于X、Y和Z軸的故障和無故障數(shù)據(jù)。這樣就可以對新電機(jī)的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析，以便將其與可疑故障電機(jī)數(shù)據(jù)的傅里葉分析進(jìn)行比較。這種方法的一大優(yōu)點是，可以將新（無故障）電機(jī)的頻率圖疊加在可疑故障電機(jī)的頻率圖上，因此可以看到性能差異。

圖 11.LTspice原理圖顯示了故障和非故障振動數(shù)據(jù)的電壓輸出。

LTspice 命令

.options plotwinsize=0 numdgt=15

刪除LTspice中的默認(rèn)壓縮，有時會產(chǎn)生更清晰的結(jié)果。如果省略此行，模擬將運(yùn)行得更快，但可能會產(chǎn)生不太準(zhǔn)確的結(jié)果。

原理圖完成后，右鍵單擊每個電壓源，選擇“高級”按鈕，選擇“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，由一系列電壓及其相應(yīng)的時間實例組成。如果這些文本文件與LTspice文件存儲在同一目錄中，您的生活將更輕松。

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)使用以下命令將瞬態(tài)分析配置為在原始振動測試期間運(yùn)行

.tran 1

運(yùn)行模擬。仿真可能需要一些時間才能完成，具體取決于數(shù)據(jù)點和瞬態(tài)分析的長度。

故障和非故障電機(jī)的仿真結(jié)果如圖13所示。該實驗是在以 587.3 rpm 轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)上進(jìn)行的，該電機(jī)的軸承故障，外圈未對準(zhǔn)，負(fù)載為 12 磅。這些圖還顯示了以相同速度旋轉(zhuǎn)的無故障電機(jī)的振動模式。很明顯，與無故障電機(jī)相比，故障電機(jī)的振動特征幅度明顯更高。

圖 13.故障和無故障電機(jī)的振動數(shù)據(jù)的時域結(jié)果。

突出顯示“波形”窗口后，從菜單欄中選擇“查看> FFT”。這將根據(jù)瞬態(tài)數(shù)據(jù)計算FFT。

查看圖 2 中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)字顯示了大約 35，000 的大偏移量的微小變化。在LTspice中仿真時，這相當(dāng)于35，000 V的直流失調(diào)電壓，在此失調(diào)之上有一個交流波形。

在傅里葉圖中，該失調(diào)電壓表現(xiàn)為直流時的較大雜散，因此當(dāng)LTspice自動縮放Y軸時，目標(biāo)諧波縮放得太小。右鍵單擊 X 軸以指定高于直流的頻率范圍，因此忽略直流失調(diào)電壓——5 Hz 至 1 kHz 的范圍就足夠了。

右鍵單擊 Y 軸并選擇 Linear 單選按鈕以查看諧波，如圖 14 所示。

圖 14.去除直流雜散的傅里葉圖，并以線性刻度顯示。

在繪圖區(qū)域內(nèi)單擊鼠標(biāo)右鍵可以添加額外的繪圖窗格，從而可以將振動的頻譜內(nèi)容分成 X、Y 和 Z 圖，如圖 15 所示。

圖 15.X、Y 和 Z 振動圖被分離出來。

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 時的顯著諧波。分析電機(jī)內(nèi)部的哪個組件引起了這些諧波超出了本文的范圍，但毫無疑問，由于電機(jī)磨損，振動模式發(fā)生了變化。

結(jié)論

ADI公司的MEMS加速度計系列提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以便及早檢測電機(jī)故障，但這只是解決方案的一半。必須使用傅里葉分析仔細(xì)研究數(shù)據(jù)。不幸的是，能夠執(zhí)行傅里葉分析的設(shè)備或軟件通常很昂貴。LTspice提供了一種免費(fèi)途徑來準(zhǔn)確分析CbM數(shù)據(jù)，從而能夠及早發(fā)現(xiàn)和診斷機(jī)器故障。

審核編輯：郭婷