使用LTspice分析狀態監測系統中的振動資料

作者：ADI類比電子元件工程師Simon Bramble

摘要

本文介紹如何使用 LTspice^® 分析狀態監測系統中振動數據的頻譜，以便能夠在工業機械馬達故障的早期發出預警。同時介紹如何從Microsoft Excel^® 試算表中提取X、Y和Z平面資料，並將其轉化為可以透過LTspice進行傅立葉變換的格式，以產生振動數據的諧波量圖。

簡介

數位技術的進步沒有絲毫放緩的跡象，其已全面滲透到我們生活中的各個層面。為機器提供智慧並非歐威爾式的反烏托邦；由於自動化回饋迴路有助於縮短直接維護時間，因此可提高工廠自動化的效率。

工業4.0 描述了將大資料的優勢帶入生產廠房的概念。裝有感測器的機器可監控自身的性能並相互通訊，從而共同分擔整個工作載荷，同時向後台提供重要的診斷資訊，而且無論在同一座建築物裡還是在不同的地方都可以實現。

對ADI產品進行的一項快速調查顯示，ADI主要致力於為工業 物聯網 (IIoT)提供解決方案，即從感測器到雲端的各種穩定可靠的高性能訊號鏈元件。

在工業自動化中的一個應用領域就是 狀態監測(CbM),透過仔細校準機器的標準工作特性，然後使用當地感測器密切監測機器本身的狀態。偏離標準訊號的狀態即表示機器需要維護。因此，配備狀態監測系統的機器可根據實際需要進行維護，而不是相對隨意地安排維修計畫。

確定馬達運行狀態的一種比較好的方法是檢查其振動特徵。ADI的 MEMS 技術可用於持續監測馬達的振動特徵，並與已知無故障馬達的特徵比較，由此判斷馬達的運行狀況。 事實上，每種馬達故障都有其自己的獨特諧波特徵。透過查看振動模式的諧波成分，可以檢測軸承、內圈和外圈，甚至變速箱齒中的故障。

在LTspice中分析振動數據

為了產生用於在LTspice中進行傅立葉分析的資料，將三個 ADXL1002 加速度計連接到馬達，如圖1所示，以測量側向、垂直和縱向（分別為X、Y和Z）振動。

將振動數據下載並保存到Microsoft Excel試算表中。在500 kSPS速率下進行資料採樣，透過一秒振動數據得到三列Microsoft Excel數據，每列數據長500,000行。X、Y和Z數據樣本如圖2所示。

現在可檢查此資料的諧波成分，以確定馬達的運行狀況。傅立葉分析是從波形中提取分量頻譜的數學過程。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，將出現除基波頻率之外的其他頻率。透過分析馬達振動模式的頻譜，可精準地診斷其運行狀況。

由於能夠執行傅立葉分析的硬體和軟體通常價格很高，所以這裡我們介紹一種可以對MEMS資料進行傅立葉分析的方法，基本上無需任何成本。

LTspice是一款功能強大、可免費使用的電路模擬器，它可以使用從狀態監測系統的MEMS感測器中獲取的振動數據，透過傅立葉分析繪製任何波形的頻譜。

透過圖3所示的資料格式，LTspice能夠產生成傅立葉分析圖，其中每個振動資料點都與其相應的時間戳記配對。

使用Microsoft Excel將數據轉換成這種格式相對比較容易。過程如下。

首先，將圖2中的資料列分成Excel檔中的三個工作表，命名為X、Y和Z，如圖4所示。

在資料左側插入一列——此列為每個資料值的時間戳記。

由於在一秒內提取了500,000個資料樣本，每個數據點間隔2 µs。因此，在新列的第一個儲存格中，輸入

2E-6

代表2µs處的第一個時間戳記。

填充其餘時間戳記列數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所示的功能表選項。

從下拉式功能表中選擇填充系列或模式(Fill Series or Pattern), 然後選擇系列…(Series…)。

此時出現圖6所示的對話方塊，選中列(Columns)和線性(Linear)選項按鈕。在步進值(Step value)中輸入2E-6，在停止值(Stop value)中輸入1。

點擊確定(OK)填充左列資料時間戳記，從2 µs遞增到1秒。先填充前幾個值，然後將游標一直拖到資料範圍末尾的底部儲存格，也可達到同樣的目的——但對於500,000行資料，需要拖得很長。

現在就得到LTspice可以處理的資料格式，如圖7所示。

如果資料集很大，採樣間隔短，則Microsoft Excel可能會將時間戳記四捨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，然後選擇然後選擇格式化(Format) > 格式化儲存格(Format Cells)，如圖8所示。

選擇合適的小數位數，如圖9所示。

在填充時間戳記列並擴展有效位數後，將每個工作表的兩列複製到記事本或其他文字編輯器文件中，如圖10所示。

總共應該有三個文字檔，其中包含狀態監測系統中X、Y和Z軸的振動數據。

現在，可將此資料直接讀入LTspice中。

按照圖11所示在LTspice中建構原理圖。在該設計中，有六個電壓源分別對應於故障和非故障的X，Y，Z軸的資料。這樣就可以對新馬達的振動資料執行傅立葉分析，並將分析結果與疑似故障馬達資料的傅立葉分析進行比較。此方法的一大優勢是新（非故障）馬達的頻率圖可以疊加在疑似故障馬達的頻率圖上，因此，性能差異一目了然。

LTspice命令

去除了LTspice中的默認壓縮設定，有時會產生更清晰的結果。如果忽略此行，模擬運行速度會更快，但產生的結果可能不太精確。

完成原理圖後，按右鍵每個電壓源，選擇進階(Advanced)按鈕，選中PWL檔(PWL File)選項按鈕，然後輸入包含振動數據的相應文字檔的檔案名，如圖12所示。這將創建一個分段線性電壓源，其中包含一系列電壓及其相應的時間實例。如果這些文字檔與LTspice檔儲存在同一目錄中，則操作會更簡單。

然後應使用以下命令進行配置，在原始振動測試過程中運行瞬態分析

.tran 1

最後運行模擬。模擬可能需要一段時間才能完成，具體取決於資料點和瞬態分析的時間長度。

故障馬達和非故障馬達的模擬結果如圖13所示。該實驗在一台轉速為587.3 rpm的馬達上進行，馬達的軸承出現故障，外圈未對準，負載為12磅。圖中還顯示了同一轉速下無故障馬達的振動模式。顯然，與非故障馬達相比，故障馬達的振動特徵幅度明顯更高。

突出顯示波形(Waveform)視窗，然後從功能表列中選擇查看(View) > FFTT。這將基於瞬態資料計算FFT。

從圖2中的資料可以看到，在35000V這樣如此高的失調電壓上，我們透過數位只能看到很小的變化。在LTspice中進行模擬時，這些資料會轉換成一個35,000 V的直流失調電壓，並在此失調電壓上還會疊加一個交流波形。

在傅立葉分析圖中，此失調電壓在頻譜位置的直流點上表現為很大的一個尖刺，因此，當LTspice自動縮放Y軸時，相關諧波比例極小。按右鍵X軸，指定高於直流電壓的頻率範圍，由此可忽略直流失調電壓——5 Hz至1 kHz應該足夠。

按右鍵Y軸，選擇 線性(Linear)選項按鈕以查看諧波，如圖14所示。

在圖形區按一下滑鼠右鍵，可增加額外的繪圖窗格，即可將振動頻譜內容以X、Y和Z圖分別呈現，如圖15所示。

可以清楚地看到馬達的10 Hz旋轉頻率，以及60 Hz、142 Hz和172 Hz處存在明顯的諧波。雖然本文不會分析馬達內部的哪些元件導致了這些諧波，但毫無疑問，振動模式因馬達磨損而改變。

結論

ADI的MEMS加速度計系列能夠提供關鍵資料，進而在早期檢測出馬達故障，但這只是解決方案的一半。必須透過傅立葉分析仔細研究這些資料。遺憾的是，能夠執行傅立葉分析的設備或軟體通常很昂貴。而LTspice能夠免費精準分析CbM資料，從而實現早期檢測和診斷機器故障。