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使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)

發(fā)布時(shí)間:2020-07-08 來源:Simon Bramble 責(zé)任編輯:wenwei

【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(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)。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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)。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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…)。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
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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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
使用LTspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)
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。
 
 
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