你知道怎么用LTspice分析振动数据吗？

数字技术的进步没有丝毫放缓的迹象，已渗透到我们生活的方方面面。为机器提供智能并非奥威尔式的反乌托邦；由于自动化反馈环路有助于减少直接维护时间，因此可提高工厂自动化的效率。

工业4.0描述了将大数据的优势带入工厂车间的概念。装有传感器的机器可监控自身的性能并相互通信，从而共同分担整个工作载荷，同时向后台提供重要的诊断信息，而且无论在同一座建筑物里还是在不同的大陆都可以实现。

对ADI产品进行的一项快速调查显示，ADI主要致力于为工业物联网 (IIOT)提供解决方案，即从传感器到云的各种稳定可靠的高性能信号链组件。

在工业自动化中的一个应用领域就是状态监控(CbM),通过仔细校准机器的标称工作特性，然后使用本地传感器密切监控机器本身的状态。偏离标称信号的状态即表示机器需要维护。因此，配备状态监控系统的机器可根据实际需要进行维护，而不是相对随意地安排维修计划。

确定电机运行状态的一种比较好的方法是检查其振动特征。ADI的MEMS技术可用于持续监控电机的振动特征，并与已知无故障电机的特征比较，由此判断电机的运行状况。事实上，每种电机故障都有其自己的独特谐波特征。通过查看振动模式的谐波成分，可以检测轴承、内环和外环，甚至齿轮箱齿中的故障。

为了产生用于在LTspice中进行傅里叶分析的数据，将三个ADXL1002加速度计连接到电机，以测量侧向、垂向和纵向（分别为X、Y和Z）振动。

将振动数据下载并保存到Microsoft Excel电子表格中。在500 kSPS速率下进行数据采样，通过一秒振动数据得到三列Microsoft Excel数据，每列数据长500,000行。

现在可检查此数据的谐波成分，以确定电机的运行状况。傅里叶分析是从波形中提取分量频谱的数学过程。纯正弦波的频谱中仅包含一个频率，称为基波频率。如果正弦波失真，将出现除基波频率之外的其他频率。通过分析电机振动模式的频谱，可精确地诊断其运行状况。

由于能够执行傅里叶分析的硬件和软件通常价格很高，所以这里我们介绍一种可以对MEMS数据进行傅里叶分析的方法，基本上无需任何成本。

LTspice是一款功能强大、可免费使用的电路仿真器，它可以使用从状态监控系统的MEMS传感器中获取的振动数据，通过傅里叶分析绘制任何波形的频谱。

通过数据格式，LTspice能够生成傅里叶分析图，其中每个振动数据点都与其相应的时间戳配对。

使用Microsoft Excel将数据转换成这种格式相对比较容易。过程如下。

首先，将数据列分成Excel文件中的三个工作表，命名为X、Y和Z。

在数据左侧插入一列——此列为每个数据值的时间戳。

由于在一秒内提取了500,000个数据样本，每个数据点间隔2 µs。因此，在新列的第一个单元格中，输入2E-6

代表2µs处的第一个时间戳。

填充其余时间戳列数值的最简单方式是使用Series命令。在Microsoft Excel的搜索框中，键入“Series”以显示菜单选项。

从下拉菜单中选择填充系列或模式(Fill Series or Pattern), 然后选择系列…(Series…)。

此时出现对话框，选中列(Columns)和线性(Linear)单选按钮。在步进值(Step value)中输入2E-6，在停止值(Stop value)中输入1。

点击确定(OK)填充左列数据时间戳，从2 µs递增到1秒。先填充前几个值，然后将光标一直拖到数据范围末尾的底部单元格，也可达到同样的目的——但对于500,000行数据，需要拖得很长。

现在就得到LTspice可以处理的数据格式。

如果数据集很大，采样间隔短，则Microsoft Excel可能会将时间戳四舍五入为不恰当的小数位数。如果出现这种情况，则突出显示第一列，然后选择然后选择格式化(Format) > 格式化单元格(Format Cells)。

选择合适的小数位数。

在填充时间戳列并扩展有效位数后，将每个工作表的两列复制到记事本或其他文本编辑器文件中。

总共应该有三个文本文件，其中包含状态监控系统中X、Y和Z轴的振动数据。

现在，可将此数据直接读入LTspice中。

在LTspice中构建原理图。在该设计中，有六个电压源分别对应于故障和非故障的X，Y，Z轴的数据。这样就可以对新电机的振动数据执行傅里叶分析，并将分析结果与疑似故障电机数据的傅里叶分析进行比较。此方法的一大优势是新（非故障）电机的频率图可以叠加在疑似故障电机的频率图上，因此，性能差异一目了然。

.options plotwinsize=0 numdgt=15

去除了LTspice中的默认压缩设置，有时会产生更清晰的结果。如果忽略此行，仿真运行速度会更快，但产生的结果可能不太精确。

完成原理图后，右键单击每个电压源，选择高级(Advanced)按钮，选中PWL文件(PWL File)单选按钮，然后输入包含振动数据的相应文本文件的文件名，如图12所示。这将创建一个分段线性电压源，其中包含一系列电压及其相应的时间实例。如果这些文本文件与LTspice文件存储在同一目录中，则操作会更简单。

故障电机和非故障电机的仿真结果：该实验在一台转速为587.3 rpm的电机上进行，电机的轴承出现故障，外环未对准，负载为12磅；同时还显示了同一转速下无故障电机的振动模式。显然，与非故障电机相比，故障电机的振动特征幅度明显更高。

突出显示波形(Waveform)窗口，然后从菜单栏中选择查看(View) > FFTT。这将基于瞬态数据计算FFT。

从数据可以看到，在35000V这样如此高的失调电压上，我们通过数字只能看到很小的变化。在LTspice中进行仿真时，这些数据会转换成一个35,000 V的直流失调电压，并在此失调电压上还会叠加一个交流波形。

在傅里叶分析图中，此失调电压在频谱位置的直流点上表现为很大的一个尖刺，因此，当LTspice自动缩放Y轴时，相关谐波比例极小。右键单击X轴，指定高于直流电压的频率范围，由此可忽略直流失调电压——5 Hz至1 kHz应该足够。

右键单击Y轴，选择线性(Linear)单选按钮以查看谐波。

在图形区单击鼠标右键，可添加额外的绘图窗格，即可将振动频谱成分以X、Y和Z图分别呈现。

可以清楚地看到电机的10 Hz旋转频率，以及60 Hz、142 Hz和172 Hz处存在明显的谐波。虽然本文不会分析电机内部的哪些组件导致了这些谐波，但毫无疑问，振动模式因电机磨损而改变。

ADI的MEMS加速度计系列能够提供关键数据，进而在早期检测出电机故障，但这只是解决方案的一半。必须通过傅里叶分析仔细研究这些数据。遗憾的是，能够执行傅里叶分析的设备或软件通常很昂贵。而LTspice能够免费精确分析CbM数据，从而实现早期检测和诊断机器故障。