向實作工程師說明振動監測用的 VOYAGER4 必備知識

從自動化到工業系統等眾多應用，電動馬達都是驅動必要製程的關鍵要角。馬達若有任何故障或效能衰退都可能會導致不必要的停機，不僅會妨礙廠區的生產效率、引發製造商供應鏈的重大延誤和中斷，並對公司造成重大損失。除了損失時間和金錢外，非預期的停機還有損製造商在市場上的形象。

因此，為了確保馬達在系統生命週期內能正常運作，必須在部署馬達的系統中持續監測這些機器的健康狀況與效能。對機器進行這類預測性維護就可將故障降至最低、增進可靠度，並提升廠區的生產效率。這一切都能為公司帶來可觀的節省。

雖然旋轉式機器有多項參數要監測，但振動是檢查及判斷旋轉機器健康狀態時，最重要且最有用的特性。這項關鍵的預測變數，可用來監測和偵測旋轉機械內的潛在故障，如軟腳、軸承及其他類似問題。雖然振動監測並不困難，但資料的收集與提供有意義的報告則不簡單。需要進行資料分析、採用新型演算法和具備無線連線能力。

馬達振動的監測

針對此類應用，Analog Devices, Inc (ADI) 已開發出一款採用微機電系統 (MEMS) 加速計感測技術的無線振動監測感測器。MEMS 感測器以其小體積、低功耗及寬廣的頻率響應範圍 (高達 8 kHz) 而聞名，是眾多工業旋轉機械的首選技術。

ADI 新一代的 MEMS 感測器 VOYAGER4 專為機器人及工業應用的條件式監測 (CbM) 而設計，結合了邊緣人工智慧 (AI) 技術，可在感測器層級進行更多的智慧資料分析。事實上，這是一套完整的解決方案，包含支援的 IC、元件以及其他裝置，如加速計、處理器和電源管理 IC (PMIC) (圖 1)。

圖 1：完整的 VOYAGER4 系統方塊圖。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

VOYAGER4 評估套件

為了方便工程師瞭解無線條件式監測系統，ADI 準備了 VOYAGER4 無線振動監測評估套件 EV-CBM-VOYAGER4-1Z。此套件是完整的低功率振動監測平台，能讓設計人員針對電動馬達或類似的測試設置，快速部署無線監測解決方案。結合以下能力：

• 在邊緣達到智慧、更聰明安全的決策
• 使用 AI 演算法在邊緣進行決策
• 機械安裝及頻寬高達 8 kHz 的測量能力
• 三軸超低功耗、超低雜訊 MEMS 加速計技術
• 超低功耗微控制器與穩健的低功耗藍牙 (BLE) 技術

套件印刷電路板 (PCB) 上安裝的 ADI IC 及其他元件 (圖 2) 包括 ADXL382 與 ADXL367 三軸數位輸出 MEMS 感測器、MAX32666 BLE、MAX78000 AI 微控制器、MAX20335 PMIC，以及 MAX17262 和 MAX38642 電源裝置。裝好元件的 PCB 會垂直裝在鋁質底座上，且在支架上附掛電池。底座還有一個 M6 螺紋孔，以便將螺柱裝在馬達機殼上。整個單元隨後會封裝在直徑 46 mm、高度 77 mm 的鋁製外殼內。

圖 2：EV-CBM-VOYAGER4-1Z 裝好元件的引刷電路板固定在鋁質底座上。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

為了避免遮蔽 BLE 連線的天線，外殼採用 ABS 塑膠製成的上蓋 (圖 3)。這種強韌的非金屬材料，能讓無線電訊號在最小干擾下穿透。

圖 3：VOYAGER4 感測器單元的機械組件搭配鋁製外殼與 ABS 塑膠蓋。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

ADI 的工程師利用模態分析設計出一款優異的機械外殼，能讓 VOYAGER4 感測器精確擷取馬達或受測旋轉機械的敏感振動資料。為此採用邊緣 AI 演算法來偵測異常的馬達行為，且會觸發呼叫動作，以進行機器診斷和維護。然而，在軟體開始診斷流程之前，會先部署 16 位元、8 kHz 的三軸 MEMS 加速計感測器ADXL382，以收集振動資料。收集的原始振動資料接著會透過 MAX78000 AI 處理器進行處理。若 AI 演算法偵測到故障或懷疑振動資料有異常，系統會透過 MAX32666 無線 BLE 無線電向使用者傳送振動異常警報。

感測器系統的運作

原則上，VOYAGER4 感測器系統會以明確定義的方法來處理初始振動資料 (圖 4)。如圖所示，MEMS 感測器收集的原始資料會沿著路徑 (a) 傳送到 BLE 處理器。然而，利用 FT234XD-R USB 對基本序列 UART 介面 IC，透過 BLE 無線電或 USB 連線傳送資料給使用者之前，這些 MEMS 資料會先經由路徑 (b) 傳送到具有邊緣 AI 的處理器，以預測故障機器的資料。如果 AI 演算法預測到故障或懷疑振動數據異常，系統將透過路徑 (c) 利用 BLE 無線電向使用者發出異常數據警示。如果未預測到故障或異常，VOYAGER4 系統會透過路徑 (d) 讓 MEMS 感測器進入睡眠模式，直到下一次偵測事件再喚醒。

圖 4：VOYAGER4 系統的運作原理。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

此系統使用兩個 MEMS 加速計是有原因的。除了使用高效能的 ADXL382 MEMS 加速計來擷取振動資料外，當發生劇烈振動或衝擊時，也可使用超低功率的 14 位元、100 Hz ADXL367 將 BLE 無線電從深度睡眠模式中喚醒。此喚醒裝置僅會消耗 180 nA，有助於大幅省電，進而延長電池續航力。同時，MEMS 原始振動資料會透過單極雙切 (SPDT) 類比開關 ADG1634BCPZ-REEL7 傳送到 MAX32666 BLE 無線電或 MAX78000 AI 微控制器。此類比開關由 BLE 微控制器控制。

連接到 MAX32666 BLE 微控制器的其他週邊裝置包括 MAX17262 多電芯電量計 IC、MAX3207EAUT+T 暫態電壓抑制 (TVS) 二極體陣列，以及 DS28C40ATB/VY+T 安全驗證器裝置。鋰離子電量計 IC 採用 Maxim ModelGauge m5 EZ 演算法來監測電池電流，而低輸入電容值 TVS 二極體陣列則依照人體放電模型及氣隙放電模型提供 ±15 kV 的 ESD 防護。在資料完整性方面，安全驗證器可提供一套核心加密工具。這些工具源自於整合式的非對稱 (ECC-P256) 和對稱式 (SHA-256) 安全功能。

管理功耗與電池續航力

為了盡可能降低功耗，VOYAGER4 會智慧地根據 BLE 微控制器及邊緣 AI 處理器的運作模式，管理板上 PMIC 的運作。基本上，BLE 微控制器可依據 VOYAGER4 的不同操作模式，啟用或停用 MAX20335 PMIC 的個別輸出。MAX20335 可提供兩個超低靜態電流降壓穩壓器，以及三個超低靜態電流低壓降 (LDO) 線性穩壓器 (圖 5)。每個輸出電壓的數值皆可透過 PMIC 的 I²C 介面進行編程。如果需要額外電力，套件可提供一款可調整的單輸出正電壓降壓穩壓器，型號為 MAX38642AELT+T，其可消耗最高達 350 mA。

圖 5：MAX20335 方塊圖。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

為了將功耗降至最低，VOYAGER4 會依據 BLE 和 AI 運作模式，在作用和無作用狀態之間切換其電源模式功能。例如，在訓練模式下，BLE 微控制器必須先廣播其出現在 BLE 網路中，然後與網路管理器建立 BLE 連線。VOYAGER4 接著會透過 BLE 網路串流 ADXL382 MEMS 的原始資料，以便在使用者的 PC 上進行 AI 演算法訓練。在一般 AI 模式下，BLE 無線電的廣播、連線及串流功能會預設為停用。同時，MAX78000 會定期喚醒並執行 AI 推論。若未偵測到異常，VOYAGER4 將返回深度睡眠模式 (圖 6)。

圖 6：VOYAGER4 感測器在事件之間的歷時平均功耗。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

圖 6 顯示當感測器未透過 BLE 無線電傳送原始資料時，其耗電量可降低多達 50%。在訓練模式下，當 BLE 無線電處於作用、廣播、連線且每小時傳輸一次資料時，約消耗 0.65 mW 功率。當感測器以正常 AI 模式運作時，即使感測器每小時僅作用一次，系統仍消耗 0.3 mW 功率。資料分析顯示，在功耗 0.3 mW 情況下，單顆 1500 mAh 電池可提供長達兩年的運作時間。然而，使用兩顆標準 AA、2.6 Ah 電池，電池續航力可延長至大約七年。若持續時間較長，建議使用具有低基準電流和週期性脈衝的電池電芯。

VOYAGER4 的 GUI 與韌體

VOYAGER 的圖形使用者介面 (GUI) 使用 Python 編寫，並且使用關鍵函式庫，如 bleak、asyncio 及 Tkinter 等來達到互動式介面，可透過 BLE 無線電連線到 VOYAGER4 感測器。

VOYAGER4 評估套件含有兩個微控制器及多個週邊裝置，包括感測器、PMIC、快閃記憶體及通訊介面。ADI 提供開發程式碼用的工具，以便對主機 PC 進行控制與通訊。例如，工程師可以利用 CodeFusion IDE 進行整體嵌入式開發，並使用 VOYAGER SDK 進行 AI 應用部署。此外，更有針對 MAX32666 與 MAX78000 微控制器提供專用的開發者資源，以便對這些裝置進行編程。

結論

ADI 的無線振動監測感測器VOYAGER4，是一套有效的工具，可針對機器人與工業系統中其他旋轉機器的馬達，進行條件式監測。ADI 的評估套件能讓工程師瞭解並應用 MEMS 感測器，可提供完整且低功耗的平台，以快速部署無線振動監測應用。