技术领域
[0001] 本
发明涉及一种运行用于控制伺服
电机的装置的方法，以及相应的装置及其应用。
背景技术
[0002] 客户对机器和装置的效能和自动化程度提出了更高的要求，这给机器制造商提出了任务，即不断改进它产品的可用性。在这种发展趋势中，状态监测系统在机器的维护计划中起越来越重要的作用。
[0003] 在生产中计划外的停机同多余的
预防性的维护一样是不希望的。针对状态的维护也同样使最终用户较高地利用了其使用寿命，并给关键部件提供了有针对性的维修。为了能有效地实施这些策略，机器制造商必须与部件和
控制器制造商紧密合作。
申请人涉及部件和控制器制造商，尤其涉及用于控制电机的装置、尤其是驱动控制器的制造商。
[0004] 例如在公开号为2006230039A的日本公开文献中示出了如申请人制造出的装置的原理。在此，借助速度
传感器由驱动控制器检测电机的速度，并借助控制参数在考虑已检测到的速度的情况下，利用实际值/额定值的比较来调整电机转速。
[0005] 按照负载和工作时间的不同，电机上可能会出现
轴承损坏，这会引起振动。这些振动可能会扩散到借助电机来驱动的周边设备，或扩散到其它耦合到电机上的机械装置。对于例如用于驱动工具机床的电机来说，这些振动可能会降低加工
质量并损坏
工件。
[0006] 迄今已知的监测这种振动的解决方案是相对所述装置独立的监测装置。这种额外的监测装置必须以很高的成本与待监测的系统相连，用于获取特征性的电机数据。这意味着额外的成本，并给机器制造商提高了
费用。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种装置，其能以微小额外费用，提前发现机器的驱动部件上的损坏，并因此来提高机器的生产能
力。
[0008] 本发明提出的任务通过一种运行具有驱动控制器功能的装置的方法以及根据本发明运行的装置本身和这种装置的应用来完成。所述装置包括开环控制和/或闭环控制单元以及根据本发明集成的诊断单元，用于识别机械故障，尤其用于轴承诊断。根据本发明的方法甚少包括下面的方法步骤：
[0009] a)自动地闭环控制和/或开环控制可与所述装置相连的机器；
[0010] b)自动地检测机器振动；
[0011] c)在考虑检测到的机器振动的情况下，借助所述诊断单元自动地实施机器状态分析。
[0012] 与从
现有技术中已知的解决方案不同，所述振动是直接地借助所述装置本身检测并分析的。不需要外部的与高成本相连并首先要参数化的振动监测机构。所有的参数化都全自动地在所述装置内部进行。因此在实践中，所述装置自身除了驱动控制器的功能外，还具有振动检测机构或振动监测机构的功能。这与借助外部的分析机构来工作的解决方案相比，减少了成本费用并具有系统化的优点。因此借助所述装置，能以微小的
附加费直接地监测驱动的电机以及连接到此电机上的机械装置或连接到此电机上的机器。外部的传感装置不是强制需要的。
[0013] 所有在分析中用到的测量参数，例如由所述装置驱动的电机的实际转数，本来就已经提供给所述装置用于实现控制目的。因而为所述分析没有产生额外的布线费用，并且也可以在考虑转速变化的情况下进行振动分析。这再次提高了根据本发明的装置的灵活性和应用范围，并为借助所述装置驱动的电机的轴承提供了轴承诊断的可能性。尤其在结合加工机床，优选结合工具机床应用根据本发明的集成于
驱动器的装置时，本发明有利于在制造机器时降低成本并改进质量。此外，还借助本发明提高了这些机器的生产能力。
[0014] 优选地在考虑至少一个存储在所述装置中的依赖于机器状态变化的参数的情况下检测机器的振动。此参数可指至少一个或多个使闭环控制单元或开环控制单元参数化的参数，由其可推导出不期望的机器行为(例如实际值、测量出的描述机器状态的特征值)。还优选的是，在考虑至少一个设置在机器上的传感器(
加速度传感器和/或固体声传感器)的至少一个传感器
信号的情况下，可实施机器状态分析。这些附加的传感器信号可用于对分析结果进行优化和/或验证，而不必为此增加必要的布线花费，总是还比从现有技术中已知的应用外部分析机构的方法更低。在实施前面所述的操作方法的
框架中，闭环控制单元和/或开环控制单元的至少一个参数与至少一个存储在所述装置中的基准参数进行比较，并从比较结果中直接或间接得出关于机器状态的推断。在此尤其优选的是，其中自动地识别出所述参数相对于基准参数的按照可预定的公差范围的偏差。
[0015] 通常所述装置包括闭环控制单元，其具有级联式的闭环控制结构，用于闭环控制
位置和/或速度和/或
电流，其中在进行分析时考虑了位置控制器和/或速度控制器和/或电流控制器的至少一个参数。因此，通过相应的内部处理步骤(推导、
频率分析等)，结合存在的信号样式识别出存在的轴承损坏，并用于分析目的。
[0016] 其中所述机器状态分析持续地在机器运行期间优选实时地或延时地尤其在可预定的时间点有
节拍地进行。因此可确保，根据机器的型号或磨损行为不同来持久地或周期性地进行分析。在分析的框架中，优选额外地包含以下步骤：过滤外部传感器的信号，和/或对已滤波的传感器信号进行
采样，和/或将已采样的传感器信号进行数字转换，和/或对已转换的信号进行信号分析，其中所述信号分析同样优选包括包络曲线分析。
[0017] 在机器状态分析的框架中，其中所述装置优选同步地检测机器的状态参数作为测量值序列，并且尤其在由于机器的运动曲线引起机器的转速发生变化时，将所述测量值序列配属于运动曲线。此外优选的是，所述由所述装置检测到的测量值序列针对可预定的转速被标准化，其中所述装置还可以在考虑机器转速改变的情况下求出已检测到的传感器信号的周期时间的变化度。然后在由所述装置检测到机器转速上升时，所述装置可补偿已检测到的传感器信号的周期时间的变化。还可能的是，在根据本发明的标准化框架中，周期时间在转速上升时变长，而在转速降低时缩短，其中改变测量值序列的两个相继的测量值的时间间隔，使得具有不同周期的振动针对其周期而言仍保持恒定。紧接着，转速标准化的测量值序列间隔可以借助内插设成等距的。即使在待监测的机器的转速变化时，这种方法也能够使用根据本发明的装置。
[0018] 尤其优选的是，可编程存储控制器(SPS、PLC)可包含在所述装置中，借助该控制器还可控制至少一个外部的传感器(例如加速度传感器、转速测量仪)。所述控制可实现机器状态分析过程的完全自动化，并同样可用于其它的自动化过程。
[0019] 本发明提出，分析结果从所述装置传递到上级装置(例如控制台等)用于实现
可视化；或所述装置自动地借助包含在所述装置中的操作板使分析结果实现可视化。
[0020] 为了实现前面所述的方法步骤，所述装置包括控制部件，借助该控制部件可对由固体声传感器或加速度传感器产生的信号进行处理，即将所述信号滤波，并根据
采样频率进行数字化。所述装置的诊断单元在此这样实现，即所述信号可借助其
频谱进行分析。
[0021] 所述控制部件还优选包括采样保持
电路、模/数转换器，其中此外还优选包括用于对
数字化信号进行整流的机构、用于信号滤波的机构以及用于将信号转换到频域的机构。
[0022] 根据本发明的装置优选用于运行加工机床，尤其是工具机床，为此可减少这种机器的故障率。
[0023] 根据本发明的装置也可以用于实现状态监测过程，用于借助远程[0024] 诊断(例如轴承诊断)和远程维护来提前预防可能的机器损坏。
附图说明
[0025] 下面描述的附图仅仅是为了更好地理解本发明，它们不是把本发明限定在这些
实施例中。这些附图都是部分的粗略的和示意性的。原则上，在附图或正文中给出的每个工作模式、每个原理、每个技术构造方案和每个特征都可以与所有的
权利要求、在正文和其它附图中的每个特征、其它的工作模式、原理、技术构造方案和此公开文献中包含的或由此得出的特征进行自由且任意的组合，因此所有可考虑的组合都可加入本发明的公开范围中。在此还包含所有在正文即正文的每个段落中、权利要求书中的单个实施例的组合，还包含在正文、权利要求书及附图中的不同实施例的组合。
[0026] 图1a和图1b示出了两种不同解决方案的比较。在图1a中示出了第一种解决方案，其由现有技术已知并具有外部的轴承损坏分析。在图1b中示出了第二种解决方案，其是根据本发明的解决方案并具有根据本发明的集成于驱动器的机器状态分析。
具体实施方式
[0027] 在图1a的变型方案中，驱动控制器100根据功率与要调节的
伺服电机101相连。在电机101上设置有固体声传感器103和电机转速检测器104。固体声传感器103和电机转速检测器104的输出端通向相对驱动控制器100独立的诊断工具102，此诊断工具与移动的数据检测设备106相连，例如与膝上型电脑106相连。对各种外部周边设备102以及与之相关的布线107、108的要求非常高。由此连续实施诊断的费用必然也同样非常高。
[0028] 在按图1b的根据本发明的驱动器内部式的变型方案中，驱动控制器100根据功率同样与要调节的伺服电机101相连。例如借助电机101上的固体声传感器103检测到的固体声，现在不必再借助移动的数据检测设备102和诊断电脑106如同从图1a中已知的那样进行分析。相反，固体声信号直接传递到驱动控制器100上，此驱动控制器100根据本发明具有诊断机构102作为集成的组成部分。因此可以在驱动控制器100的内部并因此基于驱动器进行振动分析。
[0029] 驱动控制器100在它作为开环控制和闭环控制单元的功能框架中，不断地检测电机101的实际转速。因此在驱动器内部提供了对振动分析所必需的所有数据。驱动控制器100因此与电机101一起实现了如图1a所示系统一样的功能。不再需要单独的与移动的数据检测设备106例如膝上型电脑106相连的外部的诊断工具102。诊断工具和/或数据检测设备的功能近似被驱动控制器所包含。布线107、108也省下了。此外，在转速恒定时和在转速不恒定时都可以在驱动器内部进行所述分析。与从现有技术中已知的解决方案相比，这样实施诊断的成本更低。尤其现在可以在任何时候，即使在正常运行器件并优选实时地无需外部干涉地进行振动诊断和/或振动监测。此外，与传统的方法相比，由于是对驱动器内部的参数进行处理，因而改善了诊断质量。通过因特网或类似的通讯工具进行遥控诊断操作也是可行的。
[0030] 除了系统的
硬件方面的架构外，也有信号原理方面的应用，其在驱动控制器的
固件内实施。在
软件实施时，要专
门进行高频信号的采样或离散化(欠采样、
混叠)、专门的频率转换(包络曲线谱)和专门的频率分析。
[0031] 在申请人在为测试目的而损坏的伺服电机上进行的振动测量中，证实了根据本发明的原理的功能性。在伺服电机的轴承被确定为损坏之前，要在大量的测量序列中确定振动测量的基准状态。
[0032] 基准状态的测量结果用于后期针对代表了已损坏的状态的测量序列进行比较。在拆下轴承的盖板后，借助电动的手持
铣刀在
滚动轴承的
外圈上加工出一个深缺口。这在轴承的安装状态下进行，在伺服电机的
轴承盖被取走之后。因此出现了典型的外圈损坏的损坏图。在试验时使用的加速度传感器的传感器信号中，可借助频率分析仪来证实这种故意产生的损坏图。在较高的转速范围内(＞1000rpm)，所产生的损坏图也可以明确无误解地在传感器信号的包络曲线谱中识别出来。此外，还可以识别出电频率、
转子转动频率和传感器频率。
[0033] 为了针对所使用的固定在电机101上的用于测量转子加速度的加速度传感器103来估计根据本发明的装置100的效能，借助装置100的模拟输入端读入传感器信号。通过借助根据本发明的装置100进行采样，产生了图2和3中所示的频谱。图4示出了相应的试验系统。
[0034] 图2根据设置在伺服电机101上的且为分析目的而被单元100分析固体声传感器103示出了完好的轴承的频谱，以Hz为单位(横坐标)。用A标出的谱线是电引起的信号(例如电频率)。用B标出的谱线是机械引起的信号(例如转子转动频率)。
[0035] 图3示出了相同的视图，但是在伺服电机101上存在着已损坏的滚动轴承的情况下。把图2和图3中的频谱进行比较，可看到明显的区别，这些区别可通过上面已提到的在滚动轴承的外圈上故意造成的滚动轴承损坏来解释。除了从图2中已知的频率部分，现在首先还可看到外圈的超限频率C及其谐波(见图3)，它们是由所述滚动轴承损坏引起的。
[0036] 图4示出了根据本发明的用于监测轴承损坏的系统，此系统包括驱动控制器400、伺服电机401、加速度传感器403或固体声传感器403。在
接口405处可连接上级控制台。此外，此系统还可应用于状态监测过程的领域。借助包含在装置400中的诊断和监测单元(未示出)，图4所示的装置400能够自动地至少部分地补偿或识别出在电机401上出现的振动。
[0037] 图5示出了根据本发明的在装置内部进行的传感器
信号处理的细节。装置500包括具有低通
滤波器502的控制部件501、具有节拍器505的采样保持电路503、模/数转换器504。同样在装置500中还包括有诊断和/或监测单元506。此诊断和/或监测单元506包括机构507，用于对由控制部件501数字化的信号进行整流；机构508，用于信号滤波(
低通滤波器、带通、
下采样)；机构509，用于将由前面的模
块502、503、504、505、507和508处理的传感器信号转换到频域中。
[0038] 通过使传感器信号与一系列脉冲在节拍器505的采样周期的间隔中相乘，来实现传感器信号在控制部件501中的采样.由此得到了时间上连续的信号，但它只是对时间上离散的值t＝k*T确定为不等于零，或者在t＝k*T的时间点上与原始的未采样的传感器信号x(t)相同。t在此代表时间，T代表采样周期，K代表控制变量。这种信号的量化或值离散化是借助
模数转换器504实现的。此模数转换器504给采样保持环节503的每个模拟值都分配了一个数字值。这种分配总是按规定数量的量化级别(这决定了信号分辨)来进行。模数转换器504的分辨越高，则提供的量化级别就越多。
[0039] 因为在实际中不可能实现任意高的采样频率来避免混叠，所以连续信号必须限定在它的带宽中。这通过在前面连接模拟低通滤波器502来实现，此低通滤波器同样也包含在根据本发明的装置中。借助低通滤波器502可过滤出较高的频率部分。为了数字重构和考察连续的时间信号的频率部分，根据本发明，借助装置500以下面的步骤来实现所述数字化：
[0040] 1.借助滤波装置来使传感器501的传感器信号滤波；
[0041] 2.把这样滤波的信号传递给采样保持装置503用于采样；
[0042] 3.把由采样保持装置503采样的信号传递给模数转换器504，
[0044] 除了此处所选的低通滤波器502外，
带通滤波器也提供了一种避免混叠的可能性，借助所述带通滤波器能“可靠”地检测到尼奎斯特区域之外的频率。当然这只有当带通滤波器的带宽，即通过区域，精确地位于两个反射轴之间才可能实现。按前面描述的定律，这个区域内的频率部分被反射到尼奎斯特区域中。然后由于了解了带通滤波器的带宽，所述混叠频率可精确地配属给相应的频域(欠尼奎斯特采样)。通过这种技术，只需对于高频率部分借助带通滤波器实现模拟
抗混叠滤波器，就能使用现有的系统。同样可考虑的是，使两个或多个抗混叠滤波器并行，它们的输出端或通过区域单独地采样。所述数值序列可相应地处理，因此在接着的
叠加后，产生的信号的频率比按传统方法进行采样高得多。
[0045] 在借助采样保持环节503进行采样时，在根据本发明的原理框架中有意地不遵守这种采样原理(欠采样)，而总是考虑混叠频率的出现。对于闭环控制机器而言，这通常不会出现严重的问题，因为混叠频率的期望的振幅小得可以忽略不计。依照设定的性能(闭环控制回路的配置)，设定固定的采样频率，其处于kHz的范围内(大约4kHz)。
[0046] 在本发明的结构框架中出现的滚动轴承的损坏频率是指冲击脉冲状的激励，其在转子的转速恒定时会周期性地重复。伺服电机101、401即使其轴承完好的状态下也会振动或振荡，因此不能从加速度信号中直接推导出轴承损坏。根据本发明的频率转换，其在驱动控制器100、400中进行，带来了补救措施。伺服电机101、401的冲击激励表现为可持续振动的系统，并对冲击脉冲状的具有阻尼振动的激励做出反应，这随后会影响力激励和加速度信号之间的实际的传递行为。借助FFT(快速傅里叶变换)
算法，所述加速度信号分解成其和谐的组成部分。
[0047] 此外，连接加速度信号的正峰值或换向点还形成了一种曲线，这种曲线非常接近锯齿形振动的曲线。锯齿形振动从傅里叶级数展开或傅里叶综合法中已知。它可以在传统的傅里叶变换的频谱中被明确地确定。锯齿形振动由基
本振动和这种基本振动的多个偶数倍组成。这种倍数也被称为谐波，其振幅在谐波的阶数n增大时下降l/n。因此在频域内示出了锯齿形振动的明显特征。所述的方法在信号处理中也被称为包络曲线调制或包络曲线分析。在本发明的框架中，包络曲线分析借助以下步骤实现：
[0048] (1)通过对负值求平方、求反或舍位，实现时间信号的数字整流507，以及[0049] (2)通过下采样进行数字低通滤波508，以及
[0050] (3)DFT(离散傅里叶变换)509。
[0051] 包络曲线分析的原理在硬件和/或软件中包含在根据本发明的装置100中。此方法的重要优点是，抑制和谐的振动，并利用不和谐的振动。相反对于纯粹的傅里叶变换，只计算振动的和谐的组成部分，而所有其它不和谐的规则性和周期性都保持被掩盖。因此，包络曲线分析最适合在频域内使轴承损坏的冲击脉冲重复频率可视化。
[0052] 前面所述的功能模块502、503、504、505、507、508、509紧密地与包括在根据本发明的装置100中的数字计算单元(未示出)一起工作。模块507、508、509为了实现包络曲线分析可以组合起来。本来要分析的传感器信号来自于连到控制部件501上的外部传感器510(固体声传感器、加速度传感器或类似元件)。
[0053] 为了即使在转速不恒定时也能实施图2和图3中所示的振动测量，借助根据本发明的方法或根据本发明的装置100来实施转速标准化。例如在申请人实施的试验(同样见图4)中标准
化成转速为2500rpm。在扫描加速度传感器103的信号时，伺服电机101的转速恒定地上升，这用于开始运动曲线。
[0054] 由于这种转速上升，在所述测量中在加速度传感器信号中没有产生保持不变的规律，这可借助包络曲线分析来达到。但所述运动曲线(其存储在驱动控制器中)对于根据本发明的装置来说是已知的，并且传感器信号可进行转速标准化。所述标准化的优点是，机器的实际转速可被标准化成任意的转速。从而，即使在转速恒定时也可以像随后的包络曲线分析一样进行测量和分析。在考虑最终转速和/或起始转速的情况下，借助时间间隔的变长来实现标准化。为此给出例如把起始转速标准化成2500rpm的时间信号。
[0055] 紧接着，借助标准化的信号的内插产生具有等距
节点的信号，其进行了包络曲线分析。借助振动测量的根据本发明的转速标准化的时间信号的包络曲线分析的结果，可明显地看到外圈过卷频率和它的谐波，如同它在转速恒定在2500rpm时进行振动测量所期望的一样。转速标准化的必要步骤可传递到任意复合的运动曲线中。
[0056] 前面的描述和实施的测量证实了传感器信号包含明确的关于确定的轴承损坏状态的信息。通过根据本发明的装置进行的采样提供了这样的信息，此信息作为轴承损坏的证据来自包络曲线分析。
[0057] 根据本发明的认识可作为进一步对状态监测(机器监测)领域研究的
基础。尤其明确地推荐，将本发明结合由轴承损坏引起的冲击脉冲以及利用或不利用包络曲线分析在频域内对其进行考察用于机器监测目的。
[0058] 尤其明确地推荐，结合根据本发明的认识，在只考察驱动控制器的内部状态参数的情况下，不使用任何外部的固体声传感器/加速度传感器。按照轴承损坏的程度，利用或不利用外部传感器的解决方案是有意义或可实现的。
[0059] 对集成于驱动器的振动测量的效能进行评价的重要标准是在转速不恒定时进行测量的可能性。通过转速标准化这一方法，在转速不同时，这也可以在运动曲线的过程中进行测量。这对伺服电机的其它方面必要的恒定的测试转速，不再有严格的限制。相对于市场上常见的诊断系统而言，这种认识可看作是集成于驱动器的振动测量方案的重要优点。
[0060] 在图6中以基本振动为例示出了所述在装置内部的进行转速标准化的方法，其周期时间持续地变短(参照上图)。
[0061] 实际振动的周期时间从T1降到T9，振动显然被“缩短”了。基于对周期时间或“缩短程度”的时间变化的认识，整个振动的单个周期借助根据本发明的方法再次变长或“伸长”。在此意义中，根据本发明的周期时间的标准化在考虑到转速变化时信号的周期时间的时间变化的情况下对于数字信号的节点与时间间隔的变化没有区别。在根据本发明的转速标准化的基本构思中，基于对运动曲线的认识，可任意地规定标准化的转速。此构思从实践出发，因此可在转速斜坡或在运动曲线过程中实施振动测量。转速恒定的前提条件对于许多应用意味着，为进行振动测量和随后的监测，必须中断正常的操作。但依照所谓的“实时状态监测(也就是“on the fly(联机)”)，这与机器制造商的愿望不一致。现在，本发明无需这种中断就能实现监测。
