用于监测齿轮状态的技术的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及预测与电动马达连接（特别是与由马达驱动器驱动的电动马达连接） 的齿轮故障。
【背景技术】
[0002] 为了提供具体的但非限制性的示例，结合诸如电起重机、升降机或电梯的电动驱 动器描述了本发明潜在的问题，该电动驱动器提供垂直运动或具有垂直分量的运动。这是 因为，即使在运动停止时的稳定状态条件中，被提升或悬置的负荷影响整个系统的齿轮、轴 和轴承。安全制动器通常安装在齿轮的初级侧或发动机侧。如果齿轮灾难性地断裂，则负 荷的自由下落是可能的。然而本领域的技术人员将意识到，无论运动的方向，结合几乎任何 的电动驱动器的齿轮故障的早期预测是可取的。
[0003] 在本发明的上下文中，齿轮故障的预测包括两个任务，即监测齿轮状态并且检测 在齿轮状态中的潜在风险变化。
[0004] JP05069923B2公开了用于具有诊断设备的升降起重机的技术，该诊断设备基于流 入到马达的电流中的变化和齿轮与马达啮合时的轴的旋转角度值来计算齿轮的磨损诊断 值。操作控制设备控制连接到马达的旋转轴的旋转角度检测设备和电动马达的驱动器。电 流传感器测量流入到马达中的电流中的变化，以及旋转角度检测设备检测当齿轮与马达啮 合时轴的旋转角度中的变化。磨损诊断设备基于旋转角度值和电流值中的变化，计算齿轮 磨耗的诊断值。
[0005] 现有技术的问题是需要广泛仪器来测量电流并且检测具有足够精度、分辨率和可 重复性的旋转角度的变化。虽然提供具有这种附加传感器和连接的新设备可能是可行的， 但是改造现有设备是困难的、劳动密集的并且是昂贵的。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是减轻上述的一个或多个问题。具体地，本发明的目的是提供一种 方法、设备和计算机程序产品，其提供在一个或多个领域中的改进，诸如必要仪器的减少、 易于改造现有设备等等。
[0007] 本发明是基于使用在包括（优选在闭环配置中）电动马达和马达驱动器的系统中 存在的信息的构想。本发明人的假设为：
[0008] 1.如果过程（例如速度或实际速度相对于设定速度）改变，
[0009] 2.在诸如在恒定设定值下的控制过程中缺失的变化，
[0010] 3.该变化可指示在齿轮中的磨损，并且可选地，组件极有可能表现出磨损。
[0011] 发明人已经成功地测试该假设并且已采用用于将本发明进行实际使用的各种具 体实施例进行了试验。本发明的实施例目的在于监测由根据本发明实施例的方法或设备监 测的系统的状态，特别是涉及磨损的状态。特别地，本发明实施例的目的在于减少在许多现 有技术中用于监测磨损的附加仪器，诸如附加的传感器和布线。
[0012] 本发明的一方面是一种方法，该方法包括相于系统的下述行为，所述系统包括电 动马达和速度输出单元，并且该电动马达后边紧接着齿轮；
[0013] -当系统处于已知的良好操作状态时，监测在测量周期内来自系统的第一组频 率；
[0014] -将监测到的第一组频率或其衍生物存储在长期存储系统中作为参考数据；
[0015] -当系统处于未知的操作状态时，监测在测量周期内来自系统的第二组频率；
[0016] -在频域中将监测到的第二组频率和监测到的第一组频率相比较；
[0017] -在该频域中，检测从监测到的第二组频率和监测到的第一组频率得到的对应频 率之间的变化。
[0018] 本发明的另一方面是数据处理系统，其包括：存储器系统，用于存储程序代码指令 和数据；处理系统，其包括至少一个处理单元，所述处理单元执行程序代码指令的至少一部 分并且处理数据；到系统的连接，所述系统至少包括速度输出单元和电动马达；其中存储 器系统存储程序代码指令，当所述程序代码指令由处理系统执行时指示处理系统执行本发 明方法的行为。
[0019] 本发明提供优于已知振动感测技术（vibration-sensingtechnique)的若干优 点。不像基于机械振动的感测的技术，本发明可在没有加速度传感器或用于它们的布线的 情况下使用。同样，本发明可在没有用于产生用于启动或同步测量的触发脉冲的单独传感 器的情况下使用。除了消除加速度传感器和到那里的布线的需求之外，本发明消除一些与 它们相关联的缺点，诸如对来自外部源的振动的敏感性。
[0020] 本发明的实施例可在系统中使用，该系统包括至少一个速度输出单元和电动马 达。示例的非穷尽列表包括升降设备，诸如起重机、升降机、电梯（直达电梯）、自动扶梯、栗 或风车。
[0021] 马达驱动器指控制馈送到电动马达的功率的一个或多个方面的装置或单元。马 达驱动器通常包括频率转换器、可变频率驱动器或脉冲宽度调制器。速度输出单元可以是 专用速度检测器，诸如输出用于旋转轴的每一转的若干脉冲的脉冲传感器。作为说明性但 非限制性的示例，脉冲传感器可输出每转600个脉冲以用于足够的分辨率。在其它实施方 式中，电动马达由马达驱动器驱动，在该情况下速度反馈信号可传递给马达驱动器。速度反 馈信号由速度传感器2-10给出。在一些实施方式中，马达驱动器和电动马达被设置成闭环 配置，在该情况下在设定速度和实际速度之间观察到的差异可被利用以用于附加的信息。 在闭环配置中，实际速度被测量并且被用作用于马达驱动器的速度反馈信号。虽然本发明 适用于不具有内置速度传感器的系统，但是本发明在闭环系统或其它系统中提供了特定益 处，所述其它系统包括具有足够高分辨率的现有速度传感器。本发明因此至少部分地基于 如下令人惊讶的事实，即随着时间的推移，在旋转速度的频率分量中的变化观察产生对系 统状态有价值的信息。同一测量到的速度或其衍生物可用于创造性状态监测的目的，从而 对附加传感器和布线的需求减少或完全消除。
[0022] 检测变化的行为具有几个可能的实施方式，诸如一个或多个频率的检测，在所述 频率处幅度超过特定的阈值；相对变化超过特定的阈值；或变化率超过特定的阈值。一些 实施方式包括如果在对应频率之间的至少一个检测到的变化超过预定阈值，则指示警报状 态。可替代地或另外地，该方法可包括如果在对应频率之间的至少一个检测到的变化超过 在多个其它变化上计算的平均变化，则指示警报状态。一些实施方式包括如果在多个不同 速度处获得第一和第二频率，则将所述频率缩放到通用频率。
[0023] -些实施方式包括维护指示一组预测器频率的数据，比起随机选择的频率，在预 测器频率处检测到的变化与磨损更好地相关。在预测器频率处的变化的权重可比在其它频 率处的变化的权重更重。在一些实施方式中，所述比较监测到的频率组包括监测到的第一 组和第二组频率中的每一组的倒频谱转换。在一些实施方式中，所述监测第一组和第二组 频率包括监测在闭环配置中的电动马达的设定值和实际值。
[0024] 在一些实施方式中，在频域中的分析包括到倒频谱的转换。倒频谱是采用信号的 估计频谱的对数的傅立叶变换（FT)的结果。倒频谱转换的益处是谐波泛音被减少到基频。 例如，如果振动的给定源已知在比如5. 5Hz处振动，并且振动不是纯粹正弦的，则n*5. 5Hz 的谐波泛音（η是>1的整数）也从同一源产生。减少谐波泛音到它们的基频简化了检测振 动源的任务，所述振动源的状态随时间的推移而改变。这是因为与将基频和谐波泛音的复 杂混合与振动源相关联的任务相比，将基频和振动源相关联的任务更容易。本领域的技术 人员将理解，存在用于达到物理等效结果的替代算法，在该情况中谐波泛音被减少到其基 频，并且将一组频率映射到那些频率的源的任务被简化。
【附图说明】
[0025] 在以下部分中，本发明的具体实施例将结合说明性但非限制性的示例进行更详细 地描述。参考以下附图：
[0026] 图1示出可以被编程以执行与本发明的实施例相关的各种数据处理任务的示例 性数据处理架构；
[0027] 图2示出在闭环速度控制配置中的马达驱动器，其中来自闭环配置的的速度输出 信号被分支到状态监测单元；
[0028] 图3和图4示出在测试开始时分别在频域和时域中的测量结果；
[0029] 图5和图6示出在测试结束时分别在频域和时域中的测量结果；
[0030] 图7和图8示出表现出在测试开始和结束之间显著增加的一些低频峰值；
[0031] 图9示出在测试期间以时间线格式的这些频率，其每天运行八至九小时；
[0032] 图10示出轴速度和未经过滤的马达电流相对于测试运行过程中的时间的曲线 图；
[0033] 图11至图16示出具有范围从50Hz到75Hz以5Hz分开的六个不同速度的数据可 伸缩性；以及
[0034] 图17示出在用于外部状态监测单元的工作原型中使用的软件架构。
【具体实施方式】
[0035] 图1示出可以被编程以执行与本发明的实施例相关的各种数据处理任务的示例 性数据处理架构。在下文中，数据处理架构将被称为计算机，但是本领域技术人员将认识 至IJ，数