专利名称：电气传动系统、识别该系统和/或探测损伤的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于识别待模型化为多惯量振动器的电气传动系统和/或者用 于探测电气传动系统中轴承内和/或者受磨损的部件上损伤的方法以及配属的装置和相 应的电气传动系统。
背景技术：
电气传动装置的机械联合体在实践中经常可以模型化为多惯量振动器。传动系统 在建模的意义上被识别，以便然后在所识别模型的基础上进行传动系统的调节器或其他组 成部分的参数设定。建模对传动系统的启动过程至关重要。此外，在电气传动系统中依据 目的进行状态监测。在这种状态监测的框架内，尤其要对传动系统轴承损伤或易磨损的部 件上的损伤进行探测。在进行建模的以往方法中或进行电气传动系统中损伤探测的以往方法中使用机 械传感器，利用这些机械传感器确定传动系统的机械角速度或者机械转子位置角，以便借 助这些传感器所确定的数值可以进行所需的计算。原则上公知电气机器的角速度仅在测量机器的端子值(Klemmengri^e)基础 上确定。但在对传动系统中的损伤进行诊断时相应同样得以应用的以往公知的用于电气 传动系统的识别方法全部是带有探测器的方法。这意味着，为了实施这些带有旋转探测器 (Drehgeber)的方法需要单独的构件，由此一方面增加了成本，另一方面提高了安装和评估 的开支并由此还可能出现附加的故障源。
发明内容
本发明的目的因此在于，提供一种用于识别待模型化为多惯量振动器的电气传动 系统和/或者用于探测电气传动系统中轴承内和/或者受磨损的部件上损伤的方法，该方 法与此相关地得到改进。为了实现该目的，依据本发明设置一种该类型的方法，该方法以如下方式而著 称，即，在该方法的框架内，以无探测器的方式来确定电气传动系统的机械角速度并且借 助以无探测器的方式确定的机械角速度在相关图(Korrelogramme)和/或者Welch方法 (Welchverfahren)的基础上进行信号处理，其中，在信号处理的框架内确定电气传动系统 机械机构的频率响应(Frequenzgang)，将该频率响应的数据用于确定电气传动系统的至少 一个参数。依据本发明的方法因此将以往仅在使用特殊探测器或者说传感器的基础上公知 的用于多惯量振动器或用于探测电气传动系统中轴承损伤和其他损伤的特定识别方法与 以无探测器的方式确定机械角速度相组合。因此，依据本发明，借助在相关图法或Welch方 法基础上的特殊的信号处理可以实现以无探测器的方式识别多惯量振动器或以无探测器 的方式诊断传动系统的轴承损伤和/或者受磨损的部件上的损伤。由此，现在也能够以无 探测器的方式实现以往只能以带有探测器的方式公知的用于系统识别的可靠方法。因此，
3本发明对电气传动系统的自动化启动并且也对这种电气传动装置的诊断和保养做出很有 价值的贡献。使用Welch方法是为了在降噪情况下估计相对于频率的信号强度。Welch方 法以使用周期图的方案为基础，以便将信号从时间空间传递到频率空间。对测量角速度或转子位置角不用机械传感器就行得通的、用于确定机械角速度的 无探测器方法从最小的定子频率起就提供安全和可靠的结果。在依据本发明的方法中，基 于借助相关图或Welch方法所提到的评估，在确定电气传动系统机械机构的频率响应情况 下，这种最小定子频率作为条件始终是给出的。这一点能够实现在任何可设想的使用情 况下，依据本发明将以无探测器的方式确定角速度与这种特定的信号处理相组合。识别过程本身分成两个步骤，其中，首先借助于Welch或者相关图方法结合所测 量的时间信号计算机械机构的频率响应，而在数字信号处理之后进行设备参数的确定。一 般情况下，电气传动系统参数的确定通过如下方式来进行，即，在结果中获得系统的完整模 型。但除此之外，在本发明的框架内同样可以设想只确定传动设备的特定的系统参数或有 限数量的参数。在使用频率响应数据的情况下，用于信号处理以及用于确定设备参数的可行性的 细节例如可以从 2007 年 Siegen 大学 S. Villwock 的博士论文 “ Identif ikationsmethoden fiir die automatisierte Inbetriebnahmeund Zustandsiiberwachung elektrischer Antriebe (用于电气传动装置的自动化启动和状态监测的识别方法)，，中得知。机械角速度依据本发明能够以无探测器的方式借助所测得的或者待测量的传动 系统电气端子值，特别是传动系统的电流和/或者电压来确定。单独使用端子值如电流和 必要时电压提供的优点是，这样使用通常本来就已测得的或可以简单测量的或者已经存在 的数值。不需要开支大的或单独的附加传感器。在确定频率响应的框架内可以利用伪随机二进制信号作为测试信号来激发电气 传动系统。如果传动装置不是像提出的那样利用伪随机二进制信号来激发，而是例如利用 其谐振频率来激发，那么会产生甚至导致设备毁坏的损坏。与此相应具有优点的是，系统激 发不是利用谐波函数，而是利用伪随机二进制信号来进行，该伪随机二进制信号例如可以 借助测试信号发生器来产生。在确定频率响应的框架内，可以借助测试信号发生器来确定用于激发电气传动 系统的测试信号和/或者用于激发电气传动系统的测试信号可以借助尤其用于优化识别 结果的、可设定参数的测试信号发生器来确定。因此，一方面可以有针对性地通过测试信号发生器产生信号并且用于激发电气传 动系统，其中，另一方面具有优点的是，测试信号发生器通过如下方式来构成，即，充分存在 用于测试信号或发生器参数设定的可能性。通过适当调整测试信号可以改善或优化识别结 果，这是因为测试信号的变化对识别过程的结果有很大影响。在确定频率响应的框架内，可以将定子电流形成转矩的分量和/或者电机转速作 为信号进行处理。针对在依据本发明的方法中实施的数字信号处理，以依据目的的方式设 置有适当的计算机装置，该计算机装置是电气传动系统的一部分并且必要时在传动系统中 还完成其他任务或者该计算机装置作为单独的计算机装置通过数据连接与传动系统相连。 借助这一个或借助多个计算机装置，必要时还可以产生信号。但原则上也可以设想信号产 生或系统激发和数字信号处理在不同的装置方面并且尤其还以与其余的系统控制分开的方式进行。定子电流和电机转速形成转矩的分量因此确实适合作为信号来处理，这是因为 在此涉及的是要么依据标准已在传动调节器中被接收的数值，要么无需较大开支就可以测 定的数值。依据本发明，电气传动系统的至少一个参数并且尤其是电气传动系统的所有 参数，均可以借助列文伯格-马夸尔特法(Levenberg-Marquardt-Verfahren)来确定。 Levenberg和Marquardt的数值法的基础是，将高斯-牛顿法与迫使函数值递减的正规化技 术(Regularisierimgstechnik)相组合。按照这种方式和方法，完成用于解决非线性补偿 问题的优化算法。用于尤其在对受磨损的机器部件如损坏的滚动轴承进行故障诊断和状态监测的 框架内应用该方法的其他细节从已经提到的工学博士 Villwock先生的博士论文中得知。电气传动系统可以被模型化为双惯量振动器或者三惯量振动器或者多惯量振动 器。通常模型化为双惯量振动器就已经足够。当然在复杂的系统中，依据目的或要求也可 以模型化为三惯量振动器、四惯量振动器等。依据本发明的方法可以在对电气传动系统的轴承和/或者受磨损的部件进行故 障诊断和/或者状态监测的框架内应用或使用。对轴承损伤或总体受到磨损而损伤的设备 部件的探测因此可以有针对性地集成到故障诊断方法中或集成到连续或周期性或者手动 激活进行的状态监测中。为了在对轴承和/或者受磨损的部件进行故障诊断和/或者状态监测的框架内进 行损伤或轴承故障的探测，可以进行另一频率响应测量，和/或者在对轴承和/或者受磨损 的部件进行故障诊断和/或者状态监测的框架内，检查尤其由于污染和/或者缺少润滑造 成的宽带损坏和/或者检查尤其是轴承外圈和/或者内圈的奇异(singular)损坏。为了 对受磨损的机器部件例如像损坏的滚动轴承进行故障诊断或状态监测，因此可以使频率响 应测量重新得以应用。对所接收的信号的检查可以通过如下方式来进行，即，既查验此外由 于污染或者缺少润滑造成的宽带损坏，又查验例如轴承外圈和/或者内圈的奇异损坏。为了检查宽带损坏，可以在宽的频率范围上对测量信号的频谱检查不可预见的变 化，和/或者为了检查奇异故障而对典型的误差频率进行检查。因此一方面为了发现受磨 损的部件的宽带损坏，可以在频谱内较大频率范围上寻找不可预见的或能调节的性质的变 化。相反或作为补充，如果要检查并且找到奇异损坏，那么推荐例如借助在依据本发明 的方法的框架内进行信号处理的计算机装置相应程序来寻找典型的误差频率范围内的特 点。实验证明，频率响应分析的方法可以有效地用于识别不同轴承故障中的轴承损伤。典 型的误差频率可以通过近似公式来测定，除了常数外仅将相应轴承滚动体的数量以及传动 装置的机械角速度代入到该近似公式中。本发明因此可以实现探测轴承故障、其他设备损伤以及系统识别，其中，完全取消 借助于旋转探测器来测量机械角速度。取而代之的是，以不用任何机械传感器的方式，例如 借助所测量的机器电流来确定角速度。基于Welch方法以及相关图的特定的信号处理，该 相关图用于确定机械机构的频率响应并且随后在使用Levenberg和Marquardt的数值法的 条件下用于确定设备参数，与以无探测器的方式确定机械角速度的依据本发明的组合，可 以实现可靠地且非常安全地识别多惯量系统并且此外可以完全无需开支大的传感器地实 现探测轴承损伤。
此外，本发明涉及一种装置，该装置尤其如上所述地构成，用于识别待模型化为多 惯量振动器的电气传动系统和/或者用于探测电气传动系统中轴承内和/或者受磨损的部 件上损伤，并且该装置以如下方式而著称，即，该装置具有用于以无探测器的方式确定电气 传动系统机械角速度的机构，并且该装置被构成，用于借助以无探测器的方式确定的机械 角速度在相关图和/或者Welch方法的基础上进行信号处理，其中，该装置在信号处理的框 架内构成用于确定电气传动系统机械机构的频率响应并且构成用于将频率响应的数据用 于确定电气传动系统的至少一个参数。为此，该装置以依据目的的方式包括用于产生信号的适当装备如测试信号发生 器，以便激发电气传动系统并从所测量的时间信号中计算频率响应。计算和信号处理借 助该装置的至少一个计算机装置来进行，在该计算机装置上为此设置有相应的程序机构 (Programmmittel)，该程序机构借助于所称的数值方法尤其可以实现自动的但必要时也可 以实现手动激活的数据测定或评估。为此，将作为待处理信号的优选是定子电流形成转矩 的分量和电机转速导入计算机装置。必要时也可以设想计算机装置为了信号处理而主动 要求这些数值并且然后通过相应的数据线例如从电气传动系统的控制系统获得这些数值。 但依据本发明的装置的用于数字信号评估的计算机装置当然也可以是本来就存在的设备 控制装置或设备方面的计算机系统的一部分并且可以相应地对那里存在的数据进行存取。此外，本发明涉及一种电气传动系统，该电气传动系统以具有如上所述的装置的 方式构成和/或者该电气传动系统以具有用于实施如开头所述那样的方法的装置的方式 构成。
本发明的其他优点、特征和细节借助下面的实施例以及从附图中得知。在此图1示出用于识别待模型化为多惯量振动器的电气传动系统或用于探测电气传 动系统中轴承内或受磨损的部件上的损伤的依据本发明方法的流程的原理草图。
具体实施例方式本发明以如下方式而著称，即，依据图1的小框1，以无探测器的方式进行机械角 速度的识别，也就是说不使用单独的传感器。取而代之的是，仅使用机器的端子值。例如在 这里依据小框3使用定子电流形成转矩的分量并依据小框4使用估算出的电机转速，依据 小框2，将它们作为特殊的信号处理所要处理的信号而引入。本发明的特定的信号处理依据 小框5以使用Welch方法或者相关图方法为基础，借助Welch方法或者相关图方法从所测 得的时间信号中计算机械机构的频率响应(参照小框6)。紧接着数字信号处理，依据小框7然后进行传动系统参数的确定。在此依据目的 地确定所有重要的系统参数或所有模型参数。设备参数的确定在优选实施例中在使用频 率响应数据的条件下借助于Levenberg和Marquardt的数值法来进行。在此基础上，依据 小框8，除了识别多惯量系统外，还可以实现探测轴承损伤和其他设备损伤。一般来说可以 针对受磨损的机器部件进行故障诊断或状态监测。如通过双箭头9所表示的那样，为了诊 断轴承故障和类似损伤，依据本发明重新进行频率响应测量。借助于单独的传感器进行的机械角速度测量在本发明的框架内不再需要。角速度仅借助所测得的机器电流或电压以无任何机械传感器的方式来确定，以便这样达到以无探 测器的方式识别多惯量振动器或以无探测器的方式诊断轴承损伤的目的。附图标记列表
1小框
2小框
3小框
4小框
5小框
6小框
7小框
8小框
9双箭头。
权利要求
用于识别待模型化为多惯量振动器的电气传动系统和/或者用于探测电气传动系统中轴承内和/或者受磨损的部件上的损伤的方法，其特征在于，在所述方法的框架内，以无探测器的方式确定所述电气传动系统的机械角速度并借助所述以无探测器的方式确定的机械角速度在相关图和/或者Welch方法的基础上实施信号处理，其中，在所述信号处理的框架内，所述电气传动系统机械机构的频率响应被确定，所述频率响应的数据被用于确定所述的电气传动系统的至少一个参数。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械角速度以无探测器的方式借助所 述传动系统的测得的或者待测量的电气端子值，特别是电流和/或者电压来确定。
3.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在确定所述频率响应的框架内，利用 伪随机二进制信号作为测试信号来激发所述电气传动系统。
4.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在确定所述频率响应的框架内，借助 测试信号发生器来确定用于激发所述电气传动系统的测试信号，和/或者用于激发所述电 气传动系统的测试信号借助尤其用于优化识别结果的、能设定参数的测试信号发生器来确 定。
5.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在确定所述频率响应的框架内，将定 子电流的形成转矩的分量和/或者优选估算出的电机转速作为信号进行处理。
6.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述电气传动系统的所述至少一个 参数，尤其是所述传动系统的所有参数均借助列文伯格_马夸尔特法来确定。
7.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述电气传动系统被模型化为双惯 量振动器或者三惯量振动器或者多惯量振动器。
8.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述方法在对所述电气传动系统的 轴承和/或者受磨损的部件进行故障诊断和/或者状态监测的框架内使用。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，为了在对轴承和/或者受磨损的部件进行 故障诊断和/或者状态监测的框架内探测损伤，实施另外的频率响应测量，和/或者在对轴 承和/或者受磨损的部件进行故障诊断和/或者状态监测的框架内，检查尤其由于污染和 /或者缺少润滑造成的宽带损坏和/或者检查尤其是轴承外圈和/或者内圈的奇异损坏。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，为了检查宽带损坏，在宽的频率范围上对 测量信号的频谱检查不可预见的变化，和/或者为了检查奇异故障而对典型的误差频率进 行检查。
11.用于识别待模型化为多惯量振动器的电气传动系统和/或者用于探测电气传动系 统中轴承内和/或者受磨损的部件上的损伤的装置，尤其依据按前述权利要求之一所述的 方法，其特征在于，所述装置具有用于以无探测器的方式确定所述电气传动系统的机械角 速度的机构，并且所述装置被构成，用于借助所述以无探测器的方式确定的机械角速度在 相关图和/或者Welch方法的基础上进行信号处理，其中，所述装置在所述信号处理的框架 内被构成用于确定所述电气传动系统的机械机构的频率响应并且用于将所述频率响应的 数据用于确定所述电气传动系统的至少一个参数。
12.电气传动系统，以具有按权利要求11所述的装置的方式构成和/或者以具有用于 实施按权利要求1至10之一所述方法的装置的方式构成。
全文摘要
本发明涉及电气传动系统、识别该系统和/或探测损伤的方法及装置，所述电气传动系统是待模型化为多惯量振动器的电气传动系统，所述损伤是电气传动系统中轴承内和/或者受磨损的部件上的损伤，其中，在该方法的框架内，以无探测器的方式确定电气传动系统的机械角速度并且借助以无探测器的方式确定的机械角速度在相关图和/或者Welch方法的基础上进行信号处理，其中，在信号处理的框架内确定电气传动系统机械机构的频率响应，将该频率响应的数据用于确定电气传动系统的至少一个参数。
文档编号G01M13/04GK101943632SQ20101022437
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月6日 优先权日2009年7月6日
发明者乔斯马里奥·帕卡斯, 塞巴斯蒂安·维尔沃克 申请人:包米勒公司