(57)【要約】【課題】付加的なコストなしに電気機械の駆動部品の障害を早期に特定して、電気機械の生産性を向上させる。【解決手段】駆動装置が該駆動装置によって駆動される電気機械の障害、例えばベアリング損傷を識別する診断ユニットと閉ループ制御および／または開制御ユニットとを有している、駆動装置による電気機械の駆動方法、特に駆動制御器によるサーボモータの駆動方法において、ａ）前記電気機械を自動で閉ループ制御および／または開制御し、ｂ）前記電気機械の少なくとも１つの振動を自動で検出し、ｃ）前記診断ユニットにより検出された振動を考慮して前記電気機械の状態分析を自動で行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動装置（１００）が前記駆動装置（１００）によって駆動される電気機械（１０１）の障害、例えばベアリング損傷を識別する組み込まれた診断ユニットと閉ループ制御および／または開制御ユニットとを有している、
駆動装置による電気機械の駆動方法、例えば駆動制御器によるサーボモータの駆動方法において、
ａ）前記電気機械を自動で閉ループ制御および／または開制御するステップと、
ｂ）前記電気機械に接して配置された少なくとも１つの加速度センサおよび／または前記電気機械に接して配置された少なくとも１つのバルク波センサにより、前記電気機械の少なくとも１つの振動を自動で検出し、加速度信号および／またはバルク波信号を直接に前記駆動制御器へ伝送するステップと、
ｃ）検出された前記電気機械の振動を、前記電気機械の障害がない場合の振動と比較して、前記電気機械の障害がない場合には存在しない周波数成分を用いて、前記電気機械の状態分析を自動で行うステップと、
を有する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記電気機械の障害がない場合の振動に対する前記検出された前記電気機械の振動の偏差を自動で識別する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記閉ループ制御および／または開制御ユニットは位置制御および／または速度制御および／または電流制御を行うカスケード型の制御構造の制御器を有しており、
前記状態分析の際に位置制御器および／または速度制御器および／または電流制御器の少なくとも１つの振動を考慮する、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記電気機械の前記状態分析をつねに前記電気機械の駆動中に有利にはリアルタイムで行うか、または、例えば所定の時点で時間遅延されたタイミング制御によって行う、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
さらに、センサ信号をフィルタリングするステップ、および／または、
フィルタリングされたセンサ信号をサンプリングするステップ、および／または、
サンプリングされたセンサ信号をディジタル変換するステップ、および／または、
ディジタル変換されたセンサ信号を分析するステップを有する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記分析するステップはエンベロープ分析を含む、
請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記駆動装置は前記電気機械の複数の状態量を一連の測定値として検出し、前記一連の測定値を例えば前記電気機械の運動特性に基づいて回転数が変化した場合に前記運動特性に対応させる、
請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記駆動装置によって検出された前記一連の測定値を設定可能な回転数に関して正規化する、
請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記駆動装置により、前記電気機械の回転数の変化を考慮して、検出されたセンサ信号の周期持続時間の変化の度合を求める、
請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記駆動装置により、前記電気機械の回転数の増大が検出された場合に、前記周期持続時間の変化を補償する、
請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記周期持続時間を、回転数が増大する際に伸長し、回転数が低下する際に短縮する、
請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
連続する２つの測定値のあいだの時間間隔を周期が一定となるように変更する、
請求項７から１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記回転数に関して正規化された測定値の時間間隔を補間により等間隔に配置する、
請求項８から１２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記駆動装置内にメモリプログラミング可能な制御部を組み込み、前記制御部により少なくとも前記センサを制御する、
請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
前記駆動装置の分析結果を可視化のために上位の制御装置または上位の管理部（Leitstand）へ伝送し、および／または、前記駆動装置に含まれる操作パネルによって前記分析結果を自動で可視化する、
請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
電気機械を制御する制御装置を有する、
電気機械（１０１）に対する駆動装置、例えばモータに対する駆動制御器（１００）において、
前記電気機械の機械的障害、例えばベアリング損傷を識別する組み込まれた診断ユニットと、
前記電気機械に接して配置され、前記電気機械の少なくとも１つの振動を検出し、加速度信号および／またはバルク波信号を直接に前記駆動制御器へ伝送する、少なくとも１つの加速度センサおよび／または少なくとも１つのバルク波センサと、
が設けられており、
検出された前記電気機械の振動を、前記電気機械に障害がない場合の振動と比較して、前記電気機械の障害がない場合には存在しない周波数成分を用いて、前記電気機械の状態分析を自動で行うように構成されている、
ことを特徴とする駆動装置。
【請求項１７】
バイブレーションに基づく振動を検出する検出手段（１０３）により形成された信号が処理され、かつ、フィルタリングされ、かつ、サンプリング周波数にしたがってディジタル化され、かつ、前記診断ユニットにより周波数スペクトルに基づいて分析される、
請求項１６記載の駆動装置。
【請求項１８】
制御部がローパス、サンプル＆ホールド回路およびアナログディジタル変換器を有しており、前記駆動装置はディジタル化された信号を平滑化する平滑化手段と前記信号をフィルタリングするフィルタリング手段と前記信号を所定の周波数領域へ変換する変換手段とを有する、
請求項１７記載の駆動装置。
【請求項１９】
前記駆動装置は請求項１から１５までのいずれか１項記載の駆動方法にしたがって駆動される、請求項１６から１８までのいずれか１項記載の電気機械に対する駆動装置。
【請求項２０】
前記駆動装置は処理機、例えば工作機に対して用いられる、
請求項１９記載の電気機械に対する駆動装置。
【請求項２１】
前記駆動装置は遠隔管理システムにおいて用いられる、
請求項１９記載の電気機械に対する駆動装置。
【請求項２２】
請求項１６から１９までのいずれか１項記載の駆動装置（１００）および前記駆動装置に接続されたモータ（１０１）を備えた駆動ユニットにおいて、
前記モータはバイブレーションに基づく振動を検出する検出手段（１０３）を有しており、
前記駆動装置は診断ユニットを用いて前記モータで発生した振動を少なくとも部分的に自動で補償する
ことを特徴とする駆動ユニット。
【請求項２３】
請求項１９記載の駆動装置または請求項２２記載の駆動ユニットを備えていることを特徴とする処理機、例えば工作機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置による電気機械の駆動方法（駆動制御器によるサーボモータの駆動方法）、電気機械に対する駆動装置およびその使用法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械の出力増大および自動化に対する顧客の要求は大きく、特に電気機械メーカは特に製品の利用可能性を向上させてゆくべき義務を負っている。こうした流れのなかで電気機械の維持のコンセプトから状態監視システムの重要性はいよいよ増している。
【０００３】
予定外の生産の停止は、不要な予防的サービスの導入と同様に望ましくない。したがって、状態志向の生産維持は、エンドユーザにとって、いわば、クリティカルな要素の耐用期間が高度に活用され、所望のメンテナンスが行われているのと同義となる。こうしたストラテジを有効にするには、電気機械メーカが部品と制御部とを密に関連させて製造しなければならない。本出願人はこうした部品および制御部のメーカであり、特に電気機械の駆動装置である駆動制御器を製造している。
【０００４】
本出願人の製造する装置の基本的な動作方式は例えば日本国公開第２００６２３００３９号明細書に示されている。ここには、速度センサを用いて駆動制御器がモータ速度を検出し、検出されたモータ速度を考慮して実際値と目標値との比較により制御パラメータを適合化することが説明されている。
【０００５】
負荷および駆動時間に応じ、振動に起因してモータのベアリングの損傷が発生する。こうした振動は、モータによって駆動される周辺装置やモータに結合された機械部品にまで伝搬する。例えば工作機の駆動に用いられるモータでは、こうした振動が処理品質を低下させ、処理部材に障害を引き起こす。
【０００６】
従来からこうした振動を監視する手段が公知であるが、この手段は駆動装置から分離された監視装置として利用されている。このような付加的な監視装置をそのつど配線するのは面倒であり、そのためにいちいち特徴的なモータデータを取り出さなければならない。このことは電気機械の操作者の時間および手間の増大を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】日本国公開第２００６２３００３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の課題は、付加的なコストをほとんどかけずに電気機械の駆動部品の障害を早期に特定して、電気機械の生産性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、駆動装置が該駆動装置によって駆動される電気機械の障害、例えばベアリング損傷を識別する診断ユニットと閉ループ制御および／または開制御ユニットとを有している、駆動装置による電気機械の駆動方法、例えば駆動制御器によるサーボモータの駆動方法において、ａ）前記電気機械を自動で閉ループ制御および／または開制御し、ｂ）前記電気機械の少なくとも１つの振動を自動で検出し、ｃ）前記診断ユニットにより検出された振動を考慮して前記電気機械の状態分析を自動で行うことにより解決される。また、前述した課題は本発明の駆動装置を構成することにより解決される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術から公知の解決アプローチと本発明の解決アプローチとを示す図である。
【図２】無傷のベアリングの周波数スペクトルを示すグラフである。
【図３】意図的に損傷させたベアリングの周波数スペクトルを示すグラフである。
【図４】本発明の実験構造を示す図である。
【図５】装置内部でのセンサ信号処理を示すブロック図である。
【図６】装置内部での回転数正規化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
従来技術から公知の手段とは異なり、本発明の手段によれば、駆動装置そのものによって直接に振動が検出され分析される。外部の振動監視手段は必要なく、複雑な配線やそのつどのパラメータの取り出しを省略できる。パラメータの取り出しは駆動装置の内部で完全に自動で行われる。駆動装置そのものは実際には駆動制御器の機能のほか振動検出手段および振動監視手段の機能も有する。これによりコストが低減され、外部の分析手段とともに動作する装置に比べてシステムの点でも有利である。本発明の駆動装置により駆動されるモータは、当該のモータに結合された機械部品または当該のモータに結合された電気機械をコストの増大なしに直接に監視することができる。外部のセンサシステムを必須としないのである。
【００１２】
分析の際に用いられる全ての測定量、例えば駆動装置によって駆動される電気機械の回転数実際値は、駆動のために既に駆動装置によって利用されている。したがって分析の際に付加的な配線コストがかからず、回転数の変化を考慮して振動を分析することができる。また、本発明の駆動装置を用いればフレキシビリティないし適用可能領域が増大し、当該の駆動装置によって駆動されるモータのベアリングに対する診断を行うことができる。特に、駆動機構の内部に組み込まれる本発明の駆動装置を処理機、有利には工作機に接続して用いることにより、電気機械の製造のコストが低下し、品質が向上する。さらに、電気機械の生産性も本発明により向上する。
【００１３】
有利には、電気機械の振動が、駆動装置に格納された、電気機械の状態に応じて変化する少なくとも１つのパラメータを考慮して検出される。当該のパラメータは望ましくない機械的特性を導出するための１つまたは複数のパラメータ、例えば電気機械の状態を記述する実際値、測定値などの特性値であり、これによって閉ループ制御ユニットまたは開制御ユニットがパラメータ化される。有利には、電気機械に配置された少なくとも１つのセンサすなわち加速度センサおよび／またはバルク波センサの少なくとも１つのセンサ信号を考慮して、電気機械の状態分析が行われる。付加的なセンサ信号は分析結果の最適化および／または検証に用いられ、その際にも必要な配線が所定の規模を超えて増大することなく、外部の分析手段を用いる従来公知の手法に比べるとつねにコストが小さくなる。上述したことがらを実現するために、閉ループ制御および／または開制御ユニットの少なくとも１つのパラメータが駆動装置に格納された基準パラメータと比較され、比較の結果に基づいて直接または間接に電気機械の状態が推論される。特に有利には、設定可能なトレランス領域にしたがって、基準パラメータに対するパラメータの偏差が自動で識別される。
【００１４】
通常、閉ループ制御および／または開制御ユニットは位置制御および／または速度制御および／または電流制御を行うカスケード型の制御構造の制御器を有しており、状態分析の際に位置制御器および／または速度制御器および／または電流制御器の少なくとも１つのパラメータが考慮される。相応の内部の処理ステップ、すなわち、導出ステップおよび周波数分析ステップなどにより、場合によって発生するベアリング損傷に関連した信号パターンが識別され、分析のために用いられる。
【００１５】
電気機械の状態分析はつねに電気機械の駆動中に有利にはリアルタイムで行われるか、または、特に所定の時点で時間遅延されたタイミング制御によって行われる。これにより、電気機械のタイプまたは摩耗特性に応じて、持続的または周期的に分析が行われる。有利には、さらに、センサ信号をフィルタリングするステップ、フィルタリングされたセンサ信号をサンプリングするステップ、サンプリングされたセンサ信号をディジタル変換するステップ、ディジタル変換されたセンサ信号を分析するステップのうち少なくともいずれか１つが行われる。ここで、当該の分析ステップはエンベロープ分析プロセスを含んでいてもよい。
【００１６】
本発明の駆動装置は電気機械の状態分析の際に電気機械の状態量を有利には同期して検出し、特に電気機械の運動特性に基づいて回転数が変化する場合に、一連の測定値を当該の運動特性に対応させる。付加的に、有利には、当該の駆動装置によって検出された一連の測定値は設定可能な回転数に関して正規化される。この場合、駆動装置は電気機械の回転数の変化を考慮して検出されたセンサ信号の周期持続時間の変化の度合を求める。駆動装置は電気機械の回転数の増大が検出された場合に当該の周期持続時間の変化の度合を補償する。また、周期持続時間は正規化によって回転数が上昇する際に伸長され、回転数が低下する際に短縮される。ここで、連続する２つの測定値のあいだの時間間隔は、振動の周期が一定となるように変更される。続いて、回転数に関して正規化された測定値の時間間隔が補間により等間隔に配置される。この手段により、監視すべき電気機械の回転数が変化しても、本発明の駆動装置を利用することができる。
【００１７】
特に有利には、本発明の駆動装置内にメモリプログラミング可能な制御部ＳＰＳ，ＰＬＣが組み込まれ、当該の制御部により少なくとも１つの外部のセンサ、例えば加速度センサや回転数センサが制御される。当該の制御部により電気機械の状態分析過程の完全な自動化が可能となり、他の自動化過程に対しても同様に利用可能となる。
【００１８】
当該の駆動装置の分析結果を可視化のために上位の制御装置または上位の管理部（Leitstand）へ伝送するか、および／または、当該の駆動装置に含まれる操作パネルによって分析結果をユーザに対して自動で可視化することが推奨される。
【００１９】
さらに有利には、バルク波センサおよび／または加速度センサにより形成された信号が処理され、フィルタリングされ、サンプリング周波数にしたがってディジタル化される。また、駆動装置の診断ユニットは周波数スペクトルに則してこの信号を分析する。
【００２０】
有利には、制御部はサンプル＆ホールド回路およびアナログディジタル変換器を有しており、本発明の駆動装置は付加的にディジタル化された信号を平滑化する平滑化手段とこの信号をフィルタリングするフィルタリング手段とこの信号を所定の周波数領域へ変換する変換手段とを有する。
【００２１】
本発明の駆動装置は、処理機、特に工作機に対して用いられる。このようにすれば電気機械の故障率が低減される。
【００２２】
本発明の駆動装置は状態監視過程の実現に用いられ、遠隔診断および遠隔管理により、機械的な障害、特にベアリング損傷を早期に排除することができる。
【実施例】
【００２３】
図示の実施例は本発明をわかりやすくするために挙げたものであり、本発明を限定するものではない。図は部分的に粗く描かれているところがあることに注意されたい。また、基本的には、発明の詳細な説明、図および特許請求の範囲に示されている本発明の各特徴、機能、動作方式および技術的構造は単独でも任意に組み合わせても本発明の対象となりうる。このことは、こうした組み合わせが発明の詳細な説明、図および特許請求の範囲に明示的に記載されていなくても当てはまる。
【００２４】
図１のａ，ｂは、２つの異なる解決アプローチを比較して示す。従来技術から公知の外部でベアリング損傷分析を行う第１の解決アプローチは、図１のａに示されている。本発明によって駆動装置に組み込まれた機械状態分析を行う第２の解決アプローチは、図１のｂに示されている。
【００２５】
図１のａの実施例では、駆動制御器１０５が制御すべきサーボモータ１０１と電力的に接続されている。モータ１０１には、バルク波センサ（固体伝播音センサ）１０３とモータ回転数検出器１０４とが設けられている。バルク波センサ１０３およびモータ回転数検出器１０４の出力は、駆動制御器１０５とは別個の診断ワークツール１０２に供給される。この診断ワークツール１０２は、携帯型のデータ検出装置１０６、例えばラップトップコンピュータと接続されている。このアプローチでは種々の周辺装置が必要であり、これと結び付いた配線１０７，１０８のコストは甚だしいものである。必然的に、持続的に診断を実施するためのコストも非常に高くなる。
【００２６】
図１のｂに示されているように、本発明の駆動装置の内部では、前述の場合と同様に駆動制御器１０５が制御すべきサーボモータ１０１に電力的に接続されている。ここで例えばバルク波センサ１０３によってモータ１０１で検出されたバルク波は、図１のａから公知のように携帯型のデータ検出装置１０６および診断ワークツール１０２によって評価する必要がない。その代わりに、バルク波センサ信号は駆動制御器１０５にさらに伝送される。この駆動制御器１０５は本発明により診断ワークツール１０２を組み込み構成部材として有している。これによって、振動分析を駆動制御器１０５で内部的に、つまり駆動装置ベースで実施することができる。
【００２７】
駆動制御器１０５は、制御ユニットおよび調整ユニットとしてのその機能の枠内でモータ１０１のその時点の回転数を常に知っている。したがって、振動分析にも必要なすべてデータが駆動装置の内部で得られる。このため、駆動制御器１０５はモータ１０１とともに、図１のａに示した構成と同じ機能を果たす。携帯型のデータ検出装置１０６、例えばラップトップコンピュータ１０６に接続された別個の外部の診断ワークツール１０２はもはや必要ない。診断ワークツールおよび／またはデータ検出装置の機能は駆動制御器によりほぼ含まれる。配線コスト１０７，１０８は省略される。付加的に駆動装置内部では、持続的な回転数分析と非持続的な回転数分析とが実施される。診断を実施するためのコストは、従来技術から公知の解決手段と比較して低く、とりわけ振動診断および／または振動監視は、通常運転中であっても、有利にはリアルタイムで外部からのアクセスなしに常時実施することができる。さらに、駆動装置内部でのパラメータの処理により、診断品質も従来の方法に対して改善される。インターネットまたは類似の通信手段を介する遠隔制御診断モードも可能である。
【００２８】
システムのハードウェアアーキテクチャの他に、駆動制御器のファームウェアに実現された信号理論も重要である。ソフトウェアで実現される場合、高周波信号のサンプリングまたは離散化の特別処理であるダウンサンプリング、エイリアシングや、特別の周波数変換であるエンベロープスペクトルの形成、また、特別の周波数分析などが重要である。
【００２９】
本出願人により実施された振動測定では、検査目的で意図的に損傷させたサーボモータにおいて本発明の原理の作用機序が立証された。サーボモータのベアリングが定義された損傷が発生する前に、振動測定の基準状態が豊富な測定シーケンスで記録された。
【００３０】
基準状態の測定結果は、損傷された状態を表す測定シーケンスに関して、後の対比ために用いられる。ベアリングのカバーディスクを取り外した後、電気ハンドフライスを用いて深い刻み目をドラムベアリングの外側リングに形成した。なおこれはサーボモータのベアリングプレートを取り外した後、ベアリングの組立て状態で行った。このようにして典型的な外側リング損傷の画像が得られた。実験中に使用された加速度センサの記録器のセンサ信号から、意図的に形成された損傷画像を周波数分析に基づいて検出することができた。１０００ｒｐｍより高い高回転数領域では、形成された損傷画像が明確であり、センサ信号のエンベロープ周波数スペクトルで明らかに識別される。さらに電気周波数、ロータ回転周波数および発生器周波数も識別することができた。
【００３１】
ロータ加速度を測定するためにモータ１０１に取り付けられた加速度センサ１０２に関して本発明の装置１００の性能を推定するために、装置１００のアナログ入力端子を用いてセンサ信号が読み出された。
【００３２】
本発明の装置１００によるサンプリングにより、図２，図３に示す周波数スペクトルが得られた。このための実験構造が図４に示されている。
【００３３】
図２は、横軸に無傷のベアリングの周波数スペクトル［Ｈｚ］を、縦軸にサーボモータ１０１に取り付けられ、装置１００により分析のために評価されるバルク波センサ１０３によって検出された加速度［ｇ］を示す。スペクトルラインＡは電気に起因する信号、例えば電気周波数を示す。スペクトルラインＢは機械に起因する信号、例えばロータ回転周波数を示す。
【００３４】
図３は図２と同じものを示すが、ここではサーボモータ１０１のドラムベアリングが損傷している。図２，図３に示された２つのスペクトルを比較すると顕著な相違が分かる。この相違は、上述したように意図的に引き起こされた、ドラムベアリングの外側リングでのドラムベアリング損傷が原因である。図２にも見られる既知の周波数成分の他に、とりわけ外側リングオーバロール周波数Ｃとその高調波とが見られる（図３を参照）。これらの成分はドラムベアリング損傷によるものである。
【００３５】
図４は、ベアリング損傷も含めて、駆動制御器４０５，サーボモータ４０１，加速度センサないしバルク波センサ４０３を監視するための本発明の構成を示す。駆動制御器の端子には上位の管理部を接続することができる。この構成はとりわけ、状態監視プロセスにおいて使用することができる。図４に示されている装置４００は、この装置４００に含まれる図示されていない診断および監視ユニットによって、モータ４０１に発生する振動を少なくとも部分的に自動的に補償ないし識別する。
【００３６】
図５は、本発明による装置内部でのセンサ信号処理の詳細を示す。装置５００は、ローパス５０２を備えた制御部５０１，クロック部５０５を備えたサンプル＆ホールド回路５０３およびアナログディジタル変換器５０４を有する。同様に、装置５００には、制御部５０１によりディジタル化された信号を平滑化する手段５０７と、信号フィルタリングすなわちローパス・バンドパス・ダウンサンプリングのための手段５０８と、先行のモジュール５０２〜５０５，５０７，５０８により処理されたセンサ信号を周波数領域へ変換する手段５０９とを備える診断および／または監視ユニット５０６が含まれる。
【００３７】
制御部５０１でのセンサ信号のサンプリングは、センサ信号とパルスシーケンスとを、クロック部５０５のサンプリング周期の間隔で乗算することによって実現される。これにより時間的に連続する信号が得られる。しかしこの信号は時間的離散値ｔ＝ｋ＊Ｔに対してだけゼロではないと定義されるか、または、時点ｔ＝ｋ＊Ｔについては元のサンプリングされないセンサ信号ｘ（ｔ）に等しい。ここで、ｔは時間であり、Ｔはサンプリング周期、そしてｋは伝搬変数である。この信号の量子化または値の離散化はアナログディジタル変換器５０４により実現される。アナログディジタル変換器５０４は、サンプル＆ホールド回路５０３の各アナログ値にディジタル値を割り当てる。この割り当ては常に所定数の量子化段を経た後に行われ、これにより信号分解能が決定される。アナログディジタル変換器５０４の分解能が高くなるにつれ、より多くの量子化段が使用される。
【００３８】
実際にはエイリアシングを回避するために任意の高さのサンプリング周波数を実現することができないから、連続する時間信号の帯域幅を制限しなければならない。このことは、アナログのローパスフィルタ５０２を前置接続することにより行われる。このローパスフィルタ５０２も同様に本発明の装置に含まれる。ローパスフィルタ５０２によって、高い周波数成分をろ波除去することができる。連続する時間信号をディジタル復元し、周波数成分を観察するために、ディジタル化は本発明の装置５００によって次のステップで実現される。
１．センサ５０１のセンサ信号をフィルタ５０２によってフィルタリングする。
２．フィルタリングされた信号をサンプル＆ホールド回路５０３にサンプリングのために転送する。
３．サンプル＆ホールド回路５０３によりサンプリングされた信号をアナログディジタル変換器５０４にディジタル信号の形成のために転送する。
【００３９】
ここで選択されているローパスフィルタ５０２の他に、バンドパスフィルタをアンチエイリアシングフィルタとして使用することもできる。このバンドパスフィルタによっても、ナイキスト領域の外にある周波数を確実に検出することができる。ただし、これは、バンドパスフィルタのバンド幅すなわち通過領域が正確に２つのミラー軸の間にある場合だけ可能である。この領域の周波数成分は上記の法則にしたがってナイキスト領域に反映される。このエイリアス周波数は、バンドパスフィルタの帯域幅の知識に基づき、相応する周波数領域に正確に割り当てることができる。つまりサブナイキストサンプリングが行われる。この技術によって、アナログのアンチエイリアシングフィルタをバンドパスフィルタによって実現するだけで、既存のシステムを高い周波数成分に対してセンシブルにすることができる。同様に、２つまたはそれ以上のアンチエイリアシングフィルタを並列にし、それらの出力ないしは通過領域を別個にサンプリングすることも考えられる。ディジタル数列を相応に処理することができ、これにより引き続き重ね合わせると、従来のサンプリングで可能であったよりもさらに高い周波数の信号が発生する。
【００４０】
サンプル＆ホールド回路５０３によるサンプリングの際には、本発明におけるサンプリング方式を意図的に維持せずにダウンサンプリングが行われ、エイリアス周波数の発生が常に考慮される。しかし機械の制御のためには、このことは、通例、重大な結果を招く問題にはならない。なぜならエイリアス周波数の予期される振幅は無視できるほど小さいからである。調整された性能すなわち制御回路の構成に応じて、４ｋＨｚ程度のｋＨｚ領域での固定のサンプリング周波数が調整される。
【００４１】
本発明の装置に対して発生するドラムベアリングの損傷周波数は、衝撃パルスの形状のイベントであり、ロータの回転数が一定であれば周期的に反復して発生する。
【００４２】
サーボモータ１０１，４０１は自身のベアリングが無傷の状態でも振動する。したがって加速度信号から直接的にベアリング損傷を導出することはできない。駆動制御器１００，４００で行われる本発明の周波数変換はここでの援助手段となる。サーボモータ１０１，４０１の衝撃的励振は常に発振可能な系となり、衝撃パルス形状のイベントに対して減衰性の振動を以て応答する。このことは、力による励振と加速度信号との間の実際の伝達特性に影響する。加速度信号はＦＦＴアルゴリズム（高速フーリエ変換アルゴリズム）によって高調波成分に分解される。
【００４３】
さらに加速度信号の正のピークまたは反転点は、鋸歯波振動に非常に近似する線形経過を形成する。鋸歯波振動は、フーリエ数列展開またはフーリエ合成から良く知られている。鋸歯波振動は従来のフーリエ変換の周波数スペクトルで一義的に識別される。鋸歯波振動は、基本振動とこの基本振動の偶数倍の複数振動から合成される。この倍数振動は高調波とも称され、その振幅は高調波の次数ｎが増大すると１／ｎで減衰する。したがって周波数領域には鋸歯波振動の明確な特徴が示される。記述の方法は信号処理において、エンベロープ復調またはエンベロープ分析とも称される。本発明では、エンベロープ分析は次の各ステップ、すなわち
（１）時間信号を、負の値の二乗、反転または切捨てによりディジタル平滑化するステップ５０７、
（２）ダウンサンプリングによってディジタルのローパスフィルタリングを行うステップ５０８、
（３）ＤＦＴ（離散的フーリエ変換）を行うステップ５０９
によって実現される。
【００４４】
エンベロープ分析のこの原理は、本発明の装置１００にハードウェアおよび／またはソフトウェアとして含まれる。この方法の大きな利点は、高調波振動を抑圧し、非高調波振動を獲得することである。これに対して純粋なフーリエ変換では振動の高調波成分だけが計算され、高調波ではない他の規則性または周期性はすべて隠されたままである。したがってエンベロープ分析は、ベアリング損傷の衝撃パルスの反復周波数を周波数領域で可視化するのに最適である。
【００４５】
前記の機能ブロック５０２〜５０５，５０７〜５０９は、本発明の装置１００に含まれる図示されていないディジタル計算ユニットと緊密に共働する。機能ブロック５０７〜５０９はエンベロープ分析を実現するために統合することができる。分析すべき本来のセンサ信号は、制御部５０１に接続された外部センサの５１０、例えばバルク波センサ、加速度センサなどから発生する。
【００４６】
図２，図３に示された振動を、回転数が一定ではない場合でも測定できるようにするため、回転数の正規化が本発明の方法ないし本発明の装置１００によって実行される。出願人により実施された実験モード（図４を参照）では、正規化は例えば回転数２５００ｒｐｍで行われた。加速度センサ１０３の信号をサンプリングする間、サーボモータ１０１は一定の回転数上昇状態とした。この回転数上昇は運動特性を開始するために用いられる。
【００４７】
この回転数上昇があるので、この測定では加速度センサ信号の一定の規則性は発生しない。この規則性は、エンベロープ分析によって獲得することができるようになる。しかし本発明の装置にとって、この運動特性は駆動制御器に記憶されていて既知であり、センサ信号に回転数正規化を施すことができる。正規化の利点は、機械のその時点での実際回転数を任意の回転数に正規化できることである。このため、測定および分析は、回転数が一定でなくても、引き続くエンベロープ分析と同じように可能である。正規化は、最終回転数および／または開始回転数を考慮した時間間隔の伸長によって実現される。これによって例えば開始回転数２５００ｒｐｍに関して正規化された時間信号が得られる。
【００４８】
引き続いて、正規化された信号の補間によって、等間隔のポイント（支持点）で信号が形成され、この信号がエンベロープ分析される。振動測定の時間信号を本発明により回転数正規化し、エンベロープ分析した結果を用いて、外側リングのオーバロール周波数とその高調波とを明確に可視化することができる。これは、２５００ｒｐｍの一定回転数で振動測定した場合に予期されるものと同じである。回転数正規化の所要のステップは、任意に複雑な運動特性に転用することができる。
【００４９】
前記の説明および実施された測定により、センサ信号が定義された状態で損傷されたベアリングの状態について一義的な情報を含んでいることを確認することができる。本発明の装置によるサンプリングも、ベアリング損傷に対する指標としてエンベロープ分析から得られる情報を提供する。
【００５０】
本発明の考察は、機械の状態監視の問題をさらに発展させるためのベースとして使用することができる。とりわけ本発明を、ベアリング損傷に起因する衝撃パルスおよび周波数領域での衝撃パルスの観察と関連して、機械監視目的のエンベロープ分析とともに、またはエンベロープ分析なしで使用することが強く推奨される。
【００５１】
特に、本発明の技術思想との関連で、それぞれ外部のバルク波センサ／加速度センサを使用せずに駆動制御器の内部状態量だけを考察することも強く推奨される。ベアリング損傷の程度に応じて、外部のセンサ系を備える解決手段または外部のセンサ系を備えない解決手段が有意でありかつ実現可能である。
【００５２】
駆動装置に組み込まれた振動測定の性能を判定するのに重要な基準は、回転数が一定でないときでも測定が可能なことである。本発明の方法において、回転数を正規化することにより、運動特性において回転数が異なる場合でも測定が可能である。サーボモータのテスト回転数が一定であることが通常は必要であるが、このことに関して重大な制限は存在しない。この認識は、通常市販されている診断システムに対して、振動測定を駆動装置に組み込んだ変形例の重大な利点と見なすべきである。
【００５３】
図６には、装置内部での回転数正規化のための方法が、基本振動の例で示されている。この振動の周期持続時間は常時変化する（図６の上方部分を参照）。
【００５４】
真の振動の周期持続時間はＴ１からＴ９に向かって減少し、振動は明らかに“沈静化”している。周期持続時間ないしは“沈静化”の時間変化量が既知であれば、振動全体の個々の周期は本発明の方法によってさらに伸長ないし短縮される。この関連で本発明で周期持続時間を正規化するとは、ディジタル信号を取得するためのポイントの時間間隔を、回転数が変化する場合の信号の周期持続時間の時間的変化を考慮して変化することにほかならない。本発明の回転数正規化の基本的技術思想では、運動特性が既知であれば正規化された回転数が任意に規定される。この技術思想は実際的観点から生じたものである。したがって、回転数の変化している間または運動特性が変化している間にも振動測定を実行することができる。回転数が一定であるという前提に立つと、多くの適用例において、振動測定および後の監視のために通常運転を中断しなければならないことを意味する。しかしこのことは機械の操作者の希望、いわゆる“オンライン状態監視”（実行中監視）の希望に添うものではない。本発明によれば中断なしでの監視が可能となる。
【００５５】
以下、親出願（特願２００９−１２８５５８号）の出願当初請求項である。
[請求項１]
駆動装置（１００）が該駆動装置によって駆動される電気機械（１０１）の障害、例えばベアリング損傷を識別する診断ユニットと閉ループ制御および／または開制御ユニットとを有している、
駆動装置による電気機械の駆動方法、例えば駆動制御器によるサーボモータの駆動方法において、
ａ）前記電気機械を自動で閉ループ制御および／または開制御するステップ、
ｂ）前記電気機械の少なくとも１つの振動を自動で検出するステップ、および、
ｃ）前記診断ユニットにより検出された振動を考慮して前記電気機械の状態分析を自動で行うステップ
を有する
ことを特徴とする駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項２]
前記電気機械の状態に応じて変化する少なくとも１つのパラメータが前記駆動装置に格納されており、該少なくとも１つのパラメータを考慮して前記電気機械の前記状態分析を行い、該状態分析の際に付加的に、前記電気機械に接して配置された少なくとも１つの加速度センサおよび／または前記電気機械に接して配置された少なくとも１つのバルク波センサのセンサ信号を考慮する、請求項１記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項３]
その時点の電気機械の状態に基づく複数のパラメータが前記駆動装置に格納されており、該複数のパラメータを考慮して前記電気機械の前記状態分析を行う、請求項２記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項４]
前記閉ループ制御および／または開制御ユニットの少なくとも１つのパラメータと当該の駆動装置に格納されている少なくとも１つの基準パラメータとを比較する、請求項２または３記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項５]
設定可能なトレランス領域にしたがって、前記基準パラメータに対する前記パラメータの偏差を自動で識別する、請求項４記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項６]
前記閉ループ制御および／または開制御ユニットは位置制御および／または速度制御および／または電流制御を行うカスケード型の制御構造の制御器を有しており、前記状態分析の際に位置制御器および／または速度制御器および／または電流制御器の少なくとも１つのパラメータを考慮する、請求項１から５までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項７]
前記電気機械の前記状態分析をつねに前記電気機械の駆動中に有利にはリアルタイムで行うか、または、例えば所定の時点で時間遅延されたタイミング制御によって行う、請求項１から６までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項８]
さらに、センサ信号をフィルタリングするステップ、および／または、フィルタリングされたセンサ信号をサンプリングするステップ、および／または、サンプリングされたセンサ信号をディジタル変換するステップ、および／または、ディジタル変換されたセンサ信号を分析するステップを有する、請求項２から７までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項９]
前記分析するステップはエンベロープ分析を含む、請求項８記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１０]
前記駆動装置は前記電気機械の複数の状態量を一連の測定値として検出し、該一連の測定値を例えば前記電気機械の運動特性に基づいて回転数が変化した場合に該運動特性に対応させる、請求項１から９までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１１]
前記駆動装置によって検出された前記一連の測定値を設定可能な回転数に関して正規化する、請求項１０記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１２]
前記駆動装置により、前記電気機械の回転数の変化を考慮して、検出されたセンサ信号の周期持続時間の変化の度合を求める、請求項２から１１までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１３]
前記駆動装置により、前記電気機械の回転数の増大が検出された場合に、前記周期持続時間の変化を補償する、請求項２から１２までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１４]
前記周期持続時間を、回転数が増大する際に伸長し、回転数が低下する際に短縮する、請求項１３記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１５]
連続する２つの測定値のあいだの時間間隔を周期が一定となるように変更する、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１６]
前記回転数に関して正規化された測定値の時間間隔を補間により等間隔に配置する、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１７]
前記駆動装置内にメモリプログラミング可能な制御部を組み込み、該制御部により少なくとも前記センサを制御する、請求項２から１６までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１８]
前記駆動装置の分析結果を可視化のために上位の制御装置または上位の管理部（Leitstand）へ伝送し、および／または、前記駆動装置に含まれる操作パネル（７００）によって前記分析結果を自動で可視化する、請求項１から１７までのいずれか１項記載の駆動装置による電気機械の駆動方法。
[請求項１９]
電気機械（１０１）を制御する制御装置を有する、
電気機械に対する駆動装置、例えばモータに対する駆動制御器（１００）において、
前記電気機械の機械的障害、例えばベアリング損傷を識別する診断ユニットが設けられている
ことを特徴とする電気機械に対する駆動装置。
[請求項２０]
バイブレーションに基づく振動を検出する検出手段（１０３）、例えばバルク波センサおよび／または加速度センサの形態の検出手段により形成された信号が処理され、かつ、フィルタリングされ、かつ、サンプリング周波数にしたがってディジタル化され、かつ、前記診断ユニットにより周波数スペクトルに基づいて分析される、請求項１９記載の電気機械に対する駆動装置。
[請求項２１]
制御部がローパス、サンプル＆ホールド回路およびアナログディジタル変換器を有しており、当該の駆動装置はディジタル化された信号を平滑化する平滑化手段と該信号をフィルタリングするフィルタリング手段と該信号を所定の周波数領域へ変換する変換手段とを有する、請求項２０記載の電気機械に対する駆動装置。
[請求項２２]
当該の駆動装置は請求項１から１８までのいずれか１項記載の駆動方法にしたがって駆動される、請求項１９から２１までのいずれか１項記載の電気機械に対する駆動装置。
[請求項２３]
当該の駆動装置は処理機、例えば工作機に対して用いられる、請求項２２記載の電気機械に対する駆動装置。
[請求項２４]
当該の駆動装置は遠隔管理システムにおいて用いられる、請求項２２記載の電気機械に対する駆動装置。
[請求項２５]
請求項１９から２２までのいずれか１項記載の駆動装置（１００）および該駆動装置に接続されたモータ（１０１）を備えた駆動ユニットにおいて、
前記モータはバイブレーションに基づく振動を検出する検出手段（１０３）を有しており、
前記駆動装置は診断ユニットを用いて前記モータで発生した振動を少なくとも部分的に自動で補償する
ことを特徴とする駆動ユニット。
[請求項２６]
請求項２２記載の駆動装置または請求項２５記載の駆動ユニットを備えていることを特徴とする処理機、例えば工作機。
【符号の説明】
【００５６】
１００，４００，５００  駆動装置、  １０１，４０１  モータ、  １０２  診断ワークツール、  １０３，４０３，５１０  センサ、  １０４  モータ回転数検出器、  １０５，４０５  駆動制御器、  １０６  データ検出装置、  １０７，１０８  配線、  ５０１  制御部、  ５０２  ローパスフィルタ、  ５０３  サンプル＆ホールド回路、  ５０４  アナログディジタル変換器、  ５０５  クロック部、  ５０６  診断および／または監視ユニット、  ５０７  平滑化手段、  ５０８  フィルタリング手段、  ５０９  変換手段
【図１】
2015057944.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015057944.tif 000007
【図６】
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