CN109752186A - 用于监视带驱动应用中的驱动构件的操作的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于在安装期间和操作期间监视带驱动应用中的驱动构件并且用于检测带驱动设备中的常见故障模式的改进的系统。传感器被定位在电动机壳体内或电动机壳体附近，以检测带上或电机中的振动。使用振动信号来监视操作条件和/或识别带驱动设备中的故障模式。例如，可以使用振动信号来确定带上的张力、检测沿着带施加的静态力或动态力、轮与带之间的未对准或者在操作期间施加至带的冲击载荷。通过监视带驱动设备的各种操作条件，控制器可以识别现有故障模式或预测过早故障模式。

Description

用于监视带驱动应用中的驱动构件的操作的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月8日提交的题为“System and Method for Protectionof Machines Against Failures in Belt Driven Application”的美国临时申请第62/583,005号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本文中公开的主题总体涉及对带驱动应用的操作条件的调试和监视，并且更具体地，涉及用于使用安装至电动机的传感器来检测振动信号以测量带张力并且防止与电动机连接的带驱动设备中的带故障的系统。

背景技术

诸如电动机或发电机的旋转电机已经变得普遍并且存在于许多应用和配置中。电机包括固定部件(即定子)和旋转部件(即转子)。在电动机中，例如经由安装至转子的磁体或经由施加至缠绕在转子上的线圈或在该线圈中感应的电流，在转子中建立磁场。由于向定子施加受控电压而建立第二旋转磁场，并且定子中的磁场的旋转使得转子中的磁场旋转，从而引起转子的旋转。轴或其他驱动构件被安装至转子并且在转子壳体外部延伸，从而提供与在转子旋转时被驱动的装置例如齿轮箱、泵或风扇的机械耦接。在一些应用中，机械耦接可以由在电动机的驱动轴与带驱动设备上的驱动轮之间延伸的驱动带实现。

带驱动可以用于许多不同的工业应用中。带驱动可以是例如同步带、V形带、多楔带、开口带或无端带。带驱动可以用于：从电动机向负载传送动力；提供与负载的直接耦接，用于有限线性行程应用；或者提供与负载的间接耦接，用于在无端环路中输送材料。应用包括机床、印刷、包装、同步输送机、分离器、蓄积器等。

在安装期间，带环绕一个或更多个轮，以从电动机向负载传送动力。带环绕电动机的驱动轴或环绕安装至驱动轴的轮，并且类似地环绕带驱动设备处的第二轮或驱动轴。一个或更多个附加轮或驱动构件可以被包括在电动机与带驱动设备之间，以驱动附加的设备件、引导带、改变旋转方向和/或在带中提供张力。当带环绕每个轮时，带可能通过偏移至轮的一侧或者相对于被安装在轮上的轮的旋转轴成角度而未对准。此外，如果带驱动系统中的张力被不适当地设定，则系统中会存在带的过度张力或张力不足。未对准和不适当的张力两者可以导致带驱动系统中的部件过度磨损和/或过早失效。

因此，期望在安装或更换带驱动设备中的带期间检测未对准、不适当的张力或其组合。

由于电机和带驱动系统中的部件的旋转特性，未对准和/或不适当的张力可能在系统中产生不平衡，该不平衡是直接地由于未对准或间接地由于由不适当的张力引起的部件的过度磨损而引起的。在电动机和带驱动设备的操作期间，不平衡可以导致在带驱动系统内产生振动或共振。这些振动或共振可能不会在电动机的整个操作范围内发生但是可能在特定的工作频率下发生。振动可以引起带驱动系统中的部件过度磨损和/或过早失效。

因此，期望在带驱动应用中监视驱动构件的操作，以检测系统中存在的振动，从而在故障之前识别部件的潜在故障。

除了由振动引起的磨损之外，施加至带驱动系统的冲击载荷可以导致灾难性故障。如果单个冲击载荷不会引起灾难性故障，则其仍可以引起带驱动系统的振动和/或过度磨损。反复的冲击载荷可以进而导致过早失效。

因此，期望提供一种用于在带驱动应用中监视驱动构件的操作以检测系统中发生的冲击载荷的系统。

发明内容

本文中公开的主题描述了一种用于在安装期间和操作期间监视带驱动应用中的驱动构件并且用于检测带驱动设备中的常见故障模式的改进系统。传感器被定位在电动机壳体内部或电动机壳体附近以检测带上或电机中的振动。振动信号用于监视操作条件和/或识别带驱动设备中的故障模式。振动信号可以用于例如检测沿着带施加的静态或动态力、轮与带之间的未对准或者在操作期间施加至带的冲击载荷来确定带上的张力。通过监视带驱动设备的各种操作条件，控制器可以识别现有故障模式或预测过早故障模式。

根据一个实施方式，一种用于监视带驱动系统中的驱动构件的操作的系统包括至少一个传感器，其被配置成生成与带驱动系统中的带上存在的振动对应的信号，以及电动机控制器。电动机被连接至带并且可操作成驱动带，并且电动机控制器被配置成控制电动机的操作。电动机控制器包括：输入端，其被配置成从至少一个传感器接收与带上存在的振动对应的信号；存储器装置，可操作成存储多个配置参数和多个指令；以及处理器，其被配置成执行多个指令。处理器被配置成执行指令以从至少一个传感器接收与带上存在的振动对应的信号并且根据与电动机上存在的振动对应的信号确定带上存在的张力。

根据本发明的另一实施方式，公开了一种用于监视带驱动系统中的驱动构件的操作的方法。在电动机控制器的输入端处从至少一个传感器接收与带驱动系统中的带上存在的振动对应的信号。电动机被连接至电动机控制器并且由电动机控制器控制，并且电动机可操作成驱动带。电动机控制器根据在电动机控制器处接收到的信号确定存在于带驱动系统中的振动频率并且根据带驱动系统中存在的振动频率确定带上存在的张力。

根据详细的描述和附图，本发明的这些和其他优点及特征对于本领域技术人员将变得明显。然而，应当理解，当指示本发明的优选实施方式时的详细的描述和附图是以说明而非限制的方式给出的。可以在不背离本发明的精神的情况下在本发明的范围内做出许多变化和修改，并且本发明包括所有这样的修改。

附图说明

结合附图示出了本文中所公开主题的各种示例性实施方式，遍及附图，相同附图标记表示相同的部件，并且在附图中：

图1是根据本发明的一个实施方式的壳体的一部分被剖开以示出电动机的内部部件的一部分的电动机的透视图；

图2是根据本发明的另一实施方式的具有位于振动传感器被安装至的壳体的端部中的电路板的电动机的正视图；

图3是根据本发明的一个实施方式的连接在电源与电动机之间的电动机控制器的框图表示；

图4是根据本发明的一个实施方式的与振动传感器与电动机控制器之间可操作地连接的控制器的框图表示；

图5是根据本发明的一个实施方式的电动机壳体内的传感器放置的框图表示；

图6是根据本发明的另一实施方式的电动机壳体内的传感器放置的框图表示；

图7是并入本发明的一个实施方式的示例性带驱动系统的立面图；

图8是并入本发明的一个实施方式的另一示例性带驱动系统的立面图；

图9是示出将振动引入的到带驱动系统中的第一操作条件的带驱动系统的立面图；

图10是示出将振动引入到带驱动系统中的第二操作条件的带和轮的俯视图；以及

图11是由在本发明的一个实施方式中使用的振动传感器生成的振动信号的图形表示。

在描述附图所示的本发明的各种实施方式时，为了清楚起见，将采用特定的术语。然而，本发明不旨在被限制于如此选择的特定术语并且应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的全部技术等同物。例如，经常使用的词语“连接”、“附接”或与之类似的术语。这些术语不限于直接连接而是包括通过其他元件进行的连接，其中这样的连接被本领域技术人员认为是等同的。

具体实施方式

首先转到图1，示出了在带驱动系统的一个实施方式中并入的示例性电动机10，电动机10被配置成辅助监视带驱动设备中的操作和检测带驱动设备中的常见故障模式。电动机10包括在每个端部处开口的框架12。前端盖14和后端盖16封入每个端部并且结合框架12来限定用于电动机10的壳体。电动机10包括定子组件18和转子组件20，定子组件18被配置成接收电压以控制电动机10的操作，转子组件20被配置成根据施加至定子组件18的电压而旋转。接线盒22被安装至框架12并且被配置成接收来自电动机控制器50的电动机引线24(如图3所示)，电动机引线24又在接线盒22内连接至来自定子组件18的引线26，从而在定子组件18与电动机控制器50之间建立电连接。

转子组件20包括转子30和电动机轴32。电动机轴32可以一直延伸通过转子30，或者可选地，轴的第一部分可以从转子组件20的前部延伸并且第二部分可以从转子组件20的后部延伸。轴32延伸穿过前端盖14中的开口，用于机械耦接至驱动机。轮可以被安装至轴32，带可以进而被安装在轴32上。转子组件20由分别位于前端盖14和后端盖16内的前轴承组34和后轴承组36支承，用于在壳体内的旋转。在所示的实施方式中，冷却风扇38通过后端盖16中的开口吸入空气，空气经过并且冷却定子组件18和转子组件20两者。转子组件20可以包括磁体，该磁体被安装在表面上或嵌入转子30内，以生成磁场。可选地，转子30可以包括线圈或一组线圈，其被配置成例如经由被安装至转子组件20的滑环或经由来自施加至定子组件18的电压的感应接收电压。预期在不偏离本发明的范围的情况下，可以使用电动机10的各种其他配置和布置。

可以使用电动机控制器50完成对电动机10的控制。接下来参照图3，根据本发明的一个实施方式的电动机控制器50包括电力输入端52，其被配置成连接至电源。根据所示实施方式，三相交流(AC)电源被连接至电力输入端52。可选地，电动机控制器50可以被连接至单相AC电源或连接至直流(DC)电源。整流器部54将三相AC电力转换成存在于DC总线56上的DC电压。整流器部54可以是：无源整流器，包括例如二极管桥式整流；或者有源整流器，包括例如半导体开关器件，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、可控硅整流器(SCR)、晶闸管或任何其他合适的受控开关器件。整流器部54可以利用处理器64发送或接收信号72，信号72包括但不限于：由位于整流器部54中的传感器生成的反馈信号，其与存在于整流器部54的输入端处或从整流器部54输出的电流和/或电压对应；或者开关信号，其由处理器64生成，以控制有源整流器中的开关器件。DC总线56包括连接在正轨与负轨之间的电容58，跨正轨与负轨存在DC电压电位。预期正轨和负轨可以各自具有正电压电位、负电压电位或被连接至公共电压电位。通常，正轨具有比负轨更大的电压电位。处理器64还可以从与DC总线连接的传感器接收信号68，信号68包括例如与存在于正轨、负轨或两个轨之间的电压和/或电流对应的信号。逆变器部60将存在于DC总线56上的DC电压转换成具有可变频率和可变幅度的AC电压。逆变器部60包括例如半导体开关器件，如IGBT、MOSFET、SCR、晶闸管或任何其他合适的受控开关器件。逆变器部60可以利用处理器64发送或接收信号70，信号70包括但不限于：由位于逆变器部60中的传感器生成的反馈信号，其与存在于逆变器部60的输入端处或从逆变器部60输出的电流和/或电压对应；或者开关信号，其由处理器64生成，以控制开关器件的操作。电动机控制器50包括处理器64，其被配置成执行存储在存储器装置66上的一系列指令。处理器64可以是单个处理装置或并行执行的多个处理装置。处理器64可以是现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用处理器或其组合。存储器装置66可以是单个装置或多个装置并且可以包括易失性存储器、非易失性存储器或其组合。电动机控制器50还包括至少一个输入端74，其被配置成从电动机10接收至少一个反馈信号76。处理器64从输入端(一个或多个)74接收每个反馈信号76，其中反馈信号可以是但不限于角位置信号、角速度信号、电流信号、电压信号以及与电动机10中存在的振动的幅度对应的信号。

再次参照图1，电动机10包括至少一个传感器40，所述至少一个传感器40被配置成生成与电动机10中存在的振动对应的信号。根据所示实施方式，传感器40被安装在电动机10的壳体内。可选地，传感器40可以被安装在壳体的外部或者安装在耦接至电动机10的机械构件上，使得在传感器40中检测到的振动与电动机10中存在的振动对应。传感器40例如可以是：加速度计，其生成与电动机10的一个或更多个轴中的加速度对应的信号；声学传感器，其检测由于系统中的振动而生成的噪声的频率；或者超声测量传感器，其检测由于振动而导致的表面距传感器的距离的变化。在本发明的一个实施方式中，传感器是微机电系统(MEMS)。在带驱动系统中，例如图8所示的系统211中，电动机10中的振动可以是耦接至电动机的带214中的振动的结果，其中，通过在电动机与带之间的耦接或驱动元件传递振动。

还参照图2，示出了并入带驱动系统中的另一示例性电动机10。电动机10包括在框架12的一端上的安装板11，电动机10通过该安装板11连接至传动系。如图所示，安装板11包括凹进部分17，在凹进部分17内安装有电路板19。电路板19包括被安装在顶部的第一传感器40a和被安装在板的底部的第二传感器40b。可选地，电路板19可以包括单个传感器40或者还包括例如位于电动机轴32的左侧和右侧的附加的传感器。

根据本发明的另一实施方式，如图5所示，第一传感器40可以被安装在轴32上并且随轴32旋转，以直接检测轴32上的振动。电动机10通过定子组件18作为最外圆、转子30作为中间圆以及电动机轴32作为最内圆的一系列同心圆，以框图形式示出。可选地，传感器40还可以包括收发器部分(未示出)，其被安装至靠近轴32的非旋转位置并且被配置成接收与每个轴中的加速度对应的信号。可以例如经由无线通信或经由滑环配置将信号从传感器40的旋转部分传送至收发器部分，收发器部分进而将信号发送至控制器。还预期信号可以被直接传送至另一控制器，例如电动机控制器50。电动机10还可以包括第二传感器40，第二传感器40被安装至电动机10的非旋转部分。如图所示，第二传感器40被安装至定子组件18。然而，可以类似地将第二传感器40安装至例如壳体的内表面或安装至电动机10内的轴承组。与由电动机10的壳体所经受的振动对应的信号可以由第二传感器40生成。利用由被安装在轴32或电动机10的另一旋转部分上的传感器40和被安装至电动机10的非旋转部分的传感器40两者生成的信号，控制器可以区分由电动机10通常经受的振动与仅电动机轴32上存在的振动。

根据本发明的另一实施方式，两个传感器40可以被安装至电动机10的非旋转部分。还参照图6，第一传感器40被定位在电动机10内的第一位置41处并且第二传感器40被定位在电动机10内的第二位置42处。电动机10通过定子组件18作为最外圆、转子30作为中间圆以及电动机轴32作为最内圆的一系列同心圆，以框图形式示出。根据本发明的一个实施方式，第一传感器40和第二传感器40两者被安装在轴承组34上，转子30通过该轴承组34被可旋转地安装至壳体。传感器40中的每一个可以被安装在轴32的相对侧上或者由轴承组34支承的转子30的部分的相对侧上。

在图6中还示出了与转子轴32以及每个传感器和电动机的轴正交的平面90。第一中心轴100限定电动机轴32围绕其旋转的轴并且延伸穿过电动机10。第二轴102被限定为与中心轴100正交并且在电动机10的顶部与底部之间延伸。第三轴104被限定为与中心轴100和第二轴102两者正交，在电动机10的侧部之间延伸。第二轴102和第三轴104存在于平面90内。此外，对顶部、底部和/或侧部的参考仅用于说明。预期在不偏离本发明的范围的情况下，第二轴102和第三轴104可以在与转子轴32正交的平面90内旋转。如图所示，中心轴100被限定为“Z”轴，第二轴102被限定为“X”轴，并且第三轴104被限定为电动机10的“Y”轴。传感器40中的每一个类似地具有示出的三个轴。在第一位置41处的传感器40被示出为具有：Z轴110，其在所示Z轴上具有正幅度Z₁；X轴112，其在所示X轴上具有正幅度X₁；以及Y轴114，其在所示Y轴上具有正幅度Y₁。在第二位置42处的传感器40被示出为具有：Z轴120，其在所示Z轴上具有正幅度Z₂；X轴122，其在所示X轴上具有正幅度X₂；以及Y轴124，其在所示Y轴上具有正幅度Y₂。预期在不偏离本发明的范围情况下，每个传感器40可以检测更少或更多数目轴中的振动。类似地，可以使用多个传感器40来检测电动机10在多个轴中的振动，每个传感器检测单个轴中振动。通过矢量X₁、Y₁、Z₁、X₂、Y₂和Z₂的方向示出了用于传感器40中的每一个的每个轴的振动的正幅度。因此，第一传感器40和第二传感器40被安装成使得在第一传感器40中生成具有正幅度的信号的电动机中的振动将在第二传感器40中生成具有负幅度的信号。

根据本发明的一个实施方式，两个X轴，X₁和X₂被配置成测量与电动机轴32相切并且沿相反方向的振动力。两个Y轴，Y₁和Y₂被配置成测量与电动机轴32表面的中心轴100正交并且沿远离电动机轴32的相反方向指向的振动力。两个Z轴，Z₁和Z₂被配置成测量与电动机轴32的中心轴100对准但是偏移的并且沿相反方向的振动力。预期每对传感器被定位在与电动机轴32正交的平面90内并且使得每个传感器40被定位成围绕电动机轴32与另一传感器40成180度。可选地，传感器40可以被定位成不是围绕电动机轴32彼此成180度。然而，如果传感器40被定位成不是围绕电动机轴32彼此成180度，则可能需要附加的计算来补偿传感器位置。

预期接收信号的控制器可以是电动机控制器50中的处理器64或第二控制器例如可编程逻辑控制器(PLC)或其他工业控制器。例如，参照图4，控制器80被连接至多个振动传感器40。第一振动传感器40被示出在被安装在电动机10内的电路板19上。附加振动传感器40被示出而没有参考特定位置，但是其可以被安装在电路板19上的不同位置处、电动机10内或电动机10上的其他位置处，或者可以被安装在例如电动机10被安装至的结构构件上。控制器80包括逻辑电路82，其被配置成从振动传感器接收数据信号。逻辑电路82可以包括模数转换器，以将信号转换成适合于输入至控制器80上的处理器84的值。可选地，逻辑电路82可以包括附加的信号处理能力，并且例如可以执行一些初始处理，例如添加或减去与相同振动轴对应并且由振动传感器40生成的信号。控制器80还包括与处理器84通信的存储器装置86。处理器还可以被配置成执行存储在存储器装置86上的指令，以执行信号的附加处理并且根据振动信号生成用于控制电动机控制器50的操作的命令信号。类似地，控制器80可以被配置成根据振动信号识别带驱动系统中的振动源。

根据图4所示的实施方式，控制器80是工业控制器，例如可编程逻辑控制器(PLC)。PLC包括容置在具有多个槽85的机架83中的处理器模块81和电源。底板在处理器模块81与每个槽85之间延伸，用于与插入槽中的模块进行通信。可以提供各自具有不同能力的各种模块，包括但不限于输入模块、输出模块、通信模块等。输入模块均可以包括用于接收来自振动传感器40的信号的逻辑电路82。输入模块被配置成接收模拟振动信号，并且包括模数转换器电路和/或附加处理能力，以经由PLC中的背板将模拟反馈信号的数字值传送至处理器模块81。

根据图4所示的实施方式，电动机控制器50被示出为具有在处理器64上执行的模块65、67、69，其中如下面将更详细地讨论的，不同的模块作用于振动信号。预期控制器80也可以执行模块65、67、69以作用于振动信号，并且电动机控制器50可以被配置成将振动信号传递至控制器80而无需附加的处理。可选地，模块65、67、69的一部分可以在电动机控制器50上执行并且模块的一部分可以在PLC 80上执行。在本发明的又一其他实施方式中，由PLC控制的工业系统或过程可以包括多个电动机10和多个电动机控制器50。电动机控制器50的一部分可以执行模块，以作用于与受控系统的第一部分中的一个或更多个带对应的振动信号，并且PLC 80可以执行类似的模块，以作用于与受控系统的第二部分中的一个或更多个带对应的振动信号。

接下来参照图7，示例性带驱动系统201包括经由带204连接的第一轮200和第二轮202。根据示例性系统201，带204包括齿206，其被配置成接合围绕每个轮的外围延伸的互补齿轮齿。电动机10的驱动轴32可以机械地耦接至第一轮200或第二轮202(即，驱动轮)，并且带204被配置成驱动未耦接至电动机的另一轮(即，从动轮)。如本领域所理解的，改变每个轮的直径引起每个轮处的速度和扭矩改变。

接下来转至图8，第二示例性带驱动系统211包括沿一系列从动带214移动对象215的传送机系统的一段。传送机系统的该段包括第一传送机轮210和第二传送机轮212。在所示的实施方式中，预期每个传送机轮包括带214可以在其中运行的两个凹槽。在第一传送机轮210中，第一带214a与第一凹槽接合并且第二带214b与第二凹槽接合。在第二传送机轮212中，第二带214b与第二凹槽接合，使得带214沿着传送机系统的长度以与轮210、212对准的线性方式延伸。第三带214c与第二传送机轮212的第一凹槽接合。附加带214可以沿着传送机系统的长度延伸，交替地与第一凹槽和第二凹槽接合。在本发明的另一实施方式中，单个带214或拼接在一起的多个长度的带，可以沿着带驱动系统211的长度或跨超过两个轮延伸。此外，预期单个电动机可以驱动传送机轮210、212中的一个而其余的传送机轮由一系列带214驱动。可选地，轮210、212中的每一个可以由彼此协调操作的单独的电动机来驱动。在又一其他实施方式中，轮的一部分可以由电动机驱动并且轮的一部分可以由带214驱动。预期本发明可以并入在带驱动系统的又一其他配置上，其中，可以使用带驱动系统来改变轮的旋转方向、将旋转运动转换成线性或往复运动等。

在操作中，传感器40提供改进的系统，用于监视带驱动系统201中的带的操作或者检测和识别带驱动系统201中的带中的振动源。带204经由轮200和驱动轴32可操作地连接至电动机10并且由电动机10驱动。电动机10又由电动机控制器50控制。带204中的振动被传递至电动机10和/或被传递至电动机10被安装在其上的机械结构。放置在电动机10内、表面上或附近的传感器40检测振动。振动可以由多个源引起，包括但不限于带驱动系统中的机械共振、轴未对准、带未对准、不适当张力或冲击载荷。预期电动机控制器可以使用测量的振动来确定带204中存在的振动的频率，并且进而确定带204上存在的张力水平或确定类型。

在调试期间，可以使用系统来监视和调整带驱动系统201中的驱动构件的操作。在带204已被安装在驱动构件(一个或多个)和从动构件(一个或多个)周围之后，需要验证带204上存在的张力。带驱动系统被设计成使得带具有足够的张力以在驱动构件与从动构件之间传递力，然而不具有太大的张力，太大的张力可以导致带的过早磨损和/或失效。

出于说明目的，将参照图7的带驱动系统201。第二轮202将被描述为驱动轮并且被连接至电动机轴32。第一轮200被描述为从动轮并且被连接至受控装置或过程。带204配装在两个轮周围，并且两个轮200、202中的一个包括可移动的安装件，使得轮的位置改变以向带204施加张力。可选地，张紧器轮(未示出)可以被包括在带驱动系统201中，其中，张紧器轮被可移动地安装并且被配置成以不同量的力接合带204以改变带204上的张力。

一旦安装了带204，冲击力被施加至带204。可以通过敲击带来手动地施加冲击力。可选地，电动机控制器50被配置成将冲击或短电流脉冲施加至控制驱动轮202的电动机10。施加至电动机10的冲击又在驱动轴32上并且沿着带204生成扭矩脉冲，带204经由驱动轮202可操作地连接至驱动轴。在调试期间，可能希望在驱动轮202处于静止或非旋转操作状态时施加冲击，因为受控系统可能未完全准备好运行或者施加全部能量可能是危险的。如果利用电动机控制器50来施加冲击，则冲击将瞬时扭矩施加至驱动轴32，并且随后，电动机控制器50命令电动机10保持零速度。结果，电动机10接收冲击并且将冲击传递至驱动轮202和驱动带204，但不开始轮或带的旋转。

在施加冲击之后，电动机控制器50监视与沿着带204存在的振动对应的反馈信号(一个或多个)。参照图4，可以使用带张力模块69来确定带204上存在的张力。如前所述，在本发明的一个实施方式中，带张力模块69以及其他示出模块65、67在电动机控制器50上执行。在本发明的另一实施方式中，带张力模块69和其他示出模块65、67在工业控制器80上执行。在又一实施方式中，模块65、67、69可以在电动机控制器50和工业控制器80的组合上执行。为了便于讨论，一般地以在控制器上执行来讨论模块，其中控制器可以是电动机控制器50或工业控制器80。控制器可操作成通过测量由安装在电动机10附近或内部的振动传感器(一个或多个)40生成的振动信号的至少一个特征来检测施加至带的张力。要监视的振动信号的特征可以包括带固有频率、振动信号的均方根或峰值、振动信号的峰度或振动信号的波峰因数。根据所示实施方式，设置了频率响应模块65，其使用例如傅立叶变换、离散傅立叶变换(DFT)、Goertzel算法或者它们的组合或修改来确定存在于振动信号中的频率分量。下面更详细地讨论频率响应模块65的示例性实施方式。可以使用附加处理模块67来执行确定振动信号的峰值、均方根、峰度或波峰因数值的其他例程。频率响应模块65和附加处理模块67中的每一个可以例如以周期性间隔或从带张力模块69被调用。要理解的是，所示出的模块划分是示例性的而不旨在是限制性的。由各种模块65、67、69执行的功能可以全部或部分地由其他模块或模块的其他组合执行。

如果设置了一个单轴传感器40，则将单个振动反馈信号76提供给电动机控制器50。如果设置了多个传感器40或多轴传感器40，则存在多个振动反馈信号76。还参照图11，第一振动反馈信号76a被示出在顶图中并且第二振动反馈信号76b被示出在底图中。两个振动反馈信号可以各自与来自单独传感器40的单轴输出对应或者可以与来自多轴传感器40的不同轴输出对应。图11所示的信号表示例如对施加至带204的冲击的响应。

根据本发明的一个实施方式，电动机控制器50可以包括用于限定阈值的存储在存储器装置66中的参数，大于该阈值，电动机控制器50会识别出施加至带的冲击。根据所示实施方式，预期阈值被设定为等于1。在每个振动信号76a、76b的开始处，幅度超过±1，并且因此，电动机控制器50检测到冲击的施加。

根据本发明的另一实施方式，电动机控制器50通过在电动机和带处于静止状态的情况下控制电动机10的操作来施加冲击。因为在施加冲击之前不存在带204的初始操作，电动机控制器50监视针对任何振动幅度的振动反馈信号76并且将测量的振动归因于冲击。

在检测到由于冲击的施加导致的振动之后，电动机控制器50确定带上的张力作为所监视的振动反馈信号76a、76b的结果。电动机控制器50可以利用任何合适的技术来识别存在于振动信号上的频率。根据本发明的一个方面，电动机控制器50利用存储在电动机控制器50的存储器装置66中的频率响应模块65。频率响应模块65可以被配置成执行离散傅立叶变换(DFT)。示例性DFT例程在下面的式1中给出。DFT例程针对在零赫兹与振动反馈信号76的采样频率之间的多个均匀间隔的频率区段，将采样的时间信号变换成包含幅度和相位信息的复矢量。

其中：

X(k)＝均匀间隔频率处的频率响应；

N＝样本数；以及

x(n)＝第n个样本值。

频率响应包括均匀间隔频率处的每个频率分量的幅度。响应于所施加的冲击而具有最大幅度的均匀间隔频率中的每一个处的频率成分的幅度被识别为带204的固有频率。带204的固有频率是施加至带的张力的函数并且随着施加至带的张力变化。结果，可以使用下面给出的式2，根据带的固有频率来确定带的张力。

F_r＝4·m_k·L²·f² (2)

其中：

F_r＝带上的张力；

m_k＝带的单位质量；

L＝带的长度；以及

f＝带的固有频率。

电动机控制器50中的带张力监视模块69还可以被配置成提供与带204上存在的张力F_r对应的输出信号。根据本发明的一个实施方式，带张力监视模块69输出包括所确定的张力的幅度的信号。输出信号可以是张力值F_r被插入有效载荷中的数据帧。可选地，电动机控制器50可以包括具有显示器的用户接口，在该显示器上呈现输出信号以向技术人员提供带204上的张力F_r的视觉指示。根据本发明的另一实施方式，带张力监视模块69可以被配置成输出与所确定的张力幅度对应的一个或更多个逻辑信号。存储在电动机控制器50的存储器装置66中的配置参数限定了所需张力水平和可接受的张力的上限和下限，或者可选地，配置参数可以仅存储可接受的张力范围。带张力监视模块69将测量的张力幅度与配置参数进行比较并且输出识别张力是在所需设定点处还是在可接受范围之外的逻辑信号。带张力监视模块69还可以被配置成输出指示张力是否高于可接受范围或低于可接受范围的一个或更多个附加逻辑信号。在接收到与带204上存在的张力对应的输出信号之后，技术人员可以增加或减小张力，并且重复施加冲击并监视来自电动机控制器50的输出信号的过程，直到为带204适当地设定张力。利用电动机控制器50对带204施加冲击并测量张力简化了调试过程并且消除了对单独的张力计的需要。

在调试期间，还预期可以训练控制器以测量振动数据并且根据所测量到的振动数据预测带张力。作为训练中的初始步骤，电动机控制器50获得与带驱动系统201的已知操作对应的数据。带204上的张力被设定成已知值，并且电动机控制器50被配置成以多个速度操作电动机10。当电动机10运行时，电动机控制器50监视振动信号的幅度或在振动信号中检测到的频率分量的幅度。此外，电动机控制器50经由电动机控制器内部的速度指令或通过监视根据其确定速度的来自位置反馈传感器28的反馈信号来监视电动机10旋转的速度。可选地，电动机控制器50还可以监视提供给电动机的电流的幅度。在以多个速度中的每一个操作期间，电动机控制器50将所监视到的数据存储在电动机控制器的存储器装置66中的数据日志63中。电动机控制器50使用与在电动机10的正常操作期间获得的已知操作对应的数据来预测带204上存在的张力。在调试之后，系统继续监视带驱动系统201中的驱动构件的操作。电动机控制器50中的存储器装置66可以将上面讨论的在冲击的施加期间测量到的张力存储在配置参数中。可选地，可以从用户接口或经由加载到存储器装置66中的一组配置参数来将配置参数设定成所需的张力。电动机控制器50接收与带上存在的振动对应的反馈信号(一个或多个)并且使用例如上面讨论的DFT例程周期性地确定带204上存在的张力。控制器中的带张力监视模块69将带上存在的张力的当前值与先前存储的张力值进行比较。如果带上存在的张力的当前值与先前存储的张力值不同超过预定义量，则在操作期间张力已改变并且带张力监视模块69生成指示张力已改变的通知。带张力监视模块69可以在电动机控制器50内设定内部警报或故障位或者将通知发送至工业控制器80。可选地，通知可以替选地或附加地经由数据消息发送至远程终端，例如，以向维护人员告警带204需要检查。参照图4，远程终端可以是例如经由有线连接、无线连接或其组合、在工业控制器80附近或远离工业控制器80定位的计算机91。可选地，远程终端可以是经由有线连接、无线连接或其组合与工业控制器80通信的移动装置93，例如移动电话、平板电脑或膝上型计算机。在接收到带上的不适当张力的通知之后，维护人员可以根据需要调节张力和/或更换带204。

如果电动机控制器50具有存储在数据日志63中的训练数据，则使用该训练数据来预测带204上存在的张力。测量到的振动信号根据与带驱动设备连接的电动机10操作的速度并且根据带204上存在的张力而变化。利用存储在数据日志63中的训练数据，电动机控制器可以将检测到的振动的当前值和电动机10操作的速度与存储在数据日志63中的训练数据进行比较，以确定振动的当前值是否在针对电动机10的速度的预期振动范围内。带张力监视模块69可以生成识别张力是在所需的设定点处还是在可接受的范围之外的逻辑信号。带张力监视模块69还可以被配置成生成指示张力是否高于可接受范围或低于可接受范围的一个或更多个附加逻辑信号。这些信号被输出至工业控制器80、计算机91、移动装置93或其组合，以向技术人员告警带驱动设备的状态。在接收到带上的不适当张力的通知之后，技术人员可以根据需要调节张力和/或更换带204。

根据本发明的又一方面，电动机控制器50可以检测在操作期间发生在带驱动系统201中的冲击载荷。存储在电动机控制器50的存储器装置66中的配置参数存储用于振动的预设值。预设值标识振动的阈值，高于该阈值表示在带驱动系统201中发生冲击载荷。电动机控制器50接收与带上存在的振动对应的反馈信号(一个或多个)并且使用例如上面讨论的DFT例程周期性地确定带204上存在的振动的幅度。电动机控制器50将带上存在的振动的幅度与指示冲击负荷的发生的先前存储的振动阈值进行比较。如果带上存在的振动的幅度超过阈值，则电动机控制器50生成指示已发生冲击载荷的通知。可以经由数据消息将通知发送至远程终端，例如，以向维护人员告警冲击载荷。还预期带上存在的振动幅度也可以被存储在存储器装置66中。存储器装置66可以包括缓冲器，其可以存储多个振动幅度的值。可以将振动的幅度连同冲击载荷发生的通知一起发送，使得技术人员或维护人员可以确定冲击载荷的严重性。可选地，可以经由远程终端或经由电动机控制器上的显示器访问缓冲器，以查看每个冲击载荷发生的严重性。

根据本发明的另一方面，电动机控制器50可以被配置成跟踪冲击载荷的发生的次数。电动机控制器50的存储器装置66中的配置参数可以用作计数器。每当电动机控制器50检测到冲击载荷的发生时，电动机控制器50递增计数器中的值。又一配置参数可以被配置成存储计数器阈值。电动机控制器50可以被配置成在冲击载荷的次数超过计数器阈值时生成通知，而不是针对每次发生的冲击载荷生成通知。在本发明的又一其他实施方式中，多个阈值可以被配置成检测不同幅度的冲击载荷。可以基于检测到的冲击载荷的严重性来建立不同的报告要求。

根据本发明的又一方面，电动机控制器50可以被配置成识别潜在带故障的不同原因并且在故障发生之前提供诊断信息。还参照图9和图10，指示了带故障的两个潜在原因。在图9中，示出了带驱动系统231，其中在两个轮232、234的中心轴233、235之间存在偏移238。由于制造公差和/或装配误差，应当在系统231内对准的中心轴233、235彼此偏移238。偏移238可以在两个轮232、234之间延伸的带236上引入不希望的振动。在图10中，带驱动系统251的一段示出了通过轮252的带254，其中带与轮未对准。在带254的实际对准与带的期望对准之间存在角度偏移θ256，其中带的期望对准平行于轮252的旋转。角度偏移θ256可以类似地在带254上引入不希望的振动。

在所示系统231、251中的任一个中，电动机控制器50可以被配置成检测由偏移产生的振动并且生成识别到的振动的通知。平行偏移238和角度偏移256沿着径向或轴向方向在带236、254中引入振动。在本发明的一个实施方式中，一对传感器40被安装至电动机10的非旋转部分，以隔离带中的振动源。如以上相对于图6描述了那样对传感器40进行配置。电动机控制器50利用沿轴X、Y或Z中的至少一个的、来自第一位置41处的传感器40和第二位置42处的传感器40两者的信号，来隔离不同的振动。使用来自两个传感器40的信号有助于消除电噪声，该电噪声可以在电动机10内产生和/或由电动机控制器50产生并且由传感器40接收和/或沿着承载振动信号的电导体发送。参照在下面包括的表1，电动机控制器利用沿着不同轴X、Y或Z的振动信号来隔离不同的振动。基于沿着每个轴存在的振动的幅度，电动机控制器50确定振动是径向的还是轴向的并且可以识别平行偏移238和/或角度偏移是否存在于带驱动系统中。

隔离的振动	利用的轴
		旋转振动	f<sub>Ro</sub>(X<sub>2</sub>，Y<sub>1</sub>)
径向单向振动	f<sub>Ra</sub>(X<sub>1</sub>，Y<sub>2</sub>)
		轴向定向振动	f<sub>Ax</sub>(Z<sub>1</sub>，Z<sub>2</sub>)

表1：根据检测到的振动信号的振动隔离

根据本发明的又一方面，电动机控制器50被配置成根据存储在电动机控制器50的存储器装置66中的激励配置(profile)驱动电动机。激励配置包括电动机操作的预定速度(一个或多个)。激励配置还可以包括一个或更多个加速度配置，以改变带驱动改变速度的速率。当电动机控制器50命令电动机10根据激励配置操作时，由电动机控制器50监视与带上存在的振动相对应的来自振动传感器(一个或多个)40的信号(一个或多个)。当电动机执行激励配置时，电动机控制器50可以确定带的张力并且监视带上存在的张力和/或振动的幅度。带中的张力或振动的幅度的变化对应于带的动态变化或拉伸。电动机控制器50可以监视带中的张力或振动的幅度的变化并且如果变化超过预定阈值则生成通知。

一些振动信号的频率是静态的并且不随转子的转速而改变。其他振动信号是动态的并且与电动机的转速有关。识别动态振动的源可能需要将振动信号旋转到与转子的转速和方向同步的参考系。因此，本发明的另一方面是，电动机控制器50被配置成对与转子的角位置和/或角速度对应的反馈信号进行采样。反馈信号可以由可操作地耦接至电动机10的位置反馈传感器28例如编码器、解析器等生成。可以与对与振动对应的反馈信号采样协同地对位置或速度反馈信号采样。此外，可以参考统一时间基准对信号加时间戳，以允许随后处理和检测控制器中振动的原因。与对与振动对应的反馈信号采样协同地对位置或速度反馈信号采样允许电动机控制器50将张力或振动的幅度与转子的转速进行比较并且还允许将振动信号转换成与转子的转速和方向同步的参考系。因此，位置或速度反馈信号允许电动机控制器50确定带驱动系统的动态操作特性。

电动机控制器50可操作成保持操作条件随时间的记录。操作条件的日志包括张力测量、振动幅度、针对任何特定操作条件的通知的生成或其组合。可以使用日志来检测由于带的自然磨损(拉伸)引起的在电动机/负载的操作寿命期间带张力的变化，并且提醒用户重新调节带中的张力以防止带由于不足的张力而过早失效。

还预期，可以使用日志来确定带驱动系统中的带的剩余可用寿命。在系统中一定水平的振动可能是可接受的或不可避免的。电动机控制器50可以监视振动随时间的幅度以确定带上的预期磨损量。电动机控制器50的存储器装置66例如可以包括振动幅度水平与带中的磨损水平相对应的查找表。当带上存在的张力或振动的幅度随时间变化时，电动机控制器50确定带的剩余可用寿命并且生成指示何时需要更换带的用于维护人员的通知。

应当理解的是，本发明在其应用上不限于本文中阐述的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或执行。前述内容的变型和修改落入本发明的范围内。还要理解的是，本文中公开和限定的本发明延伸到从文本和/或附图提及或明显得出的两个或更多个单独特征的所有替选组合。所有这些不同的组合构成本发明的各种替选方面。本文中描述的实施方式解释了用于实施本发明的已知的最佳方式并且将使得本领域的其他技术人员能够利用本发明。

Claims (20)

1.一种用于监视带驱动系统中的驱动构件的操作的系统，包括：

至少一个传感器，被配置成生成与所述带驱动系统中的带上存在的振动对应的信号，其中，电动机被连接至所述带并且可操作成驱动所述带；以及

电动机控制器，被配置成控制所述电动机的操作，所述电动机控制器包括：

输入端，被配置成从所述至少一个传感器接收与所述带上存在的振动对应的信号；

存储器装置，可操作成存储多个配置参数和多个指令；以及

处理器，被配置成执行所述多个指令以：

从所述至少一个传感器接收与所述带上存在的振动对应的信号，以及

根据与所述电动机上存在的振动对应的信号，确定所述带上存在的张力。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：根据与所述带上存在的振动对应的信号来确定所述带的固有频率，并且根据所述带的固有频率来确定所述带上存在的张力。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：

接收发起调试步骤的输入，

根据与所述带上存在的振动对应的信号，来检测施加至所述带的冲击，以及

响应于所述冲击生成输出信号，所述输出信号与所述带上存在的张力对应。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述存储器装置还被配置成周期性地存储所述带上存在的振动的当前值，并且其中，所述处理器还被配置成：当所述带上存在的振动的当前值与所述带上存在的振动的存储值的差别为至少预定量时，生成消息。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：根据与所述带上存在的振动对应的信号，来检测所述带上存在的冲击载荷。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述存储器装置可操作成存储所述冲击载荷的发生次数，并且其中，所述处理器可操作成在每当检测到所述冲击载荷时，增加所述发生次数。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电动机控制器可操作成利用激励配置来扰动所述带并且响应于所述激励配置确定所述带驱动系统的动态配置。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电动机控制器包括第二输入端，所述第二输入端被配置成接收与所述电动机中的转子的速度和位置中的一个对应的信号，并且其中，所述处理器还被配置成同步地测量与所述振动对应的信号和与所述转子的速度或位置对应的信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：根据所测量的与所述振动对应的信号和所测量的与所述速度或所述位置对应的信号，来确定所述带的剩余可用寿命。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理器还可操作成根据与所述带上存在的振动对应的信号和与所述转子的速度或位置对应的信号中的至少一个，来识别存在于所述带中的多个故障模式中的一个。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所识别的故障模式选自所述带上存在的不适当张力、所述带的未对准、所述带的过度磨损和所述带的过度拉伸中的一个。

12.一种用于监视带驱动系统中的驱动构件的操作的方法，包括以下步骤：

在电动机控制器的输入端处，从至少一个传感器接收与所述带驱动系统中的带上存在的振动对应的信号，其中，电动机被连接至所述电动机控制器并且由所述电动机控制器控制，并且其中，所述电动机可操作成驱动所述带；

根据在所述电动机控制器处接收到的信号，利用所述电动机控制器来确定所述带驱动系统中存在的振动的特性；以及

根据所述带驱动系统中存在的振动的特性，利用所述电动机控制器来确定所述带上存在的张力。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：

在所述电动机控制器处接收发起调试步骤的第二输入，

根据与所述带上存在的振动对应的信号，来检测施加至所述带的冲击，以及

响应于所述冲击生成输出信号，所述输出信号与所述带上存在的张力对应。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：

将所述带上存在的振动的当前值存储在存在于所述电动机控制器中的存储器装置中；以及

当所述带上存在的振动的当前值与所述带上存在的振动的存储值的差别为至少预定量时，在所述电动机控制器中生成消息。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括根据与所述带上存在的振动对应的信号来检测所述带上存在的冲击载荷的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：

将所述冲击载荷的发生次数存储在存在于所述电动机控制器中的存储器装置中；以及

每当检测到所述冲击载荷时，增加所述发生次数。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：

利用所述电动机控制器来控制所述电动机的操作，以根据激励配置扰动所述带；以及

响应于所述激励配置，利用所述电动机控制器来确定带驱动设备的动态配置。

18.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：

在所述电动机控制器的第二输入端处接收与所述电动机中的转子的速度和位置中的一个对应的信号；以及

协同地测量与所述振动对应的信号和与所述转子的速度或位置对应的信号。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括根据所测量的与所述振动对应的信号和所测量的与所述速度或位置对应的信号来确定所述带的剩余可用寿命的步骤。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括根据与所述带上存在的振动对应的信号和与所述转子的速度或位置对应的信号中的至少一个来识别存在于所述带中的多个故障模式中的一个的步骤。