DE102020124933A1 - Method of monitoring a wave - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer mit einem Drehgeber ausgestatteten Welle, wobei der Drehgeber eine Rotation der in wenigstens einem Drehlager gelagerten Welle erfasst. Das Verfahren umfasst das Erfassen von Sinus- und Kosinussignalen des Drehgebers, das Ableiten einer zu analysierenden Größe aus den Sinus- und Kosinussignalen, das Definieren von Größentoleranzen, das Analysieren der Größe im Betrieb des Drehgebers, das Ausgeben eines Signals, wenn das Analysieren der Größe eine Überschreitung von definierten Größentoleranzen ergeben hat. Um ein vereinfachtes Verfahren bereitzustellen, mit dem eine mit einem Drehgeber ausgestattete Welle überwacht werden kann, wird vorgeschlagen, dass das Analysieren der Größe eine Frequenzanalyse der Größenwerte pro definierter Zeit- oder Signaleinheit umfasst und aus den ermittelten Frequenzen Anomalien des Drehlagers erkannt werden, wobei eine Anomalie vorliegt, wenn eine definierte Größentoleranz überschritten ist.The invention relates to a method for monitoring a shaft equipped with a rotary encoder, the rotary encoder detecting a rotation of the shaft mounted in at least one rotary bearing. The method includes acquiring sine and cosine signals of the rotary encoder, deriving a quantity to be analyzed from the sine and cosine signals, defining size tolerances, analyzing the quantity during operation of the rotary encoder, outputting a signal when analyzing the quantity defined size tolerances have been exceeded. In order to provide a simplified method with which a shaft equipped with a rotary encoder can be monitored, it is proposed that the analysis of the size includes a frequency analysis of the size values per defined time or signal unit and that anomalies in the rotary bearing are detected from the frequencies determined, with a Anomaly exists when a defined size tolerance is exceeded.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer mit einem Drehgeber ausgestatteten Welle, wobei der Drehgeber eine Rotation der in wenigstens einem Drehlager gelagerten Welle erfasst, mit den Schritten: Erfassen von Sinus- und Kosinussignalen des Drehgebers, Ableiten einer zu analysierenden Größe aus den Sinus- und Kosinussignalen; Definieren von Größentoleranzen; Analysieren der Größe im Betrieb des Drehgebers; Ausgeben eines Signals, wenn das Analysieren der Größe eine Überschreitung von definierten Größentoleranzen ergeben hat.The invention relates to a method for monitoring a shaft equipped with a rotary encoder, the rotary encoder detecting a rotation of the shaft mounted in at least one rotary bearing, with the steps: detecting sine and cosine signals of the rotary encoder, deriving a variable to be analyzed from the sine and cosine signals; define size tolerances; Analyzing the size in operation of the rotary encoder; Outputting a signal when analyzing the size has revealed that defined size tolerances are exceeded.
Solche gattungsgemäße Verfahren sind beispielsweise aus der
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren bereitzustellen, mit dem eine mit einem Drehgeberausgestattete Welle überwacht werden kann.Proceeding from this prior art, it is the object of the invention to provide a simplified method with which a shaft equipped with a rotary encoder can be monitored.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved by a method having the features of claim 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen einer mit einem Drehgeber ausgestatteten Welle, wobei der Drehgeber eine Rotation der in wenigstens einem Drehlager gelagerten Welle erfasst, umfasst folgende Schritte:
- - Erfassen von Sinus- und Kosinussignalen des Drehgebers;
- - Ableiten einer zu analysierenden Größe aus den Sinus- und Kosinussignalen;
- - Definieren von Größentoleranzen;
- - Analysieren der Größe im Betrieb des Drehgebers;
- - Ausgeben eines Signals, wenn das Analysieren der Größe eine Überschreitung von definierten Größentoleranzen ergeben hat, wobei erfindungsgemäß
- - das Analysieren der Größe eine Frequenzanalyse der Größenwerte pro definierter Zeit- oder Signaleinheit umfasst und aus den ermittelten Frequenzen Anomalien des Drehlagers erkannt werden, wobei eine Anomalie vorliegt, wenn eine definierte Größentoleranz überschritten ist.
- - Acquisition of sine and cosine signals of the rotary encoder;
- - Deriving a quantity to be analyzed from the sine and cosine signals;
- - define size tolerances;
- - Analyzing the size in operation of the rotary encoder;
- - Outputting a signal when analyzing the size has shown that defined size tolerances are exceeded, according to the invention
- - the analysis of the size includes a frequency analysis of the size values per defined time or signal unit and anomalies of the rotary bearing are detected from the determined frequencies, with an anomaly being present when a defined size tolerance is exceeded.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist, dass keine zusätzlichen Komponenten wie beispielsweise Beschleunigungssensoren, notwendig sind und die Analyse alleine auf der Auswertung der Sinus- und Kosinussignale des Drehgebers beruht. Die Erfinder haben gefunden, dass durch eine Frequenzanalyse der Größe der Rohwerte der Drehgebersignale Lagerdefekte des Drehlagers der Welle erkannt werden können, denn diese Defekte induzieren periodische Änderungen, die sich in den Rohsignalen niederschlagen und durch die Frequenzanalyse aufgedeckt werden. Dieses Vorgehen ist nicht nur kosteneffizient, sondern spart auch Bauraum für die ansonsten zusätzlichen Komponenten, Bauteile und Sensoren.The essential advantage of the invention is that no additional components such as acceleration sensors are necessary and the analysis is based solely on the evaluation of the sine and cosine signals of the rotary encoder. The inventors have found that a frequency analysis of the size of the raw values of the encoder signals can be used to detect bearing defects in the rotary bearing of the shaft, because these defects induce periodic changes that are reflected in the raw signals and are revealed by the frequency analysis. This procedure is not only cost-efficient, but also saves installation space for the otherwise additional components, parts and sensors.
Dabei ist es besonders vorteilhaft und einfach, wenn die Größe eine Vektorlänge eines aus den Sinus- und Kosinussignalen gebildeten Vektors ist und die Größentoleranzen Vektortoleranzen sind. Vektorlängen werden in bekannten Drehgebern bereits verwendet zur Überwachung der Sinus- und Kosinussignale. Diese vorhandenen Vektorlängen können dann für die erfindungsgemäße Verfahren auch genutzt werden.It is particularly advantageous and simple if the size is a vector length of a vector formed from the sine and cosine signals and the size tolerances are vector tolerances. Vector lengths are already used in known encoders to monitor the sine and cosine signals. These existing vector lengths can then also be used for the method according to the invention.
Vorteilhafterweise wird bei einer erkannten Anomalie auf einen Lagerdefekt geschlossen und das Signal als Fehlersignal ausgegeben, denn normalerweise beruhen Anomalien eines Drehlagers auf Lagerfehlern.Advantageously, when an anomaly is detected, a bearing defect is inferred and the signal is output as an error signal, since anomalies in a rotary bearing are normally based on bearing errors.
In Weiterbildung der Erfindung umfassen die Größentoleranzen Toleranzwerte für Frequenzwerte aus der Frequenzanalyse. Es wird also eine gefundene Frequenz geprüft, ob sie innerhalb einer gewissen Toleranz liegt oder nicht. Dabei können zur Ermittlung der Anomalien in den Frequenzbändern die verschiedensten Frequenzanalyseverfahren eingesetzt werden, beispielsweise FFT (Fast-Fourrier-Transform) oder ähnliche Algorithmen, inklusive ihrer Vor- und Nachverarbeitungsverfahren. Abhängig davon wird das Fehlersignal ausgegeben.In a development of the invention, the size tolerances include tolerance values for frequency values from the frequency analysis. A found frequency is therefore checked to see whether it is within a certain tolerance or not. A wide variety of frequency analysis methods can be used to determine the anomalies in the frequency bands, for example FFT (Fast Fourrier Transform) or similar algorithms, including their pre- and post-processing methods. Depending on this, the error signal is output.
In Weiterbildung der Erfindung bleibt die klassische Vektorlängenüberwachung, also der Absolutwerte der Vektorlänge, erhalten, so dass die Drehgebersignale in bekannter Weise überprüft werden können.In a development of the invention, the classic vector length monitoring, ie the absolute values of the vector length, is retained, so that the rotary encoder signals can be checked in a known manner.
Vorteilhafterweise wird die Größe bzw. Vektorlänge mehrfach pro Signalperiode erfasst.The size or vector length is advantageously recorded several times per signal period.
In Weiterbildung der Erfindung entspricht die definierte Zeiteinheit einem Kommunikationszyklus einer zyklischen Kommunikation zwischen dem Drehgeber und einer Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit muss nicht im Drehgeber vorgesehen sein, sondern ist meist in einer überlagerten Steuerung vorgesehen.In a development of the invention, the defined time unit corresponds to a communication cycle a cyclic communication between the rotary encoder and an evaluation unit. The evaluation unit does not have to be provided in the rotary encoder, but is usually provided in a higher-level controller.
In weiterer Ausgestaltung entspricht die definierte Zeiteinheit dem Abtastzyklus einer zyklischen Abtastung der Sinus- und Kosinussignale.In a further embodiment, the defined time unit corresponds to the sampling cycle of a cyclic sampling of the sine and cosine signals.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einem integrierten Schaltkreis ausgeführt, der auch die Sinus- und Kosinussignale erzeugt, so dass zur Realisierung der Erfindung kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.The method according to the invention is advantageously carried out on an integrated circuit which also generates the sine and cosine signals, so that no additional installation space is required to implement the invention.
In Weiterbildung der Erfindung werden mehrere an der Welle befindliche Drehlager gleichzeitig überwacht und/oder das Drehlager des Drehgebers selbst wird überwacht.In a further development of the invention, several pivot bearings located on the shaft are monitored simultaneously and/or the pivot bearing of the rotary encoder itself is monitored.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 ein Antriebssystem mit Motor, Motor-Feedback-System und Steuerung; -
2 Sinussignal des Motor-Feedback-System; -
3 Kosinussignal des Motor-Feedback-System; -
4 Vektordarstellung der Signale des Motor-Feedback-System; -
5 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
6 eine Welle, mit Drehgeber und Steuerung.
-
1 a propulsion system with motor, motor feedback system and controller; -
2 Sine signal of the motor feedback system; -
3 cosine signal of the motor feedback system; -
4 Vector representation of the signals of the motor feedback system; -
5 a flowchart of the method according to the invention; -
6 a shaft, with rotary encoder and controller.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Überwachen einer beliebigen Welle 18, deren Rotation mit einen Drehgeber 12 erfasst wird (
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf ein Antriebssystem angewendet werden und dient dann zum Überwachen eines Antriebssystem 10, das ein Motor-Feedback-System 12, einen Motor 14 und eine Motorsteuerung 16 umfasst (
Der Drehgeber 12 ist in bekannter Weise aufgebaut und wird beispielsweise zur Erfassung von Winkeländerungen insbesondere in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Besonders hohe Genauigkeiten lassen sich mit sogenannten Sinusgebern erreichen, die typischerweise zweispurig ausgebildet sind und als Ausgangssignale ein korrespondierendes Sinus- und Kosinussignal, d. h. zwei identische, jedoch um 90° phasenverschobene Sinussignale, liefern, die bei Rotation der mit dem Drehgeber 12 gekoppelten Welle 18 erzeugt werden. Solche Sinus- und Kosinussignale sind in den
Die Sinus- und Kosinussignale 50 und 52 des Motor-Feedback-Systems 12 werden von einer Signalauswerteeinheit 22 erfasst und ausgewertet. Die Erfassung ist in
Im Falle der Bildung eines Vektors 54 wird die vektorielle Summe des Sinus- und Kosinussignals 50 und 52 als Vektorlänge L des Vektors 54 bezeichnet, dessen x- und y-Komponenten durch die Amplitude des Sinus- bzw. des Kosinussignals gebildet sind.If a
Die Vektorlänge L kann in bekannter Weise dazu genutzt werden, die Funktion des Motor-Feedback-System 12 zu überprüfen, indem die Sinus- und Kosinussignale 50 und 52 geprüft werden, zum Beispiel indem Vektortoleranzen definiert werden, innerhalb dessen sich der Vektor bewegen kann. Das soll mit Schritt 104 in
Die Erfindung geht nun in der Analyse der Vektorlänge L weiter. Es ist nämlich vorgesehen, dass das Analysieren der Vektorlänge L eine Frequenzanalyse der Vektorlängenwerte pro definierter Zeiteinheit umfasst. Dies erfolgt in einem Schritt 108. Die definierte Zeiteinheit kann einer Zykluszeit entsprechen, wobei die Zykluszeit einem Kommunikationszyklus in einer Kommunikation zwischen dem Drehgeber 12 und der Auswerteeinheit (z.B. Motorsteuerung) 16 entsprechen kann, innerhalb dessen Positionswerte und dergleichen vom Drehgeber 12 oder der Signalauswerteeinheit 22 an die Auswerteeinheit (z.B. Motorsteuerung)16 übermittelt werden.The invention now proceeds in the analysis of the vector length L. Specifically, it is provided that the analysis of the vector length L includes a frequency analysis of the vector length values per defined time unit. This takes place in a
Im störungsfreien Betrieb wird die Vektorlänge im Idealfall keinerlei Schwingungen oder Änderungen aufweisen. In einem Störfall, beispielsweise wenn das System einem mechanischem Schock ausgesetzt wird oder das Drehlager 20 defekt ist, wird sich dies auf die Sinus- und Kosinussignale 50 und 52 auswirken und damit auf die Vektorlänge L. Um das zu erfassen, ist nach der Erfindung vorgesehen, dass eine Frequenzanalyse der Vektorlänge L erfolgt. Dies kann beispielsweise eine FFT-Analyse (Fast-Fourrier-Transform) sein oder auch OTF (Order Tracking Filter) oder vergleichbare Analyseverfahren.Ideally, the vector length will not exhibit any oscillations or changes during trouble-free operation. In the event of a malfunction, for example if the system is subjected to a mechanical shock or the rotary bearing 20 is defective, this will affect the sine and cosine signals 50 and 52 and thus the vector length L. The invention provides for detecting this , that a frequency analysis of the vector length L takes place. This can be, for example, an FFT analysis (Fast Fourrier Transform) or also an OTF (Order Tracking Filter) or comparable analysis methods.
Aus den ermittelten Frequenzen können Lagerdefekte des Drehlagers 20 erkannt werden, denn Lagerdefekte werden sich periodisch auswirken und damit zu periodischen Änderungen der Vektorlänge L führen. Weichen ermittelte Frequenzen zu stark von zulässigen Frequenzen ab, wird dies als Lagerdefekt des Drehlagers 20 gedeutet und erkannt und ein Fehlersignal ausgegeben. Die zulässigen Frequenzen sind die Frequenzen, die im störungsfreien Fall vorliegen. Diese können beispielsweise zuvor in einem Einlernprozess ermittelt werden.Bearing defects of the rotary bearing 20 can be recognized from the determined frequencies, because bearing defects will have a periodic effect and thus lead to periodic changes in the vector length L. If determined frequencies deviate too much from permissible frequencies, this is interpreted and recognized as a bearing defect of pivot bearing 20 and an error signal is output. The permissible frequencies are the frequencies that exist in the case of no interference. These can be determined beforehand in a learning process, for example.
Die Bestimmung von Abweichungen der ermittelten Frequenzen von den zulässigen Frequenzen erfolgt durch Vergleich mit Frequenztoleranzwerten Δf in Schritt 108. Die Vergleichsmechanismen können dabei auch sehr aufwändig ausfallen. Ebenso ist eine Visualisierung der so ermittelten Daten denkbar. Außerdem ist auch das reine Weiterleiten der Frequenzanteile der Vektorlänge an die Auswerteeinheit 16 oder zusätzliche Recheneinheiten denkbar, um die Analyse dieser Daten und deren Visualisierung dort durchzuführen.Deviations of the ascertained frequencies from the permissible frequencies are determined by comparison with frequency tolerance values Δf in
Um Schwingungen der Vektorlänge L mit der Frequenzanalyse zuverlässig erfassen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vektorlänge mehrfach pro Signalperiode erfasst wird. Die Abtastrate muss entsprechend hoch sein.In order to be able to reliably detect oscillations of the vector length L with the frequency analysis, it is preferably provided that the vector length is detected several times per signal period. The sampling rate must be correspondingly high.
Die Winkelpositionsbestimmung durch den Drehgeber 12 und die Auswertung der Sinus- und Kosinussignale 50 und 52 erfolgen vorzugsweise auf einem integrierten Schaltkreis, der im Drehgeber 12 selber oder in der Auswerteeinheit (z.B. einer Motorsteuerung) 16 vorgesehen sein kann.The angular position is determined by
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- DE 102010051873 A1 [0002]DE 102010051873 A1 [0002]
- EP 1597714 B1 [0002]EP 1597714 B1 [0002]
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