DE112020003120T5

DE112020003120T5 - Zustandsüberwachungsschaltung für eine elektrische maschine

Info

Publication number: DE112020003120T5
Application number: DE112020003120.9T
Authority: DE
Inventors: Christopher Edwin Eugene Propp; Myron Roman Mychal
Original assignee: Regal Beloit America Inc
Current assignee: Regal Beloit America Inc
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2022-05-05
Also published as: BR112021026626A2; US20220365138A1; US20200408840A1; MX2022000090A; FI20225057A1; CN114375401A; WO2020264503A1

Abstract

Es wird eine Schaltung zur Zustandsüberwachung einer elektrischen Maschine beschrieben. Die Zustandsüberwachungsschaltung umfasst mindestens einen Sensor, der zum Messen eines Parameters der elektrischen Maschine konfiguriert ist, eine Kommunikationsschnittstelle und einen Mikroprozessor, der mit dem mindestens einen Sensor, der Kommunikationsschnittstelle und einem Speicher verbunden ist. Der Mikroprozessor ist so konfiguriert, dass er periodisch Zeitabtastungen des von dem mindestens einen Sensor gemessenen Parameters erfasst, Faktoren der Zeitabtastungen an den Speicher überträgt und eine hochauflösende Fast-Fourier-Transformation (FFT) an den Faktoren durchführt. Der Mikroprozessor ist auch so konfiguriert, dass er die Ergebnisse der hochauflösenden FFT extrapoliert, um eine hochauflösende Frequenzbereichswellenform zu erzeugen, die hochauflösende Frequenzbereichswellenform nach einem Parameter filtert und die gefilterte Frequenzbereichswellenform über die Kommunikationsschnittstelle zur weiteren Verarbeitung an ein entferntes System überträgt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/868,368 , die am 28. Juni 2019 eingereicht wurde und den Titel „HEALTH MONITOR CIRCUIT FOR AN ELECTRIC MACHINE“ trägt, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird.
GEBIET
Das Gebiet der Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Zustandsüberwachungsschaltung für eine elektrische Maschine und im Besonderen auf einen Mikroprozessor für Zustandsüberwachungsschaltungen, der eine verbesserte Fast-Fourier-Transformation (FFT), eine verbesserte Datenkompression für die Übertragung und eine verbesserte Statorstromsignaturanalyse bietet.
HINTERGRUND
Zumindest einige elektrische Maschinen enthalten einen oder mehrere Sensoren als Teil einer Zustandsüberwachung, um z. B. Schwingungen, Umgebungstemperatur, Strom, Spannung, Feuchtigkeit, Drehmoment oder andere Parameter regelmäßig zu messen. Solche Messungen können nützlich sein, um z. B. den Verschleiß der elektrischen Maschine im Laufe der Zeit sowie den allgemeinen Gesundheitszustand der elektrischen Maschine oder, im Falle des Motorbetriebs, zumindest einige Aspekte des Betriebs der Last zu bestimmen. Bestimmte elektrische Maschinen enthalten z. B. piezoelektrische Beschleunigungsmesser zur Messung von Vibrationen. Bestimmte elektrische Maschinen enthalten z. B. Widerstandstemperatursensoren (RTDs), die in die Schaltkreise der elektrischen Maschine eingebettet sind, um die Temperatur zu überwachen. Solche Sensoren können in die elektrische Maschine und ihr Gehäuse integriert werden und werden im Allgemeinen durch Batterien, eine Stromversorgungsschaltung oder auf andere Weise unabhängig von der elektrischen Maschine selbst mit Strom versorgt.
Einige elektrische Maschinen (z. B. elektrisch kommutierte Motoren (ECM)) verfügen über Stromsensoren, die in einen Controller (z. B. einen Motorcontroller) integriert sind, um die Statorströme zu messen und die elektrische Maschine ordnungsgemäß zu betreiben. Andere elektrische Maschinen (z. B. Induktionsmotoren) müssen keine Statorströme messen, um zu funktionieren. Stromsensoren zur Überwachung des Betriebs von ECMs oder Induktionsmotoren für Diagnose- oder Zustandsüberwachungszwecke werden manchmal periodisch für kurze Zeiträume installiert, um Statorstromdaten für die Analyse zu sammeln. Beispielsweise kann ein externes Motorstrommodul vierteljährlich an einer elektrischen Maschine installiert werden, um den Zustand (Gesundheitszustand, „health“) der ECM oder des Induktionsmotors für eine Anzahl von Stunden, Tagen oder eine andere repräsentative Dauer zu überwachen.
Die von den Sensoren gesammelten Daten können lokal auf der elektrischen Maschine verwendet und gespeichert werden, und zwar auf einer in das Gehäuse integrierten Speichervorrichtung oder in einem Mikroprozessor, der seinerseits in das Gehäuse integriert oder daran befestigt ist. Alternativ können die von den Sensoren gesammelten Daten über drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation an ein entferntes Speichergerät, wie z. B. ein Massenspeichergerät oder einen Cloud-Server, übertragen werden. In beiden Fällen ist die Leistung des Gesundheitsüberwachungsschaltkreises (Zustandsüberwachungsschaltkreis, „health monitor circuit“) in Bezug auf Geschwindigkeit, Auflösung oder Speicherung häufig durch die physische Größe, die Speicherkapazität oder den Stromverbrauch des Mikroprozessors für den Zustandsüberwachungsschaltkreis begrenzt. Solche Zustandsüberwachungsschaltungen können außerdem in der Menge der Daten, die gesammelt und zur Fernverarbeitung übertragen werden können, begrenzt sein. Folglich können zumindest einige Datenerfassungen und -analysen, wie z. B. die Analyse der Statorstromsignatur (z. B. die Analyse der Motorstromsignatur), nur unter Verwendung externer Module mit größerer Verarbeitungs- und Speicherkapazität durchgeführt werden, als dies in einem Motorsteuergerät oder in einer in das Gehäuse der elektrischen Maschine integrierten oder daran angebrachten Überwachungsschaltung möglich ist. Es ist wünschenswert, die Leistung von Zustandsüberwachungsschaltungen für elektrische Maschinen zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Aspekt wird eine Zustandsüberwachungsschaltung für eine elektrische Maschine beschrieben. Die Zustandsüberwachungsschaltung umfasst mindestens einen Sensor, der zum Messen eines Parameters der elektrischen Maschine konfiguriert ist, eine Kommunikationsschnittstelle und einen Mikroprozessor, der mit dem mindestens einen Sensor, der Kommunikationsschnittstelle und einem Speicher verbunden ist. Der Mikroprozessor ist so konfiguriert, dass er periodisch Zeitabtastungen des von dem mindestens einen Sensor gemessenen Parameters erfasst, Faktoren der Zeitabtastungen an den Speicher überträgt und eine hochauflösende Fast-Fourier-Transformation (FFT) an den Faktoren durchführt. Der Mikroprozessor ist auch so konfiguriert, dass er die Ergebnisse der hochauflösenden FFT extrapoliert, um eine hochauflösende Frequenzbereichswellenform zu erzeugen, die hochauflösende Frequenzbereichswellenform nach einem Parameter filtert und die gefilterte Frequenzbereichswellenform über die Kommunikationsschnittstelle zur weiteren Verarbeitung an ein entferntes System überträgt.
In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer elektrischen Maschine beschrieben, wobei die elektrische Maschine mindestens einen Sensor, der zur Messung eines Parameters der elektrischen Maschine konfiguriert ist, eine Kommunikationsschnittstelle und einen Mikroprozessor umfasst, der mit dem mindestens einen Sensor, der Kommunikationsschnittstelle und einem Speicher verbunden ist. Das Verfahren umfasst das periodische Sammeln von Zeitabtastungen des von mindestens einem Sensor gemessenen Parameters, das Übertragen von Faktoren der Zeitabtastungen an den Speicher und das Durchführen einer hochauflösenden Fast-Fourier-Transformation (FFT) an den Faktoren. Das Verfahren umfasst auch das Extrapolieren der Ergebnisse der hochauflösenden FFT, um eine hochauflösende Frequenzbereichswellenform zu erzeugen, das Filtern der hochauflösenden Frequenzbereichswellenform durch einen Parameter und das Übertragen der gefilterten Frequenzbereichswellenform über die Kommunikationsschnittstelle an ein entferntes System zur weiteren Verarbeitung.
In einem weiteren Aspekt wird ein Zustandsüberwachungssystem beschrieben. Das Zustandsüberwachungssystem umfasst eine elektrische Maschine und eine Zustandsüberwachungsschaltung, die mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Die Zustandsüberwachungsschaltung umfasst mindestens einen Sensor, der zur Messung eines Parameters der elektrischen Maschine konfiguriert ist, eine Kommunikationsschnittstelle und einen Mikroprozessor, der mit dem mindestens einen Sensor, der Kommunikationsschnittstelle und einem Speicher verbunden ist. Der Mikroprozessor ist so konfiguriert, dass er periodisch Zeitabtastungen des von dem mindestens einen Sensor gemessenen Parameters erfasst, Faktoren der Zeitabtastungen an den Speicher überträgt und eine hochauflösende Fast-Fourier-Transformation (FFT) an den Faktoren durchführt. Der Mikroprozessor ist auch so konfiguriert, dass er die Ergebnisse der hochauflösenden FFT extrapoliert, um eine hochauflösende Frequenzbereichswellenform zu erzeugen, die hochauflösende Frequenzbereichswellenform nach einem Parameter filtert und die gefilterte Frequenzbereichswellenform über die Kommunikationsschnittstelle zur weiteren Verarbeitung an ein entferntes System überträgt.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften elektrischen Maschine mit einer Zustandsüberwachungsschaltung;
2 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Symmetrie in einer Cosinuswelle und ein Beispiel für einen Zeitbereichs-Wellenform-Datensatz;
3 ist ein Diagramm, das beispielhafte Verbesserungen der FFT-Leistung einer beispielhaften Ausführungsform einer Zustandsüberwachungsschaltung veranschaulicht;
4 ist ein Diagramm, das beispielhafte Beschleunigungswellenformen im Zeitbereich für eine elektrische Maschine zeigt;
5 ist ein Diagramm, das beispielhafte Frequenzbereichsbeschleunigungswellenformen zeigt, die aus den in 4 dargestellten Zeitbereichsbeschleunigungswellenformen abgeleitet wurden;
6 ist ein Diagramm, das die in 5 gezeigten Beschleunigungswellenformen im Frequenzbereich nach Amplitudenfilterung darstellt; und
7 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Erfassung von Motorstromdaten für die Motorstromsignaturanalyse.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der hier beschriebenen Zustandsüberwachungsschaltung stellen eine Zustandsüberwachungsschaltung für eine elektrische Maschine bereit, die einen Mikroprozessor mit verbesserter Fast-Fourier-Transformationsleistung (FFT) enthält, der weniger Speicherplatz benötigt und eine höhere Auflösung hat als die sonst verfügbaren Alternativen. Die verbesserte FFT-Leistung wird z. B. dadurch erreicht, dass symmetrische Faktoren einer Cosinuswelle, sogenannte „Twiddle-Faktoren“, gespeichert und bearbeitet werden und die FFT-Ergebnisse später extrapoliert werden, um die vollständige Wellenform mit einer höheren Auflösung im Frequenzbereich zu rekonstruieren. In bestimmten Ausführungsformen enthält die hier beschriebene Zustandsüberwachungsschaltung einen Mikroprozessor mit verbesserter Datenkompression zur Übertragung der gesammelten Daten an entfernte Systeme. Der Mikroprozessor konvertiert die gesammelten Daten in den Frequenzbereich und filtert sie auf der Grundlage eines oder mehrerer Parameter, um die Kompression zu beeinflussen. Beispielsweise können die Frequenzbereichsdaten auf der Grundlage lokaler Maxima, die die kritischsten Daten innerhalb der Frequenzbereichsdaten darstellen, reduziert werden. Diese Reduzierung kann zum Beispiel durch Amplitudenfilterung erreicht werden. In bestimmten Ausführungsformen ist die Zustandsüberwachungsschaltung in einer elektrischen Maschine vorgesehen und ermöglicht eine hochauflösende Analyse der Statorstromsignatur entweder durch den darin integrierten Mikroprozessor oder durch ein entferntes System. Die hier beschriebenen Zustandsüberwachungsschaltungen umfassen Strommessschaltungen, die eine periodische Erfassung und Speicherung von Statorstrommessungen (und anderen Messungen von Betriebsparametern und Umgebungsbedingungen) ermöglichen, die von einem Mikroprozessor oder einer anderen geeigneten Verarbeitungsvorrichtung gesteuert werden.
Die hier beschriebene Zustandsüberwachungsschaltung umfasst einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern und Umgebungsbedingungen für die elektrische Maschine, wie z. B. Umgebungstemperatur, Umgebungsfeuchtigkeit, Luftdruck, Beschleunigung und Statorstrom. Die Messungen des Zustandsüberwachungsschaltkreises ermöglichen eine verbesserte Analyse und Überwachung der elektrischen und mechanischen Verschlechterung oder des „Verschleißes“ der elektrischen Maschine und ermöglichen darüber hinaus Rückschlüsse auf verschiedene Aspekte des Zustands der mechanischen Last (bei Elektromotoren), die mit dem Elektromotor gekoppelt ist und von ihm angetrieben wird, oder des Zustands der Maschine oder eines anderen Antriebs, der mit dem Rotor gekoppelt ist und ihn dreht (bei elektrischen Generatoren). Die hier beschriebenen Zustandsüberwachungsschaltungen können ferner Spannungsregelungs- und Energieverteilungsschaltungen zur Erzeugung und Versorgung der Komponenten der Zustandsüberwachungsschaltung mit Energie umfassen.
1 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften elektrischen Maschine 100 mit einer Zustandsüberwachungsschaltung 102. Die elektrische Maschine 100 ist als Elektromotor dargestellt, der einen Rotor 104 und einen Stator 106 umfasst. Der Rotor 104 ist so konfiguriert, dass er mit einer mechanischen Last (oder einem Antrieb) 108 gekoppelt werden kann. Bei der mechanischen Last 108 kann es sich beispielsweise um eine drehbare Last wie einen Ventilator, ein Rad, ein Gebläse, ein Laufrad, einen Kompressor, ein Schwungrad, ein Getriebe oder eine Kurbelwelle handeln. Die mechanische Last 108 kann auch eine lineare Last sein, wie z. B. eine Magnetspule oder ein Linearantrieb. In alternativen Ausführungsformen ist der Rotor 104 so konfiguriert, dass er mit einer Maschine oder einem anderen Antrieb gekoppelt ist, der den Rotor 104 dreht, um die elektrische Maschine 100 als Stromgenerator zu betreiben. Eine solche Maschine kann ein Verbrennungsmotor, eine Gasturbine, eine Windturbine, eine Dampfturbine oder jede andere geeignete Maschine zum Drehen des Rotors 104 sein. Wiederum Bezug nehmend auf die Ausführungsform von 1, in der die elektrische Maschine 100 ein Elektromotor ist, umfasst der Stator 106 im Allgemeinen eine oder mehrere Statorwicklungen (nicht dargestellt), die, wenn sie erregt sind und Statorstrom leiten, elektromagnetisch mit dem Rotor 104 gekoppelt sind und bewirken, dass sich der Rotor 104 in Bezug auf den Stator 106 um eine Längsachse dreht.
Die elektrische Maschine 100 wird von einer Wechselstromquelle 110 (oder einer elektrischen Last) mit Wechselstrom (AC) versorgt (oder versorgt). Die Wechselstromquelle 110 kann z. B. ein Stromnetz, ein Diesel-, Wind- oder Turbinengenerator oder eine andere geeignete Wechselstromquelle sein. Die Wechselstromquelle 110 kann alternativ auch eine oder mehrere Gleichstromquellen mit einem Ausgang umfassen, der in Wechselstrom umgewandelt oder „invertiert“ wird, bevor er der elektrischen Maschine 100 zugeführt wird. Der Wechselstrom von der Wechselstromquelle 110 kann in bestimmten Ausführungsformen direkt an den Stator 106 angelegt werden. In alternativen Ausführungsformen kann die elektrische Maschine 100 mit Wechsel- oder Gleichstrom versorgt werden, der von der elektrischen Maschine 100 selbst entsprechend in Wechsel- und/oder Gleichstrom umgewandelt wird. Zu diesem Zweck umfassen einige Ausführungsformen der elektrischen Maschine 100 unter anderem eine Motorsteuerung 112. In anderen Ausführungsformen kann der Motorregler 112 weggelassen werden.
Die Motorsteuerung 112 umfasst im Allgemeinen einen oder mehrere Prozessoren 114, eine oder mehrere Speichervorrichtungen 116 und eine Antriebsschaltung 118. Im Allgemeinen versorgt die Antriebsschaltung 118 den Stator 106 der elektrischen Maschine 100 mit elektrischer Energie auf der Grundlage von Steuersignalen, die von dem einen oder den mehreren Prozessoren 114 empfangen werden. Die Ansteuerungsschaltung 118 kann beispielsweise verschiedene Leistungselektroniken zur Aufbereitung von netzfrequentem Wechselstrom enthalten, der den Statorwicklungen der elektrischen Maschine 100 mit dem gewünschten Strom, d. h. mit der gewünschten Phase, Amplitude und Frequenz, zugeführt wird. Diese Leistungselektronik kann beispielsweise und ohne Einschränkung eine oder mehrere Gleichrichterstufen, Leistungsfaktorkorrekturschaltungen (PFC), Filter, Transientenschutzschaltungen, EMF-Schutzschaltungen, Wechselrichter oder Leistungshalbleiter umfassen. Die Motorsteuerung 112 kann in bestimmten Ausführungsformen eine Kommunikationsschnittstelle (nicht dargestellt) enthalten. Die Kommunikationsschnittstelle kann eine oder mehrere verdrahtete oder drahtlose Hardwareschnittstellen umfassen, wie z. B. Universal Serial Bus (USB), RS232 oder einen anderen seriellen Bus, CAN-Bus, Ethernet, Near Field Communication (NFC), WiFi, Bluetooth oder jede andere geeignete digitale oder analoge Schnittstelle zum Aufbau eines oder mehrerer Kommunikationskanäle zwischen dem Motorsteuergerät 112 und einem entfernten System 120. Das entfernte System 120 kann eine Systemsteuerung, ein Smartphone, einen Personalcomputer, ein Massenspeichersystem, einen Cloud-Server oder ein anderes geeignetes Computersystem umfassen. Die Kommunikationsschnittstelle kann zum Beispiel einen drahtgebundenen Kommunikationskanal 122 zum entfernten System 120 oder eine Antenne 124 zum Aufbau eines drahtlosen Kommunikationskanals mit dem entfernten System 120 umfassen. Die Kommunikationsschnittstelle umfasst ferner eine Software- oder Firmware-Schnittstelle zum Empfangen eines oder mehrerer Steuerparameter und zum Schreiben dieser Parameter, z. B. in den Speicher. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Kommunikationsschnittstelle zum Beispiel eine Software-Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) zur Bereitstellung eines oder mehrerer Parameter für den Betrieb der elektrischen Maschine 100.
In alternativen Ausführungsformen kann die Kommunikationsschnittstelle unabhängig vom Motorsteuergerät 112 implementiert werden, so dass sie sowohl dem Motorsteuergerät 112 als auch der Zustandsüberwachungsschaltung 102 dient. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Kommunikationsschnittstelle anstelle des Motorsteuergeräts 112 oder zusätzlich zu diesem in die Zustandsüberwachungsschaltung 102 integriert werden.
Die elektrische Maschine 100 kann ein Gehäuse umfassen, in dem sich der Rotor 104 und der Stator 106 befinden. Die elektrische Maschine 100 kann auch ein elektrisches Gehäuse oder einen „Leitungskasten“ enthalten, in dem sich verschiedene elektrische Komponenten der elektrischen Maschine 100 befinden können, wie z. B. die Motorsteuerung 112 und der Schaltkreis zur Zustandsüberwachung 102.
Die Zustandsüberwachungsschaltung 102 umfasst einen oder mehrere Mikroprozessoren 126 und einen oder mehrere Sensoren 128. Der Mikroprozessor 126 umfasst in bestimmten Ausführungsformen einen Verarbeitungskern, der zumindest Gleitkommaberechnungen und in einigen Ausführungsformen digitale Signalverarbeitung durchführen kann. Der Mikroprozessor 126 kann ferner einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler (ADCs) enthalten und umfasst im Allgemeinen ein gewisses Volumen an Direktzugriffsspeicher (RAM) und ein gewisses Volumen an Programmspeicher, wie Festwertspeicher (ROM), löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM). Der Mikroprozessor 126 kann ferner eine Vielzahl von Eingabe-/Ausgabeschnittstellen und eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen umfassen. Im Allgemeinen kann die Anzahl und/oder Vielfalt der Schnittstellen, des Speichers und der Verarbeitungsbandbreite, die der Mikroprozessor 126 bereitstellen kann, angesichts einer bestimmten physischen Größe, der Beschränkungen des Stromverbrauchs oder der Kosten für die Zustandsüberwachungsschaltung 102 begrenzt sein. Beispielsweise kann das Gehäuse der Zustandsüberwachungsschaltung 102 die physische Grundfläche des Mikroprozessors 126 begrenzen, so dass der Mikroprozessor 126 nur ein begrenztes ROM- und RAM-Volumen bereitstellen kann. Solche Speicherbeschränkungen können die Auflösung, mit der der Mikroprozessor 126 die Datenerfassung und -weitergabe über den drahtgebundenen Kommunikationskanal 122 oder die Antenne 124 an das entfernte System 120 durchführt, weiter einschränken und die Fähigkeit des entfernten Systems 120, bestimmte Analysen durchzuführen, begrenzen.
In bestimmten Ausführungsformen können die Sensoren 128 einen Umgebungstemperatursensor, einen Umgebungsfeuchtigkeitssensor, einen Luftdrucksensor oder einen Beschleunigungssensor, wie z. B. einen dreiachsigen MEMS-Beschleunigungsmesser, umfassen. Die Sensoren 128 können auch einen oder mehrere Stromsensoren enthalten. Die Sensoren 128 können jede andere Art von Sensor oder Gerät zur Erfassung analoger oder digitaler Daten von der elektrischen Maschine 100 umfassen. Die Sensoren 128 sind so konfiguriert, dass sie verschiedene Betriebsparameter und Umgebungsbedingungen der oder um die elektrische Maschine 100 herum überwachen. Die Sensoren 128 können außerdem die Überwachung verschiedener Betriebsparameter der mechanischen Last (oder des Antriebs) 108 ermöglichen. Zumindest einige der Sensoren 128 können an der elektrischen Maschine 100 oder z. B. an der Motorsteuerung 112 installiert sein und Messdaten an den Mikroprozessor 126 zurücksenden.
2 ist ein Diagramm 200, das einen beispielhaften Zeitbereichs-Wellenform-Datensatz darstellt. Genauer gesagt enthält das Diagramm 200 eine Zeitbereichswellenform 202, die durch eine Vielzahl von Zeitabtastungen dargestellt wird, die von den Sensoren 128 der Zustandsüberwachungsschaltung 102 erfasst werden und in einer Tabelle als vollständiger Wellenformdatensatz 204 erscheinen. Die Zeitbereichs-Wellenform 202 ist eine sinusförmige Wellenform, so dass jeder Quadrant der Zeitbereichs-Wellenform 202 einen symmetrischen Aspekt oder Faktor mit dem nächsten Quadranten teilt. Zum Beispiel fällt die Amplitude eines ersten Quadranten 206 von eins auf null mit einem symmetrischen Faktor, d. h. einer Deklinationsrate, wie in einem zweiten Quadranten 208. Ebenso ist die Deklinationsrate im zweiten Quadranten 208 symmetrisch zur Neigungsrate in einem dritten Quadranten 210, der wiederum symmetrisch zur Neigungsrate in einem vierten Quadranten 212 ist. Dementsprechend kann dieser symmetrische Aspekt aus der Zeitbereichs-Wellenform 202 „ausgeklammert“ werden, so dass er als eine Reihe von Faktoren 214, die manchmal als „Twiddle-Faktoren“ bezeichnet werden, anstelle des vollständigen Wellenform-Datensatzes 204 gespeichert und bearbeitet werden kann. Die Faktoren 214 werden im Allgemeinen in der Form von EQ berechnet. 1, unten, wobei W ein Faktor, N die Auflösung und m ein Index ist. $W_{N}^{m} = cos (\frac{2 π}{N} m) - j sin (\frac{2 π}{N} m)$
Der Mikroprozessor 126 ist so konfiguriert oder programmiert, dass er die Faktoren 214 speichert und bearbeitet und dann aus den Faktoren 214 extrapoliert, um eine vollständige Wellenform mit höherer Auflösung zu rekonstruieren. Zum Beispiel ist der Mikroprozessor 126 so programmiert, dass er eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchführt. Traditionell kann ein Mikroprozessor auf eine bestimmte maximale Auflösung, z. B. 4096 Punkte, beschränkt sein. Der Mikroprozessor 126 ist jedoch so konfiguriert, dass er die FFT mit den Faktoren 214 durchführt und dann die Ergebnisse extrapoliert, um eine FFT mit höherer Auflösung, z. B. 16 384 Punkte, zu erzeugen.
3 ist ein Diagramm 300, das beispielhafte Verbesserungen der FFT-Leistung einer beispielhaften Ausführungsform einer Zustandsüberwachungsschaltung, wie der in 1 dargestellten Zustandsüberwachungsschaltung 102, veranschaulicht. Diagramm 300 enthält eine horizontale Achse, die die Auflösung oder FFT-Punkte darstellt, und eine vertikale Achse, die die Zeit in Sekunden auf einer logarithmischen Skala darstellt. Diagramm 300 enthält eine Darstellung 302, die die native FFT-Leistung auf einem Mikroprozessor veranschaulicht, der mit dem Mikroprozessor 126 vergleichbar ist. Diagramm 300 enthält eine Darstellung 304, die die FFT-Leistung des Mikroprozessors 126 für die Zustandsüberwachungsschaltung 102 veranschaulicht und wie oben beschrieben konfiguriert ist. Das Diagramm 300 enthält die Diagramme 306 und 308, die die Leistung der schnellen diskreten Fourier-Transformation (fDFT) bzw. der diskreten Fourier-Transformation (DFT) auf dem Mikroprozessor veranschaulichen, der mit dem Mikroprozessor 126 vergleichbar ist. Diagramm 304 veranschaulicht die verbesserte Auflösung der vom Mikroprozessor 126 durchgeführten FFT, während sich die Rechenzeit im Vergleich zur fDFT und DFT nur geringfügig erhöht, wie in den Diagrammen 306 und 308 dargestellt. Ebenso können der Programmcode und die Datenspeicherung für die FFT-Implementierung auf dem Mikroprozessor 126 in einem Teil des ROM gespeichert werden, der nur einen Bruchteil (z. B. etwa 1/5) desjenigen für die native FFT-Leistung beträgt.
4 ist ein Diagramm, das beispielhafte Zeitbereichsbeschleunigungswellenformen für eine elektrische Maschine, wie die in 1 dargestellte elektrische Maschine 100, zeigt. Solche Beschleunigungswellenformen können mit Hilfe von Sensoren 128 erfasst werden, zu denen beispielsweise ein triaxialer Beschleunigungsmesser gehören kann, der Beschleunigungsmessungen auf drei Achsen (X, Y, Z) erzeugt. Die Beschleunigungen werden gegen eine vertikale Achse aufgetragen, die die Beschleunigung in g angibt. Der vollständige Zeitbereichs-Wellenform-Datensatz für die drei Achsen der Beschleunigungsmessungen würde etwa 585 Kilobyte (kB) Speicherplatz benötigen. Der Mikroprozessor 126 (in 1 dargestellt) ist so konfiguriert, dass er unter Verwendung der oben in den 2 und 3 beschriebenen verbesserten FFT-Implementierung die Zeitbereichswellenformen in Frequenzbereichswellenformen umwandelt. 5 ist ein Diagramm, das beispielhafte Frequenzbereichsbeschleunigungswellenformen zeigt, die von den in 4 gezeigten Zeitbereichsbeschleunigungswellenformen abgeleitet sind. 6 ist ein Diagramm, das die in 5 gezeigten Frequenzbereichsbeschleunigungswellenformen nach Amplitudenfilterung darstellt. Der Mikroprozessor 126 ist so konfiguriert, dass er die Frequenzbereichsbeschleunigungswellenformen amplitudenfiltert, um Spitzen unterhalb eines konfigurierbaren Beschleunigungsschwellenwertes zu entfernen. Der resultierende „komprimierte“ Frequenzbereichsdatensatz ist um Größenordnungen kleiner als der ursprüngliche Zeitbereichsdatensatz. Beispielsweise würden die gefilterten Frequenzbereichs-Beschleunigungswellenformen, die in dargestellt sind, etwa 0,36 kB zum Speichern im Speicher benötigen. Dementsprechend ist der Mikroprozessor 126 in der Lage, den Frequenzbereichsdatensatz auf effizientere Weise über den drahtgebundenen Kommunikationskanal 122 oder über die Antenne 124 an das entfernte System 120 zur weiteren Verarbeitung zu übertragen.
7 ist ein Flussdiagramm eines Beispielverfahrens 700 zur Erfassung von Motorstromdaten für die Motorstromsignaturanalyse. Das Verfahren 700 kann zum Beispiel in der elektrischen Maschine 100 ausgeführt werden. Die Zustandsüberwachungsschaltung 102 sammelt 710 Zeitbereichs-Motorstromdaten, die eine Motorstromwellenform darstellen. Die Zeitbereichs-Motorstromdaten werden von einem oder mehreren Sensoren 128 erfasst, die Statorströme messen. Die Faktoren der symmetrischen Teile der Zeitbereichsstromwellenformdaten werden 720 im Speicher, z. B. im RAM, gespeichert. Der Mikroprozessor 126 führt dann 730 eine hochauflösende FFT an den Faktoren der Zeitbereichswellenform durch. Der Mikroprozessor 126 extrapoliert dann 740 die Ergebnisse der FFT, um eine hochauflösende Frequenzbereichswellenform des Statorstroms zu erzeugen. Der Mikroprozessor 126 filtert 750 die Wellenform im Frequenzbereich nach einem oder mehreren Parametern, z. B. der Amplitude. Indem beispielsweise Frequenzinhalte mit niedriger Amplitude entfernt und die lokalen Maxima beibehalten werden, wird der Datensatz der Frequenzbereichswellenform weiter komprimiert. Der Mikroprozessor 126 kann dann die gefilterte Frequenzbereichssignatur des Motorstroms an ein entferntes System, wie das entfernte System 120, zur weiteren Verarbeitung übertragen. Das entfernte System 120 kann beispielsweise eine Motorstromsignaturanalyse durchführen, um beispielsweise einen Zustand der elektrischen Maschine zu bestimmen oder Betriebsbedingungen der mechanischen Last abzuleiten.
Die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme können unter Verwendung von Computerprogrammierung oder technischen Techniken, einschließlich Computersoftware, Firmware, Hardware oder einer beliebigen Kombination oder Teilmenge davon, implementiert werden, wobei der technische Effekt mindestens einen der folgenden Punkte umfassen kann: (a) Verbesserung der FFT-Leistung; (b) Verbesserung der Datenkompression zur Speicherung und/oder Übertragung; (c) Ermöglichung einer hochauflösenden Statorstromsignaturanalyse.
In der vorstehenden Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen wird auf eine Reihe von Begriffen Bezug genommen, die die folgende Bedeutung haben.
Ein Element oder ein Schritt, der in der Einzahl genannt wird und dem das Wort „a“ oder „an“ vorangestellt ist, schließt die Mehrzahl von Elementen oder Schritten nicht aus, es sei denn, ein solcher Ausschluss wird ausdrücklich erwähnt. Darüber hinaus sind Verweise auf eine „Beispielimplementierung“ oder „eine Implementierung“ der vorliegenden Offenbarung nicht so zu verstehen, dass sie die Existenz weiterer Implementierungen ausschließen, die ebenfalls die erwähnten Merkmale enthalten.
„Fakultativ“ oder „optional“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der beschriebene Umstand eintreten oder nicht eintreten kann und dass die Beschreibung Fälle umfasst, in denen das Ereignis eintritt und Fälle, in denen es nicht eintritt.
Näherungsweise Formulierungen, wie sie hier in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, können verwendet werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die zulässigerweise variieren kann, ohne dass dies zu einer Änderung der Grundfunktion führt, auf die sie sich bezieht. Dementsprechend ist ein Wert, der durch einen oder mehrere Begriffe wie „ungefähr“, „annähernd“ und „im Wesentlichen“ modifiziert wird, nicht auf den genauen angegebenen Wert beschränkt. Zumindest in einigen Fällen kann die annähernde Formulierung der Genauigkeit eines Instruments zur Messung des Wertes entsprechen. Hier und in der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen können Bereichsbegrenzungen kombiniert oder ausgetauscht werden. Solche Bereiche sind gekennzeichnet und schließen alle darin enthaltenen Unterbereiche ein, es sei denn, aus dem Kontext oder der Sprache geht etwas anderes hervor.
Einige Ausführungsformen beinhalten die Verwendung eines oder mehrerer elektronischer Verarbeitungs- oder Rechengeräte. Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „Mikroprozessor“, „Prozessor“ und „Computer“ und verwandte Begriffe, z. B., „Verarbeitungsgerät“, „Rechengerät“ und „Steuergerät“ sind nicht auf diejenigen integrierten Schaltkreise beschränkt, die im Fachjargon als Computer bezeichnet werden, sondern beziehen sich im weiteren Sinne auf einen Prozessor, ein Verarbeitungsgerät, ein Steuergerät, eine allgemeine Zentraleinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU), einen Mikrocontroller, einen Mikrocomputer, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), einen RISC-Prozessor (Reduced Instruction Set Computer), ein FPGA (Field Programmable Gate Array), einen DSP (Digital Signal Processing), einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) und andere programmierbare Schaltungen oder Verarbeitungsgeräte, die in der Lage sind, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen, wobei diese Begriffe hier austauschbar verwendet werden. Die obigen Ausführungen sind nur Beispiele und sollen daher in keiner Weise die Definition oder Bedeutung der Begriffe Prozessor, Verarbeitungsgerät und verwandter Begriffe einschränken.
In den hier beschriebenen Ausführungsformen kann der Speicher ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt, wie z. B. Flash-Speicher, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM) und nichtflüchtiger RAM (NVRAM). Der hier verwendete Begriff „nicht transitorische, computerlesbare Medien“ steht für alle greifbaren, computerlesbaren Medien, einschließlich nicht transitorischer Computerspeichergeräte, einschließlich flüchtiger und nicht flüchtiger Medien sowie entfernbarer und nicht entfernbarer Medien wie Firmware, physische und virtuelle Speicher, CD-ROMs, DVDs und andere digitale Quellen wie ein Netzwerk oder das Internet sowie noch zu entwickelnde digitale Mittel, mit der einzigen Ausnahme eines transitorischen, sich ausbreitenden Signals. Alternativ kann auch eine Diskette, eine Compact Disc - Read Only Memory (CD-ROM), eine magneto-optische Platte (MOD), eine Digital Versatile Disc (DVD) oder ein anderes computergestütztes Gerät verwendet werden, das in einem beliebigen Verfahren oder einer beliebigen Technologie für die kurz- und langfristige Speicherung von Informationen, wie z. B. computerlesbaren Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodulen und Untermodulen oder anderen Daten, eingesetzt wird. Daher können die hier beschriebenen Verfahren als ausführbare Anweisungen, z. B. „Software“ und „Firmware“, kodiert sein, die in einem nicht transitorischen, computerlesbaren Medium verkörpert sind. Die hier verwendeten Begriffe „Software“ und „Firmware“ sind austauschbar und schließen jedes Computerprogramm ein, das in einem Speicher zur Ausführung durch Personal Computer, Workstations, Clients und Server gespeichert ist. Wenn solche Anweisungen von einem Prozessor ausgeführt werden, veranlassen sie diesen, zumindest einen Teil der hier beschriebenen Verfahren durchzuführen.
In den hier beschriebenen Ausführungsformen können zusätzliche Eingabekanäle auch Computerperipheriegeräte sein, die mit einer Bedienerschnittstelle verbunden sind, wie z. B. eine Maus und eine Tastatur, sind aber nicht darauf beschränkt. Alternativ können auch andere Computer-Peripheriegeräte verwendet werden, z. B. ein Scanner, ohne darauf beschränkt zu sein. Darüber hinaus können in der beispielhaften Ausführungsform zusätzliche Ausgabekanäle einen Monitor für die Bedienerschnittstelle umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Die hier beschriebenen Systeme und Methoden sind nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern die Komponenten der Systeme und/oder Schritte der Methoden können unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden.
Obwohl bestimmte Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung in einigen Zeichnungen gezeigt werden können und in anderen nicht, dient dies nur der Übersichtlichkeit. In Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Offenbarung kann auf jedes Merkmal einer Zeichnung Bezug genommen werden und/oder es kann in Kombination mit jedem Merkmal einer anderen Zeichnung beansprucht werden.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um Einzelheiten der Offenbarung zu erläutern, einschließlich der besten Ausführungsform, und um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Offenbarung in die Praxis umzusetzen, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von integrierten Verfahren. Der patentierbare Umfang der Offenbarung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom wörtlichen Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum wörtlichen Wortlaut der Ansprüche enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/868368 [0001]

Claims

Zustandsüberwachungsschaltung für eine elektrische Maschine, wobei die Zustandsüberwachungsschaltung umfasst: mindestens einen Sensor, der zur Messung eines Parameters der elektrischen Maschine konfiguriert ist; eine Kommunikationsschnittstelle; und einen Mikroprozessor, der mit dem mindestens einen Sensor, der Kommunikationsschnittstelle und einem Speicher verbunden ist, wobei der Mikroprozessor eingerichtet ist, um: periodisch Zeitproben des von dem mindestens einen Sensor gemessenen Parameters zu sammeln; Faktoren der Zeitproben in den Speicher zu übertragen; eine hochauflösende Fast-Fourier-Transformation (FFT) an den Faktoren durchzuführen; die Ergebnisse der hochauflösenden FFT zu extrapolieren, um eine hochauflösende Wellenform im Frequenzbereich zu erzeugen; die hochauflösende Frequenzbereichswellenform durch einen Parameter zu filtern; und die gefilterte Frequenzbereichswellenform über die Kommunikationsschnittstelle zur weiteren Verarbeitung an ein entferntes System zu übertragen.
Zustandsüberwachungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Mikroprozessor ferner eingerichtet ist, um einen Zeitbereichsdatensatz auf der Grundlage der Faktoren der Zeitproben zu erzeugen.
Zustandsüberwachungsschaltung nach Anspruch 2, wobei der Mikroprozessor ferner eingerichtet ist, um einen komprimierten Datensatz zu erzeugen, der Daten auf der Grundlage der hochauflösenden Frequenzbereichswellenform umfasst.
Zustandsüberwachungsschaltung nach Anspruch 3, wobei der Mikroprozessor ferner eingerichtet ist, um den komprimierten Datensatz so zu erzeugen, dass der komprimierte Datensatz um Größenordnungen kleiner ist als der Zeitbereichsdatensatz.
Zustandsüberwachungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Mikroprozessor eingerichtet ist, um die hochauflösende Frequenzbereichswellenform durch einen Parameter zu filtern, um Spitzen unterhalb eines konfigurierbaren Schwellenwerts zu entfernen.
Zustandsüberwachungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Sensor mindestens einen der folgenden Sensoren umfasst: einen Umgebungstemperatursensor, einen Umgebungsfeuchtigkeitssensor, einen Luftdrucksensor, einen Beschleunigungssensor und einen Stromsensor.
Zustandsüberwachungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Kommunikationsschnittstelle ferner mit einer an die elektrische Maschine gekoppelten Motorsteuerung in Verbindung steht.
Verfahren zum Überwachen des Zustands einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine mindestens einen Sensor umfasst, der eingerichtet ist, um einen Parameter der elektrischen Maschine zu messen, eine Kommunikationsschnittstelle umfasst und einen Mikroprozessor umfasst, der mit dem mindestens einen Sensor, der Kommunikationsschnittstelle und einem Speicher verbunden ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: periodisches Sammeln von Zeitproben des von mindestens einem Sensor gemessenen Parameters; Übertragen von Faktoren der Zeitproben an den Speicher; Durchführen einer hochauflösenden Fast-Fourier-Transformation (FFT) an den Faktoren; Extrapolieren der Ergebnisse der hochauflösenden FFT zur Erzeugung einer hochauflösenden Frequenzbereichs-Wellenform; Filtern der hochauflösenden Frequenzbereichswellenform durch einen Parameter; und Übertragen der gefilterten Frequenzbereichswellenform über die Kommunikationsschnittstelle an ein entferntes System zur weiteren Verarbeitung.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner das Erzeugen eines Zeitbereichsdatensatzes auf der Grundlage der Faktoren der Zeitproben umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Erzeugen eines komprimierten Datensatzes umfasst, der Daten auf der Grundlage der hochauflösenden Frequenzbereichs-Wellenform enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das Erzeugen des komprimierten Datensatzes, so dass der komprimierte Datensatz um Größenordnungen kleiner ist als der Zeitbereichsdatensatz.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner das Filtern der hochauflösenden Frequenzbereichswellenform mit einem Parameter umfasst, um Spitzenwerte unterhalb eines konfigurierbaren Schwellenwerts zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Sensor mindestens einen der folgenden Sensoren umfasst: einen Umgebungstemperatursensor, einen Umgebungsfeuchtigkeitssensor, einen Luftdrucksensor, einen Beschleunigungssensor und einen Stromsensor.
Zustandsüberwachungssystem, das Folgendes umfasst: eine elektrische Maschine; und eine mit der elektrischen Maschine gekoppelte Zustandsüberwachungsschaltung, wobei die Zustandsüberwachungsschaltung umfasst: mindestens einen Sensor, der zur Messung eines Parameters der elektrischen Maschine konfiguriert ist; eine Kommunikationsschnittstelle; und einen Mikroprozessor, der mit dem mindestens einen Sensor, der Kommunikationsschnittstelle und einem Speicher verbunden ist, wobei der Mikroprozessor eingerichtet ist, um: periodisch Zeitproben des von dem mindestens einen Sensor gemessenen Parameters zu sammeln; Faktoren der Zeitproben in den Speicher zu übertragen; eine hochauflösende Fast-Fourier-Transformation (FFT) an den Faktoren durchzuführen; die Ergebnisse der hochauflösenden FFT zu extrapolieren, um eine hochauflösende Wellenform im Frequenzbereich zu erzeugen; die hochauflösende Frequenzbereichswellenform durch einen Parameter zu filtern; und die gefilterte Frequenzbereichswellenform über die Kommunikationsschnittstelle zur weiteren Verarbeitung an ein entferntes System zu übertragen.
Zustandsüberwachungssystem nach Anspruch 14, wobei der Mikroprozessor ferner eingerichtet ist, um einen Zeitbereichsdatensatz auf der Grundlage der Faktoren der Zeitproben zu erzeugen.
Zustandsüberwachungssystem nach Anspruch 15, wobei der Mikroprozessor ferner eingerichtet ist, um einen komprimierten Datensatz zu erzeugen, der Daten auf der Grundlage der hochauflösenden Frequenzbereichswellenform umfasst.
Zustandsüberwachungssystem nach Anspruch 16, wobei der Mikroprozessor ferner eingerichtet ist, um den komprimierten Datensatz so zu erzeugen, dass der komprimierte Datensatz um Größenordnungen kleiner ist als der Zeitbereichsdatensatz.
Zustandsüberwachungssystem nach Anspruch 14, wobei der Mikroprozessor so konfiguriert ist, um die hochauflösende Frequenzbereichswellenform durch einen Parameter zu filtern, um Spitzen unterhalb eines konfigurierbaren Schwellenwerts zu entfernen.
Zustandsüberwachungssystem nach Anspruch 14, wobei der mindestens eine Sensor mindestens einen der folgenden Sensoren umfasst: einen Umgebungstemperatursensor, einen Umgebungsfeuchtigkeitssensor, einen Luftdrucksensor, einen Beschleunigungssensor und einen Stromsensor.
Zustandsüberwachungssystem nach Anspruch 14, wobei die Kommunikationsschnittstelle ferner mit einer an die elektrische Maschine gekoppelten Motorsteuerung in Verbindung steht.