JP5009791B2 - インテリジェント駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された形式の、工業プロセスにおいて軸の駆動制御を行うための電気的駆動装置に関する。

電気的なオートメーションシステムまたは電気機器は、ほぼ摩耗無しの多数の電気的構成要素の他に、摩耗を伴う大きい割合の機械的構成要素、たとえば伝動装置、歯付ベルト、制動装置および案内装置も有する。第一に、運転中に発生する特徴的な量を監視することにより、摩耗の増大を防止する試みが行われている。それによれば従来技術において、電気的駆動装置の瞬時の運転状態から導出される測定値から、機械的な負荷を推定することが公知になっている。たとえば、モータの巻線の温度を使用して、負荷の上昇を識別し、場合によってはモータ電流を制限するかまたは駆動装置を遮断する。エラー識別は、限界値監視または閾値監視によって行われる。

この手法の欠点は、すでにエラーが発生してしまった後に初めて、エラー処理がアクティブになることである。このことは、基礎となる機械的構成要素または電気的構成要素にすでに、程度を超えて負荷がかかってしまっているため、高頻度でエラーが繰り返されると摩耗が非常に速く進行してしまう結果に繋がる。

ＤＥ１９６１４７４８Ｃ２およびＤＥ４２２１８４１Ｃ１に、複数の機器を監視するためのエラー診断法ないしは監視コントロールシステムが記載されている。後者の刊行物には、被監視側の機器の運転データのずれが検出されさらに処理される、中央監視用のコントロール装置が記載されている。最初に挙げた刊行物には、プロセスコンピュータノードと、診断コンピュータと、制御プロセスコンピュータと、エラーを処理するための多数の別の周辺装置とを有する比較的複雑なネットワークが記載されている。この多数の別の周辺装置はとりわけ、電気的駆動システムにも適用される周辺装置である。

両構成ともに複雑であるため、実に面倒でありひいては高コストの解決手段となってしまう。

したがって本発明の課題は、電気的駆動装置のために低コストかつ分散型である事前防止型の次のようなエラー診断を提供することである。すなわち、該エラー診断によって、発生しつつある運転妨害を早期に確実に識別するエラー診断を提供することである。

本発明では、次のような電気的駆動装置を提供する。すなわち、駆動装置制御回路と、モータと、軸関連の電気的／機械的な運転状態量の閾値の検出および監視を行うコントロール装置とを備えており、該コントロール装置は、該運転状態量を分析する付加的監視部と、分析結果の処理部とを備えている電気的駆動装置を提供する。該付加的監視部は、目標設定からのずれが生じた場合、このずれを早期に識別するように構成されている。この分析は、検査される運転状態量に応じて、持続的および／または断続的に行われる。

この駆動装置は、中央で作業プロセスに組み込まれる駆動装置にも、分散的に作業プロセスに組み込まれる駆動装置にもすることができ、動力取出部のトルクを被駆動側の軸に変速比を使用して伝達するかまたは直接伝達する駆動装置とすることができる。駆動装置制御回路または駆動装置増幅器は、電流制御回路または速度制御回路または位置制御回路と、インバータまたはコンバータを有することができる。コントロール装置は適切なセンサを使用して、欠陥なしで運転を行うのに必要な量の閾値、たとえば最大許容巻線温度および最大許容回転数を監視する。

運転状態量を持続的または断続的に分析することによって目標設定からずれが生じた場合にこのずれを早期に識別しこの分析結果を処理する付加的監視部により、軸固有のエラー識別を確実に行えるようになる。その理由は、上位の制御部（ＳＰＳ、ＮＣ）が分析を行うのではなく、駆動装置のコントロール装置自体が分析を行うからである。高周波の帯域幅に制限されたバス（たとえばフィールドバス）によって行われる、運転状態量の高周波の変化の伝送は省略される。というのもこれがなくても、高パフォーマンスかつ低コストのＣＰＵを使用して、高性能のコントロール装置を駆動装置に直接実現できるからである。このコントロール装置はデータセットを検出直後に処理し、データ分析の結果のみを、バスを介して直ぐ上位のエンティティへ転送する。このことにより帯域幅が削減され、プロセス制御部のＣＰＵの負荷が低減される。

付加的監視部が閾値監視部に依存せずに（たとえば閾値監視部に対して並列に）アクティブになることにより、閾値監視部が応答する前にすでに、発生しつつあるエラーを識別することができる。したがって、閾値監視部の応答とこれに伴うプロセスの欠落とを、適切なメッセージとこれに関連する対抗手段とによって阻止できるプロアクティブ監視が保証される。これによってたとえば、ベアリング損傷、剛性の低下、摩擦の増大、遊びの増大、負荷変動、動きがスムースでない場合、挟み込みおよび汚れの場合に、操作者または制御部によって早期に応答することができる。もちろん、駆動側および出力側の別の電気的および／または機械的なエラーを付加的監視部によって検出することもできる。必要な場合には、検出された測定値はすべて、分析装置へ供給されて分析される。

検出された運動状態量が許容値から一時的に大きくずれた場合、付加的監視部の分析装置はたとえば静的な手法によって、閾値監視部の応答が必要であるか否か、または閾値を超えたのがシステムに悪影響を及ぼさない程度であり短時間だけであるか否かの事前判定を下すことができる。このことにより、不必要な停止時間が縮小され、高コストの製品欠落が低減される。

したがって本発明により、大抵すべての軸関連の診断プロセスを、分散的に駆動装置において行うことができる。それに対して機器関連の診断は、制御部において軸関連の診断メッセージを考慮して行うことができる。

有利には、センサの電気的信号によって検出された運転状態量は信号処理され、とりわけ閾値監視部の前にすでに信号フィルタによって信号処理される。こうすることにより、改ざんされた測定値または妨害量を含む測定値によるエラー警告が回避され、このエラー警告を閾値監視部が、検出されたエラーであると識別することが回避される。センサは、運動関連の状態（加速度、速度）を検出するためのセンサとすることができ、また、たとえばバルク音波または静的負荷等の非運動関連の状態を検出するためのセンサとすることもできる。

特に有利には、センサによって検出された運転状態量の電気的信号は、時間領域および／または周波数領域で付加的監視部によって分析される。分析を行うためにはとりわけ、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）、ＣＣＦ（相互相関関数）、ＡＣＦ（自己相関関数）が使用される。たとえば、伝動ベルトによって軸を駆動するモータの電流瞬時値を、ＦＦＴによって電流経過プロフィールを周波数領域に変換することによって分析すると、機械的な共振周波数が変化することにより、基準値と比較して、新たに形成された共振振動を推定することができる。このような新たな共振振動は伝動ベルトの張力の低下に起因するものであり、操作者に対して相応に通知される。この通知は、伝動ベルトがスリップまたは断裂する大分前にすでに行われる。それゆえ、どのような場合でも早期のエラー識別を確実に行うことができる。

特に非常に有利には、目標設定は駆動装置によって記録され、該駆動装置に基準値として格納される。ここでは、摩擦状態、伝動装置による変速比等のへりパラメータを検出することによるアプリケーション固有の目標値と、各運転パラメータごとの公差帯とが駆動装置に格納される。部品がさらに継続して摩耗することは、瞬時値と基準値とを時間領域および／または周波数領域で比較することによって防止される。

特に非常に有利には、分析は運転状態量の長時間監視を含む。とりわけ、公差帯ないしは限界値を使用して行われる長時間監視を含む。これによって、短時間の負荷変動によるエラーメッセージが回避される。たとえば平均値形成等の統計的な評価を行うことにより、測定量の傾向的な経過プロフィールを評価することができる。ここではエラー通知は、平均値が公差を超えた場合に初めて行われる。閾値監視部が過度に早期に応答することによるエラー警告は、このようにして回避される。

目的に適っているのは、運転状態量に割り当てられたエラーメッセージを生成することである。このようにして、エラー原因を詳細なエラー分析と、場合によってはエラー排除のための示唆とにより、エラー原因を一義的に推定することができる。その際には、エラー記述を評価するために高度の技術を有する専門員は必要ない。これに伴い、操作人員のための人件費の削減も可能になる。

運転状態量が運動を検出するための量である場合、たとえばモータ軸位置を検出するための角度表示またはモータ回転数である場合、および／または、運動に間接的に関連する量である場合、たとえばモータ巻線温度の高さまたはモータ電流の量または中間回路電圧の高さである場合には、分析は基本的に、いずれにせよサーボモータから構成される駆動系に存在する測定値の評価のみを含む。このことにより、別の状態データを検出するための付加的なセンサは必要ない。モータ回転数の測定値を併用してモータ電流の測定値から、たとえば、負荷の駆動時に増大した摩擦を付加的なセンサ系なしで推定することができる。ストレインゲージ、ロードセル、バルク音波センサおよび加速度センサ等の付加的なセンサ系により、診断可能な範囲と、必要な場合には操作の快適性とがさらに向上される。

分析結果が、駆動装置に含まれる操作装置または駆動装置に接続された操作装置（入力装置を有する表示装置または入力装置を有さない表示装置）によって表示される場合、エラー源において直接、分散的なエラー処理を行うことができる。無線インタフェースを使用して、携帯可能なディスプレイまたはＰＤＡ、ラップトップ等を、エラー表示および／またはエラー処理に使用することができる。

有利には本発明による駆動装置は、少なくとも１つの工業プロセスに組み込まれており、少なくとも１つのコンピュータと通信する。ここでは駆動装置は、データバスまたはフィールドバスによってコンピュータに接続されており、該コンピュータにとりわけ分析結果を通知する。

このことにより、分散的なエラー処理と中央のエラー処理とこれらのエラー処理から成る組み合わせとから１つを選択することができる。このことにより、複数の駆動装置を有する複雑なアプリケーションを実現することができる。モジュール構成が可能であり、モジュール構成によって実現される包括的なトポロジーにより、システムの操作およびメンテナンスが容易になる。データバスとしては、従来技術で公知であるすべてのフィールドバスが考えられ、とりわけ高速イーサネットおよびＳＥＲＣＯＳが考えられる。駆動装置の機械的構成要素および電気的構成要素に関する妨害は、有利には駆動装置自体において検出、処理および評価すべきである。駆動装置によって駆動制御される装置（たとえば工具）に関する妨害は、駆動装置において検出および処理すべきである。しかし、有利にはこのような妨害を制御部によって評価すべき場合がある。というのも場合によっては、エラー識別を行うのに別の駆動装置の診断結果が必要になるからである。同様のことが、その時点でプロセスによって加工される被加工品または対象物に関連する妨害にも当てはまる。したがって、１つの妨害が複数の駆動装置を妨害する場合、または１つの妨害が複数の駆動装置に起因する場合には常に、コンピュータ（複合体）は上位のエンティティとして診断時に共働すべきである。コンピュータ（複合体）はすべての駆動装置のすべてのエラーメッセージを検出、評価して統計を行い、エラー処理のための手段を自動的に開始するかまたは操作者に通知することができる。

このことにより、駆動装置が少なくともエラー識別に関して、自由にプログラミング可能および／またはコンフィギュレーション可能である場合には、エラー識別を運転周辺条件ないしは実施すべきアプリケーションにフレキシブルに適合することができる。必要でない機能を停止して、計算パフォーマンスを削減することができる。プログラミングインタフェースは、内部の駆動装置構造を使用者へ知らせる必要がないように構成される。このことにより、内部を知らせる必要がないようにしたいという製造者の利益が守られる。

このことにより、遠隔メンテナンスの枠内で分析結果が呼び出される場合、プロセスの自動的な監視が容易になる。軸固有のエラーはたとえば、駆動装置アドレスまたは軸アドレスの付加的な伝送時に呼び出され、付加的な情報に基づいて容易に識別される。このようにして、相応の専門員は迅速かつ容易に指示を得て、必要な代替部品を現場の訪問に依存せずに発注することができる。

参照符号リスト
１ マンマシンインタフェース
２ （中央）コンピュータ
３ メッセージ生成部
４ 保護装置
５ 駆動装置制御回路
６ 付加的監視部
７ 限界値／閾値監視部
８ 測定値検出部
９ モータ
１０ 駆動装置
以下で本発明による構成を有する装置を、図１を参照して図解する。図１には、マンマシンインタフェース１、コンピュータ／コンピュータ複合体２、メッセージ生成部３、保護装置４、駆動装置制御回路５、付加的監視部６、限界値／閾値監視部７、測定値検出部８、モータ９が示されている。ここでは、参照符号３〜９が駆動装置１０を構成し、参照符号１および２が外部の構成要素である。

駆動装置制御回路５と、電動モータ９と、コントロール装置（３〜８）を備えた電気的駆動装置１０は、たとえば工作機器の循環式ボールねじを駆動制御するのに使用される。コントロール装置は、限界値／閾値監視部７に対して付加的な本発明による監視部６を有する。監視ユニット７，６は双方とも、測定値検出部８から、監視すべき測定値を受け取る。この測定値はたとえば、モータ軸の回転数を検出するための測定値、角度センサのパルス、モータ電流を検出するための測定値、測定された巻線温度である。このような測定値は、アナログおよび／またはデジタルの形態で得られる。このような測定値が限界値／閾値監視部７において所定の限界値を遵守できる程度に制限されている場合、付加的監視部６が実行される。ここでは持続的または断続的な分析により、検出された測定値は評価および解釈され、目標設定からずれが生じた場合にこのずれが早期に識別される。次に、分析結果の詳細な処理が行われる。これにより、生じつつある妨害の原因、たとえば駆動ベルトの緩み、摩擦の増大、ベアリングの損傷、遊びの増大、剛性の低下、負荷変動、動きがスムースでないこと、挟み込み、軸機構の汚れ、ベアリング損傷が、メッセージ生成部３によって操作ユニット１および／または制御部２へ、詳細なエラーメッセージまたは妨害メッセージの形態および／または詳細な警告の形態で報告される。これにより、操作者は詳細なシステムの知識なしでも、エラーを解消することができる。とりわけこのことは、メッセージの他に付加的に、妨害を除去するために何のステップを開始すべきかの示唆も呼び出せる場合に当てはまる。また、アプリケーションが構成要素２および１を駆動装置に組み込むのに適しており、十分な計算パフォーマンスおよび空間が存在するのであれば、構成要素２および１を駆動装置に組み込むことも考えられる。

測定値検出部８の後、検出された電気的信号は、たとえば閾値監視部７へ供給される前に信号処理される。これは、たとえば強い磁界に起因して生じる、信号伝送線路に対する短時間の妨害をカットし、この妨害に伴って閾値を超えた場合にエラーメッセージを回避するのに使用される。このようにして、最終的には不所望のプロセス欠落が回避される。

付加的監視部６は種々の形態で構成することができ、センサによって検出された運転状態量の電気的信号は、時間領域および／または周波数領域で分析される。周波数領域での分析は、たとえば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を含み、これによって不所望の共振振動が見つけ出される。また、自己相関関数（ＡＣＦ）を使用して、測定値の平均が時間とともに変化する速さを求めることもできる。数学的手法による別の分析法、たとえば相互相関関数（ＣＣＦ）を立てることによる別の分析法も考えられる。このような分析法を制限する要因は、駆動装置における計算能力のみである。

付加的監視部６は通常はデータメモリを有する。このデータメモリは目標値を格納するのに使用され、この目標値は駆動装置により、たとえば初期化フェーズまたはホーミングフェーズ中に実際の負荷によって基準値として記録され、分析時に指針量として使用される。

また、付加的監視部６の分析は個々の測定値の長時間監視も含むことができる。これによってたとえば、中間回路電圧とモータ電流とを使用して、平均電力が計算される。

各測定値または所定の測定値の組み合わせにエラーメッセージを割り当てることができる。このエラーメッセージは、妨害が識別された場合にエラー除去に使用される。

本発明による装置を示す。

符号の説明

１ マンマシンインタフェース
２ （中央）コンピュータ
３ メッセージ生成部
４ 保護装置
５ 駆動装置制御回路
６ 付加的監視部
７ 限界値／閾値監視部
８ 測定値検出部
９ モータ
１０ 駆動装置

Claims (7)

1. 軸を駆動するための電気的駆動装置（１０）であって、
   駆動装置制御回路（５）と、
   前記駆動制御回路（５）によって制御されて前記軸を駆動するためのモータ（９）と、
   前記軸の機械的な運転状態量および前記モータ（９）の電気的または機械的な運転状態量の検出および閾値監視を行うコントロール装置（３，４，７，８）と
   を備えており、
   該コントロール装置（３，４，７，８）は、連続的または断続的に検出された該運転状態量を分析する付加的監視部（６）を備えており、
   前記付加的監視部（６）は、前記運転状態量の平均値を求め、
   前記運転状態量の平均値が目標設定からずれている場合、該目標設定からの該平均値のずれはエラーとして識別され、該エラーを処理するための手段が開始されるか、またはメッセージ生成部によって該エラーを操作者に通知するためのエラーメッセージが生成されるように構成されており、
   前記付加的監視部（６）は、前記閾値監視を行う、前記コントロール装置（３，４，７，８）の閾値監視部に依存せずに動作することにより、該閾値監視部が応答する前にすでに、発生しつつある前記エラーを識別することを特徴とする、電気的駆動装置（１０）。
2. 前記目標設定は該電気的駆動装置によって記録され、該電気的駆動装置に基準値として格納される、請求項１記載の電気的駆動装置。
3. 前記目標設定からの前記平均値のずれに応じて異なるエラーメッセージが生成される、請求項１または２記載の電気的駆動装置。
4. 運転状態量には、前記軸の位置および／または回転数および／または前記モータ（９）のモータ巻線温度および／またはモータ電流量および／または中間回路電圧のレベルおよび／またはバルク音波等の音響的信号および／または加速度が含まれる、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気的駆動装置。
5. 前記付加的監視部（６）によって識別されたエラーは、該電気的駆動装置に含まれる操作装置（１）または該電気的駆動装置に接続されている操作装置（１）によって表示される、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気的駆動装置。
6. 少なくとも１つの工業プロセスに組み込まれており、少なくとも１つのコンピュータ／コンピュータ複合体（２）と通信する、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気的駆動装置。
7. 少なくともエラー識別に関して、自由にプログラミング可能であり、かつ／または自由にコンフィギュレーション可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気的駆動装置。

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