KR102673089B1 - 모터-변속기 유닛의 시간 종속적 측정 신호의 교정 방법 및 이러한 교정 방법을 이용하여 모터-변속기 유닛의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 방법 - Google Patents
모터-변속기 유닛의 시간 종속적 측정 신호의 교정 방법 및 이러한 교정 방법을 이용하여 모터-변속기 유닛의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 종동측에서 변속기(1.2)와 결합되는 전기 모터(1.1)를 이용하여 생성되는 시간 종속적 측정 신호(M)를 가변적 종동 하중 및 가변적 회전수의 영향과 관련하여 교정하기 위한 방법에 관한 것으로, 이러한 방법에서:
a) 모터 변속기 유닛(1)의 회전 모멘트에 따라 좌우되며 시간에 따라 변화하는 측정 신호(M)를 탭핑하는 단계,
b) 측정 신호로부터 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)를 생성하는 단계,
c) 측정 신호(M)로부터 유효값들을 간헐적으로 결정하는 단계,
d) 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)를 간격 특이적 유효값들로 간헐적 나누기함으로써 하중 교정된 유용 신호(N2)를 생성하는 단계,
e) 측정 신호(M)로부터 모터(1)의 회전 주파수(f)를 시분해 결정하는 단계,
f) 교정된 측정 신호(Mcorr)를 생성하기 위해 하중 교정된 유용 신호(N2)를 평균 회전 주파수로 스케일링하는 단계, 및
g) 모터-변속기 유닛의 오류 검출을 위해 교정된 측정 신호를 사용하는 단계가 수행된다.
또한, 본 발명은 교정 방법을 이용하여 모터-변속기 유닛의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 방법에 관한 것이다.
a) 모터 변속기 유닛(1)의 회전 모멘트에 따라 좌우되며 시간에 따라 변화하는 측정 신호(M)를 탭핑하는 단계,
b) 측정 신호로부터 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)를 생성하는 단계,
c) 측정 신호(M)로부터 유효값들을 간헐적으로 결정하는 단계,
d) 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)를 간격 특이적 유효값들로 간헐적 나누기함으로써 하중 교정된 유용 신호(N2)를 생성하는 단계,
e) 측정 신호(M)로부터 모터(1)의 회전 주파수(f)를 시분해 결정하는 단계,
f) 교정된 측정 신호(Mcorr)를 생성하기 위해 하중 교정된 유용 신호(N2)를 평균 회전 주파수로 스케일링하는 단계, 및
g) 모터-변속기 유닛의 오류 검출을 위해 교정된 측정 신호를 사용하는 단계가 수행된다.
또한, 본 발명은 교정 방법을 이용하여 모터-변속기 유닛의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 시간 종속적 측정 신호를 교정하기 위한 방법에 관한 것으로, 이러한 측정 신호는 구동측에서 변속기와 결합되는 모터, 특히 전기 모터를 이용하여 생성된다. 교정은 가변적 종동 하중 및 가변적 회전수가 시간 종속적 측정 신호에 미치는 영향과 관련하여 수행되어, 이를 통해 상이한 구동 상태들의 측정 신호들이 비교 가능해진다. 또한, 본 발명은 교정 방법을 이용하여 전기 모터 및 종동측에서 전기 모터와 결합된 변속기를 포함하는 모터-변속기 유닛의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 방법에 관한 것이다.
전기 모터 및 종독측의 변속기로 구성되는 전기 기계적 구동부는 특히 예컨대 차량 또는 제조 시설물과 같은 대형 유닛의 구성 요소로서 점점 더 중요해지고 있다.
이러한 응용물을 위해 가급적 오류 없는 구동이 필요하다. 이러한 전기 기계적 구동부에서 기계적 손상이 있을 시 불량 및 원치 않은 수리비용을 야기한다. 이와 같은 단점들을 방지하기 위해, 예컨대 시간 종속적 상태 모니터링에 기반하여 이러한 전기 기계적 구동부의 컴포넌트들에서의 손상이 조기에 인식되어야 한다.
이러한 방법은 예컨대 DE 10 2016 222 660 A1으로부터 공지되어 있고, 이러한 방법에서는 전기 기계적 구동부의 병진 이동된 부품들에서의 손상 및/또는 마모를 인식하기 위해:
- 전기 구동부에 공급되는 전기 전류를 측정하는 단계,
- 시간-주파수 분석을 수행하는 단계,
- 시간-주파수 분석으로부터 산출되는 측정된 전기 전류의 주파수 스펙트럼을 소정의 주파스 스펙트럼과 비교하는 단계, 및
- 이러한 2개의 주파수 스펙트럼의 비교로부터 소정 크기의 편차가 확정될 시 오류 신호를 트리거하는 단계가 수행된다.
또한, US 4 965 513 A는 모터 전류의 분석을 수행하여 전기적으로 구동되는 밸브의 구동 상태를 모니터링하기 위한 방법을 설명한다. 이를 위해, 모터 전류의 노이즈 시그니처를 구축하고, 이러한 노이즈 시그니처를 이용하여 마모 및 비정상적 구동 상태들을 인식 가능하게 하기 위해, 모터 전류에 대해 다양한 주파수 분석 방법이 적용된다. 노이즈 시그니처를 참조로 전기적으로 구동되는 밸브의 상이한 특성적 구동 상태들이 확정 가능해야 하고, 특히 주파수 스펙트럼 및 진폭에서 발현되는 모든 기계적 하중 변화의 합이 검출 가능할 수 있다. 이러한 노이즈 시그니처가 구동 중에 상이한 시간 부분들에서 구축되면, 시효 및 마손 또는 비정상적 구동 상태들이 결정 가능해야 한다.
그러나 이러한 선행 기술에서는, 모터 전류 신호들의 처리가 전기 모터 및 종동측에서 전기 모터와 연결되는 변속기를 포함하는 모터-변속기 유닛의 가변적 구동 상태들에서 마모 및 손상과 관련하여 확실한 판단을 하기 위해 불충분하다는 것이 확인되었다.
따라서 본 발명의 과제는 종동측에서 변속기와 결합되는 전기 모터를 이용하여 생성되는 시간 종속적 측정 신호를 교정하기 위한 방법을 제공하여, 마모 및/또는 손상과 관련하여 교정된 측정 신호의 분석이 선행 기술에 비해 보다 양호한 결과를 가져오게 하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는 이러한 교정 방법에 기반하여 전기 모터 및 종동측에서 전기 모터와 결합되는 변속기를 포함하는 모터-변속기 유닛의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
처음에 언급된 과제는 제 1 항의 특징들을 포함하는 방법에 의하여 해결된다.
종동측에서 변속기와 결합되는 전기 모터를 이용하여 생성되는 시간 종속적 측정 신호를 가변적 종동 하중 및 가변적 회전수의 영향과 관련하여 교정하기 위한 이러한 방법에서는:
a) 모터-변속기 유닛(1)의 회전 모멘트에 따라 좌우되는 측정 신호(M)를 탭핑하는 단계,
b) 측정 신호(M)로부터 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)를 생성하는 단계,
c) 측정 신호(M)로부터 유효값들을 간헐적으로 결정하는 단계,
d) 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)를 간격 특이적 유효값들로 간헐적 나누기하여 하중 교정된 유용 신호(N2)를 생성하는 단계,
e) 측정 신호(M)로부터 모터(1)의 회전 주파수(f)를 시분해 결정하는 단계,
f) 교정된 측정 신호(Mcorr)를 생성하기 위해, 하중 교정된 유용 신호(N2)를 평균 회전 주파수로 스케일링, 특히 정규화하는 단계, 및
g) 모터-변속기 유닛의 오류 검출 또는 마모 인식을 위해 이러한 교정된 측정 신호를 사용하는 단계가 수행된다.
이러한 교정 방법은, 상이한 하중들이 있을 시 교정된 측정 신호들의 개선된 신호 품질, 특히 개선된 신호 대 노이즈 비율 및 보다 양호한 비교 가능성을 야기함으로써, 모터-변속기 유닛의 마모 및/또는 손상과 관련하여 교정된 측정 신호에 적용되는 분석 방법은 신뢰성을 갖추고 질적으로 보다 양호한 결과를 가져온다.
이러한 교정된 측정 신호를 이용하여 주파수 영역에서 예컨대 FFT-(고속 푸리에) 분석 또는 포락 곡선 분석법과 같은 상이한 분석 방법들이 수행될 수 있다. 시간 영역에서 적합한 분석 방법들은 예컨대 첨도, 최소값, 최대값, RMS, 표준 편차, 평균값 또는 유사체가 있다.
측정 신호로서 예컨대 모터 전류가 분석될 수 있으나, 예컨대 회전 모멘트가 분석될 수 있거나 회전 모멘트에 따라 좌우되는 각각의 다른 신호가 분석될 수 있다.
두 번째로 언급된 과제는 제 2 항의 특징들을 포함하는 모터-변속기 유닛의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 방법에 의하여 해결된다.
전기 모터 및 종동측에서 전기 모터와 결합되는 변속기를 포함하는 모터-변속기 유닛의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 이러한 방법에서는:
- 모터-변속기 유닛을 이용하여 시간 종속적 측정 신호를 생성하는 단계,
- 제 1 항의 방법에 따라 교정된 측정 신호를 생성하는 단계,
- 교정된 측정 신호로부터 FFT-(고속 푸리에) 분석을 이용하여 주파수 스펙트럼을 결정하는 단계,
- 마모가 없고 및/또는 손상이 없는 모터-변속기 유닛의 교정된 측정 신호로부터 FFT 분석을 이용하여 생성되는 참조-주파수 스펙트럼을 제공하는 단계, 및
- 교정된 측정 신호의 주파수 스펙트럼을 참조-주파수 스펙트럼과 비교하는 단계, 및
- 교정된 측정 신호의 주파수 스펙트럼 및 참조-주파수 스펙트럼의 비교로부터 마모를 표시하는 및/또는 손상을 표시하는 특징들을 결정하는 단계가 수행된다.
FFT 분석을 이용하여 주파수 영역에서 교정된 측정 신호를 분석함으로써, 마모 및/또는 손상에 의해 특성이 상이한 모터-변속기 유닛의 부품 특이적 특징들이 식별될 수 있다.
따라서 발전예에 따르면
- 교정된 측정 신호로부터 FFT 분석을 이용하여 생성되는 주파수 스펙트럼의 각각의 주파수 라인(line)에 모터-변속기 유닛의 부품 특이적 특징이 배정되고, 그리고
- 마모를 표시하는 및/또는 손상을 표시하는 특징을 결정하기 위해 교정된 측정 신호의 주파수 스펙트럼 및 참조-주파수 스펙트럼의 주파수 스펙트럼의 동일한 주파수 라인들의 스펙트럼 적분 및/또는 진폭들이 비교된다.
이로써 교정된 측정 신호에 적용되는 분석 방법은 자동으로 수행될 수 있다.
본 발명의 유리한 발전예에 따르면, a) 방법 단계는, 측정 신호의 직류 성분이 결정되고 이러한 직류 성분이 측정 신호로부터 공제되면서 수행된다. 바람직하게는, 측정 신호의 직류 성분을 결정하기 위해 측정 신호는 저주파 통과 필터링된다. 직류 성분이 제거됨으로써, 측정 신호의 주파수 분석은 개선된 신호 품질을 야기한다.
본 발명의 다른 바람직한 형성예에 따르면, b) 방법 단계 및 c) 방법 단계는,
- 시간상 연속하며 소정의 시간값보다 작은 시간 부분들로 측정 신호가 분할되고,
- 각각의 시간 부분을 위해 측정 신호의 간격 특이적 유효값이 결정되고, 그리고
- 각각의 시간 부분에서 하중 교정된 유용 신호를 생성하기 위해 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호가 간격 특이적 유효값으로 나눠지면서 수행된다.
시간 부분들의 시간값은 산출되는 구동측 회전 주파수뿐만 아니라 측정된 시간 종속적 측정 신호의 스캐닝 지점들의 수 및/또는 시간 길이에 따라 결정되며, 예컨대 0.2 초이다.
제 1 항에 따른 교정 방법을 위해서 뿐만 아니라 제 2 항에 따른 분석 방법을 위해서도, 모터-변속기 유닛의 전기 모터의 모터 전류를 표시하는 모터 전류 신호가 측정 신호로서 생성되는 것이 매우 유리한 것으로 확인되었다.
발전예에 따라 전기 모터로서 브러시 직류 모터가 사용되는 경우, d) 방법 단계는,
- 모터 전류 신호의 최대값들 및 이러한 최대값들의 시간값들이 결정되고,
- 모터 전류 신호의 최대값들의 간격, 브러시 직류 모터의 그루브 수 및 브러시 수로부터 회전 주파수 또는 브러시 주파수가 근사적으로 결정되고,
- 근사적으로 결정되는 회전 주파수 또는 브러시 주파수의 영역에서 모터 전류 신호가 대역 통과 필터링되고,
- 대역 통과 필터링된 모터 전류 신호로부터 최대값들 및 이러한 최대값들의 시간값들이 결정되고, 그리고
- 대역 통과 필터링된 모터 전류 신호의 최대값들의 간격, 그루브 수 및 브러시 수로부터 브러시 직류 모터의 회전 주파수 또는 브러시 주파수가 결정되면서 매우 간단한 방식으로 수행될 수 있다.
이하에서 본 발명은 첨부 도면들과 관련하여 실시예들을 참조로 상세하게 설명된다. 도면은 다음과 같다:
도 1은 모터-변속기 유닛의 컴포넌트들의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 시스템의 예시를 나타낸 개략도이다.
도 2는 신규 상태에서의 모터-변속기 유닛 및 마모를 포함하는 모터-변속기 유닛에 대한 모터 전류 신호의 개략적 시간-전류 도표이다.
도 3은 주파수 영역에서 도 2에 따른 모터 전류 신호들의 개략도이다.
도 4는 직류 성분을 포함 및 미포함한 모터 전류 신호의 개략도이다.
도 5는 주파수 영역에서 도 4에 따른 모터 전류 신호들의 개략도이다.
도 6은 모터 전류 신호, 이러한 신호의 직류 성분 및 회전 모멘트의 시간상 궤적을 포함하는 시간-전류 또는 회전 모멘트 도표이다.
도 7은 직류 성분을 포함하지 않고 시분해 및 하중 교정된 유용 신호를 포함하는 시간-전류 도표이다.
도 8은 대역 통과 필터링된 모터 전류 신호의 시간상 궤적을 포함하는 도표이다.
도 9는 도 8로부터 결정된 브러시 주파수, 및 측정값들에 기반하여 계산된 브러시 주파수의 시간상 궤적을 포함하는 시간-주파수 도표이다.
도 10은 교정된 측정 신호(Mcorr)의 시간상 궤적 및 미교정된 측정 신호(M)의 시간상 궤적을 포함하는 시간-전류 도포이다.
도 11은 도 10에 도시된 측정 신호들(Mcorr, M)의 주파수 스펙트럼이다.
도 12a는 치형 손상을 포함하는 모터-변속기 유닛의 교정된 측정 신호(Mcorr) 및 참조로 역할하는 온전한 모터 변속기 유닛의 교정된 측정 신호의 FFT 스펙트럼의 일부분을 도시한 도면이다.
도 12b는 도 12a와 유사하나 측정 신호들의 교정을 포함하지 않은 도면이다.
도 1은 모터-변속기 유닛의 컴포넌트들의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 시스템의 예시를 나타낸 개략도이다.
도 2는 신규 상태에서의 모터-변속기 유닛 및 마모를 포함하는 모터-변속기 유닛에 대한 모터 전류 신호의 개략적 시간-전류 도표이다.
도 3은 주파수 영역에서 도 2에 따른 모터 전류 신호들의 개략도이다.
도 4는 직류 성분을 포함 및 미포함한 모터 전류 신호의 개략도이다.
도 5는 주파수 영역에서 도 4에 따른 모터 전류 신호들의 개략도이다.
도 6은 모터 전류 신호, 이러한 신호의 직류 성분 및 회전 모멘트의 시간상 궤적을 포함하는 시간-전류 또는 회전 모멘트 도표이다.
도 7은 직류 성분을 포함하지 않고 시분해 및 하중 교정된 유용 신호를 포함하는 시간-전류 도표이다.
도 8은 대역 통과 필터링된 모터 전류 신호의 시간상 궤적을 포함하는 도표이다.
도 9는 도 8로부터 결정된 브러시 주파수, 및 측정값들에 기반하여 계산된 브러시 주파수의 시간상 궤적을 포함하는 시간-주파수 도표이다.
도 10은 교정된 측정 신호(Mcorr)의 시간상 궤적 및 미교정된 측정 신호(M)의 시간상 궤적을 포함하는 시간-전류 도포이다.
도 11은 도 10에 도시된 측정 신호들(Mcorr, M)의 주파수 스펙트럼이다.
도 12a는 치형 손상을 포함하는 모터-변속기 유닛의 교정된 측정 신호(Mcorr) 및 참조로 역할하는 온전한 모터 변속기 유닛의 교정된 측정 신호의 FFT 스펙트럼의 일부분을 도시한 도면이다.
도 12b는 도 12a와 유사하나 측정 신호들의 교정을 포함하지 않은 도면이다.
도 1은 모터-변속기 유닛(1)의 컴포넌트들의 마모 및/또는 손상을 인식하기 위한 시스템 또는 장치에 대한 일 예시를 개략적으로 도시한다. 이러한 유닛은 전기 모터(1.1) 및 종동측에서 전기 모터와 연결된 변속기(1.2)를 포함한다. 모터(1.1)는 바람직하게는 주어진 그루브 수 및 주어진 브러시 수를 포함하는 전기 모터이다. 변속기(1.2)는 종동 샤프트(1.20)를 포함한다.
모터-변속기 유닛(1)의 구동 시, 본원에서 전류 측정 유닛(2)을 이용하여 전류 측정이 수행되고, 전류 측정 유닛은 측정 신호(M)로서 전기 모터(1.1)에 공급된 모터 전류(I)의 시분해된 모터 전류 신호(MMotor)를 제공한다.
도 2는 상이한 구동 상태들에서 모터-변속기 유닛(1)의 시간 종속적 모터 전류 신호의 시간상 궤적에 관한 2개 예시를 개략적으로 도시한다.
K1 곡선(실선)은 신규 상태의 모터-변속기 유닛(1)을 위해 시간 영역에서 모터 전류 신호를 도시하고, 즉 이러한 모터-변속기 유닛(1)에서 2개의 컴포넌트인 전기 모터(1.1) 및 변속기(1.2)는 손상도 포함하지 않고 마모도 포함하지 않는다.
K2 곡선(파선)은 모터-변속기 유닛(1)을 위해 시간 영역에서 모터 전류 신호를 도시하는데, 이러한 유닛의 컴포넌트, 즉 전기 모터(1.1) 및/또는 변속기(1.2)는 마모 및/또는 손상을 포함한다.
곡선들(K1, K2)에 따른 2개의 모터 전류 신호의 상이한 시간상 궤적에서, 모터-변속기 유닛(1)의 상이한 구동 상태들, 즉 신규 상태에서 모터-변속기 유닛(1)의 구동 상태 및 마모 및/또는 손상을 포함하는 모터-변속기 유닛(1)의 구동 상태가 발현된다. 이러한 시간 종속적 모터 전류 신호들의 주파수 분석을 이용하여, 마모 특이적 및 손상 특이적인 특징들이 인식될 수 있고, 이로 인하여 모터-변속기 유닛(1)의 선제적 유지보수가 구현될 수 있다. 그러나 이를 위한 전제조건은, 모터-변속기 유닛(1)의 상이한 구동 상태들에서 주파수 분석으로부터의 값들이 가변적 종동 하중 및 가변적 회전수와 관련하여 비교 가능해야 한다는 것이다.
모터-변속기 유닛(1)의 상이한 구동 상태들에서 시간 종속적 측정 신호들의 비교 가능성을 보장하기 위해, 교정된 측정 신호(Mcorr)에 예컨대 FFT(고속 푸리에 변환) 주파수 분석을 하기 전에 시간 종속적 측정 신호(M)로서의 모터 전류 신호(MMotor)에 교정 방법이 적용된다.
도 1은 시간 종속적 측정 신호(M)로서의 모터 전류 신호(MMotor)를 위해 교정 방법을 수행하기 위한 방법 단계들로서 기본적 블록들(3 내지 6)을 도시하고, 이러한 측정 신호는 전기 모터(1.1)의 모터 전류(I)를 측정하기 위한 측정 유닛(2)을 이용하여 제공된다. 블록들(3 내지 6)에 따른 개별 방법 단계들은 이하에서 상세하게 설명된다.
블록 6에 따르는 방법 단계를 이용하여 생성되는 교정된 측정 신호(Mcorr)는 FFT 주파수 분석 및 주파수 스펙트럼의 생성을 위해 블록 7에 공급된다. 도 3은 예시적으로 주파수 라인들(F1(실선), F2(파선))을 포함하는 이러한 주파수 스펙트럼을 도시하고, 주파수 라인들은 곡선들(K1, K2)에 따른 모터 전류 신호로부터 개략적으로 생성된다.
따라서 도 3은 5개의 스펙트럼 선분(f1 내지 f5)을 도시하고, 곡선들(K1, K2)에 따른 2개의 모터 전류 신호를 위해 스펙트럼 선분들(f1 내지 f4)의 주파수들은 동일하나, 상이한 진폭 특성을 포함하는 반면, 스펙트럼 선분(f5)은 곡선(K2)에 따른 모터 전류 신호에 배정된다.
이러한 각각의 스펙트럼 선분(f1 내지 f4)은 모터-변속기 유닛(1)의 특이한 기계적 특징에 배정될 수 있고, 진폭의 값 및/또는 스펙트럼 적분은 구동 상태를 나타낸다. 이로써 F1 스펙트럼 선분들(f1 내지 f4)은 즉 마모 및 손상을 포함하지 않은 모터-변속기 유닛(1)의 구동 적합한 상태를 표시한다. F2-스펙트럼 선분(f5)은 모터-변속기 유닛(1)의 손상을 표시한다. f1은 예컨대 종동 주파수를 나타낼 수 있고, f2는 높은 단수를 갖는 유성들의 회전 주파수를 나타낼 수 있으며, f3은 제1 단의 회전 주파수, f4는 구동 주파수, f5는 제1 단의 유성들의 볼패스 오류 주파수를 나타낼 수 있다.
또한, 도 3으로부터, K1 곡선에 따른 측정 신호의 교정된 측정 신호(Mcorr)의 주파수 스펙트럼이 K2 곡선에 따른 교정된 측정 신호의 주파수 스펙트럼과 비교될 수 있고, 비교 결과로부터 마모 및 손상과 관련하여 모터-변속기 유닛(1)의 현재 구동 상태가 추론될 수 있다는 결론에 이른다. 또한, 시간상 연속하는 구동 간격들 중에 이러한 주파수 스펙트럼들이 구축되면서 마모- 및/또는 손상 특이적인 특징들의 추세 곡선이 산출될 수 있다.
이하, 블록들(3 내지 6)(도 1 참조)에 따라 측정 신호(M)로서의 모터 전류 신호(MMotor)에 적용되는 교정 방법이 설명되는데, 이러한 신호는 이후에 주파수 분석 및 주파수 스펙트럼의 구축을 위해 블록 7에 공급된다.
모터-변속기 유닛(1)의 상이한 구동 상태들에서 주파수 스펙트럼들의 비교 가능성을 보장하기 위해, 전기 모터(1.1)의 가변적 종동 하중 및 전기 모터(1.1)의 가변적 회전수에 의한 영향이 제거되어야 한다.
우선, 모터 전류 신호(MMotor)에 미치는 가변적 종동 하중의 영향이 교정되어야 한다.
도 4에 K3 곡선으로 도시되어 있는 바와 같이, 측정 절차 중에 전기 모터(1.1)에서의 변동성 종동 하중으로 인하여, 시간에 따라 모터 전류 신호(MMotor)의 직류 성분이 변화한다. 본 발명에 따른 교정 방법이 없다면, 주파수 분석은 도 5에 따른 주파수 스펙트럼(F2)을 야기하고, 이러한 주파수 스펙트럼에서 저주파 영역은 지수적으로 감소하는 신호에 의해 강하게 중첩된다. 비교를 위해, 도 5는 모터 전류 신호(MMotor)의 주파수 스펙트럼(F1)을 도시하는데 이러한 주파수 스펙트럼에서 직류 성분은 K4 곡선에 상응하여 제거되어 있다. 이러한 주파수 스펙트럼(F1)에서 스펙트럼 선분들은 선명하고 명확하게 확연해지는 반면, 주파수 스펙트럼(F2)은 저주파 영역에서 평가가 가능하지 않다. 따라서 모터 전류 신호(MMotor)로부터 직류 성분의 제거는 FFT 분석을 위해 필수적이다.
따라서 블록 3에 따른 제1 방법 단계에서(도 1 참조), 우선 모터 전류 신호가 1 Hz 미만의 한계 주파수를 갖는 저주파 통과 필터를 이용하여 저주파 통과 필터링되면서, 우선 모터 전류 신호(MMotor)의 직류 성분이 결정된다. 이와 같이 생성되는 신호(Sgleich)는 도 6에 따른 K5 곡선에 상응하고, 이러한 신호는 모터 전류 신호(MMotor)의 직류 성분에 거의 상응하며, 이때 모터 전류 신호(MMotor)는 K6으로 지칭되고, K7 곡선은 비교를 위해 모터-변속기 유닛의 시분해된 종동 회전 모멘트를 도시한다.
이와 같이 생성되는 신호(Sgleich)를 이용하여, 모터 전류 신호(MMotor)로부터 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)가 결정되는데, 이러한 신호(Sgleich)가 모터 전류 신호(MMotor)로부터 벡터 방식으로 공제되면서 그러하다.
신호(Sgleich)에 따른 직류 성분은 도 6에 따른 K7 곡선에 상응하여 인가된 종동 모멘트 또는 하중 모멘트의 궤적을 따라간다. 가변적 종동 하중으로 인하여, 또한 개별 변속기 부품들의 회전에 의해 야기되는 모터 전류 신호(MMotor)의 전류 변동들(fluctuations)의 진폭들도 변화하고, 이는 도 4에 따른 K3 곡선을 참조로 명확해지는 바와 같다.
모터 전류 신호(MMotor)의 이러한 진폭 변동들을 제거하기 위해, 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)가 유효값(도 1, 블록 4 참조)으로 정규화되는 것이 수행된다.
이를 위해, 직류 성분을 포함하지 않은 시분해된 유용 신호(N1)는 소정의 시간값, 예컨대 0.2 초 미만의 시간값을 갖는 짧게 연속하는 시간 부분들로 분할되고, 이러한 시간 부분들을 위해 간격 특이적 유효값이 계산된다. 이를 위해 신호는 예컨대 적합한 길이를 가진 개별 부분들(약 0.05 초 - 0.2 초, 고정적이나 자유롭게 선택 가능한 값)로 분류된다. 개별 유효값들에 맞게 평활 선분이 정합됨으로써, 마찬가지로 유효값들의 수치 벡터의 재표본화(resampling)(측정 신호와 동일한 표본수)가 수행된다. 이후, 2개의 수치 벡터가 점별로 나눠진다. 이러한 간격 특이적 유효값들을 이용하여 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)의 각각의 시간 부분은 이에 속한 간격 특이적 유효값으로 나눠진다. 이를 통해 수득되는 하중 교정된 유용 신호(N2)를 이용하여 신호 진폭들이 정규화됨으로써, 다양한 모터 전류 신호들(MMotor)의 비교 가능성이 보장된다.
시분해된 유용 신호(N2)는 도 7에 따르면 직류 성분을 나타내지 않고 유효값 편차를 나타내지도 않는다.
이미 앞에서 상술한 바와 같이, 종동 하중에 대해 부가적으로 또한 구동 회전수, 즉 전기 모터(1.1)의 회전수도 모터 전류 신호(MMotor)의 신호 품질 및 신호 특성에 영향을 미친다.
따라서 이후 방법 단계에서 전기 모터(1.1)의 회전수의 시간상 궤적이 결정된다(블록 5, 도 1 참조). 이를 위해 우선 모터 전류 신호(MMotor)로부터 최대값들 및 이에 속한 시간값들이 결정된다. 이러한 절대적 최대값들의 시간차는 직류 모터의 경우에 역 브러시 주파수에 상응한다. 결과적으로 시분해된 모터 전류 신호의 국소적 최대값들의 시점들이 산출된다. 2개의 연속하는 최대값의 역 시간 간격으로부터 각각 하나의 주파수값이 계산된다. 브러시가 시간 신호에서 최대값들을 야기한다는 전제 하에(이는 대부분의 경우에 해당함), 이러한 모든 주파수 값들의 평균값으로부터 대략적인 브러시 주파수가 수득된다. 이러한 대략적 브러시 주파수로부터, 브러시 및 그루브의 수를 이용하여 대략적인 회전수가 결정될 수 있다. 그러나 이 단계는 필요하지 않은데, 신호의 회전수 정규화는 브러시 주파수를 통해서도 수행될 수 있기 때문이다.
전기 모터(1.1)의 실제 회전수(d) 또는 실제 회전 주파수(f)를 결정하기 위해, 대략적 브러시 주파수 영역에서 유용 신호(N2)(도 7 참조)의 대역 통과 필터링이 수행된다. 이때 한계 주파수는 브러시 주파수에 대해 약 +- 15%이다. 대역 통과 필터링된 유용 신호(N2)는 도 8에 도시된 곡선(K8)을 나타낸다. K8 곡선의 절대적 최대값들(도 8에서 원형으로 표시됨)의 시간 간격으로부터 실제 브러시 주파수가 계산된다. 이로부터, 브러시의 수 및 그루브의 수로 나누기하여, 회전 주파수(f) 또는 실제 회전수(d)가 얻어진다. 이를 위해 최대값들의 시간 간격들로 구성되는 수치 벡터가 수득된다. 스플라인 또는 유사한 공정 및 재표준화가 측정 신호와 동일한 표본수로 정합됨으로써, 측정 신호의 시간축이 스케일링되고 특히 정규화되는 함수 궤적이 수득된다. 도 9의 K9 곡선(실선)은 K8 곡선의 절대적 최대값들의 시간 간격으로부터 계산된 브러시 주파수의 시간 궤적을 도시한다. 이에 비하여, 측정된 회전 주파수로부터 계산되는 브러시 주파수는 K10 곡선(파선)으로 도시되어 있다. 2개의 곡선(K9, K10)은 높은 일치도를 보인다. 주목할 만한 것은, 회전 주파수도 브러시 주파수의 사전 결정 없이 산출될 수 있다는 것이다. 이를 위해 대역 통과 필터링은 직접적으로 앞에서 대략적으로 결정된 회전 주파수의 영역에서 수행된다.
결정된 시간 종속적 회전 주파수(f)(도 9 참조)를 이용하여, 블록 6에 따른 방법 단계(도 1 참조)에서 도 7에 도시된 하중 교정된 유용 신호(N2)의 시간축이 평균 회전 주파수로 정규화 또는 스케일링되는 것이 수행된다. 이때 높은 주파수를 포함하는 유용 신호(N2)의 개별 주기들은 신장되는(stretched) 반면, 낮은 회전 주파수를 포함하는 주기들은 압축된다(compressed). 이러한 정규화 단계 또는 스케일링 단계를 이용하여, 하중 교정된 유용 신호(N2)로부터 교정된 모터 전류 신호, 즉 교정된 측정 신호(Mcorr)가 생성되고, 이러한 교정된 측정 신호는 FFT 주파수 분석을 이용하여 주파수 스펙트럼을 생성하기 위해 도 1에 따른 블록 7에 공급된다. 도 10은 교정된 측정 신호(Mcorr)를 K11 곡선(실선)으로 도시하고, 이에 대한 비교로 미교정된 모터 전류 신호(MMotor) 또는 측정 신호(M)의 K12 곡선(파선)을 도시한다.
이미 여러번 상술된 바와 같이, 교정된 측정 신호(Mcorr)에 FFT 주파수 분석이 수행되고, FFT 스펙트럼(F3)(도 11, 실선 참조)이 생성된다. 이에 비하여, 도 11은 미교정된 측정 신호(M)의 FFT 스펙트럼(F4)(파선)을 도시한다.
교정된 측정 신호(Mcorr)의 FFT 스펙트럼(F3)은 뚜렷하게 확연한 최대값들을 도시하고, 이러한 최대값들은 개개의 특성적인 변속기 특징들 및/또는 모터 특징들에 명확하게 배정될 수 있고, 따라서 손상 산출 및 마모 산출을 위한 토대로 역할한다. 스펙트럼 선분들로서 뚜렷하게 확연한 최대값들은 노이즈 배경과 분명하게 구분될 수 있다. 주파수 스펙트럼(F3)은 5개의 스펙트럼 선분(f1 내지 f5)을 도시하고, 이러한 스펙트럼 선분들은 예컨대 이하의 변속기 특징들 또는 모터 특징들에 명확하게 배정된다. 개별 기어휠들의 회전 주파수들, 볼패스 오류 주파수들, 구동 및 종동 회전 주파수들 등. 바꾸어 말하면, 각각의 확연한 스펙트럼 선분(f1 내지 f5)은 매우 특정한 모터- 또는 변속기 컴포넌트 또는 이러한 컴포넌트의 거동에 배정될 수 있다.
각각 상이한 수의 구동 시간들에 따라 이러한 FFT 스펙트럼들(F3)이 생성되면, 모터-변속기 유닛(1)의 변속기(1.2)의 상이한 종동 하중들 및 전기 모터(1.1)의 상이한 회전수들에도 불구하고 각각의 진폭들 및/또는 스펙트럼 적분들이 비교 가능하다.
도 11에 따른 미교정된 측정 신호(M)의 FFT 스펙트럼(F4)을 교정된 측정 신호(Mcorr)의 FFT 스펙트럼과 비교하면, 변속기(1.2)의 가변적 종동 하중 및 전기 모터(1.1)의 가변적 회전수로 인하여 뚜렷한 최대값들을 인식할 수 없다는 것이 드러난다. 오히려 미약하게 확연한 특징들은 배경 노이즈에서 소실된다. 또한, 강하게 확연한 특징들은 회전수 변동들로 인하여 상당히 위조되고, 명확한 주파수 배정이 수행될 수 없으며 따라서 컴포넌트 특이적인 특징 식별이 수행될 수 없다.
도 12a는 예시적으로 주파수 영역에서 모터-변속기 유닛(1)의, 유성 변속기로 형성되는 변속기(1.2)의 유성 기어에서 치형 손상에 관한 교정된 측정 신호(Mcorr)로서의 교정된 모터 전류 신호의 FFT 스펙트럼(F5)의 일부분을 도시한다. 손상 특이적인 특징은 선분들(L1, L2) 사이에서 확연한 스펙트럼 선분(f6)으로 인식 가능하다. 파선(F6)은 참조로서 온전한 모터-변속기 유닛의 교정된 신호를 도시한다.
이에 비하여, 도 12b는 온전한 모터-변속기 유닛의 참조에 비하여 미교정된 상태에서 선행 공지된 방법에 따르지 않는 모터 전류 신호를 나타낸다. 도 12b는 가변적 하중 및 회전수가 있을 시 유성 단의 볼패스 오류 주파수의 영역에서 손상된 변속기를 도시한다. 이러한 주파수를 위한 영역(검은 파선)뿐만 아니라 진폭도 매우 상당히 위조됨으로써, 유의미한 비교가 수행될 수 없다. 점쇄선은 도 11의 미교정된 신호를 나타내고 여기서 참조로 역할한다. 도 12a는 본 방법에 따른 교정된 경우를 나타낸다.
이러한 본 발명에 따른 교정 방법을 이용하여 신호 대 노이즈 비율이 분명하게 개선될 뿐만 아니라 마모- 및/또는 손상 특이적 특징들이 걸쳐 있는 대역폭이 현저히 감소된다. 가변적 환경 요건들에서 모터-변속기 유닛에 실제 적용하기 위한 본 발명에 따른 교정 방법으로 이러한 2개의 긍정적 속성들이 예상된다.
전술한 실시예들에서 모터 전류 신호(MMotor)로서의 측정 신호(M)는 모터-변속기 유닛(1)(도 1 참조)의 전기 모터(1.1)의 모터 전류(I)의 궤적을 감지한다. 측정 신호(M)는 다른 방식으로도 생성될 수 있으며, 예컨대 마이크로폰을 이용하여, 모터-변속기 유닛(1)에 배치된 가속 센서, 회전 모멘트 센서 또는 유사체를 이용하여 오디오 신호로 생성될 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, 측정 신호, 즉 특히 예컨대 모터 전류를 평가하여 모터-변속기 유닛의 발생되는 마모 또는 발생되는 손상을 검출할 수 있다. 이는, 언제까지 모터-변속기 유닛이 여전히 거의 오류 없이 구동될 수 있는지, 모터-변속기 유닛을 위해 여전히 가능한 유효 수명을 표시 설비에 제공하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 획득되는 측정 신호들을 참조로 특정한 마모상이 확정되면, 표시 설비를 통하여 경고 신호들이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 자동차를 위한 액추에이터, 생산 기계, 로봇 또는 유사체에 적용될 수 있다.
Claims (9)
- 가변적 종동 하중 및 가변적 회전수의 영향과 관련하여, 종동측에서 변속기(1.2)와 결합되는 모터(1.1)를 이용하여 생성되는 시간 종속적 측정 신호(M)를 교정하기 위해:
a) 모터-변속기 유닛(1)의 회전 모멘트에 따라 좌우되는 측정 신호(M)를 탭핑하는 단계,
b) 상기 측정 신호(M)로부터 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)를 생성하는 단계,
c) 상기 측정 신호(M)로부터 유효값들을 간헐적으로 결정하는 단계,
d) 상기 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N1)를 간격 특이적 유효값들로 간헐적 나누기함으로써 하중 교정된 유용 신호(N2)를 생성하는 단계,
e) 상기 측정 신호(M)로부터 상기 모터(1.1)의 회전 주파수(f)를 시분해 결정하는 단계,
f) 교정된 측정 신호(Mcorr)를 생성하기 위해 상기 하중 교정된 유용 신호(N2)를 평균 회전 주파수로 스케일링하는 단계, 및
g) 상기 모터-변속기 유닛의 오류 검출을 위해 상기 교정된 측정 신호를 사용하는 단계를 수행하는 방법. - 모터(1.1) 및 종동측에서 상기 모터와 결합되는 변속기(1.2)를 포함하는 모터-변속기 유닛(1)의 마모 또는 손상을 인식하기 위해:
- 상기 모터-변속기 유닛(1)을 이용하여 시간 종속적 측정 신호(M)를 생성하는 단계,
- 제 1 항에 따른 방법에 따라 교정된 측정 신호(Mcorr)를 생성하는 단계,
- 상기 교정된 측정 신호(Mcorr)로부터 FFT-(고속 푸리에) 분석을 이용하여 주파수 스펙트럼(F3, F5)을 결정하는 단계,
- 마모가 없고 또는 손상이 없는 모터-변속기 유닛의 교정된 측정 신호로부터 FFT 분석을 이용하여 생성되는 참조-주파수 스펙트럼을 제공하는 단계, 및
- 상기 교정된 측정 신호(Mcorr)의 상기 주파수 스펙트럼(F3, F5)을 상기 참조-주파수 스펙트럼과 비교하는 단계 및
- 상기 교정된 측정 신호의 상기 주파수 스펙트럼(F3, F5)을 상기 참조-주파수 스펙트럼과 비교하는 단계로부터 마모를 표시하는 또는 손상을 표시하는 특징들을 결정하고, 발생되는 마모 또는 발생되는 손상을 시그널링하는 단계를 수행하는 방법. - 제 2 항에 있어서,
- 교정된 측정 신호로부터 FFT 분석을 이용하여 생성되는 상기 주파수 스펙트럼의 각각의 주파수 라인에 상기 모터-변속기 유닛의 부품 특이적 특징이 배정되고, 그리고
- 마모를 표시하는 또는 손상을 표시하는 특징을 결정하기 위해 상기 교정된 측정 신호의 상기 주파수 스펙트럼 및 상기 참조-주파수 스펙트럼의 상기 주파수 스펙트럼의 동일한 주파수 라인들의 스펙트럼 적분 또는 진폭들이 비교되는 것인, 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
a) 방법 단계는
- 상기 측정 신호(M)의 직류 성분이 결정되고, 그리고
- 상기 측정 신호(M)로부터 상기 직류 성분이 공제되면서 수행되는 것인, 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 측정 신호의 상기 직류 성분을 결정하기 위해 상기 측정 신호는 저주파 통과 필터링되는 것인, 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 b) 방법 단계 및 c) 방법 단계는
- 상기 측정 신호(M)가 소정의 시간값보다 작으며 시간상 연속하는 시간 부분들로 분할되고,
- 각각의 시간 부분을 위해 상기 측정 신호(M)의 상기 간격 특이적 유효값이 결정되고, 그리고
- 각각의 시간 부분에서 상기 하중 교정된 유용 신호(N2)를 생성하기 위해 상기 직류 성분을 포함하지 않은 유용 신호(N2)가 상기 간격 특이적 유효값으로 나눠지면서 수행되는 것인, 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
시간 종속적 측정 신호(M)로서 상기 모터-변속기 유닛(1)의 상기 전기 모터(1.1)의 모터 전류(I)를 표시하는 모터 전류 신호(MMotor)가 생성되는 것인, 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 e) 방법 단계는,
- 상기 모터 전류 신호(MMotor)의 최대값들 및 상기 최대값들의 시간값들이 결정되고,
- 상기 모터 전류 신호(MMotor)의 상기 최대값들의 간격, 브러시-직류 모터의 그루브 수 및 브러시 수로부터 회전 주파수(f0) 또는 브러시 주파수가 근사적으로 결정되고,
- 상기 모터 전류 신호(MMotor)는 근사적으로 결정되는 상기 회전 주파수(f0) 또는 브러시 주파수의 영역에서 대역 통과 필터링되고,
- 상기 대역 통과 필터링된 모터 전류 신호의 최대값들 및 이러한 최대값들의 시간값들이 결정되고, 그리고
- 상기 대역 통과 필터링된 모터 전류 신호의 상기 최대값들의 간격, 상기 그루브 수 및 상기 브러시의 수로부터 상기 브러시 직류 모터의 상기 회전 주파수(f)가 결정되면서 수행되는 것인, 방법. - 모터-변속기 유닛(1)의 마모 또는 손상을 인식하기 위한 장치로서, 이러한 장치는 처리 설비를 포함하고, 이러한 처리 설비에 의하여 제 2 항에 의한 방법 단계들이 수행 가능한 것인, 장치.
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