TW201945704A

TW201945704A - 無線振動檢測裝置以及使用其之電動機系統

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Publication number: TW201945704A
Application number: TW107114417A
Authority: TW
Inventors: 徐瑞杰; 黃貴琳
Original assignee: 新光網股份有限公司
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-12-01
Also published as: TWI664409B

Abstract

本發明關於一種無線振動檢測裝置以及使用其之電動機系統，此無線振動檢測裝置包括一振動感測裝置、一低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network,LPWAN)以及一運算單元。振動感測裝置用以感測一電動機的振動。超長距低功耗無線傳輸電路用以無線傳輸資料至一工廠伺服器。運算單元耦接振動感測裝置以及超長距低功耗無線傳輸電路，根據振動感測裝置所回傳之訊號，進行比對分析，以獲得一檢測結果值，將檢測結果值透過超長距低功耗無線傳輸電路發射至工廠伺服器。

Description

無線振動檢測裝置以及使用其之電動機系統

本發明係關於一種電動機檢測技術，更進一步來說，本發明係關於一種無線振動檢測裝置以及使用其之電動機系統。

電動機動力為生產製造不可或缺的動力來源，一旦故障發生必須停止生產排除故障原因，方可繼續生產，如能及時預測發生提前即予更換，就可避免因故障所衍生工安與意外災害發生，縮短停工影響，而電動機兩端必須藉助軸承支撐，一旦軸承受損會造成轉子偏心或轉子與定子間轉動摩擦等現象。

傳統的電動機故障診斷系統，是利用振動感測器收集電動機訊號，並上傳伺服器，加以分析，藉以判斷電動機的健康情況。由於生產線上的電動機數量非常多，又必須要連續的上傳，在電動機損壞前，能夠提前修復或更換，避免生產線停工。然而，一般工廠的生產線過於龐大，且受限於無線通訊技術，傳輸量越大，傳輸距離越短，傳輸量越小，傳輸距離越長，另外，工廠會有許多設備，無線網路的穿透率亦是一個問題。

雖然無線傳輸可以採用設立多個網路節點的方式進行，但是因傳輸量過大或節點過熱導致檢測斷線，時有所聞。且為了維持工廠生產線連續運作，工廠的電動機檢測不容許斷線，故在工廠的振動檢測裝置皆使用有線方式，連接到工廠伺服器。然而，有線方式的振動檢測，勢必要進行事先配線，然配線所費不貲，且在工廠生產線配置前就必須配線。再者，線路被老鼠咬斷導致損壞亦時有所聞。故亟需一種穩定且無須額外配線的振動檢測機制。

本發明的一目的在於提供一種無線振動檢測裝置以及使用其之電動機系統，藉由無線方式，將電動機的健康狀態及時性的回報。

有鑒於此，本發明提供一種無線振動檢測裝置，用以配置於一電動機，此無線振動檢測裝置包括一振動感測裝置、一低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network,LPWAN)通信技術及一運算單元。振動感測裝置用以感測電動機的振動。低功耗廣域網路通信技術用以無線傳輸資料至一工廠伺服器。運算單元耦接振動感測裝置以及低功耗廣域網路通信技術，根據振動感測裝置所回傳之訊號，進行比對分析，以獲得一檢測結果值，將檢測結果值透過低功耗廣域網路通信技術發射至工廠伺服器。

本發明另外提供一種電動機系統，此電動機系統包括一工廠伺服器、一電動機以及、一無線振動檢測裝置。此無線振動檢測裝置包括一振動感測裝置、一低功耗廣域網路(Low PowerWide Area Network,LPWAN)通信技術以及一運算單元。振動感測裝置用以感測電動機的振動。低功耗廣域網路通信技術用以無線傳輸資料至工廠伺服器。運算單元耦接振動感測裝置以及低功耗廣域網路通信技術，根據振動感測裝置所回傳之訊號，進行比對分析，以獲得一檢測結果值，將檢測結果值透過低功耗廣域網路通信技術發射至工廠伺服器。

依照本發明較佳實施例所述之無線振動檢測裝置以及使用其之電動機系統，上述振動感測裝置係為一種自帶電量放大器或電壓放大器的壓電積體電路(Integrated Electronics Piezo-Electric，IEPE)。在另一較佳實施例中，上述振動感測裝置係為一微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)。再者，上述微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)係用以檢測三軸之G值以及振動頻率。

依照本發明較佳實施例所述之無線振動檢測裝置以及使用其之電動機系統，上述振動感測裝置包括一類比三軸感測器以及一六軸數位感測器。類比三軸感測器用以根據振動，輸出一類比振動訊號。六軸數位感測器用以根據三軸之G值，輸出三軸之數位G值，其中，運算單元將類比振動訊號藉由傅立葉轉換，獲得一振動頻率值，其中，運算單元將該振動頻率值與三軸之數位G值透過低功耗廣域網路通信技術傳送至工廠伺服器。

本發明的精神在於將先前技術中，原本需要使用佈線的方式配置的振動檢測裝置改為無線振動檢測裝置，利用低功耗廣域網路通信技術，節省了佈線的麻煩。再者，本發明藉由在本地端進行前置運算，才將運算結果透過無線傳輸，藉此，本發明克服了低功耗廣域網路通信技術的低傳輸速率的問題。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

101‧‧‧工廠伺服器

102‧‧‧無線網路節點

103‧‧‧電動機

104‧‧‧電動機103所對應之無線振動檢測裝置

201‧‧‧振動感測裝置

202‧‧‧低功耗廣域網路通信電路

203‧‧‧運算單元

301‧‧‧振動頻率感測裝置

302‧‧‧振動振幅感測裝置

303‧‧‧微處理器

第1圖繪示為本發明一較佳實施例之電動機系統的示意圖。

第2圖繪示為本發明一較佳實施例之無線振動檢測裝置104的電路方塊圖。

第3圖繪示為本發明一較佳實施例的無線振動檢測裝置104的電路方塊圖。

在實施例與申請專利範圍中，空間相對術語，如“在...之下”，“以下”，“下”，“上方”，“上”等詞彙，可以在本文中用於便於描述，以描述一個元件或特徵的相對於另一元件(多個)或特徵(多個特徵)在圖所示中的對應關係。所屬技術領域具有通常知識者可以理解，除了在附圖中描述的方向，空間相對術語旨在涵蓋裝置在使用或操作不同方向。舉例來說，如果裝置在圖中被翻轉，則被描述為“下方”或“之下”的元件或特徵將被定向為“上方”，因此，“下方”示範性術語可以包括上方和下方的方位。若所述裝置可被另外定位(旋轉90度或在其它方位)，上述的空間相對術語在此則用以作為所使用的空間相對描述做出相應的解釋。

第1圖繪示為本發明一較佳實施例之電動機系統的示意圖。請參考第1圖，此電動機系統包括一工廠伺服器101、一無線網路節點102、多個電動機103以及電動機103所對應之無線振動檢測裝置104。無線振動檢測裝置104被配置在馬達上，一般會被安裝在靠近軸承或轉子的出力軸附近。每一個無線振動檢測裝置104皆連接同一個無線網路節點102，藉此，將檢測結果傳送給工廠伺服器101。

第2圖繪示為本發明一較佳實施例之無線振動檢測裝置104的電路方塊圖。請參考第2圖，此無線振動檢測裝置104包括一振動感測裝置201、一低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路202以及一運算單元203。其中，低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路所使用的技術例如為LoRa、Nb-IoT、Sigfox..等，此等傳輸協定的資料傳輸速率範圍一般是0.3Kbps至37.5Kbps，為了最大化終端設備電池的壽命和整個網絡容量，低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路之網路伺服器藉由一種速率自適應(Adaptive Data Rate，ADR)方案來控制數據傳輸速率和每一終端設備的射頻輸出功率。又，此低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路的傳輸距離在空曠處約10公里，若非空曠處，低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路的傳輸距離約3公里。對於一般工廠來說，低功耗廣域網路通信技術(LPWAN)的網路覆蓋率綽綽有餘。

在本發明的實施例中，由於資料傳輸速率最高僅37.5Kbps，因此，監控的數據資料在本實施例中，是需要先事先處理的，以減少傳輸量。舉例來說，振動感測裝置201的實施方式有兩種，一種是壓電積體電路(Integrated Electronics Piezo-Electric，IEPE)，另一種是微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)。

壓電積體電路一般是加速度傳感器(Accelerometer)的訊號放大電路，加速度傳感器係藉由內部的壓電材料在受到應力振動時，產生的微小電流變化，經過放大輸出類比訊號。若取樣此類比訊號直接進行傳輸，對於傳輸位元率最高僅37.5Kbps的低功耗廣域網路通信技術(LPWAN)來說，傳輸位元率顯然不足。而本發明較佳實施例的運算單元203需要將此類比訊號取樣成數位訊號，並藉由傅立葉轉換運算獲得頻率與振幅，再次經過計算，獲得該軸的速度(v=g/2 π f)，之後才回傳給工廠伺服器101。也因此，解決了位元率不足的情況。

微機電系統則是在矽晶圓上做加工，一般是製作出陀螺儀(Gyroscope)、加速度傳感器(Accelerometer)、磁感測器(Magnetism Sensor)等等。第3圖繪示為本發明一較佳實施例的無線振動檢測裝置104的電路方塊圖。請參考第3圖，無線振動檢測裝置104包括一振動頻率感測裝置301、一振動振幅感測裝置302、一低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路202以及一微處理器303。在此實施例中，採用兩個微機電系統(MEMS)積體電路301以及302，分別用以檢測頻率與振幅。原因在於，微機電系統(MEMS)積體電路依據內部微小機構設計的不同，會導致對不同的檢測之靈敏度有所差異。舉例來說，積體電路ADXL335(三軸加速度感測器)係對振動的頻率較為靈敏，響應較快，而對振幅採樣較差，響應較慢，另外，積體電路ADXL335係輸出類比訊號。積體電路MPU6050(陀螺儀加上加速度六軸感測器)則是對振動的振幅相對靈敏，響應較快，但是對頻率較為不靈敏。

因此，在此實施例中，為了同時準確的，並即時的偵測頻率與振幅，在此實施例採用微處理器303同時接收振動頻率感測裝置301以及振動振幅感測裝置302的訊號，在接收振動頻率感測裝置301(例如積體電路ADXL335)的類比訊號時，微處理器303會將所接收的類比訊號藉由傅立葉轉換運算，獲得頻率的數位值，包含振動的基頻波(baseband)之頻率以及旁帶波(sideband)的頻率。同樣地，微處理器303接收振動振幅感測裝置302(例如積體電路MPU6050)的振幅值。之後，微處理器303將頻率與振幅值運算，獲得速度(v=g/2πf)，並控制超長距低功耗無線傳輸電路202將上述速度值回傳至伺服器。

上述實施例雖然是以速度v做舉例，然所屬技術領域具有通常知識者應當知道，其餘參數亦可以作為傳送結果。此為設計上的考量，故本發明不以速度作為參數的限制。

由於本實施例分開利用振動頻率感測裝置301以及振動振幅感測裝置302，並透過微處理器303的計算，使得無線振動檢測裝置104可以及時、快速的獲得馬達的頻率與振幅，如此，便可以避免因為單一微機電系統(MEMS)積體電路偵測頻率振幅不同步響應造成的落差，也避免誤判電動機故障的情況。

綜上所述，本發明的精神在於將先前技術中，原本需要使用佈線的方式配置的振動檢測裝置改為無線振動檢測裝置，利用低功耗廣域網路通信技術(LPWAN)，節省了佈線的麻煩。再者，本發明藉由在本地端進行前置運算，才將運算結果透過無線傳輸，藉此，本發明克服了低功耗廣域網路通信技術(LPWAN)的低傳輸速率。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種無線振動檢測裝置，用以配置於一電動機，此無線振動檢測裝置包括：一振動感測裝置，用以感測該電動機的振動；一低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路，用以無線傳輸資料至一工廠伺服器；以及一運算單元，耦接該振動感測裝置以及該超長距低功耗無線傳輸電路，根據該振動感測裝置所回傳之訊號，進行比對分析，以獲得一檢測結果值，將該檢測結果值透過該低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路發射至該工廠伺服器。
如申請專利範圍第1項所記載之無線振動檢測裝置，其中，該振動感測裝置係為一壓電積體電路(Integrated Electronics Piezo-Electric，IEPE)。
如申請專利範圍第1項所記載之無線振動檢測裝置，其中，該振動感測裝置係為一微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)。
如申請專利範圍第3項所記載之無線振動檢測裝置，其中，該微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)係用以檢測一軸至三軸之G值以及振動頻率。
如申請專利範圍第1項所記載之無線振動檢測裝置，其中，該一振動感測裝置包括：一類比三軸感測器，用以根據振動，輸出一類比振動訊號；以及一六軸數位感測器，用以根據三軸之G值，輸出三軸之數位G值，其中，該運算單元將該類比振動訊號藉由傅立葉轉換，獲得一振動頻率值，其中，該運算單元將該振動頻率值與該三軸之數位G值透過低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路傳送至該工廠伺服器。
一種電動機系統，包括：一工廠伺服器；一電動機；以及一無線振動檢測裝置，包括：一振動感測裝置，用以感測該電動機的振動；一低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路，用以無線傳輸資料至該工廠伺服器；以及一運算單元，耦接該振動感測裝置以及該超長距低功耗無線傳輸電路，根據該振動感測裝置所回傳之訊號，進行比對分析，以獲得一檢測結果值，將該檢測結果值透過該低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路發射至該工廠伺服器。
如申請專利範圍第6項所記載之電動機系統，其中，該振動感測裝置係為一壓電積體電路(Integrated Electronics Piezo-Electric，IEPE)
如申請專利範圍第6項所記載之電動機系統，其中，該振動感測裝置係為一微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)。
如申請專利範圍第6項所記載之電動機系統，其中，其中，該微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)係用以檢測三軸之振動訊號(G值等)以及振動頻率。

9.1.如申請專利範圍第6項所記載之電動機系統，其中，其中，該壓電積體電路(Integrated Electronics Piezo-Electric，IEPE)係用以檢測單軸之振動訊號(G值等)以及振動頻率。
如申請專利範圍第6項所記載之電動機系統，其中，該一振動感測裝置包括：一類比三軸感測器，用以根據振動，輸出一類比振動訊號；以及一六軸數位感測器，用以根據三軸之G值，輸出三軸之數位G值，其中，該運算單元將該類比振動訊號藉由傅立葉轉換，獲得一振動頻率值，其中，該運算單元將該振動頻率值與該三軸之數位G值透過低功耗廣域網路通信(LPWAN)電路傳送至該工廠伺服器。