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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines elektrischen Antriebssystems und ein elektrisches Antriebssystem.
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Die
DE 699 24 609 T2 zeigt ein Verfahren und ein System zur Leistungsprüfung von Elektromotoren, wobei eine Drehmoment-Zeit-Kennlinie des rotierenden Elektromotors Fourier-Transformiert wird, um ein Drehmomentfrequenzspektrum abzuleiten, wobei das Drehmomentfrequenzspektrum analysiert wird, um Schwingungen, eine Unwucht, ein Luftgeräusch und ein Pendelmoment des Elektromotors zu bestimmen.
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Die US 2005 / 0 174 124 A1 zeigt ein System und ein Verfahren zur Diagnose unter Verwendung einer Fourier-Transformation von Motorsteuersignalen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines elektrischen Antriebssystems und ein elektrisches Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, die ein einfaches und kostengünstiges Bestimmen von Eigenschaften des elektrischen Antriebssystems ermöglichen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines elektrischen Antriebssystems nach Anspruch 1 und ein elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 5.
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Das elektrische Antriebssystem, dessen Eigenschaften mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden, weist einen Frequenzumrichter, einen mittels des Frequenzumrichters angesteuerten Elektromotor, und eine mittels des Elektromotors bewegte mechanische Komponente auf. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur zu elektrischen Antriebssystemen verwiesen.
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Das Verfahren weist folgende Schritte auf.
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Schritt a), nämlich Ansteuern des Elektromotors mittels des Frequenzumrichters derart, dass der Elektromotor für eine vorgebbare bzw. vorgegebene Zeitdauer einen zeitlichen Drehmoment-Verlauf erzeugt, der ein Spektrum (nachfolgend als Anregungsspektrum bezeichnet) im Frequenzbereich aufweist, das aus einer Überlagerung von Sinusschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen gebildet ist, beispielsweise aus 40 bis 200 Sinusschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen.
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Schritt b), nämlich Messen eines resultierenden Bewegungsprofils der Komponente. Das Bewegungsprofil kann beispielsweise ein Drehzahlverlauf bzw. ein Drehstellungsverlauf einer Motorwelle des Elektromotors sein. Das Bewegungsprofil kann selbstverständlich auch anders verkörpert sein, beispielsweise als eine Bewegung eines mittels des Elektromotors angetriebenen Förderbandes, usw.
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Schritt c), nämlich Durchführen einer Frequenzanalyse, beispielsweise in Form einer schnellen Fourier-Transformation FFT, des gemessenen Bewegungsprofils zum Erzeugen eines Bewegungsprofilspektrums im Frequenzbereich.
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Und schließlich Schritt d), nämlich Bestimmen der Eigenschaften des elektrischen Antriebssystems basierend auf dem Bewegungsprofilspektrum.
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Vor dem Durchführen des Schritts d) werden die Schritte a) bis c) einmal oder mehrmals mit einem geänderten Drehmoment-Verlauf wiederholt, wobei der geänderte Drehmoment-Verlauf aus einem Anregungsspektrum bestehend aus einer Überlagerung von Sinusschwingungen gebildet ist, die bezogen auf die Sinusschwingungen des vorangegangenen Drehmoment-Verlaufs eine unterschiedliche Amplitude aufweisen, wobei im Schritt d) die Eigenschaften des elektrischen Antriebssystems basierend auf den, insbesondere allen erzeugten, Bewegungsprofilspektren bestimmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Schritte a) bis c) so lange bzw. so oft wiederholt, bis ein Anteil von Frequenzen im Bewegungsprofilspektrum, der nicht im Anregungsspektrum enthalten ist, ein vorgegebenes Maß überschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Testsignalamplitude in Abhängigkeit von demjenigen Bewegungsprofilspektrum bestimmt, bei dem der Anteil von Frequenzen im Bewegungsprofilspektrum, der nicht im Anregungsspektrum enthalten ist, ein vorgegebenes Maß überschreitet, wobei mit bzw. ausgehend von der ermittelten Testsignalamplitude ein Bode-Diagramm erzeugt wird. Das Bode-Diagramm kann dann beispielsweise dazu verwendet werden, einen Lage-Regler, einen Positions-Regler, usw., geeignet zu parametrieren.
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Gemäß einer Ausführungsform repräsentieren die Eigenschaften des elektrischen Antriebssystems einen Grad an Verschleiß von Komponenten des elektrischen Antriebssystems.
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Elektrische Antriebssysteme können sich im Laufe der Zeit verändern, beziehungsweise sich je nach Ansteuerung linear bis nichtlinear verhalten.
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Im Allgemeinen ist gewünscht, dass sich Systeme bzw. Komponenten bei unveränderten Randbedingungen gleich verhalten. Ein Unterschied des System- bzw. Komponentenverhaltens bei konstanten Randbedingungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten kann auf unerwünschte Veränderungen hindeuten, beispielsweise Verschleiß. Im Kontext von „Predictive Maintenance“ ist das vorausschauende Erkennen von unerwünschten Veränderungen wichtig und notwendig.
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Ein Betrieb des elektrischen Antriebssystems im nichtlinearen Bereich erschwert zudem im Allgemeinen die Beurteilung von Antriebssystemeigenschaften. Daher ist es von Interesse zu erkennen, in welchem Zustand sich das Antriebssystem befindet. Mit der Kenntnis des Verhaltens bzw. der Eigenschaften kann dann versucht werden, das Antriebssystem in einen gewünschten Zustand zu bringen.
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Mittels der Erfindung können insbesondere Veränderungen erkannt und Informationen über das allgemeine Antriebssystemverhalten ermittelt werden.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich Bewegungs-Begrenzungen des Antriebssystems bzw. der angetriebenen Komponente(n) sich im Frequenzverhalten bzw. der Übertragungsfunktion des Antriebssystems ausprägen, insbesondere durch das Entstehen von Frequenzen, die nicht im Anregungsspektrum enthalten sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 hoch schematisch ein Blockschaltbild eines elektrischen Antriebssystems,
- 2 ein Anregungsspektrum und sich ergebende Bewegungsprofilspektren ohne eine mechanische Begrenzung, mit einer mittleren mechanischen Begrenzung und einer starken mechanischen Begrenzung, und
- 3 ein erstes Anregungsspektrum und ein zweites Anregungsspektrum.
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1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 100, wobei das elektrische Antriebssystem 100 einen Frequenzumrichter 1, einen mittels des Frequenzumrichters 1 angesteuerten Elektromotor 2, und eine mittels des Elektromotors 2 bewegte mechanische Komponente 3 aufweist. Bei der mechanischen Komponente 3 kann es sich beispielsweise um ein Förderband, eine Achse eines Hochregalsystems, usw. handeln.
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Bezugnehmend auf 2 wird der Elektromotor 2 mittels des Frequenzumrichters 3 derart angesteuert, dass der Elektromotor einen zeitlichen Drehmoment-Verlauf erzeugt, der ein Anregungsspektrum 4 aufweist, das aus einer Überlagerung von Sinusschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen gebildet ist. Bevorzugt weist das Anregungsspektrum nur ungeradzahlige Harmonische einer Grundschwingung auf, die durch Kreuze in 2 dargestellt sind.
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Anschließend wird ein sich einstellendes Bewegungsprofil der Komponente 3 ermittelt und eine Frequenzanalyse des gemessenen Bewegungsprofils zum Erzeugen eines Bewegungsprofilspektrums 5a, 5b, 5c durchgeführt.
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Das Bewegungsprofilspektrum 5a ergibt sich, wenn sich die angetriebene Komponente 3 im Wesentlichen frei von mechanischen Begrenzungen, wie Reibung, Blockaden, usw., bewegen kann. Das Bewegungsprofilspektrum 5b ergibt sich, wenn sich die angetriebene Komponente 3 mit geringen mechanischen Begrenzungen bewegen kann. Das Bewegungsprofilspektrum 5c ergibt sich schließlich, wenn sich die angetriebene Komponente 3 nur mit starken mechanischen Begrenzungen bewegen kann.
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Wie aus den Bewegungsprofilspektren 5a, 5b und 5c hervorgeht, unterscheiden sich die Bewegungsprofilspektren 5a, 5b und 5c signifikant und spezifisch, so dass es möglich ist, Eigenschaften des Antriebssystems 100 bzw. der Komponente 3 basierend auf den Bewegungsprofilspektren 5a, 5b, 5c zu ermitteln.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich Eigenschaften des elektrischen Antriebsystems 100 bzw. der Komponente 3, insbesondere Bewegungsbegrenzungen bzw. Bewegungseinschränkungen, in der Übertragungsfunktion des elektrischen Antriebsystems 100 bzw. der Komponente 3 niederschlagen.
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Beispielsweise durch Weglassen der potenziell in Erscheinung tretenden Harmonischen im Anregungsspektrum 4 ist eine einfache Detektion von nichtlinearen Effekten möglich. Falls durch mechanische Begrenzungen bzw. Effekte Nichtlinearitäten im Antriebssystem 100 bzw. dessen Übertragungsfunktion verursacht werden, entstehen, wie in den Bewegungsprofilspektren 5b und 5c gezeigt, Frequenzanteile, die nicht im Anregungsspektrum 4 vorhanden sind, beispielsweise Harmonische der Grundfrequenz, die gezielt im Anregungsspektrum 4 unterdrückt sind.
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Die in 2 dargestellten Spektren 4 und 5a, 5b und 5c basieren auf einer Simulation, bei der die mechanische Komponente 3 als 2-Massen-Schwinger modelliert ist und mittels eines Frequenzgemischs über das Motordrehmoment angeregt wird. In dieser Simulation wurde über die Anregung hinaus kein weiteres Antriebsdrehmoment für eine beabsichtigte Bewegung appliziert.
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Das Frequenzgemisch basiert auf einer Überlagerung von Sinusschwingungen, wobei für das Anregungsspektrum 4 nur ungeradzahlige Harmonische verwendet werden. Die Anregung dauert 128 ms bei einer Abtastfrequenz von 16 kHz. Eine Anregung mittels ungeradzahligen Harmonischen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ist möglich. Hierdurch wird aber die Anregungsdauer erhöht. Mittels einer Frequenzanalyse wird das sich einstellende Bewegungsprofil, hier in Form einer Ist-Drehzahl des Elektromotors, ausgewertet.
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Die durchgezogene, mit 4 bezeichnete Linie gibt den Gehalt der Frequenzkomponenten wieder, die in der Anregung enthalten sind (nur ungeradzahlige Harmonische). Zur besseren Darstellung sind die einzelnen, mit einem Plus-Zeichen ermittelten Punkte durch Linienabschnitte miteinander verbunden. Die gestrichelte, mit 5a, 5b bzw. 5c bezeichnete Linie gibt den Frequenzgehalt des Bewegungsprofilspektrums wieder, der nicht in der Anregung 4 enthalten ist.
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Bei einem Antriebssystem 100 ohne wesentliche Begrenzungen, d.h. ohne nichtlineare Eigenschaften, ist der Abstand der beiden Kurvenzüge 4 und 5 groß. Durch Anwesenheit von Begrenzungen bzw. Nichtlinearitäten verringert sich dieser Abstand. Über verschiedene mathematische Methoden kann aus der Lage der beiden Kurvenzüge 4 und 5 zueinander ein Wert gebildet werden, der den Zustand des Antriebssystem 100 abbildet, d.h. der Abstand kann geeignet quantifiziert werden.
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Je nach Lage und Anzahl der verwendeten Harmonischen lässt sich ein Überblick über einen interessierenden Frequenzbereich erhalten. Durch Vergleich der Messergebnisse mit Resultaten, die zu anderen Zeitpunkten aufgenommen wurden, lässt sich ggf. eine Veränderung der Eigenschaften des Antriebssystems 100 feststellen.
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3 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung, bei der ein erstes Anregungsspektrum 4a und mindestens ein zweites Anregungsspektrum 4b zur Antriebssystemanalyse verwendet werden. Basierend auf den beiden Anregungsspektren 4a und 4b werden jeweils zugehörige Bewegungsprofile gemessen und dann zugehörige Bewegungsprofilspektren ermittelt. Die Eigenschaften des elektrischen Antriebssystems 100 werden dann basierend auf den beiden Bewegungsprofilspektren bestimmt.
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Das Anregungsspektrum 4b entspricht einer Überlagerung von Sinusschwingungen, die bezogen auf die Sinusschwingungen des Anregungsspektrum 4a eine höhere Amplitude aufweisen.
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Es können nun so lange weitere Anregungsspektren mit zunehmender Amplitude der Sinusschwingungen erzeugt werden, bis ein Anteil von Frequenzen im entstehenden Bewegungsprofilspektrum, der nicht im Anregungsspektrum enthalten ist, ein vorgegebenes Maß überschreitet. Auf diese Weise lässt sich ein beginnendes nichtlineares Verhalten des Antriebssystems 100 ermitteln. Eine Testsignalamplitude kann dann in Abhängigkeit von demjenigen Bewegungsprofilspektrum bestimmt werden, bei dem der Anteil von Frequenzen im Bewegungsprofilspektrum, der nicht im Anregungsspektrum enthalten ist, gerade das vorgegebene Maß überschreitet, wobei mit bzw. ausgehend von der ermittelten Testsignalamplitude ein Bode-Diagramm erzeugt wird.
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Zur Eigenschaftenbestimmung von technischen Systemen werden häufig Testsignale als Anregung verwendet, wobei eine Reaktion des Systems auf die Anregung bzw. das Testsignal ausgewertet wird. Je nach Höhe einer Testsignalamplitude können sich die Systeme linear oder nichtlinear verhalten. Der Betrieb im nichtlinearen Bereich erschwert im Allgemeinen die Beurteilung des Systems. Für die Verbesserung der Ergebnisse der Systemidentifikation ist es notwendig, eine optimierte Anregungshöhe der Testsignale, d.h. eine optimale Testsignalamplitude, zu bestimmen.
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Mittels der Erfindung wird eine optimale Testsignalamplitude für die Systemidentifikation automatisch ermittelt. Hierbei werden nicht nur Begrenzungen berücksichtigt, die durch den Frequenzumrichter 1 selbst entstehen, sondern auch Begrenzung, die außerhalb entstehen, beispielsweise in der mechanischen Komponente 3.
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Durch automatisches Variieren der Anregungshöhe und Beobachten des Frequenzverhaltens eines speziell aufbereiteten Frequenzgemisches kann eine geeignete Amplitude ermittelt werden. D.h., der der Erfindung zugrundeliegende automatisierte Prozess variiert die Amplitude der Testsignalanregung und beobachtet dabei den Abstand der beiden Kurvenzüge 4 und 5.