延长滚动元件轴承的寿命的方法与流程

本公开总体上涉及在电机中使用的滚动元件轴承。

背景技术：

1、电动马达是实现现代高效生产的关键组件。对于要在全球范围内保持竞争力的一家公司，其马达应该全天候24/7运行。

2、超过一半的电动马达的故障是由于轴承故障造成的。

3、轴承在其使用寿命期间处理不当是其早期故障的主要原因。

4、在学术界和工业界，许多研究人员关注如何检测初期轴承故障。据了解，由于故障类型的随机性，故障的类型众多且识别起来非常复杂。因此，通常采用人工智能算法。然而，检测轴承故障只会带来在下一个维护周期内计划更换轴承的好处。

5、us6326758公开了一种基于模型的诊断方法以及定性/偶然模型信息。目的是监控健康状况，然后在检测到即将发生的故障时采取行动。目标是更改控制参数并验证系统可以可靠地操作，直到下一次计划维护。该方法涉及对机器状况进行评估的健康评估技术。然后向控制器给出健康指示，在控制器中确定整个系统的模型。最后，涉及多目标优化方法来优化系统性能。不同种类的参数被给出作为优化例程的输入，例如控制参数、运行状况等。最终目标是在即将发生的故障导致控制系统无法操作之前在控制系统中采取行动。

技术实现思路

1、本公开的总体目的是提供一种解决或至少缓解现有技术中的问题的方法。

2、因此，根据本公开的第一方面，提供了一种延长电机的滚动元件轴承的寿命的方法，该方法包括：a)定义第一组控制参数值，b)基于当电机由第一组控制参数值控制时获得的提供滚动元件轴承的振动测量的信号，来估计第一滚动元件轴承的剩余使用寿命rul，c)改变第一组控制参数值中的至少一个控制参数值，从而获得第二组控制参数值，d)基于当电机由第二组控制参数值控制时获得的信号来估计滚动元件轴承的第二rul，e)将第一rul与第二rul进行比较，f)在第二rul比第一rul更长的情况下，用第二组控制参数值的控制参数值替换第一组控制参数值中的控制参数值，并且用第二rul的值替换第一rul的值，以及g)在电机的操作期间反复重复步骤c)-f)。

3、通过这种迭代方法，可以延长滚动元件轴承的寿命而不需要优化例程。us6326758中公开的优化例程需要模型的存在。如果不可用，则必须注入信号，必须分析系统响应，并且必须计算传递函数(刺激响应)。然后，在优化函数中考虑传递函数。

4、对于本方法，只需要rul估计的趋势方向就可以得出关于控制参数值的改变的影响的结论。

5、这也允许以最少的硬件资源达成实现方式。

6、此外，根据us6326758，其解决方案的最优性依赖于所选的优化函数及其成员。应用约束也被放在优化例程中，所以结果总是最优的。然而，这一要求使得该方法在实践中不容易实施。根据本方法，功率转换器/驱动器可以执行与人类类似的动作和决策，因此它们具有合理的好处，并且不会引起安全问题。另一方面，如果us6326758中的优化函数的任何成员出错，则系统就会失败。

7、rul是一组显然相同的轴承在形成疲劳剥落之前所完成或超过的时间量。

8、第一rul和第二rul的估计可以优选地在稳态条件期间执行。这是因为rul的估计很复杂并且花时间，否则可能会受到负载或速度瞬变的影响。

9、该方法在步骤c)中可以涉及在每次迭代中逐步改变至少一个控制参数值。本方法因此可以是基于搜索的。可以递增或递减地执行逐步改变。

10、在第二rul比第一rul更长的情况下，在当前步骤c)中改变的相同的至少一个控制参数值可以在下一次迭代中在步骤c)中被改变。

11、在第二rul比第一rul更短的情况下，在步骤c)的当前迭代中未改变的至少一个控制参数值可以在步骤c)的下一次迭代中被改变。在当前迭代中未改变的控制参数值可以在下一次迭代中被改变，只要有新的控制参数组合可用即可。

12、信号可以来自任何传感器，其经处理或未处理的输出可以直接与机械振动的水平相关联。信号例如可以是振动信号或电流信号。对于电流信号，在机械故障的情况下谐波含量会增加。观察某些谐波的振幅变化可以提供有关振动的信息。传感器例如可以是一个或多个加速度计诸如三轴加速度计、电流传感器、一个或多个智能传感器诸如abb abilitytm智能传感器、或者一个或多个电容传感器。

13、控制参数例如可以是扭矩参考、速度参考、开关频率或调制。开关频率是被配置为对电机进行控制的功率转换器中的开关半导体的频率。开关频率是脉宽调制的载波信号的频率。载波信号可以是三角波。调制是针对调制信号，也被用于脉宽调制。调制信号可以是正弦波，但是根据一些示例可以具有变化的形状。因此，根据一个示例，调制信号的调制可以是控制参数。

14、步骤c)可以涉及借助于第二组控制参数值来控制对电机进行控制的功率转换器。

15、根据一个实施例，估计涉及使用滚动元件轴承的退化模型、使用扩展卡尔曼滤波器(extended kalman filter)或使用神经网络。

16、估计的步骤b)和d)可以使用基于模型的预诊或数据驱动的预诊来执行。

17、在基于模型的预诊方法中，滚动元件轴承及其退化现象由一组用于估计rul的数学定律来表示。数学定律/模型可以例如是l10预测模型。

18、在数据驱动的预诊方法中，传感器信号处于学习阶段，其被变换为可靠的退化行为模型。这种行为模型是退化模型。在学习阶段期间从传感器信号中提取的特征被用来获得退化模型。然后可以在开发阶段中使用退化模型，即与步骤a)中提及的信号一起在线使用，或使用从信号中提取的特征作为到退化模型的输入。

19、根据一个实施例，步骤f)涉及仅在第二rul偏离所述第一rul超过阈值的情况下替换第一组控制参数值中的控制参数值。以这种方式，电机将较少地受到步骤c)中的控制动作的扰动。

20、一个实施例包括，在步骤c之前)：a)确定信号的谐波含量，b)在谐波含量中存在高于阈值的振幅的情况下改变第三组控制参数值中的至少一个控制参数值，以及c)重复步骤a)-b)，直到找到使振幅减小到阈值以下的值的一组第三控制参数值；以及d)执行步骤c-g)，其中在步骤c)中改变的至少一个控制参数值是与在步骤b)中使用的至少一个控制参数值相关联的至少一个控制参数，并且其中步骤b)中的至少一个控制参数值的改变小于步骤c)中的改变。

21、步骤a)到c)负责电机的动态条件。

22、此外，步骤a)到c)执行一种关于如何改变控制以增加滚动元件轴承的寿命的勘察。rul的估计是一项复杂的任务，并且因此比步骤a)-c)中的处理更耗时。步骤c)此后将对通过执行步骤a)至c)找到的一个或多个控制参数进行较大的改变。在步骤c)中执行的改变可能大到足以改变电机的操作点。在步骤b)中执行的改变可以优选地小到它不改变电机的操作点。

23、步骤b)可以涉及将谐波含量的振幅与信号的先前获得的谐波含量的对应振幅进行比较，并且在该振幅与对应振幅相比已经减小并且低于阈值的情况下，执行步骤d)。

24、根据一个实施例，在每次迭代中逐步执行步骤b)中的至少一个控制参数值的改变。

25、可以递增或递减地执行步骤b)中的逐步改变。

26、根据一个实施例，步骤c)中的改变是基于在步骤b)中选择的至少一个控制参数值。在步骤c)中控制参数值的改变可以是来自上次执行步骤b)时选择的控制参数值的逐步改变。

27、根据一个实施例，在步骤b)的初始迭代中，单项控制参数的控制参数值被改变，并且在以后的迭代中当对所有单项控制参数的改变已经被执行时，改变控制参数的控制参数值的组合。因此，在步骤b)的初始迭代中，仅改变单个控制参数的控制参数值，而当/如果所有控制参数已在不同迭代中被各个地测试时，将执行对几个控制参数的组合的控制参数值的改变。

28、根据一个实施例，步骤a)-c)形成内部控制回路，并且步骤c)-g)形成外部控制回路。内部控制回路和外部控制回路可以彼此独立运行。然而，外部控制回路有时会从内部控制回路接收有关改变某个控制参数值的信息。

29、与外部控制回路相比，内部控制回路可以是高速控制回路。

30、根据本公开的第二方面，提供了一种包括计算机代码的计算机程序，该计算机代码在由控制系统的处理电路执行时使控制系统执行第一方面的方法的步骤。

31、根据本公开的第三方面，提供了一种用于延长电机的滚动元件轴承的寿命的控制系统，该控制系统包括：包括计算机代码的存储介质，以及处理电路，其中当处理电路执行计算机代码时，控制系统被配置为：a)定义第一组控制参数值，b)基于当电机由第一组控制参数值控制时获得的提供滚动元件轴承的振动测量的信号，来估计滚动元件轴承的第一剩余使用寿命rul，c)改变第一组控制参数值中的至少一个控制参数值，从而获得第二组控制参数值，d)基于当电机由第二组控制参数值控制时获得的信号来估计滚动元件轴承的第二rul，e)将第一rul与第二rul进行比较，f)在第二rul比第一rul更长的情况下，用第二组控制参数值的控制参数值替换第一组控制参数值中的控制参数值，并且用第二rul的值替换第一rul的值，以及g)在电机的操作期间反复重复步骤c)-f)。

32、根据一个实施例，处理电路被配置为使用滚动元件轴承的退化模型或使用扩展卡尔曼滤波器来估计第一rul和第二rul。

33、根据一个实施例，处理电路被配置为，在步骤c)之前：a)确定信号的谐波含量，b)在谐波含量中存在高于阈值的振幅的情况下改变第三组控制参数值中的至少一个控制参数值，以及c)重复步骤a)-b)，直到找到使振幅减小到阈值以下的值的一组第三控制参数值；d)执行步骤c-g)，其中在步骤c)中改变的至少一个控制参数值是与在步骤b)中使用的至少一个控制参数值相关联的至少一个控制参数，并且其中步骤b)中的至少一个控制参数值的改变小于步骤c)中的改变。

34、根据一个实施例，处理电路被配置为在每次迭代中逐步改变步骤b)中的至少一个控制参数值。

35、根据一个实施例，处理电路被配置为基于在步骤b)中选择的至少一个控制参数值来执行步骤c)中的改变。

36、根据一个实施例，处理电路被配置为：在步骤b)的初始迭代中改变单项控制参数的控制参数值，并且在以后的迭代中当对所有单项控制参数的改变已经被执行时，改变控制参数的控制参数值的组合。

37、处理电路可以被配置为在第二rul偏离所述第一rul超过阈值的情况下在步骤c)中改变至少一个控制参数值。

38、通常，除非本文另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语应根据其在技术领域中的普通含义来进行解释。除非另有明确说明，否则所有对“一/一个/该元件、装置、组件、部件等”的引用应被公开解释为指的是元件、装置、组件、部件等的至少一个实例。