电磁振动分量的去除方法、旋转机械诊断方法及装置

摘要

本发明的课题在于从安装于由逆变器电源驱动的旋转机械的振动传感器的信号中高精度地去除逆变器电源所引起的电磁振动的频率分量。为此，对通过振动传感器而获取到的振动时间波形进行傅里叶变换，计算频谱。将逆变器电源的载波频率的整数倍的周边的最大波峰的频率设为基准频率。计算基准频率周边的频谱的自相关函数。求取基准频率周边的自相关函数的波峰的间隔。将作为在基准频率周边存在的等间隔波峰的每隔波峰间隔存在的波峰提取为对象波峰。降低频谱中对象波峰的频率分量的电平。

权利要求

1.一种电磁振动分量的去除方法，其中，

通过安装于由逆变器电源驱动的旋转机械的振动传感器来获取所述旋转机械的振动时间波形，对振动时间波形进行傅里叶变换，计算频谱，

将所述频谱中的所述逆变器电源的载波频率的整数倍的周边的最大波峰的频率设为基准频率，计算所述基准频率周边的所述频谱的自相关函数，通过求取所述基准频率周边的所述自相关函数的波峰的间隔，从而求取在所述基准频率周边存在的等间隔波峰的波峰间隔，所述波峰间隔是所述基准频率周边的所述自相关函数的所述波峰的位置的差分的最频值或平均值，提取在所述基准频率前后每隔所述波峰间隔存在的波峰作为对象波峰，并降低所述频谱中所述对象波峰的频率分量的电平。

2.根据权利要求1所述的电磁振动分量的去除方法，其中，所述对象波峰的频率分量的电平的降低是将所述对象波峰的电平降低到波峰的峰脚的电平。

3.一种旋转机械诊断方法，其中，

对通过权利要求1或2的电磁振动分量的去除方法将电磁振动分量去除后的所述频谱进行傅里叶逆变换来计算振动时间波形，基于通过所述傅里叶逆变换而得到的振动时间波形，判定旋转机械的状态。

4.一种旋转机械诊断装置，具备：

振动传感器，其安装于由逆变器电源驱动的旋转机械；

傅里叶变换部，其对通过所述振动传感器而获取到的所述旋转机械的振动时间波形进行傅里叶变换来计算频谱；

自相关函数计算部，其对基准频率周边的所述频谱的自相关函数进行计算，其中所述基准频率为所述频谱中的所述逆变器电源的载波频率的整数倍的周边的最大波峰的频率；

波峰间隔检测部，其通过求取所述基准频率周边的所述自相关函数的波峰的间隔，从而求取在所述基准频率周边存在的等间隔波峰的波峰间隔，所述波峰间隔是所述基准频率周边的所述自相关函数的所述波峰的位置的差分的最频值或平均值；

对象波峰检测部，其提取在所述基准频率前后每隔所述波峰间隔存在的波峰作为对象波峰；

电平降低部，其使所述频谱中所述对象波峰的频率分量的电平降低；

傅里叶逆变换部，其对由所述电平降低部使所述对象波峰的频率分量的电平降低后的所述频谱进行傅里叶逆变换；和判定部，其基于通过所述傅里叶逆变换而得到的振动时间波形，判定旋转机械的状态。

5.根据权利要求4所述的旋转机械诊断装置，其中，所述电平降低部中的所述对象波峰的频率分量的电平的降低是将所述对象波峰的电平降低到波峰的峰脚的电平。

说明书

电磁振动分量的去除方法、旋转机械诊断方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁振动分量的去除方法、旋转机械诊断方法以及旋转机械诊断装置。

背景技术

[0002] 为了防止工厂等中的设备停止，以往进行了测定旋转机械的振动来监视异常的设备诊断(例如，参照非专利文献1)。

[0003] 近年来，由逆变器驱动的电动机越来越多地被使用。逆变器方式驱动的电动机具有如下这样的优点，即，仅通过变更设定值(逆变器电源的调制信号频率)，便能够简单地改变转速进行运转。但是，由逆变器驱动的电动机即使在正常运转时也产生载波频率所引起的电磁振动，这在振动诊断中成为噪声而妨碍振动的异常监视。因此，在旋转机械的振动监视装置中，设计了如下方法，即，从所测定的振动传感器的信号中，去除逆变器所引起的电磁振动的频率分量，来进行振动诊断。

[0004] 在专利文献1中，公开了一种包括以下处理的电磁振动分量的去除方法。

[0005] ·检测以成为由逆变器电源决定的载波频率的整数倍的频率为基准的给定的频率范围中的多个峰值。

[0006] ·以与载波频率的整数倍最接近的峰值为基准峰值，求取该基准峰值与各峰值的全部频率间隔。

[0007] ·根据频率间隔决定基准频率间隔，提取频率间隔为基准频率间隔的整数倍的峰值作为去除对象峰值。

[0008] 专利文献1的方法是将向上凸的点定义为波峰而首先找到波峰，并从该波峰位置求取波峰间隔这样的方法，尽管理想的频谱波形是有效的，但是由于实际的数据是以一定时间的采样率对振动传感器的信号进行A/D变换而得到的，并且频谱也是离散数据，因此由于FFT泄漏(leakage)等问题而在各波峰位置出现误差并加以累计，误差有可能变大。此外，专利文献1的方法还有可能将单纯的噪声、不是逆变器电磁振动所引起的波峰也检测为去除对象波峰。

[0009] 专利文献2公开了一种确定逆变器所引起的电磁振动的频率分量的方法。但是，对于该方法来说，由于根据逆变器电源的载波频率和调制频率，计算逆变器所引起的电磁振动的频率，而设为去除对象波峰，因此如果调制频率即电动机的转速不明，则无法确定去除对象波峰。

[0010] 在先技术文献

[0011] 专利文献

[0012] 专利文献1：JP特许第5565120号

[0013] 专利文献2：JP特开2016-116251号

[0014] 非专利文献

[0015] 非专利文献1：井上纪明著，“現場の疑問に答える実践振動法による設備診断(回答现场提问的基于实际振动法的设备诊断)”，日本植物保护协会，1998年9月发明内容

[0016] (发明要解决的课题)

[0017] 本发明的课题在于，从安装于由逆变器电源驱动的旋转机械的振动传感器的信号中，高精度地去除逆变器电源所引起的电磁振动的频率分量。此外，本发明的课题在于，基于这样的电磁振动分量的去除来高精度地进行旋转机械诊断。

[0018] (用于解决课题的手段)

[0019] 本发明的第一方式提供一种电磁振动分量的去除方法，在该电磁振动分量的去除方法中，通过安装于由逆变器电源驱动的旋转机械的振动传感器来获取所述旋转机械的振动时间波形，对振动时间波形进行傅里叶变换，计算频谱，将所述频谱中的所述逆变器电源的载波频率的整数倍的周边的最大波峰的频率设为基准频率，计算所述基准频率周边的所述频谱的自相关函数，通过求取所述基准频率周边的所述自相关函数的波峰的间隔，从而求取在所述基准频率周边存在的等间隔波峰的波峰间隔，提取在所述基准频率前后每隔所述波峰间隔存在的波峰作为对象波峰，并降低所述频谱中所述对象波峰的频率分量的电平。所述对象波峰的频率分量的电平的降低，例如是将所述对象波峰的电平降低到波峰的峰脚的电平。

[0020] 本发明的第二方式提供一种旋转机械诊断方法，在该旋转机械诊断方法中，对通过所述电磁振动分量的去除方法将电磁振动分量去除后的所述频谱进行傅里叶逆变换来计算振动时间波形，基于通过所述傅里叶逆变换而得到的振动时间波形，判定旋转机械的状态。

[0021] 本发明的第三方式提供一种旋转机械诊断装置，其具备：振动传感器，其安装于由逆变器电源驱动的旋转机械；傅里叶变换部，其对通过所述振动传感器而获取到的所述旋转机械的振动时间波形进行傅里叶变换来计算频谱；自相关函数计算部，其对基准频率周边的所述频谱的自相关函数进行计算，其中所述基准频率为所述频谱中的所述逆变器电源的载波频率的整数倍的周边的最大波峰的频率；波峰间隔检测部，其通过求取所述基准频率周边的所述自相关函数的波峰的间隔，从而求取在所述基准频率周边存在的等间隔波峰的波峰间隔；对象波峰检测部，其提取在所述基准频率前后每隔所述波峰间隔存在的波峰作为对象波峰；电平降低部，其使所述频谱中所述对象波峰的频率分量的电平降低；傅里叶逆变换部，其对由所述电平降低部使所述对象波峰的频率分量的电平降低后的所述频谱进行傅里叶逆变换；以及判定部，其基于通过所述傅里叶逆变换而得到的振动时间波形，判定旋转机械的状态。所述电平降低部中的所述对象波峰的频率分量的电平的降低例如是将所述对象波峰的电平降低到波峰的峰脚的电平。

[0022] (发明效果)

[0023] 根据本发明所涉及的电磁振动分量的去除方法，能够从安装于由逆变器电源驱动的旋转机械的振动传感器的信号中高精度地去除逆变器电源所引起的电磁振动的频率分量。此外，根据本发明所涉及的旋转机械诊断方法以及旋转机械诊断装置，通过高精度地去除逆变器电源所引起的电磁振动分量，从而能够实现高精度的旋转机械诊断。

附图说明

[0024] 图1是本发明的实施方式所涉及的旋转机械诊断装置的结构图。

[0025] 图2是用于说明由旋转机械诊断装置执行的处理的流程图。

[0026] 图3A是示出加速度时间波形的曲线图。

[0027] 图3B是示出通过加速度时间波形的FFT而得到的频谱的曲线图。

[0028] 图3C是示出基准频率附近的频谱的曲线图。

[0029] 图4是示出从基准频率附近的频谱计算出的自相关函数的曲线图。

[0030] 图5是示出用于说明对象波峰的提取的、基准频率附近的频谱的曲线图。

[0031] 图6是示出波峰分量消除后的基准频率附近的频谱的曲线图。

[0032] 图7是示出通过波峰分量消除后的基准频率附近的频谱的逆FFT而得到的加速度时间波形的曲线图。

[0033] 图8是用于说明波峰分量消除的示意图。

[0034] (符号说明)

[0035] 1 旋转机械诊断装置

[0036] 2 逆变器电源

[0037] 3 电动机

[0038] 4 压电加速度传感器

[0039] 5 处理部

[0040] 6 预处理部

[0041] 7 存储部

[0042] 8 运算部

[0043] 9 输入部

[0044] 10 输出部

[0045] 11 放大器

[0046] 12 带通滤波器

[0047] 13 A/D变换器

[0048] 21 快速傅里叶变换部(傅里叶变换部)

[0049] 22 自相关函数计算部

[0050] 23 波峰间隔检测部

[0051] 24 对象波峰检测部

[0052] 25 波峰分量消除部(电平降低部)

[0053] 26 快速傅里叶逆变换部(傅里叶逆变换部)

[0054] 27 判定部。

具体实施方式

[0055] 以下说明的本发明的实施方式包括如下方法，即，去除安装于由逆变器电源驱动的旋转机械的振动传感器的信号中包含的逆变器电源所引起的电磁振动分量。在该方法中，为了确定逆变器电源所引起的电磁振动的频率分量，即使不提取某频率范围的全部波峰并从其位置关系求取波峰间隔并且不以调制频率为输入，也确定了成为电平降低的对象的波峰的间隔。即，关于逆变器电源所引起的波峰搜索，该方法具有以下的特征。

[0056] ·求取作为逆变器所引起的频率分量的特征的载波频率周边的等间隔的多个波峰(线频谱)的间隔。

[0057] ·在该波峰的间隔计算中不使用调制频率。

[0058] 图1示出本发明的实施方式所涉及的旋转机械诊断装置1。在本实施方式中成为诊断对象的旋转机械是由逆变器电源2驱动的电动机3。

[0059] 本实施方式中的旋转机械诊断装置1具备：压电加速度传感器(振动传感器)4，其安装于电动机3的轴承部；以及处理部5，其对来自压电加速度传感器4的信号进行处理。

[0060] 处理部5除了具备对来自压电加速度传感器4的输出进行必要的预处理的预处理部6之外，还具备存储部7、运算部8、输入部9以及输出部10。处理部5能够通过除了CPU之外还包含RAM、ROM那样的存储装置的硬件和安装于其中的软件来构建。

[0061] 在预处理部6中，来自压电加速度传感器4的输出由放大器11放大后，追加用于噪声去除的带通滤波器12，进而由A/D变换器13进行A/D(模拟/数字)变换。经过这些处理后的由压电加速度传感器4获取的电动机3的加速度时间波形存储在存储部7中。

[0062] 运算部8从存储于存储部7的加速度时间波形中去除源自逆变器电源2的电磁振动分量，并且根据已经去除电磁振动分量的加速度时间波形执行电动机3的状态的判定。判定结果例如输出到作为显示器的输出部10。

[0063] 本实施方式中的运算部8具备：快速傅里叶变换部(傅里叶变换部)21、自相关函数计算部22、波峰间隔检测部23、对象波峰提取部24、波峰分量消除部(电平降低部)25、快速傅里叶逆变换部(傅里叶逆变换部)26以及判定部27。

[0064] 由运算部8执行的处理的概要在图2的流程图(步骤S1～S13)中示出。快速傅里叶变换部21执行步骤S1。自相关函数计算部22执行步骤S3。波峰间隔检测部23执行步骤S4。对象波峰提取部24执行步骤S5、S8。波峰分量消除部25执行步骤S6、S9。快速傅里叶逆变换部26执行步骤S12。判定部27执行步骤S13。

[0065] 以下，参照图2来说明由运算部8执行的处理。在以下的说明中，根据需要，一并参照图3A至图7。图3A是由压电加速度传感器4获取到的加速度时间波形的一例，逆变器电源2的载波频率为12kHz，逆变器电源2的调制频率(输出频率)为20Hz的情况。图3B至图7是通过在运算部8中对图3A的加速度时间波形的处理而得到的各种波形。在以下的说明中，存在将图3A至图7总称为“参考例”的情况。

[0066] 首先，在步骤S1中，对加速度时间波形进行快速傅里叶变换，计算频谱。图3B是通过图3A的加速度时间波形的快速傅里叶变换而得到的频谱，在作为载波频率的12kHz和其2倍的24kHz的频带周边出现了线频谱。图3B是将图3A的频谱的12kHz附近进行了放大的图，出现了多个作为逆变器电源2的调制频率20Hz的2倍的40Hz间隔的波峰。另外，以逆变器电源的调制频率的整数倍的间隔出现波峰的情况，例如记载在专利文献2中。

[0067] 接着，在步骤S2中，决定基准频率fc。在此，所谓基准频率fc，是频谱中的逆变器电源2的载波频率的整数倍的周边(例如，12kHz±0.2kHz的范围)的最大波峰的频率。由于载波频率是从逆变器电源2的规格可知的，因此能够由用户指定大致的频率，即能够使用输入部9进行输入。也可以将频谱作为图像而显示在输出部10，由用户基于该显示来指定载波频率的整数倍的周边的最大波峰的频率。在参考例中，所指定的载波频率周边的最大的波峰的频率准确为11984.25Hz，将其设为基准频率fc。

[0068] 在步骤S3中，对于频谱计算自相关函数。自相关函数一般大多用于发现时间波形的周期性，但是在此针对频谱计算自相关。若计算频谱的自相关函数，则自相关函数的值按照频谱中的等间隔的波峰的每个波峰间隔而成为尖锐的波峰，通过程序处理来求取波峰间隔变得容易。

[0069] 自相关函数的计算对象的频谱不必设为整个范围，只要将其波峰显著的基准频率fc的周边范围设为对象即可。在参考例的情况下，由于逆变器电源2的调制频率(输出频率)的设定最大值为60Hz，因此可取的波峰的间隔最大为120Hz。在此时也取出并计算了基准频率fc的前后600Hz的范围。此外，自相关函数的滞后的范围也同样与基准频率fc的前后600Hz相当，并作为索引(index)而设为200点份(参考例中的快速傅里叶变换的频率分辨率为3.05Hz)。

[0070] 接着，在步骤S4中，根据由步骤S3得到的自相关函数，求取在基准频率fc的周边存在的等间隔波峰的波峰间隔P。

[0071] 图4是对参考例中的频谱(图3B、图3C)的基准频率fc频谱周边的自相关函数的正的滞后侧进行了绘制的图。若依次求取该自相关函数的波峰(向上凸)的位置的索引(滞后)的差分，则成为13、13、13、13、14、13……。在参考例中，将最频值13设为了波峰间隔P。波峰间隔P也可以是自相关函数的波峰的位置的索引差分的平均值。在参考例中，由于快速傅里叶变换的频率分辨率为3.05Hz，因此波峰间隔频率成为3.05×13＝39.65Hz间隔，能够确认与逆变器的调制频率20Hz的2倍的40Hz大致一致。

[0072] 接着，在步骤S5中，对于频谱，在频率比基准频率fc大的一侧提取每个波峰间隔P处的波峰作为对象波峰。由于波峰间隔P是离散值(索引单位)并且具有±1的误差，因此只要在使索引前进了波峰间隔P(参考例中为13)的±1的范围内存在波峰，则成为对象波峰。

[0073] 接着，执行在频谱中对象波峰的频率分量的电平的降低，即执行对象波峰点及其前后的点的频率分量的消除(波峰分量消除)。

[0074] 参照图8，说明波峰分量消除的一例。图8示意性地示出频谱的一部分。此外，在图8中，符号Xk表示对象波峰。首先，求取从对象波峰Xk的相邻点Xk+1到Xk+n的n个(在该例中为5个)的平均值A和标准偏差σ。若Xk+1与平均值A的差的绝对值大于标准偏差σ，则接下来对Xk+2至Xk+n+1进行同样的计算、判定，反复该处理，在与平均值的差低于标准偏差的点出现的时间点将该点设为波峰的峰脚的1点。针对对象波峰的相邻点Xk-1至Xk-n也进行同样的处理，决定另一个提取波峰的峰脚的点。在图8中，波峰Xk+2、Xk-2为峰脚点。接着，对两峰脚的点(波峰Xk+2、Xk-2)进行线性插值，消除两峰脚间的频率分量。将原始的傅里叶变换结果的(取绝对值之前的复数的)实数和虚数的成分乘以通过插值而降低的比率来使其降低。符号L表示进行了插值的直线。

[0075] 步骤S5、S6重复指定个数。即，针对全部对象波峰，执行步骤S5、S6。

[0076] 接着，关于频谱，对于频率比基准频率fc小的一侧，执行与步骤S5、S6相同的处理，即执行对象波峰的提取和波峰分量的消除(步骤S8～S10)。

[0077] 若设定有其他基准频率fc，则对该基准频率fc执行步骤S2～S11的处理(步骤S11)。

[0078] 在图5中，对频谱中的对象波峰附加圆圈记号来示出。

[0079] 图6是使所提取的波峰降低，对两峰脚进行线性插值，并将两峰脚间的频率分量消除后的频谱。原始的频谱也用虚线浅淡地示出。以上，电磁振动分量的去除完成。

[0080] 接着，在步骤S12中，对波峰分量消除后的频谱(在参考例中为图6)进行快速傅里叶逆变换，返回至加速度时间波形。图7示出参考例中的电磁振动分量去除处理后的加速度波形，并浅淡地示出了去除处理前的加速度时间波形。若比较去除处理前后的加速度振幅的RMS值，则去除处理前为2.48m/s2，而去除处理后为0.64m/s2，能够确认已经降低了74％。

[0081] 接着，在步骤S13中，使用电磁振动分量去除处理后的加速度时间波形(在参考例中为图7)，来执行与电动机3的振动状态相关的判定。这样的判定的例子已知很多种，例如在加速度振幅超过了预先设定的阈值的情况下判断为发生了异常振动。也可以将判定结果输出到输出部10。电磁振动分量去除处理后的加速度时间波形也可以经过各种滤波器处理，利用于简易诊断、精密诊断(在非专利文献1等中记载有这样的诊断)。

[0082] 根据本实施方式，在由逆变器电源2驱动的旋转机械的振动诊断中，能够与逆变器电源2的调制频率即电动机3的转速无关地高精度地去除压电加速度传感器4的信号中包含的逆变器电源2所引起的电磁振动分量。结果，能够将以往的振动诊断的基准直接应用于去除了电磁振动分量的数据，能够进行更准确的设备诊断。

[0083] 在实施方式中，以压电型加速度传感器4为例进行了说明，但是对于电动型速度传感器、非接触式位移传感器等也能够应用本发明。在实施方式中，以振动传感器的输出信号是振动加速度的情况为例进行了说明，但也可以是对振动加速度进行了积分的速度、或者进一步进行了积分的位移。传感器设置部位设为了电动机的轴承部，但也可以是电动机以外的旋转机械，传感器设置部位也可以是旋转机械的牢固的壳体部。