KR102676587B1 - On-line fault diagnosis method for motor of machine tool - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전동기의 결함 진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 현장에서 작동 중인 진단 대상의 전동기의 결함을 정확히 진단할 수 있는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하기 위하여, a) 공작기계용 진단 대상 전동기의 작동 동안 시간에 따른 상기 전동기의 전류신호를 측정하는 전류신호 측정단계(S11)와; b) 상기 전류신호 측정단계(S11)에서 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 시간에 따른 전류신호의 실효값을 계산하는 실효값 계산단계(S12)와; c) 상기 전류신호의 실효값의 시간에 따른 변동폭을 기초로 상기 전류신호의 실효값에 대한 정상구간(steady state)이 존재하는지 여부를 체크하는 정상구간 확인단계(S13)와; d) 상기 정상구간이 존재하는 경우, 상기 정상구간에서의 전류신호를 주파수분석 하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 진단단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법을 개시한다.The present invention relates to a defect diagnosis method for an electric motor, and more specifically, to an on-line defect diagnosis method for an electric motor for a machine tool that can accurately diagnose a defect in an electric motor being diagnosed in operation in the field.
The present invention is to diagnose the presence/absence or light/medium/non-fault of an electric motor, a) a current signal measurement step (S11) of measuring the current signal of the electric motor over time during operation of the electric motor to be diagnosed for a machine tool; ; b) an effective value calculation step (S12) of calculating the effective value of the current signal over time using the current signal of the motor measured in the current signal measurement step (S11); c) a steady state checking step (S13) of checking whether a steady state exists for the effective value of the current signal based on the fluctuation range of the effective value of the current signal over time; d) If the normal section exists, a motor diagnosis step of analyzing the frequency of the current signal in the normal section to diagnose the presence/absence or light/medium/non-fault of the motor. Discloses an on-line fault diagnosis method.
Description
본 발명은 전동기의 결함 진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 속도 및 부하가 가변 하면서 작동 중인 진단 대상의 전동기의 결함을 정확히 진단할 수 있는 전동기의 온-라인 결함 진단 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fault diagnosis method for an electric motor, and more specifically, to an on-line fault diagnosis method for an electric motor that can accurately diagnose a fault in an electric motor being diagnosed while operating while changing speed and load.
주지된 바와 같이 전동기는 작동 중에 고정자 권선(stator winding) 층간 단락, 회전자 바(rotator bar) 단락, 회전자의 동적 편심 및 정적 편심 등과 같은 다양한 결함들이 발생하게 된다. 또한 이러한 결함들은 전동기가 작동함에 따라 단독으로 발생하거나 복합적으로 발생(여러 종류의 결함이 동시에 발생)할 수 있다.As is well known, various defects occur during operation of electric motors, such as stator winding interlayer short circuit, rotor bar short circuit, dynamic eccentricity and static eccentricity of the rotor, etc. Additionally, these defects may occur singly or in combination (several types of defects occur simultaneously) as the motor operates.
상기한 결함들이 발생한 경우 전동기의 작동 중 안전사고로 연결될 수 있으므로 전동기의 상태를 정확하게 진단할 수 있는 방법이 다양하게 연구되고 있다.Since the occurrence of the above defects may lead to a safety accident during operation of the electric motor, various methods for accurately diagnosing the condition of the electric motor are being studied.
이에 산업현장에서의 회전기기(팬, 펌프, 압축기, 교반기 등) 또는 왕복운동 기기들에 사용되는 전동기의 전류, 전압, 자속, 온도, 진동 신호 등의 데이터를 현장에서 획득하여 전동기 고정자 권선의 절연 이상, 회전자의 파손, 공극의 불안정 등을 진단하고, 과도 전류에 의한 베어링 또는 축 손상 등의 모니터링과 정확한 상태 진단, 수명 예측, 그리고 결함의 조기 발견을 수행할 수 있도록 다양한 기법들을 활용하는 새로운 진단 기술들이 개발되고 있다.Accordingly, data such as current, voltage, magnetic flux, temperature, and vibration signals of electric motors used in rotating machines (fans, pumps, compressors, agitators, etc.) or reciprocating motion machines in industrial sites are acquired on site and the stator winding of the electric motor is insulated. A new technique that utilizes a variety of techniques to diagnose abnormalities, rotor damage, air gap instability, monitor bearing or shaft damage due to transient current, accurately diagnose status, predict life, and detect defects early. Diagnostic technologies are being developed.
예로서, 한국공개특허 제10-2015-0089722호는 소비전력을 이용한 공작기계의 고장 진단 장치 및 그 방법으로, 보다 구체적으로, 미리 설정된 구동 시험용 공작기계 프로그램에 따라 공작기계 구동 시험을 실행하고 그 구동 시험중에 측정된 소비 전력과 미리 저장된 정상 또는 이상 동작의 소비전력 패턴과 비교를 통해 공작기계의 고장을 진단하는 기술을 개시한다.For example, Korean Patent Publication No. 10-2015-0089722 is a machine tool failure diagnosis device and method using power consumption, and more specifically, a machine tool drive test is performed according to a preset drive test machine tool program and the machine tool drive test is performed. A technology for diagnosing machine tool failures is disclosed by comparing the power consumption measured during a drive test with a pre-stored power consumption pattern of normal or abnormal operation.
그러나, 상기 선행기술은 공작기계의 상태 진단을 위해서 항상 실 가공전에 미리 설정된 구동 시험용 공작기계 프로그램에 따라 공장기계를 구동해야 하는 시간적인 손실이 발생할 수 있다.However, in the prior art, in order to diagnose the condition of the machine tool, the factory machine must always be driven according to a preset driving test machine tool program before actual processing, which may result in time loss.
또한, 이상 상태 진단을 위해서 DB와 된 정상 또는 이상 동작의 소비전력 패턴이 필요하며, 이러한 패턴은 각 공작기계마다 상이하므로 새로운 공작기계(스핀들 및 서보 전동기)에 적용시 정상 또는 이상 동작 소비전력 패턴을 새롭게 DB화 해야 하는 문제점이 있다.In addition, in order to diagnose abnormal conditions, the power consumption pattern of normal or abnormal operation in the DB is required. Since these patterns are different for each machine tool, the normal or abnormal operation power consumption pattern is applied to a new machine tool (spindle and servo motor). There is a problem that requires a new DB.
다른 예로서, 한국등록특허 제10-1343403호는 공작기계 운전시의 이상 검출방법으로, 보다 구체적으로, 공작기계의 모터 구동유닛의 전력선에 전류센서와 전압센서를 각각 설치하고, 공구의 종류와 가공 방법 등을 설정하는 준비단계와; 공작기계의 출력이 정상인 상태에서 제품을 가공하면서 부하값을 측정하는 기준파형 획득단계와; 모니터링 구간 설정단계와; 모니터링 구간내에서 최대 부하값과 최소 부하값을 기준으로 알람이 발생하는 영역을 설정하는 허용한계 설정단계 및; 소재의 실제 가공시 발생하는 가공부하를 지속적으로 획득하여 이를 허용 한계값과 비교 분석하여 정상 여부를 판단하는 단계를 포함한다.As another example, Korean Patent No. 10-1343403 is a method for detecting abnormalities when operating a machine tool, and more specifically, installs a current sensor and a voltage sensor on the power line of the motor drive unit of the machine tool, respectively, and determines the type of tool and A preparatory step of setting processing methods, etc.; A reference waveform acquisition step of measuring the load value while processing the product while the output of the machine tool is normal; A monitoring section setting step; An allowable limit setting step of setting an area where an alarm occurs based on the maximum load value and minimum load value within the monitoring section; It includes the step of continuously acquiring the processing load that occurs during actual processing of the material and comparing it with the allowable limit value to determine whether it is normal.
그러나, 상기 선행특허는 소비전력을 측정하기 위해 모터 구동유닛의 전력선에 전류센서와 전압센서를 각각 설치해야 하고, 공구 이상상태뿐만 아니라 모터의 이상상태에 따라 소비전력이 변할 수 있으므로 두 경우의 고장을 분류할 수 없는 문제점이 있다.However, the prior patent requires installing a current sensor and a voltage sensor on the power line of the motor drive unit to measure power consumption, and the power consumption may vary depending on the abnormal condition of the motor as well as the abnormal condition of the tool, so failure in both cases is possible. There is a problem that cannot be classified.
또한, 소비 전력은 특정 공구와 가공 방법에 따라 그 패턴이 변하고 공작기계에는 여러 공구가 존재하며 다양한 가공 방법에 따라 소재를 가공하므로, 이상상태를 진단하기 위한 기준이 되는 정상 상태의 소비 전력 패턴이 종류가 과다하게 된다.In addition, the pattern of power consumption changes depending on the specific tool and processing method, and since several tools exist in machine tools and materials are processed according to various processing methods, the normal power consumption pattern, which serves as a standard for diagnosing abnormal conditions, is There are too many types.
그러므로, 사용자가 소재를 가공하기 전에 기준 소비 전력 패턴을 얻기 위해 정상 상태에서의 샘플 가공을 항상 수행해야 하는 문제점이 있다.Therefore, there is a problem in that the user must always perform sample processing in a steady state to obtain a standard power consumption pattern before processing the material.
한편, 한국등록특허 제10-1140613호는 전동기의 결함진단방법에 관한 기술로, 보다 구체적으로, 전류신호 또는 전류신호 및 진동신호를 이용하여 주파수분석을 통해 전동기의 결함을 진단하는 방법을 개시한다.Meanwhile, Korean Patent No. 10-1140613 describes a method for diagnosing defects in electric motors. More specifically, it discloses a method for diagnosing defects in electric motors through frequency analysis using current signals or current signals and vibration signals. .
본 발명의 목적은, 진단 대상의 전동기로부터 그 상태를 나타내는 전류신호를 측정하고 분석대상 전류신호를 추출하여 주파수분석 함으로써 전동기의 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심, 등과 같은 결함들을 정확히 진단할 수 있는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법을 제공하는 데 있다.The purpose of the present invention is to accurately detect defects such as stator winding defects, rotor bar defects, rotor eccentricity, etc. of the motor by measuring the current signal indicating the state from the electric motor to be diagnosed, extracting the current signal to be analyzed, and analyzing the frequency. The goal is to provide an on-line fault diagnosis method for machine tool electric motors.
본 발명은, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하기 위하여, a) 현장에 설치된 진단 대상 전동기의 작동 동안 시간에 따른 상기 전동기의 전류신호를 측정하는 전류신호 측정단계(S11)와; b) 상기 전류신호 측정단계(S11)에서 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 시간에 따른 전류신호의 실효값을 계산하는 실효값 계산단계(S12)와; c) 상기 전류신호의 실효값의 시간에 따른 변동폭을 기초로 상기 전류신호의 실효값에 대한 정상구간(steady state)이 존재하는지 여부를 체크하는 정상구간 확인단계(S13)와; d) 상기 정상구간이 존재하는 경우, 상기 정상구간에서의 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산하는 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)와; e) 상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)에서 산출된 회전주파수와 슬립을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 전동기의 현재 상태가 반영된 특징값을 계산하고 계산된 특징값과 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 전동기 결함의 진단을 위한 파라미터를 계산하는 진단 파라미터 계산 단계(S16)와; f) 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 결함의 진단 파라미터를 이용하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 상태 진단 단계(S17);를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법을 개시한다.The present invention was created to achieve the purpose of the present invention as described above, in order to diagnose the presence/absence or light/medium/non-fault of an electric motor, a) according to time during the operation of the electric motor to be diagnosed installed in the field. A current signal measurement step (S11) of measuring the current signal of the electric motor; b) an effective value calculation step (S12) of calculating the effective value of the current signal over time using the current signal of the motor measured in the current signal measurement step (S11); c) a steady state checking step (S13) of checking whether a steady state exists for the effective value of the current signal based on the fluctuation range of the effective value of the current signal over time; d) when the normal section exists, a rotational frequency/slip calculation step (S14, S15) of calculating the rotational frequency and slip using the current signal in the normal section; e) Calculate a characteristic value reflecting the current state of the motor from a predetermined calculation formula using the rotation frequency and slip calculated in the rotation frequency/slip calculation steps (S14, S15), and calculate the characteristic value and the measured current signal of the motor. A diagnostic parameter calculation step (S16) of calculating parameters for diagnosing an electric motor defect using; f) an electric motor status diagnosis step (S17) of diagnosing the presence/absence or light/medium/non-occurrence of a defect in the electric motor using the diagnostic parameters of the defect calculated in the diagnostic parameter calculation step (S16); Disclosed is an on-line fault diagnosis method for electric motors for machine tools.
상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)는, 상기 정상구간에서의 시간에 따른 전류신호를 주파수변환하고 상기 주파수변환된 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산할 수 있다.In the rotation frequency/slip calculation steps (S14, S15), the current signal according to time in the normal section is frequency converted and the rotation frequency and slip can be calculated using the frequency converted current signal.
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)는, 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심 중 적어도 하나 이상에 대한 파라미터를 계산할 수 있다.The diagnostic parameter calculation step (S16) may calculate parameters for at least one of a stator winding defect, a rotor bar defect, and a rotor eccentricity.
상기 특징값은, 결함 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수일 수 있다.The characteristic value may be a defect frequency at which an abnormal signal occurs when a defect occurs.
상기 고정자 권선 결함을 진단하기 위한 특징값은 하기 식 (E) 또는 (F)로부터 계산될 수 있다.Characteristic values for diagnosing the stator winding defect can be calculated from the following equation (E) or (F).
(fstator - Independ .: 9차 전원 공급 주파수 방식으로 계산된 결함주파수임) (f stator - Independ . : Fault frequency calculated using the 9th power supply frequency method)
(f0: 전원 공급 주파수, l: 1, 2, 3,……, k: 1, 3, 5,……, P : 극 쌍 수, s : 슬립임)(f 0 : power supply frequency, l: 1, 2, 3,……, k: 1, 3, 5,……, P: number of pole pairs, s: sleep)
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)은, 전원 공급 주파수에서의 신호의 크기와 결함주파수에서의 신호의 크기 간 차이를 계산할 수 있다.The diagnostic parameter calculation step (S16) may calculate the difference between the signal size at the power supply frequency and the signal size at the fault frequency.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 전원 공급 주파수에서의 신호의 크기와 결함주파수에서의 신호의 크기 간 차를 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함의 유/무 또는 결함의 경/중/무를 진단할 수 있다.The motor condition diagnosis step (S17) compares the difference between the size of the signal at the power supply frequency calculated in the diagnostic parameter calculation step (S16) and the size of the signal at the fault frequency with a preset threshold. It is possible to diagnose no defect or mild/moderate/no defect.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 e) 단계에서 계산된 진단 파라미터 값을 f) 단계에서 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함발생 유/무를 진단할 수 있다.In the motor condition diagnosis step (S17), the presence/absence of a defect can be diagnosed by comparing the diagnostic parameter value calculated in step e) with a preset threshold in step f).
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 e) 단계에서 계산된 진단 파라미터 값을 f) 단계에서 미리 설정된 각 결함별 하 임계치 및 상 임계치와 비교하여 각 결함의 경/중/무를 진단할 수 있다.The motor condition diagnosis step (S17) compares the diagnostic parameter value calculated in step e) with the lower threshold and upper threshold for each defect preset in step f) to diagnose the light/medium/none of each defect. .
본 발명에 따른 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법은, 현장에서 작동 중인 진단 대상의 전동기로부터 그 상태를 나타내는 전류신호를 측정하고 분석대상 전류신호를 추출하여 주파수분석 함으로써 전동기의 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심, 등과 같은 결함들을 정확히 진단할 수 있는 이점이 있다.The on-line fault diagnosis method of an electric motor for machine tools according to the present invention measures a current signal indicating the state from the electric motor to be diagnosed while operating in the field, extracts the current signal to be analyzed, and analyzes the frequency to determine the stator winding defect of the electric motor. , there is an advantage in accurately diagnosing defects such as rotor bar defects, rotor eccentricity, etc.
구체적으로, 본 발명에 따른 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법은, 전동기의 결함 진단시 기준 데이터를 얻기 위하여 모의가공 또는 샘플가공을 거치지 않고 공작기계의 실 가공시 측정되는 데이터 만을 활용하여 전동기의 결함을 진단하므로 전동기의 결함 진단에 소요되는 시간을 절감할 수 있는 이점이 있다.Specifically, the on-line fault diagnosis method of an electric motor for a machine tool according to the present invention utilizes only data measured during actual processing of a machine tool without going through simulation or sample processing to obtain reference data when diagnosing a fault in an electric motor. Since it diagnoses motor defects, it has the advantage of reducing the time required to diagnose motor defects.
또한, 본 발명에 따른 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법은, 전압센서를 이용하지 않고 진단 대상의 전동기로부터 고정자 전류신호만을 검출하여 주파수분석을 통해 결함을 진단하므로 전동기의 결함 진단에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.In addition, the on-line fault diagnosis method of an electric motor for machine tools according to the present invention detects only the stator current signal from the motor to be diagnosed without using a voltage sensor and diagnoses the fault through frequency analysis, so it is necessary to diagnose the fault of the motor. There is an advantage in reducing costs.
그리고, 본 발명에 따른 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법은, 특정 결함에 관련된 전류신호의 주파수분석을 통해 전동기의 결함을 진단하므로 공구, 가공방법, 모터종류(스핀들모터, 서보모터 etc.)에 관계 없이 진단 방법을 적용할 수 있는 이점이 있다.In addition, the on-line defect diagnosis method of an electric motor for machine tools according to the present invention diagnoses defects in the electric motor through frequency analysis of current signals related to a specific defect, so the tool, processing method, motor type (spindle motor, servomotor, etc. .) has the advantage of being able to apply the diagnostic method regardless.
도 1은 본 발명에 따른 전동기의 온-사이트 복합 결함 진단 방법이 수행되는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 2는 결함 진단 대상 전동기에서 시간에 따른 고정자 전류신호의 실효값을 보여주는 시간-전류실효값 그래프이다.
도 3은 7.5kW 4극 정상 전동기에서 측정된 부하에 따른 전류신호의 그래프이다.
도 4 및 도 5는 정상 전동기와 고정자 권선 결함 상태의 전동기를 비교하여 나타낸 전류신호의 그래프이다.
도 6은 7.5kW 4극 정상 전동기, 회전자 바 결함 경, 회전자 바 결함 중 상태의 전동기에 대한 전부하 상태의 전류신호 그래프이다.1 is a flowchart explaining the process of performing the on-site complex fault diagnosis method for an electric motor according to the present invention.
Figure 2 is a time-current rms value graph showing the rms value of the stator current signal over time in the motor subject to fault diagnosis.
Figure 3 is a graph of current signals according to load measured in a 7.5kW 4-pole normal motor.
Figures 4 and 5 are graphs of current signals comparing a normal motor and a motor with a stator winding defect.
Figure 6 is a graph of current signals in a full load state for a 7.5 kW 4-pole normal motor, a rotor bar defective motor, and a motor in a rotor bar defective state.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
본 발명은 공작기계용 진단 대상의 전동기로부터 그 상태를 나타내는 신호를 측정하여 전동기의 결함을 진단할 수 있는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법 에 관한 것으로서, 특히 전동기의 고정자 권선(stator winding) 결함(고정자 권선 층간 단락), 회전자 바(rotator bar) 결함(회전자 바 단락), 회전자 편심(정적 편심, 동적 편심)을 정확히 진단할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an on-line fault diagnosis method of an electric motor for machine tools that can diagnose defects in the electric motor by measuring signals indicating the state from the electric motor that is the object of diagnosis for machine tools. In particular, the stator winding of the electric motor ) It is about a method to accurately diagnose defects (stator winding interlayer short circuit), rotor bar defects (rotor bar short circuit), and rotor eccentricity (static eccentricity, dynamic eccentricity).
상기 공작기계용 진단 대상 전동기는, 스핀들 전동기 또는 서보 전동기일 수 있다.The electric motor to be diagnosed for the machine tool may be a spindle motor or a servo motor.
상기 공작기계용 진단 대상 전동기가 스핀들모터인 경우, 전동기의 고정자 권선(stator winding) 결함(고정자 권선 층간 단락), 회전자 바(rotator bar) 결함(회전자 바 단락), 회전자 편심(정적 편심, 동적 편심)을 진단할 수 있으며, 상기 공작기계용 진단 대상 전동기가 서보모터인 경우, 전동기의 고정자 권선(stator winding) 결함(고정자 권선 층간 단락), 회전자 편심(정적 편심, 동적 편심)을 진단할 수 있다.If the electric motor subject to diagnosis for the machine tool is a spindle motor, the motor's stator winding defect (stator winding interlayer short circuit), rotor bar defect (rotor bar short circuit), rotor eccentricity (static eccentricity) , dynamic eccentricity) can be diagnosed, and if the motor to be diagnosed for the machine tool is a servomotor, the motor's stator winding defect (stator winding interlayer short circuit) and rotor eccentricity (static eccentricity, dynamic eccentricity) can be diagnosed. It can be diagnosed.
또한 본 발명의 진단 방법은 위의 결함들 중 단독 결함 발생 또는 복합 결함 발생(여러 종류의 결함이 동시에 발생)을 모두 진단할 수 있도록 구성되며, 발생 결함의 종류(각 결함의 발생 유/무)뿐만 아니라 발생 결함의 경/중 진단도 가능하도록 구성된다.In addition, the diagnostic method of the present invention is configured to diagnose both single defect occurrence or complex defect occurrence (several types of defects occurring simultaneously) among the above defects, and the type of defect that occurs (whether or not each defect occurs). In addition, it is configured to enable diagnosis of minor/moderate defects.
상기와 같은 본 발명에서 결함의 발생 유/무, 결함의 경/중과 같은 전동기의 상태를 알기 위하여 측정되는 신호는, 후술하는 바와 같이 전동기의 작동 중 전류센서에 의해 측정되는 고정자 전류신호다.In the present invention as described above, the signal measured to determine the state of the motor, such as the presence/absence of a defect and the severity/severity of the defect, is a stator current signal measured by a current sensor during operation of the motor, as will be described later.
전류신호를 이용하는 경우에 있어서 일반적인 유도전동기의 3상 전류에 대한 데이터를 모두 수득하여 분석할 수 있으나, 전동기의 결함 진단시 1상의 전류신호의 데이터만으로도 충분한 분석이 가능하므로, 본 발명에서는 작업의 단순화를 고려하여 1상의 전류신호에 대한 데이터 수득 및 분석이 이루어지도록 구성될 수 있다.When using a current signal, all data on the three-phase current of a general induction motor can be obtained and analyzed. However, when diagnosing a fault in an electric motor, sufficient analysis is possible with only the data of the one-phase current signal, so the present invention simplifies the work. Considering this, it can be configured to obtain and analyze data on the current signal of one phase.
도 1은 본 발명에 따른 전동기의 온-사이트 복합 결함 진단 방법이 수행되는 과정을 설명하는 순서도이다.1 is a flowchart explaining the process of performing the on-site complex fault diagnosis method for an electric motor according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 결함 진단 방법은, a) 공작기계용 진단 대상 전동기의 작동 동안 시간에 따른 상기 전동기의 전류신호를 측정하는 전류신호 측정단계(S11)와; b) 상기 전류신호 측정단계(S11)에서 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 시간에 따른 전류신호의 실효값을 계산하는 실효값 계산단계(S12)와; c) 상기 전류신호의 실효값의 시간에 따른 변동폭을 기초로 상기 전류신호의 실효값에 대한 정상구간(steady state)이 존재하는지 여부를 체크하는 정상구간 확인단계(S13)와; d) 상기 정상구간이 존재하는 경우, 상기 정상구간에서의 전류신호를 주파수분석 하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 진단단계를 포함하여 구성된다.As shown, the defect diagnosis method of the present invention includes a) a current signal measurement step (S11) of measuring the current signal of the electric motor over time during operation of the electric motor to be diagnosed for a machine tool; b) an effective value calculation step (S12) of calculating the effective value of the current signal over time using the current signal of the motor measured in the current signal measurement step (S11); c) a steady state checking step (S13) of checking whether a steady state exists for the effective value of the current signal based on the fluctuation range of the effective value of the current signal over time; d) If the normal section exists, it includes a motor diagnosis step of analyzing the frequency of the current signal in the normal section to diagnose the presence/absence or light/medium/non-fault of the motor.
상기 전동기 진단단계는, 전류신호 측정단계(S11), 실효값 계산단계(S12) 및 정상구간 확인단계(S13)를 거쳐 선별된 전류신호를 주파수분석하여 결함을 진단할 수 있다면 다양한 주파수분석 방법이 적용될 수 있다.In the motor diagnosis step, if the fault can be diagnosed by frequency analysis of the current signal selected through the current signal measurement step (S11), the effective value calculation step (S12), and the normal section confirmation step (S13), various frequency analysis methods can be used. It can be applied.
일 실시예에서, 상기 전동기 진단단계는, e) 상기 정상구간에서의 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산하는 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)와; f) 상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)에서 산출된 회전주파수와 슬립을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 전동기의 현재 상태가 반영된 특징값을 계산하고 계산된 특징값과 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 전동기 결함의 진단을 위한 파라미터를 계산하는 진단 파라미터 계산 단계(S16)와; g) 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 결함의 진단 파라미터를 이용하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 상태 진단 단계(S17);를 포함할 수 있다.In one embodiment, the motor diagnosis step includes: e) a rotation frequency/slip calculation step (S14, S15) of calculating the rotation frequency and slip using the current signal in the normal section; f) Calculate a characteristic value reflecting the current state of the motor from a predetermined calculation formula using the rotation frequency and slip calculated in the rotation frequency/slip calculation step (S14, S15), and calculate the characteristic value and the measured current signal of the motor. A diagnostic parameter calculation step (S16) of calculating parameters for diagnosing an electric motor defect using; g) an electric motor status diagnosis step (S17) of diagnosing the presence/absence or light/medium/non-occurrence of a defect in the electric motor using the diagnostic parameters of the defect calculated in the diagnostic parameter calculation step (S16).
한편, 상기 결함 진단 방법은, 전류신호 측정단계(S11) 전에, 전동기 정보 입력 단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the fault diagnosis method may further include a motor information input step before the current signal measurement step (S11).
상기 전동기 정보 입력 단계는, 결함 진단 방법을 적용함에 있어서 필요한 전동기의 정보를 입력하는 단계로서, 결함 진단 방법을 적용함에 있어서 필요한 전동기 정보는 진단 대상 전동기의 극 수(= 2P, 여기서 P는 극 쌍(pole pairs) 수), 전원 공급 주파수(supply frequency)(f0), 회전자 슬롯(또는 봉) 수(Z), 정격속도 등을 들 수 있다.The motor information input step is a step of inputting information on the motor necessary for applying the fault diagnosis method. The motor information required for applying the fault diagnosis method is the number of poles of the motor to be diagnosed (= 2P, where P is the pole pair) (number of pole pairs), power supply frequency (f 0 ), number of rotor slots (or rods) (Z), rated speed, etc.
하기 표 1은 전동기 정보의 일례를 나타낸다.Table 1 below shows an example of electric motor information.
이하, 도 1과 더불어 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 결함 진단 과정에 대해서 각 단계별로 구분하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 2 to 6 in addition to FIG. 1, the defect diagnosis process according to the present invention will be described in more detail by dividing each step.
전류신호 측정단계(S11)Current signal measurement step (S11)
진단 대상이 되는 전동기의 정보 입력 단계가 수행되고 나면, 측정 데이터를 입력받는 단계, 즉 진단 대상 전동기의 작동 동안 시간에 따른 상기 전동기의 전류신호를 측정하는 전류신호 측정단계(S11)가 수행된다.After the step of inputting information about the motor to be diagnosed is performed, the step of receiving measurement data, that is, the current signal measurement step (S11) of measuring the current signal of the motor over time during operation of the motor to be diagnosed is performed.
이때, 전동기의 상태를 나타내는 전류신호로서 전류센서에 의해 측정되는 1상의 전류신호를 입력받는다.At this time, a one-phase current signal measured by a current sensor is input as a current signal indicating the state of the motor.
상기 전류신호 측정단계(S11)는, 전동기의 작동 시작부터 작동 완료까지의 작동시간 또는 미리 정해진 시간동안 시간에 따른 전동기의 고정자 전류를 측정할 수 있다. 전류신호만를 이용하는 경우 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심에 대한 진단이 수행될 수 있다.The current signal measurement step (S11) may measure the stator current of the electric motor over time during the operating time from the start of operation of the motor to completion of operation or a predetermined time. When using only the current signal, diagnosis of stator winding defects, rotor bar defects, and rotor eccentricity can be performed.
실효값 계산단계(S12)Effective value calculation step (S12)
다음 단계로서, 전류신호 측정단계(S11)를 통하여 얻어진 전동기의 작동 시작부터 작동 완료까지의 작동시간 동안 또는 미리 정해진 시간 동안 시간에 따른 전동기의 고정자 전류신호에 대한 실효값을 계산한다(S12).As a next step, calculate the effective value of the stator current signal of the motor according to time during the operation time from the start of operation of the motor to the completion of operation obtained through the current signal measurement step (S11) or for a predetermined time (S12).
진단 대상이 되는 전동기에서 측정되는 전류신호는 시점에 따라 전류신호의 변동이 발생할 수 있다.Current signals measured from motors subject to diagnosis may vary depending on the timing.
다시말해, 전동기는 작동과정에서 무부하 상태로 작동되는 시간구간과 부하가 걸린 상태로 작동되는 시간구간이 있으며, 무부하 상태에서 부하 상태로 또는 부하 상태에서 무부하 상태로 변화되는 상태에서 작동되는 시간구간이 존재한다.In other words, during the operation of an electric motor, there is a time section in which it operates in a no-load state and a time section in which it operates in a loaded state, and a time section in which it operates while changing from a no-load state to a loaded state or from a loaded state to an unloaded state. exist.
따라서, 실효값 계산단계(S12)에서 계산되는 전류신호의 실효값은 시간에 따라 변동된다.Therefore, the effective value of the current signal calculated in the effective value calculation step (S12) varies with time.
예로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 실효값 계산단계(S12)에서 계산되는 전류실효값(Irms)는, 전동기가 작동되는 작동시간구간(0s~t4) 또는 미리정해진 시간구간(0s~t4) 동안 전동기에 걸리는 부하의 크기에 따라 변동될 수 있다.For example, as shown in FIG. 2, the effective current value (Irms) calculated in the effective value calculation step (S12) is the operating time interval (0s to t4) or a predetermined time interval (0s to t4) in which the electric motor is operated. ) may vary depending on the size of the load applied to the motor.
도 2에서, 구간 I(t1)는 무부하 상태에서의 전동기 전류신호이고, 구간 Ⅱ(t2)는 무부하 상태에서 부하 상태로 변화되는 과도상태에서의 전동기의 전류신호이며, 구간 Ⅲ(t3)는 부하 상태에서의 전동기의 전류신호이며, 구간 Ⅳ(t4)는 부하 상태에서 무부하 상태로 변화되는 과도상태에서의 전동기의 전류신호에 대응되는 전류실효값(Irms)을 의미할 수 있다.In Figure 2, section I(t1) is the motor current signal in the no-load state, section II(t2) is the current signal of the motor in the transient state changing from the no-load state to the load state, and section III(t3) is the load state. It is the current signal of the motor in the state, and section Ⅳ(t4) may mean the effective current value (Irms) corresponding to the current signal of the motor in the transient state changing from the load state to the no-load state.
정상구간 확인단계(S13)Normal section confirmation step (S13)
다음 단계로서, 실효값 계산단계(S12)를 통해 얻어진 전류신호의 실효값의 시간에 따른 변동폭을 기초로 전류신호의 실효값에 대한 정상구간(steady state)이 존재하는지 여부를 체크한다.As a next step, it is checked whether a steady state for the effective value of the current signal exists based on the variation range of the effective value of the current signal over time obtained through the effective value calculation step (S12).
여기서, 정상구간이란, 시간에 따른 전동기 전류신호의 실효값이 일정하게 나타나는 시간구간을 의미할 수 있다.Here, the normal section may mean a time section in which the effective value of the motor current signal over time appears consistently.
다만, 전동기의 실제 작동환경에서 전류신호의 실효값이 일정 시간구간 동안 동일한 값으로 측정되는 것은 불가능하므로, 정상구간은 시간에 따른 전동기 전류신호의 실효값의 변동폭을 미리 설정된 변동허용치와 비교하여 실효값의 변동폭이 변동허용치 내에 포함되는 시간구간으로 정의함이 바람직하다.However, in the actual operating environment of the motor, it is impossible for the effective value of the current signal to be measured at the same value during a certain time period, so the normal section is determined by comparing the variation range of the effective value of the motor current signal over time with a preset fluctuation tolerance value. It is desirable to define it as a time interval in which the fluctuation range of the value is included within the fluctuation tolerance.
변동허용치는 실험을 통해 최적의 값으로 결정될 수 있다.The tolerance for variation can be determined as the optimal value through experimentation.
예로서, 실효값 계산단계(S12)에서 얻어진 전류신호의 실효값이 도 2와 같이 나타나는 경우, 실효값에 대한 정상구간은, 구간 I(0~t1, t1) 및 구간 Ⅲ(t2~t3, t3)에 해당할 수 있다.For example, when the RMS value of the current signal obtained in the RMS calculation step (S12) appears as shown in FIG. 2, the normal section for the RMS value is section I (0~t1, t1) and section Ⅲ(t2~t3, It may correspond to t3).
이때, 전류신호의 실효값의 변동폭이 큰 구간 Ⅱ(t1~t2, t2) 및 구간 Ⅳ(t3~t4, t4)는, 정상구간이 아닌 과도구간(Transient state)에 해당된다.At this time, section II (t1~t2, t2) and section IV (t3~t4, t4), in which the effective value of the current signal has a large variation, correspond to a transient state rather than a normal section.
회전주파수/슬립 산출 단계(S14~S15)Rotation frequency/slip calculation step (S14~S15)
다음 단계로서, 정상구간 확인단계(S13)에서 실효값에 대한 정상구간이 존재하는 것으로 확인되는 경우, 정상구간에서의 전류신호를 추출한다(S14).As a next step, if it is confirmed that a normal section for the effective value exists in the normal section confirmation step (S13), the current signal in the normal section is extracted (S14).
다음으로, 정상구간에서의 전류신호의 도메인을 시간(t)에서 주파수(f)로 변환하는 주파수변환을 수행한다.Next, frequency conversion is performed to convert the domain of the current signal in the normal section from time (t) to frequency (f).
예로서, 상기 주파수변환은 정상구간에서의 전류신호에 대한 FFT(Fast Fourier Transform)을 통해 수행될 수 있다.For example, the frequency conversion may be performed through FFT (Fast Fourier Transform) on the current signal in the normal section.
다음으로, 주파수 변환된 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산한다(S15).Next, the rotation frequency and slip are calculated using the frequency-converted current signal (S15).
정상구간 확인단계(S13)에서 복수개의 정상구간이 확인되는 경우, 상기 과정은 정상구간 마다 수행될 수 있다.If a plurality of normal sections are confirmed in the normal section confirmation step (S13), the above process can be performed for each normal section.
한편, 전류신호를 이용하여 회전주파수 및 슬립을 계산하는 방법을 설명하면, 이 경우 전류신호의 회전자 슬롯 조화(Rotor Slot Harmonics, RSH)를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산한다.Meanwhile, when explaining how to calculate the rotation frequency and slip using a current signal, in this case, the rotation frequency and slip are calculated using the rotor slot harmonics (RSH) of the current signal.
알려진 회전속도의 계산식은 다음과 같다.The formula for calculating the known rotational speed is as follows.
(1) (One)
(fr: 회전속도(Hz), P: 극 쌍 수, Z: 회전자 슬롯(또는 봉) 수, α = ±k(k: 양의 정수), f0: 전원 공급 주파수, fsh: 슬롯 조화 주파수임) (f r : rotation speed (Hz), P: number of pole pairs, Z: number of rotor slots (or rods), α = ±k (k: positive integer), f 0 : power supply frequency, f sh : slot (is harmonic frequency)
여기서, 무부하 상태일 때 fr = f0이므로 무부하 상태의 슬롯 조화 주파수는 식(1)로부터 구해지는 다음의 식(2)에 의하여 계산될 수 있다.Here, since f r = f 0 in the no-load state, the slot harmonic frequency in the no-load state can be calculated by the following equation (2) obtained from equation (1).
(2) (2)
(f sh0 : 무부하 상태일 때 슬롯 조화 주파수임) (f sh0 : slot harmonic frequency in no-load state)
또한 무부하 상태의 슬롯 조화 주파수를 이용하여 슬립 주파수를 계산하는 식은 다음의 식(3) 및 식(4)와 같다.Additionally, the equation for calculating the slip frequency using the slot harmonic frequency in the no-load state is as follows (3) and (4).
(3) (3)
(4) (4)
(fs: 슬립 주파수임)(f s : slip frequency)
결국, 식(4)를 통해 구해지는 슬립 주파수를 이용하여 다음의 식(5) 및 식(6)으로부터 회전주파수와 슬립을 계산할 수 있다.Ultimately, the rotation frequency and slip can be calculated from the following equations (5) and (6) using the slip frequency obtained through equation (4).
(5) (5)
(6) (6)
(frotation: 회전주파수, s: 슬립임)(f rotation : rotation frequency, s: slip)
도 3는 표 1에 나타낸 7.5kW 4극 사양(Z = 28, P = 2, f0 = 60Hz)의 정상 전동기에서 부하에 따른 전류신호의 그래프로서, 부하의 정도를 변화(부하율 5가지로 변화)시켰을 때의 슬롯 조화 주파수(fsh)를 보여주고 있다.Figure 3 is a graph of the current signal according to load in a normal motor of 7.5kW 4-pole specification (Z = 28, P = 2, f 0 = 60Hz) shown in Table 1, changing the degree of load (changed to 5 load factors) ) shows the slot harmonic frequency (f sh ).
특히, 일례로 α = -3에서 부하의 정도를 부하율 0%, A, B, C, 100%(0%<A<B<C<100%)로 변화시켰을 때의 전류신호 및 슬롯 조화 주파수를 나타내는 것으로, 무부하 상태의 슬롯 조화 주파수(α = -3, Z = 28, P = 2, f0 = 60Hz)를 식(2)로부터 구하면 fsh0 = 1020Hz가 되고, 각 부하 상태의 슬롯 조화 주파수 fsh는 부하의 정도가 클수록 무부하 상태의 슬롯 조화 주파수에서 멀어지게 된다. In particular, as an example, the current signal and slot harmonic frequency when the degree of load is changed to 0%, A, B, C, 100% (0%<A<B<C<100%) at α = -3. Indicating, if the slot harmonic frequency (α = -3, Z = 28, P = 2, f 0 = 60Hz) in the no-load state is obtained from equation (2), f sh0 = 1020Hz, and the slot harmonic frequency in each load state is f The larger the load, the further away sh is from the slot harmonic frequency in an unloaded state.
결함별 진단 파라미터 계산 단계(S16)Diagnostic parameter calculation step for each defect (S16)
상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14~S15)에서 구해진 회전주파수, 슬립을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 진단 대상 전동기의 현재 상태를 반영하는 특징값을 계산하고, 계산된 특징값과 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 각 결함별 발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하기 위한 결함 진단 파라미터를 계산하게 된다(S16). Using the rotation frequency and slip obtained in the rotation frequency/slip calculation step (S14~S15), a feature value reflecting the current state of the motor to be diagnosed is calculated from a predetermined calculation formula, and the calculated feature value and the measured current of the motor are calculated. Using the signal, fault diagnosis parameters are calculated to diagnose the presence/absence or light/major/non-occurrence of each fault (S16).
상기 특징값은 진단 대상 전동기의 현재 상태가 반영된 특징값으로서, 본 발명에서 결함 진단을 위하여 계산되는 주파수 영역의 파라미터를 의미하는 것이며, 회전주파수와 슬립에 종속적인 값이다.The characteristic value is a characteristic value that reflects the current state of the electric motor to be diagnosed, means a parameter in the frequency domain calculated for fault diagnosis in the present invention, and is a value dependent on rotational frequency and slip.
본 발명에서는 각 결함의 진단을 위한 특징값으로서, 이전 단계에서 구해진 회전주파수, 슬립을 이용하여 미리 정해진 각 결함별 계산식으로부터 해당 결함 발생시의 이상 신호가 발생하는 결함주파수를 구하게 된다.In the present invention, as characteristic values for diagnosing each defect, the rotation frequency and slip obtained in the previous step are used to obtain the defect frequency at which an abnormal signal occurs when the defect occurs from a predetermined calculation formula for each defect.
우선, 고정자 권선 결함의 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수는 이전 단계에서 구해진 슬립을 이용하여 다음의 식(8)로부터 구해진다.First, the fault frequency at which an abnormal signal occurs when a stator winding fault occurs is obtained from the following equation (8) using the slip obtained in the previous step.
(8) (8)
(f0: 전원 공급 주파수, l: 1, 2, 3,……, k: 1, 3, 5,……, P : 극 쌍 수, s : 슬립임)(f 0 : power supply frequency, l: 1, 2, 3,……, k: 1, 3, 5,……, P: number of pole pairs, s: sleep)
여기서, 고정자 권선 결함의 결함주파수는 l, k에 의해 결정되나, 데이터 처리 속도, 메모리 용량 등을 고려하여 각각 미리 정해진 값들까지 연산을 수행하도록 설정함이 바람직하다(실험 결과, l 값은 1, 2, 3, 4, 5까지, k 값은 1, 3, 5까지 계산하여도 결함 진단에 충분하다). Here, the fault frequency of the stator winding fault is determined by l and k, but it is desirable to set the operation to each predetermined value in consideration of data processing speed, memory capacity, etc. (Experimental results show that the l value is 1, Calculating k values up to 2, 3, 4, and 5 and k values up to 1, 3, and 5 are sufficient for fault diagnosis).
본 발명에서 고정자 권선 결함의 결함주파수에 대해서는 식(8)과 같은 이론적 주파수 계산식 및 실험적으로 찾아낸 계산식 중 적어도 어느 하나로 적용하는 것이 가능하다.In the present invention, the defect frequency of a stator winding defect can be determined by using at least one of the theoretical frequency calculation formula such as Equation (8) and the experimentally found calculation formula. It is possible to apply it.
즉, 본 발명자는 정상 상태와 고정자 권선 결함 상태를 정확히 구분할 수 있는 새로운 특징값 계산 방식을 실험적으로 찾아냈으며, 이는 9차 전원 공급 주파수, 즉 하기 식(9)와 같이 구해질 수 있다.In other words, the present inventor has experimentally discovered a new feature value calculation method that can accurately distinguish between the normal state and the stator winding fault state, which can be obtained as the 9th power supply frequency, that is, equation (9) below.
(9) (9)
(fstator-Independ.: 9차 전원 공급 주파수 방식으로 계산된 결함주파수임)(f stator-Independ.: Fault frequency calculated using the 9th power supply frequency method)
도 4과 도 5은 정상 전동기와 고정자 권선 결함 상태의 전동기를 비교하여 나타낸 전류신호의 그래프로서, 표 1에 나타낸 7.5kW 4극 사양의 전동기(f0 = 60Hz)에 대하여 정상 상태와 고정자 권선 결함 상태에서 측정한 전류신호다. Figures 4 and 5 are graphs of current signals comparing a normal motor and a motor with a stator winding defect, showing the normal state and a stator winding defect for the 7.5kW 4-pole specification motor (f 0 = 60Hz) shown in Table 1. This is the current signal measured in this state.
또한 도 4은 무부하 상태를, 도 5은 전부하 상태를 보여주는 것으로, 상기 식(9)를 통해 구한 결함주파수 fstator - Independ .에서의 신호 크기를 각각 무부하 상태와 전부하 상태에서 보여주는 것이다. 식(9)를 이용하면, fstator - Independ . = 9 X fo = 540Hz이 된다.In addition, Figure 4 shows a no-load state, and Figure 5 shows a full-load state, and the fault frequency f stator - Independ obtained through equation (9) . It shows the signal size in no-load and full-load conditions, respectively. Using equation (9), f stator - Independ . = 9
도 4에서 녹색은 정상 상태의 전동기를, 적색은 고정자 권선 결함의 정도가 약한 전동기(결함 경)를, 파란색은 고정자 권선 결함의 정도가 강한 전동기(결함 중)를 나타낸다.In Figure 4, green indicates a motor in a normal state, red indicates a motor with a mild stator winding defect (mild defect), and blue indicates a motor with a strong stator winding defect (moderate defect).
상기와 같이 9차 공급 주파수로 구해지는 고정자 권선 결함의 결함주파수는 이전 단계에서 구해진 회전주파수 및 슬립과는 독립적인 파라미터가 되며, 이를 제외한 나머지 회전자 바 결함, 회전자 편심 결함의 결함주파수는 모두 회전주파수 및 슬립에 종속적인 파라미터가 되고, 또한 이들 결함주파수들은 후술되는 바와 같이 모두 이론적인 주파수 계산식에 의해 구해진다.As described above, the fault frequency of the stator winding fault obtained at the 9th supply frequency becomes a parameter independent of the rotation frequency and slip obtained in the previous step, and except for this, the fault frequencies of the remaining rotor bar fault and rotor eccentricity fault are all It is a parameter dependent on rotation frequency and slip, and these defect frequencies are all obtained by theoretical frequency calculation formulas, as will be described later.
다음으로, 회전자 바 결함의 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수는 이전 단계에서 구해진 슬립을 이용하여 다음의 식(10)으로부터 구해진다.Next, the fault frequency at which an abnormal signal occurs when a rotor bar fault occurs is obtained from the following equation (10) using the slip obtained in the previous step.
(10) (10)
(f0: 전원 공급 주파수, s: 슬립, k: 1, 2, 3,……임) (f 0 : power supply frequency, s: sleep, k: 1, 2, 3,……)
상술한 고정자 권선 결함에서와 마찬가지로 k 값을 미리 정해진 값으로 지정함이 바람직하다(실험 결과, k 값은 1, 2, 3까지 계산하여도 결합 진단에 충분함).As with the stator winding defect described above, it is desirable to set the k value to a predetermined value (experiment results show that k values calculated up to 1, 2, and 3 are sufficient for combined diagnosis).
그리고, 회전자 편심 결함의 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수는 이전 단계에서 구해진 슬립을 이용하여 다음의 식(11)로부터 구해진다.And, the fault frequency at which an abnormal signal occurs when a rotor eccentricity fault occurs is obtained from the following equation (11) using the slip obtained in the previous step.
(11) (11)
(f0: 전원 공급 주파수, s: 슬립, nws: 1, 2, 3,……, R: 회전자 바 슬롯 수, P: 극 쌍 수, nd: 0(정적 편심), 1(동적 편심)임)(f 0 : power supply frequency, s: slip, n ws : 1, 2, 3,……, R: number of rotor bar slots, P: number of pole pairs, nd: 0 (static eccentricity), 1 (dynamic eccentricity )lim)
여기서, 상기 nws 값은 미리 정해진 값까지 연산을 수행하도록 설정한다.Here, the n ws value is set to perform operations up to a predetermined value.
이에 전류신호로 계산하는 결함 진단 파라미터는 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심 결함의 진단 파라미터 총 3가지가 된다.Accordingly, there are three fault diagnosis parameters calculated from the current signal: stator winding fault, rotor bar fault, and rotor eccentricity fault.
전류신호를 기반으로 하는 상기 3가지 결함 진단 파라미터의 계산은 전동기의 종류별 그리고 부하의 정도에 따른 일관성을 유지하기 위하여 전류신호 그래프에서 "전원 공급 주파수(f0)에서의 신호의 크기와 이상 신호가 발생하는 결함주파수에서의 신호의 크기의 차"로 설정할 수 있다. 여기서, 결함주파수는 식(8) ~ 식(11)에 의해 구해지는 값이며, 계산된 차이값은 다음 단계에서 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심을 진단하는데 이용된다.The calculation of the above three fault diagnosis parameters based on the current signal is based on the size of the signal at the power supply frequency (f 0 ) and the abnormal signal in the current signal graph to maintain consistency according to the type of motor and the degree of load. It can be set as “the difference in signal size at the defect frequency that occurs.” Here, the fault frequency is a value obtained by equation (8) to equation (11), and the calculated difference value is used to diagnose stator winding fault, rotor bar fault, and rotor eccentricity in the next step.
전동기 상태 진단 단계(S17)Motor condition diagnosis step (S17)
다음으로, 상기와 같이 계산된 각 결함별 진단 파라미터를 이용하여 진단 대상 전동기의 결함 발생 유/무 또는 결함 경/중/무를 판단하는 전동기 상태 진단 단계가 수행된다(S17).Next, an electric motor status diagnosis step is performed to determine whether a defect has occurred or not, or whether a defect is minor/severe or not, in the electric motor to be diagnosed using the diagnostic parameters for each defect calculated as described above (S17).
본 단계에서는 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 전원 공급 주파수에서의 신호와 결함주파수에서의 신호 간 차를 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함의 유/무, 경/중/무를 판단하게 된다.In this step, the difference between the signal at the power supply frequency calculated in the diagnostic parameter calculation step (S16) and the signal at the defect frequency is compared with a preset threshold to determine whether the defect is present/absent, light/medium/absent.
전동기 상태 진단을 위한 임계치의 설정에 있어서, 각 결함별로 결함의 발생 유/무를 판정할 수 있는 하나의 임계치를 설정하는 것이 가능하나, 보다 바람직하게는 각 결함마다 경/중/무를 판정할 수 있도록 두 개의 임계치, 즉 결함의 미발생과 결함의 경한 정도를 구분할 수 있도록 하는 하 임계치와 결함의 경한 정도와 중한 정도를 구분할 수 있도록 하는 상 임계치를 설정하여 사용한다.In setting the threshold for diagnosing the condition of an electric motor, it is possible to set a single threshold that can determine the presence/absence of a defect for each defect, but more preferably, it is possible to determine light/medium/non-existence for each defect. Two thresholds are set and used: a lower threshold that allows distinguishing between the non-occurrence of a defect and the mild degree of a defect, and an upper threshold that allows the distinction between the mild and severe degrees of a defect.
본 발명에서 전동기 상태 진단을 위한 임계치는 선행 실시한 반복 실험의 데이터 분석을 통해 얻어지는 것으로, 각 결함별로 임계치를 선행 실험을 통해 미리 설정한 뒤, 상기 진단 파리미터 계산 단계에서 구해진 차이값과 상기 설정된 임계치를 서로 비교하여 각 결함에 대한 진단을 수행하게 된다.In the present invention, the threshold for diagnosing the condition of an electric motor is obtained through data analysis of previously conducted repeated experiments. The threshold for each defect is set in advance through previous experiments, and then the difference value obtained in the diagnostic parameter calculation step and the set threshold are calculated. Diagnosis is performed for each defect by comparing them with each other.
결국, 전류신호 측정단계(S11), 실효값 계산단계(S12), 정상구간 확인단계(S13), 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15), 진단 파라미터 계산 단계(S16), 전동기 상태 진단 단계(S17)의 순서로 진행되는 1회의 시험으로 3가지 결함에 대한 복합 진단이 가능해진다.Ultimately, the current signal measurement step (S11), the effective value calculation step (S12), the normal section confirmation step (S13), the rotation frequency/slip calculation step (S14, S15), the diagnostic parameter calculation step (S16), and the motor condition diagnosis step. A complex diagnosis of three defects is possible with one test performed in the order of (S17).
즉, 각 결함별 진단 파라미터를 각각의 임계치와 비교하므로 복합적인 결함이 발생하였더라도 각 결함별로 진단이 가능하다. In other words, since the diagnostic parameters for each defect are compared with each threshold, diagnosis for each defect is possible even if complex defects occur.
도 6은 표 1의 7.5kW 4극 정상 전동기, 회전자 바 결함 경, 회전자 바 결함 중 상태의 전동기에 대한 전부하 상태의 전류신호 그래프로서, k = 1일 때의 그래프이며, 녹색은 정상, 적색은 회전자 바 결함 경, 파란색은 회전자 바 결함 중 상태의 신호이다.Figure 6 is a graph of the current signal in the full load state for the 7.5kW 4-pole normal motor in Table 1, the rotor bar defective, and the motor in the rotor bar defective state, when k = 1, and green is normal. , red indicates a rotor bar defect, and blue indicates a rotor bar defect.
도 6의 전류신호 데이터에서, 전원 공급 주파수(f0)는 60Hz이고, 회전자 바 결함 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수(frotatorbar)는 62.08Hz이다. 따라서, 60Hz의 전류신호 값(dB)과 62.08Hz의 전류신호 값(dB)의 차이 ΔdB를 구하여, 하 임계치 ≤ ΔdB < 상 임계치이면 결함이 경한 상태이고, 상 임계치 ≤ ΔdB이면 결함이 중한 상태로 판단한다(각 임계치는 나타내지 않음).In the current signal data of FIG. 6, the power supply frequency (f 0 ) is 60 Hz, and the fault frequency (f rotatorbar ) at which an abnormal signal occurs when a rotor bar fault occurs is 62.08 Hz. Therefore, by calculating the difference ΔdB between the current signal value (dB) of 60Hz and the current signal value (dB) of 62.08Hz, if the lower threshold ≤ ΔdB < the upper threshold, the defect is in a mild state, and if the upper threshold ≤ ΔdB, the defect is in a severe state. judgment (each threshold not shown).
이와 같이 각 결함별로 2개의 특정 임계치를 설정하면 정상(결함 무), 결함의 경/중을 구분할 수 있다. In this way, by setting two specific thresholds for each defect, it is possible to distinguish between normal (no defect) and light/severe defects.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.As the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and modifications by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following patent claims are made. Improved forms are also included in the scope of the present invention.
Claims (11)
a) 공작기계용 진단 대상 전동기의 작동 동안 시간에 따른 상기 전동기의 전류신호를 측정하는 전류신호 측정단계(S11)와;
b) 상기 전류신호 측정단계(S11)에서 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 시간에 따른 전류신호의 실효값을 계산하는 실효값 계산단계(S12)와;
c) 상기 전류신호의 실효값의 시간에 따른 변동폭을 기초로 상기 전류신호의 실효값에 대한 정상구간(steady state)이 존재하는지 여부를 체크하는 정상구간 확인단계(S13)와;
d) 상기 정상구간이 존재하는 경우, 상기 정상구간에서의 전류신호를 주파수분석 하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 진단단계를 포함하며,
상기 정상구간은 시간에 따른 전동기 전류신호의 실효값의 변동폭을 미리 설정된 변동허용치와 비교하여 실효값의 변동폭이 변동허용치 내에 포함되는 시간구간으로 정의되는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.To diagnose the presence/absence or light/medium/non-fault of an electric motor,
a) a current signal measurement step (S11) of measuring the current signal of the electric motor over time during operation of the electric motor to be diagnosed for a machine tool;
b) an effective value calculation step (S12) of calculating the effective value of the current signal over time using the current signal of the motor measured in the current signal measurement step (S11);
c) a steady state checking step (S13) of checking whether a steady state exists for the effective value of the current signal based on the fluctuation range of the effective value of the current signal over time;
d) If the normal section exists, it includes a motor diagnosis step of analyzing the frequency of the current signal in the normal section to diagnose the presence/absence or light/medium/no defect of the motor,
The normal section is defined as a time section in which the variation of the effective value of the electric motor current signal over time is compared with a preset variation tolerance and the variation of the effective value is included within the variation tolerance. Fault diagnosis method.
상기 전동기 진단단계는,
e) 상기 정상구간에서의 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산하는 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)와;
f) 상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)에서 산출된 회전주파수와 슬립을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 전동기의 현재 상태가 반영된 특징값을 계산하고 계산된 특징값과 측정된 전동기의 전류신호를 이용하여 전동기 결함의 진단을 위한 파라미터를 계산하는 진단 파라미터 계산 단계(S16)와;
g) 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 결함의 진단 파라미터를 이용하여 전동기의 결함발생 유/무 또는 경/중/무를 진단하는 전동기 상태 진단 단계(S17);를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.In claim 1,
The motor diagnosis step is,
e) a rotation frequency/slip calculation step (S14, S15) of calculating the rotation frequency and slip using the current signal in the normal section;
f) Calculate a characteristic value reflecting the current state of the motor from a predetermined calculation formula using the rotation frequency and slip calculated in the rotation frequency/slip calculation step (S14, S15), and calculate the characteristic value and the measured current signal of the motor. A diagnostic parameter calculation step (S16) of calculating parameters for diagnosing an electric motor defect using;
g) an electric motor status diagnosis step (S17) of diagnosing the presence/absence or light/medium/no defect of the electric motor using the diagnostic parameters of the defect calculated in the diagnostic parameter calculation step (S16); On-line fault diagnosis method for electric motors for machine tools.
상기 회전주파수/슬립 산출 단계(S14, S15)는, 상기 정상구간에서의 시간에 따른 전류신호를 주파수변환하고 상기 주파수변환된 전류신호를 이용하여 회전주파수와 슬립을 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.In claim 2,
The rotation frequency/slip calculation step (S14, S15) is a machine tool characterized in that the current signal according to time in the normal section is frequency converted and the rotation frequency and slip are calculated using the frequency converted current signal. On-line fault diagnosis method for electric motors.
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)는, 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함, 회전자 편심 중 적어도 하나 이상에 대한 파라미터를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법. In claim 2,
The diagnostic parameter calculation step (S16) is an on-line defect diagnosis method for an electric motor for a machine tool, characterized in that the parameter for at least one of a stator winding defect, a rotor bar defect, and a rotor eccentricity is calculated.
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)는,
상기 진단 대상 전동기가 스핀들모터인 경우, 고정자 권선 결함, 회전자 바 결함 및 회전자 편심에 대한 파라미터를 계산 하며,
상기 진단 대상 전동기가 서보모터인 경우, 고정자 권선 결함 및 회전자 편심에 대한 파라미터를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.In claim 4,
The diagnostic parameter calculation step (S16) is,
If the motor to be diagnosed is a spindle motor, parameters for stator winding defects, rotor bar defects, and rotor eccentricity are calculated.
When the electric motor to be diagnosed is a servomotor, an on-line defect diagnosis method for a machine tool electric motor, characterized in that parameters for stator winding defects and rotor eccentricity are calculated.
상기 특징값은, 결함 발생시 이상 신호가 발생하는 결함주파수인 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.In claim 4,
An on-line fault diagnosis method for an electric motor for a machine tool, wherein the feature value is a fault frequency at which an abnormal signal occurs when a fault occurs.
상기 고정자 권선 결함을 진단하기 위한 특징값은 하기 식(E)로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.
(E)
(fstator-Independ.: 9차 전원 공급 주파수 방식으로 계산된 결함주파수임)In claim 4,
An on-line fault diagnosis method for an electric motor for a machine tool, wherein the characteristic value for diagnosing the stator winding fault is calculated from the following equation (E).
(E)
(f stator-Independ.: Fault frequency calculated using the 9th power supply frequency method)
상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)는, 전원 공급 주파수에서의 신호의 크기와 결함주파수에서의 신호의 크기 간 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.In claim 2,
The diagnostic parameter calculation step (S16) is an on-line fault diagnosis method for an electric motor for a machine tool, characterized in that the difference between the signal size at the power supply frequency and the signal size at the fault frequency is calculated.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 진단 파라미터 계산 단계(S16)에서 계산된 전원 공급 주파수에서의 신호의 크기와 결함주파수에서의 신호의 크기 간 차를 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함의 유/무 또는 결함의 경/중/무를 진단하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.In claim 8,
The motor condition diagnosis step (S17) compares the difference between the size of the signal at the power supply frequency calculated in the diagnostic parameter calculation step (S16) and the size of the signal at the fault frequency with a preset threshold. An on-line fault diagnosis method for an electric motor for machine tools, characterized in that it diagnoses no defects or minor/medium/no defects.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 f) 단계에서 계산된 진단 파라미터 값을 g) 단계에서 미리 설정된 임계치와 비교하여 결함발생 유/무를 진단하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.In claim 8,
The electric motor status diagnosis step (S17) is an on-line operation of the machine tool electric motor, characterized in that the presence/absence of a defect is diagnosed by comparing the diagnostic parameter value calculated in step f) with a threshold value preset in step g). Fault diagnosis method.
상기 전동기 상태 진단 단계(S17)는, 상기 f) 단계에서 계산된 진단 파라미터 값을 g) 단계에서 미리 설정된 각 결함별 하 임계치 및 상 임계치와 비교하여 각 결함의 경/중/무를 진단하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 전동기의 온-라인 결함 진단 방법.
In claim 8,
The motor condition diagnosis step (S17) compares the diagnostic parameter value calculated in step f) with the lower threshold and upper threshold for each defect preset in step g) to diagnose light/medium/none of each defect. On-line fault diagnosis method for electric motors for machine tools.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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