AT515677B1 - Antriebssystem - Google Patents

Abstract

Es wird ein Antriebssystem für wenigstens einen elektrisch betriebenen Aktor (1) mit einer Treiberstufe (3) und einem Monitorsystem (6) beschrieben. Um mit einfachen konstruktiven Mitteln Fehler im Antriebssystem erkennen zu können und einen redundanten Betrieb zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass das Monitorsystem (6) in der Antriebsleitung (2) zwischen einer primären Treiberstufe (3) und dem Aktor (1) zwischengeschaltet ist und eine Überwachungseinrichtung (7) für die Plausibilität des Antriebssignals der primären Treiberstufe (3) sowie eine in Abhängigkeit der Plausibilität des Antriebssignals der primären Treiberstufe (3) betätigbare Umschalteinrichtung (8) zwischen der Antriebsleitung der primären Treiberstufe (3) und einer sekundären Treiberstufe (9) umfasst.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für wenigstens einen elektrisch betriebenen Aktor mit einer Treiberstufe und einem Monitorsystem. Die Erfindung betrifft außerdem ein Unbemanntes Fluggerät mit einem solchen Antriebssystem.

[0002] Sicherheitskritische Antriebssysteme, wie insbesondere für unbemannte Fahrzeuge und Fluggeräte, müssen in der Regel redundant ausgelegt werden, um im Fehlerfall auf ein Notfallsystem umschalten zu können. Üblicherweise werden hierzu mindestens drei Systeme parallel betrieben, deren Ergebnisse miteinander verglichen werden. Anhand eines Mehrheitsentscheides können Fehler eines Systems erkannt und auf die verbleibenden Systeme umgeschaltet werden. Nachteilig ist daran allerdings, dass der Betrieb von mindestens drei Systemen parallel sehr aufwendig und mit einem erhöhten Energieverbrauch verbunden ist.

[0003] Zur Überwachung von Antriebssystemen ist es bekannt (DE 3424246 A1), die Funktionalität von im Antriebssystem enthaltenen Komponenten mittels eines Monitorsystems einem Plausibilitätstest zu unterwerfen und bei Nichteinhaltung bestimmter festgelegter Bedingungen ein Fehlersignal zu erzeugen, um die fehlerhafte Komponente in eine abgesicherte Stellung zu bringen bzw. abzuschalten. Die Überwachung sämtlicher im Antriebssystem vorhandenen Komponenten ist allerdings aufwendig und kann lediglich einen Hinweis auf einen Fehler geben, ermöglicht aber keinen redundanter Betrieb des Antriebssystems, wie er insbesondere für unbemannte Fluggeräte gefordert wird.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass mit einfachen konstruktiven Mitteln Fehler im Antriebssystem erkannt und ein redundanter Betrieb ermöglicht werden kann.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Monitorsystem in der Antriebsleitung zwischen einer primären Treiberstufe und dem Aktor zwischengeschaltet ist und eine Überwachungseinrichtung für die Plausibilität des Antriebssignals der primären Treiberstufe sowie eine in Abhängigkeit der Plausibilität des Antriebssignals der primären Treiberstufe betätigbare Umschalteinrichtung zwischen der Antriebsleitung der primären Treiberstufe und einer sekundären Treiberstufe umfasst.

[0006] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in komplexen Antriebssystemen die Komponenten für die Steuerung bzw. Regelung des Aktors mit zunehmender Funktionalität fehleranfälliger sein als der Aktor. Gleichzeitig werden diese Komponenten zunehmend miniaturisiert und in monolithische Schaltungen integriert, sodass eine Überwachung der einzelnen Komponenten zunehmend erschwert wird. Es hat sich aber gezeigt, dass das leistungsführende Antriebssignal für den Aktor vorgegebenen Bedingungen genügt, wenn die Komponenten des Antriebssystems ordnungsgemäß arbeiten. Dies ist sowohl dann der Fall, wenn der Aktor das Antriebssignal direkt in eine physikalische Bewegung umsetzt, als auch dann, wenn der Aktor eine gesonderte Treiberstufe aufweist, wie das beispielsweise bei Motortreibern der Fall sein kann. Unter dem Begriff Aktor soll folglich sowohl ein Aktor verstanden werden, der das Antriebssignal direkt in eine physikalische Bewegung umsetzt, als auch ein Aktor, der eine gesonderte Treiberstufe aufweist. Erfindungsgemäß ist daher für eine primäre Treiberstufe eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die das Antriebssignal für den Aktor dieser Treiberstufe laufend auf Plausibilität überprüft. So können beispielsweise Kennwerte wie Signalpegel, Signalfrequenzen oder die Periodendauer des Signals überprüft werden. Liegen Kennwerte außerhalb eines vorgegebenen Bereichs oder entsprechen nicht einem vorgegebenen Signalmuster, so schlägt die Plausibilitätsprüfung fehl und die Umschalteinrichtung schaltet von der Antriebsleitung der primären Treiberstufe auf die Antriebsleitung einer sekundären Treiberstufe um. Das Monitorsystem kann auch so ausgestaltet sein, dass die Umschalteinrichtung nur dann auf die Antriebsleitung der sekundären Treiberstufe umschaltet, wenn das Antriebssignal der sekundären Treiberstufe plausibel ist. Zu diesem Zweck kann auch für das Antriebssignal der sekundären Treiberstufe eine Überwachungseinrichtung vorgesehen sein. Ist weder das Antriebssignal der primären Treiberstufe noch das Antriebssignal der sekundären Treiberstufe plausibel, so kann die Umschalteinrichtung die Antriebsleitung zum Aktor auch vollständig trennen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn das Antriebssystem mehrere Aktoren umfasst, von denen nicht alle für einen, unter Umständen eingeschränkten Betrieb erforderlich sind. Darüber hinaus kann die Umschalteinrichtung auch über eine Fernbedienung angesteuert werden, um ein manuelles Umschalten auf die Antriebsleitung der sekundären Treiberstufe oder zurück auf die Antriebsleitung der primären Treiberstufe zu ermöglichen.

[0007] Besonders vorteilhafte Prüfungsbedingungen ergeben sich, wenn der Aktor mit einem pulsweitenmodulierten Antriebssignal angesteuert ist. Ein solches Antriebssignal findet beispielsweise bei einer digitalen Ansteuerung von Elektromotoren Anwendung, weil der Mittelwert der Signalspannung stufenlos proportional zum Tastverhältnis vermindert werden kann. Zur Plausibilitätsprüfung können bei einem solchen Antriebssignal daher neben den oben genannten Kennwerten auch die Einschaltzeit bzw. das Tastverhältnis herangezogen werden. Darüber hinaus kann die Überwachungseinrichtung für ein solches Signal in für den Fachmann bekannter Weise als logische Schaltung aus Logikgattern und Zeitgliedern aufgebaut werden, die nicht nur vergleichsweise unanfällig gegenüber Fehlern ist und schnelle Reaktionszeiten erlaubt, sondern auch für entsprechend hohe Leistungen ausgelegt werden kann.

[0008] Das erfindungsgemäße Antriebssystem kann in besonders vorteilhafter Weise in einem unbemannten Fluggerät eingesetzt werden, wobei die primäre und sekundäre Treiberstufe je ein Lageregler für mehrere Antriebsmotoren des Fluggerätes sind. Lageregler für unbemannte Flugzeuge, wie beispielsweise für Flugdrohnen mit mehreren Propellern, sind komplexe Schaltungen mit einer Reihe von Sensoren und programmierten Mikrokontrollern, die erfahrungsgemäß fehleranfälliger sind als die zum Antrieb der Propeller eingesetzten Elektromotoren, die vom jeweiligen Lageregler über ein pulsweitenmoduliertes Antriebssignal angesteuert werden, dessen Tastverhältnis proportional zur Drehzahl der Elektromotoren ist. Die Form des Antriebssignals ist von unterschiedlichen Faktoren, wie beispielsweise von den Taktgebern oder vom Verhalten des Regelkreises im jeweiligen Lageregler abhängig, sodass eine Prüfung der Auftrittszeiten der Signalflanken, der Periodendauer sowie des Tastverhältnisses auf Plausibilität Aufschluss über die ordnungsgemäße Funktionsweise des jeweiligen Lagereglers gibt. Das Monitorsystem kann auch für mehrere Antriebsleitungen für mehrere Aktoren ausgelegt werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn ein Lageregler eine Treiberstufe für mehrere Elektromotoren als Aktoren des Antriebssystems bildet. Die Elektromotoren können dabei auch beispielsweise einen Motortreiber oder Motorregler umfassen.

[0009] In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Antriebssystem für ein unbemanntes Fluggerät beispielsweise in einem schematischen Blockdiagramm dargestellt.

[0010] Das Antriebssystem umfasst einen Elektromotor 1 für einen Propeller, der über eine Antriebsleitung 2 mit einer primären Treiberstufe 3 verbunden ist. Die Treiberstufe 3 für den Elektromotor 1 wird von einem primären Lageregler 4 mit Sollwerten für den Elektromotor 1 beaufschlagt. Neben einer Reihe von nicht dargestellten Sensoren zur Lagebestimmung verfügt der primäre Lageregler 4 einen Eingang für ein Steuersignal, dass über eine primäre Empfangseinrichtung 5 von einer Fernbedienung empfangen werden kann.

[0011] Zwischen dem aus der primären Treiberstufe 3, dem primären Lageregler 4 und der primären Empfangseinrichtung 5 gebildeten primären Antriebszweig und dem Elektromotor 1 ist ein Monitorsystem 6 in der Antriebsleitung 2 zwischengeschaltet, das eine Überwachungseinrichtung 7 für die Plausibilität des Antriebssignals der primären Treiberstufe 3 aufweist. Wird das Antriebssignals der primären Treiberstufe 3 von der Überwachungseinrichtung 7 als nicht plausibel bewertet, betätigt die Überwachungseinrichtung 7 über eine Steuerleitung eine Umschalteinrichtung 8, die die Antriebsleitung 2 zum Elektromotor 1 vom Antriebssignal der primären Treiberstufe 3 trennt und mit einem Antriebssignal einer sekundären Treiberstufe 9 beaufschlagt. Die sekundäre Treiberstufe 9 ist Teil eines sekundären Antriebszweiges, der analog zum primären Antriebszweig aus der sekundäre Treiberstufe 9, einem sekundären Lageregler 10 und einer sekundären Empfangseinrichtung 11 für das Signal einer Fernbedienung besteht. In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann die Über- wachungseinrichtung 7 das Antriebssignal der sekundären Treiberstufe 9 vor dem Umschalten auf Plausibilität überprüfen.

[0012] Die Treiberstufen 3, 9 und die Lageregler 4, 10 können auch in je einer gemeinsamen Komponente des erfindungsgemäßen Antriebssystems zusammengefasst sein.

[0013] Darüber hinaus kann die Umschalteinrichtung 8 zusätzlich durch eine Fernbedienung, vorzugsweise über die sekundäre Empfangseinrichtung 11 betätigt werden, um manuell vom primären Antriebszweig auf den sekundären Antriebszweig umzuschalten bzw. vom den sekundären Antriebszweig zurück auf den primären Antriebszweig, falls der von der Überwachungseinrichtung 7 detektierte Fehler nur vorübergehend aufgetreten war oder behoben werden konnte.

[0014] Im Fall eines pulsweitenmodulierten Antriebssignals für den Elektromotor 1 kann die Überwachungseinrichtung 7 eine Schaltung aus logischen Gattern und Zeitgliedern sein, die das Steuersignal für eine, beispielsweise ein Relais bildende Umschalteinrichtung 8 bereitstellt.

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Antriebssystem für wenigstens einen elektrisch betriebenen Aktor (1) mit einer Treiberstufe (3) und einem Monitorsystem (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Monitorsystem (6) in der Antriebsleitung (2) zwischen einer primären Treiberstufe (3) und dem Aktor (1) zwischengeschaltet ist und eine Überwachungseinrichtung (7) für die Plausibilität des Antriebssignals der primären Treiberstufe (3) sowie eine in Abhängigkeit der Plausibilität des Antriebssignals der primären Treiberstufe (3) betätigbare Umschalteinrichtung (8) zwischen der Antriebsleitung der primären Treiberstufe (3) und einer sekundären Treiberstufe (9) umfasst.
2. 2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (1) mit einem pulsweitenmodulierten Antriebssignal angesteuert ist.
3. 3. Unbemanntes Fluggerät mit einem Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre und sekundäre Treiberstufe (3, 9) je ein Lageregler für mehrere Antriebsmotoren (1) des Fluggerätes sind. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen