CN101646867B

CN101646867B - 用于驱动多个轴的驱动装置

Info

Publication number: CN101646867B
Application number: CN2008800047049A
Authority: CN
Inventors: K·伦格尔; B·斯帕茨; S·贝克
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-02-06
Also published as: ES2597854T3; EP2132440A2; WO2008098864A3; DK2132440T3; WO2008098864A2; DE102007006966A1; CN101646867A; US20110286843A1; EP2132440B1

Abstract

本发明公开了一种用于驱动至少第一轴和第二轴(轴1，轴2，轴3)的驱动装置，其包括：至少可对第一轴(轴1，轴2，轴3)进行驱动调节的第一调节装置(1，2，3)；至少可对第二轴(轴1，轴2，轴3)进行驱动调节的第二调节装置(1，2，3)。配备有位置传感器(10，15，20)，其用来检测第二轴(轴1，轴2，轴3)的位置，将该位置传感器(10，15，20)的检测信号输送给第一调节装置(1，2，3)。

Description

用于驱动多个轴的驱动装置

技术领域

本发明涉及一种用于驱动多个轴的驱动装置、尤其是一种用于驱动多个轴的电驱动装置，所述驱动装置例如可用于对风能设备的转子叶片进行电调整。

现有技术

公知的是：调整风能设备的转子的转子叶片的迎角，以便优化风能设备的转子的能量输出、以便转子在运行发生故障的情况下可靠地停机等等。为此所使用的驱动装置被称作变桨距驱动装置。日益频繁使用的是电驱动装置。尤其是无刷电驱动装置由于其运行需要复杂的调节设备，因而只在一定条件下是故障安全的。因此人们在此对可靠识别这样的驱动装置的故障特别重视。但是即使是在直流驱动装置或液压驱动装置的情况下，仍然要明确识别调节器的故障。

通常可相互独立地调整转子叶片。这意味着，给每个转子叶片均配有自己的调节装置，该调节装置(Regeleinrichtung)能够独立于其它转子叶片的调节装置而工作。常见的系统结构规定：这些调节装置均在转速调节工作方式下工作，并且存在上级调节装置，所述上级调节装置用于对每个转子叶片进行位置调节。由又上级的控制点根据例如风速来确定位置额定值。

为了检测每个转子叶片的迎角实际值，必须配备至少一个转角传感器。但是为了保证冗余度，可以配备两个转角传感器。其中一个转角传感器直接检测转子叶片的旋转角(即迎角)，另一个转角传感器则通过电机的旋转角间接检测同一个转子叶片的旋转角，其中所述电机用于调整转子叶片的旋转角。将这样检测到的、每个转子叶片的旋转角实际值输送给上级调节装置，以便执行位置调节。

在上述系统中，上级调节装置是一个薄弱环节。当布置在电路图中央的调节装置发生故障时，无法保证可靠调整转子叶片、例如可能不能保证将转子叶片调整到顺桨状态。此外无法实现独立于所述中央调节装置的监测。因此总体上不能保证风能设备可靠运行。

发明任务

因此，本发明的任务在于消除现有技术的上述缺点，并且提供一种实现可靠运行的用于驱动多个轴的驱动装置。

发明的简单描述

利用权利要求1中所述的措施来实现这一任务。

本发明的其它有益扩展方案是从属权利要求的主题。

按照权利要求1，通过使用指示第二轴位置的检测信号，可以由独立的控制实体来对例如风能设备的转子叶片的驱动装置进行功能检查。

此外，按照权利要求1，可以通过另一个轴的调节装置进行对某一个轴的外部监测，以此代替单独的安全控制。与传统的系统相比，硬件成本比较少，因为该调节装置总归具有微控制器。所述微控制器通常还可以容易地附加执行监测程序。仅对位置实际值进行监测就已经允许例如在允许的实际值区间方面进行检查，或者对预期的速度断面图进行监测。

按照权利要求2和3，两个或两个以上驱动装置的相互监测相当于分散的分布式监测，这可导致更高的故障安全性。如果调节装置像通常那样优选地具有自己的诊断功能，则由此同样可实现冗余。

按照权利要求4，每个调节装置均监测正好另一调节装置，从而给出在所需的计算能力方面对负荷的分配。

按照权利要求5集成了一种监测装置，所述监测装置可以借助于硬件模块或者优选地借助于微控制器的软件来实现。这样就可以利用位置实际值来识别某些故障、例如较长时间的停机、不允许的实际值等等。

按照权利要求6，还有其它的检查可能性、例如通过分散地检测第二调节装置的状态信号、在调节装置的位置传感器与附加位置传感器之间进行实际值比较、或者进行额定值/实际值比较。在同步地预给定额定值时，自己的额定值也可以用于检查另一调节装置。

按照权利要求7提供了一种分布式的分散监测，其中用于这种分布式的分散监测的附加模块或软件所需的成本较少，并且可以给所有轴均设置相同的调节装置。

按照权利要求8提供了一种所谓的拉索，所述拉索具有自己的可靠的通信通道。每个调节装置均可报告故障功能，这触发整个系统中的安全流程。

按照权利要求9提供了一种集成的开关装置，所述开关装置仅需要少的附加硬件成本来捕获最常见的故障场景、尤其是调节装置的功率部分的失灵。

按照权利要求10～12，调节装置之间可以相互通信，或者可以在调节装置与上级层的装置之间进行通信。

按照权利要求13和14，实现了对监测的分布和分散化，因为调节装置相互分开地被设置。通过如下方式来强化监测的分布式性质：调节装置至少对该调节装置所监测的轴执行所需的所有控制、监测以及调节功能。

按照权利要求15，可以为每个调节装置保证独立的电源，这提高了工作可靠性。

按照权利要求16，可以在外部电源发生故障的情况下保证运行。

按照权利要求17和18，可以实现对不同的系统的可靠控制。

附图说明

以下将依据实施例参照附图对本发明进行更详细的阐述。

附图：

附图1示出了根据本发明第一实施例的用于驱动多个轴的驱动装置的示意图；

附图2示出了根据本发明第一实施例的所述用于驱动多个轴的驱动装置的不间断电源示意图；以及

附图3示出了根据本发明第二实施例的用于驱动多个轴的驱动装置的示意图。

实施例的详细描述

需要指出的是：虽然在后面使用“轴”这一术语，但是该术语不仅应理解为术语“轴线(Achse)”，而且还应理解为包括术语“轴(Welle)”。既应当包括旋转驱动系统，也应当包括直线驱动系统(lineare Antriebssystem)。同样应当包括在工业控制技术中通常用来表示电机或液压马达连同附属的操控或调节装置中的“轴”这一概念。

还需注意：下述实施例所说明和描述的均为用于驱动风能设备转子的转子叶片的多个轴的驱动装置的应用。但本发明并不限于这种应用，而是在凡是需要驱动多个轴之处，均可使用本发明。此类应用例如为：对利用倾斜技术的有轨车辆的倾斜机构的多个轴(其充当所述多个轴)进行调整的应用。

以下描述本发明的第一实施例。

下面描述根据本发明第一实施例的用于驱动多个轴的驱动装置的结构。

附图1示出了根据本发明第一实施例的用于驱动多个轴的驱动装置的示意图。

如附图1所示，用于驱动多个轴的驱动装置具有第一调节装置1、第二调节装置2以及第三调节装置3。第一至第三调节装置1～3被分别设置给附图1中用“轴1”～“轴3”表示的第一轴至第三轴。第一调节装置1具有第一调节器4以及第一不间断电源(USV)5。第二调节装置2具有第二调节器6以及第二USV 7。第三调节装置3具有第三调节器8以及第三USV 9。

在第一轴上设置有：第一转角传感器10，其检测用于对转子叶片进行叶片调整的机构11的旋转角并且产生指示旋转角的第一信号；终端开关12；以及第二转角传感器13，其检测用于对转子叶片进行叶片调整的电机14的旋转角并且产生指示旋转角的第二信号。

在第二轴上设置有：第一转角传感器15，其检测用于对转子叶片进行叶片调整的机构16的旋转角并且产生指示旋转角的第一信号；终端开关17；以及第二转角传感器18，其检测用于对转子叶片进行叶片调整的电机19的旋转角并且产生指示旋转角的第二信号。

在第三轴上配备有：第一转角传感器20，其检测用于对转子叶片进行叶片调整的机构21的旋转角并且产生指示旋转角的第一信号；终端开关22；以及第二转角传感器23，其检测用于对转子叶片进行叶片调整的电机24的旋转角并且产生指示旋转角的第二信号。

如附图1所示，第一至第三调节装置1～3的第一至第三调节器4、6和8不仅与现场总线连接(Feldbusanbindung)相连，而且也与内部现场总线相连。现场总线连接用于将外部设置的部件连接到主控层，内部现场总线则是到驱动层的连接。第一至第三USV 5、7和9同样与内部现场总线相连。此外，在第一至第三调节装置1～3上还设置有用于所需控制线或者用于所需供能的相应接线端子。

第一转角传感器10、15和20分别与用于对第一至第三轴“轴1”～“轴3”的转子叶片进行叶片调整的机构11、16和21之一可操作地相耦合。此外，第二转角传感器13、18和23分别与第一至第三轴“轴1”～“轴3”的电机14、19和24之一相连接。第一至第三轴“轴1”～“轴3”的第一转角传感器10、15和20、第二转角传感器13、18和23、电机14、19和24以及终端开关12、17、22分别与第一至第三轴“轴1”～“轴3”的第一至第三调节装置1至3之一相连。

应当指出：第一至第三轴“轴1”～“轴3”的第二转角传感器13、18和23、电机14、19和24以及终端开关12、17和22与第一至第三调节装置1～3中被设置给第一至第三轴“轴1”～“轴3”中相同轴的那个调节装置相连接；然而，第一轴“轴1”的第一转角传感器10与第二轴“轴2”的第二调节装置2相连接，第二轴“轴2”的第一转角传感器15与第三轴“轴3”的第三调节装置3相连接，第三轴“轴3”的第一转角传感器20与第一轴“轴1”的第一调节装置1相连接。

接下来说明根据本发明第一实施例的用于驱动多个轴的驱动装置的作用方式与运行方式。

如前所述，给第一至第三轴“轴1”～“轴3”分别设置有第一转角传感器10、15和20之一以及第二转角传感器13、18和23之一。

第二转角传感器13、18和23分别产生对应于相应轴“轴1”～“轴3”的旋转角的信号。将该信号输送给同一轴的调节装置1～3。这样，第二转角传感器13、18或23和被输送以该信号的相应调节装置1、2或3被分配给同一轴“轴1”～“轴3”。更为准确地说，将第一轴“轴”的第二转角传感器13的指示旋转角的第二信号输入到第一轴“轴1”的第一调节装置1中，将第二轴“轴2”的第二转角传感器18的指示旋转角的第二信号输入到第二轴“轴2”的第二调节装置2中，并且将第三轴“轴3”的第二转角传感器23的指示旋转角的第二信号输入到第三轴“轴3”的第三调节装置3中。在各个轴“轴1”～“轴3”内，这种结构相当于本身已经公知的常见调节回路。

第一转角传感器10、15和20检测第一至第三轴“轴1”～“轴3”的用于对转子叶片进行叶片调节的机构11、16和21的旋转角，并且产生指示相应轴的旋转角的第一信号。对这些轴“轴1”～“轴3”中的每个轴适用的是：将指示该轴的旋转角的这个第一信号输送给另一轴的调节装置。更为准确地说，将第一轴“轴1”的第一转角传感器10的指示旋转角的第一信号输入到第二轴“轴2”的第二调节装置2中，将第二轴“轴2”的第一转角传感器15的指示旋转角的第一信号输入到第三轴“轴3”的第三调节装置3中，并且将第三轴“轴3”的第一转角传感器20的指示旋转角的第一信号输入到第一轴“轴1”的第一调节装置1之中。

将第一至第三轴“轴1”～“轴3”的第一转角传感器10、15和20以及第二转角传感器13、18和23的相应的指示旋转角的第一和第二信号输入到第一至第三调节装置1～3的相应调节器4、6和8中。然后在这些调节器4、6和8中对这样输入的信号进行处理。调节器4、6和8用于为电机14、19和24相应之一产生控制信号并且将其输送给第一至第三轴“轴1”～“轴3”中的、被设置给与该相应调节器4、6和8之一被设置给的轴相同的轴的电机，以便由此对通过相应机构11、16和21与电机14、19和24之一相耦合的相应转子叶片进行调整。

换句话说，每个调节装置均获得按驱动被分配给该调节装置的轴的转角信号来执行调节功能以及自检测，并且附加地获得另一轴、优选地相邻轴的附加的转角信号(从附图1可看出)。

通过在第一至第三轴“轴1”～“轴3”的每一调节器4、6和8中输入第一至第三轴“轴1”～“轴3”中另一个轴的第一转角传感器10、15和20之一的指示旋转角的第一信号、以及第一至第三轴“轴1”～“轴3”中相同轴的第二转角传感器13、18和23之一的指示旋转角的第二信号，可以在调节器4、6和8的相应之一中对第一转角传感器10、15和20以及第二转角传感器13、18和23的指示旋转角的各第一和第二信号进行分析。这就意味着：各个第一至第三轴“轴1”～“轴3”的驱动装置可以相互检查错误。尤其是可相应地通过外部设备来对单个的调节器4、6和8进行监测，也就是通过其它调节器4、6和8之一进行监测。

如前所述，第一至第三调节装置1～3的调节器4、6和8通过内部现场总线连接到驱动层。调节器4、6和8可以通过该内部现场总线相互交换例如状态消息、所需信号和/或者参数的相应额定值和/或者相应实际值，以便例如相互执行功能检查。这样就可以在一定的跟随误差范围内例如检查相应轴或者两个不同轴的两个转角传感器的输出信号是否一致、相应的指示旋转角的信号的实际值与额定值是否一致等等，或者检查运行状态。此外，驱动层的内部现场总线附加地是冗余的通信路径，只要调节器4、6和8之一具有到主控层的起作用的现场总线连接，就可以通过该冗余的通信路径在调节器4、6和8之间传输来自主控层的数据。

调节器4、6和8通常被实施为数字调节设备。这些数字调节设备包括在上面可以执行调节器软件的微控制器。优选地用监测模块对该调节器软件进行补充，所述监测模块可以根据所输送的转角信号对另一轴执行所述监测。尤其是在模拟式调节设备的情况下，也可以通过存在于该调节设备中的电路来执行监测功能。在这两种情况下都可以对每个控制轴使用以相同方式构造的调节设备。这样因为类型少而有利于降低所述调节设备的库存成本与制造成本。

调节器4、6和8、尤其是监测模块被连接在自己的物理通信通道上(未示出)，该通信通道仅仅用于发出严重故障信号。其也被称作“拉索(Reiβleine)”。当调节器4、6和8或者另一系统部件将故障情况报告到该拉索上时，则起作用的部件就会使该装置立即进入安全状态。

因此根据之前所述的功能检查，例如可在检测到故障功能之后，使风能设备的转子的转子叶片进入顺桨状态。当风能设备的转子的相应转子叶片达到顺桨状态时，第一至第三轴“轴1”～“轴3”的终端开关12、17和22被设置为执行断开。这里所述的“顺桨状态”(Fahnenstellung)是指相应转子叶片受到作用于该转子叶片上的风对转子叶片尽可能小的阻力的状态。此外，处在顺桨状态中的转子叶片会从空气动力学上使转子停止转动。

附图2示出了根据本发明第一实施例的用于驱动多个轴的驱动装置的不间断电源的示意图。

应当指出：可以将附图2所示的不间断电源用作附图1所示的不间断电源5、7和9的每一个。

不间断电源包括电池管理系统或者说BMS 25、蓄电池单元或者说Akkus 26以及充电装置27。

在所示的实施例中，USV被分为调节器的功率部分的电源以及调节器的控制部分的电源。功率部分的电源包括例如十二个BMS 25和十二个Akkus 26，其中相应的BMS 25与相应的Akkus 26相连。在蓄电池单元的电压为25V情况下，则得出针对功率部分的应急供电的电源电压300V。为了给控制部分供电，例如25V电压就足够了，这个25V电压由蓄电池单元提供。给该蓄电池单元同样配备了BMS 25。BMS 25不仅与内部现场总线相连，而且还通过现场总线连接与主控层和/或者驱动层相连接。充电装置27同样也通过内部现场总线连接与BMS 25相连接。

在不间断电源中使用的Akkus 25均为锂离子蓄电池，与迄今为止所使用的铅凝胶蓄电池(Blei-Gel-Akkus)的不同之处在于，在锂离子蓄电池的情况下不会发生所谓的胀气(Gasen)。此外这样的锂离子蓄电池与铅凝胶蓄电池相比具有更轻的重量。如附图1所示，给第一至第三轴“轴1”～“轴3”中的每一轴均配备有这样的不间断电源，从而可以将第一至第三调节装置1～3的应急电源纳入到冗余方案之中。

以下描述本发明的第二实施例。

除了以下所述的变化之外，本发明的第二实施例与本发明的第一实施例相同，其中在附图3中，与附图1相同的附图标记表示相同的部件。

如附图3所示，根据第二实施例的用于驱动多个轴的驱动装置在第一至第三调节装置1～3的每一个中还包括两个开关。这些开关的作用是：使得每一调节器4、6和8不仅能够控制被正常分配给该调节器的电机14、19和24之一，而且也能控制第一至第三轴“轴1”～“轴3”的电机14、19和24之一，其中该相应的调节器读入所述轴的第一转角传感器10、15和20的指示旋转角的第一信号。更为准确地说，第一调节装置1可以控制第一轴“轴1”的电机14或者第三轴“轴3”的电机24，第二调节装置2可以控制第二轴“轴2”的电机19或者第一轴“轴1”的电机14，并且第三调节装置3可以控制第三轴“轴3”的电机24或者第二轴“轴2”的电机19。

借助于第一至第三调节装置1～3之一对电机14、19和24中的两个进行交替控制，即使在第一至第三调节装置1～3中的另一调节装置的功能发生故障时，仍然可以以较小的调节速度和/或者功率维持运行。当第一至第三调节装置1～3之一完全失灵时，仍然总是可以以受控的方式将有关的转子叶片复位至顺桨状态。

尽管在上述实施例中对一定数量的一定构件进行了描述，但本发明并不限于这些数量，而是可以针对相应的使用目的使用合乎目的的数量的相应构件。当这些轴在必要时使用例如螺杆驱动装置的情况下执行直线运动来替代旋转运动时，当然也可以使用直线位置传感器来替代转角传感器。

关于本发明的其它特征和优点，可以明确地参阅所公开的附图。

Claims

1.一种用于驱动至少一个第一轴和第二轴的驱动装置，具有：第一调节装置(1，2，3)，其能够对至少第一轴进行驱动调节；第二调节装置(1，2，3)，其能够对至少第二轴进行驱动调节，其特征在于，设置有用于检测第二轴的位置的位置传感器(10，15，20)，并且将该位置传感器(10，15，20)的检测信号输送给第一调节装置(1，2，3)，

其中，至少第一调节装置(1，2，3)具有监测装置，至少将关于第二轴的位置的检测信号输送给该监测装置，除了该检测信号之外，还将输送给所述第二调节装置(1，2，3)的额定值输送给监测装置，并且

利用该监测装置能够基于该检测信号和该额定值确定第二调节装置(1，2，3)的功能故障。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，设置有用于检测第一轴的位置的位置传感器(10，15，20)，将该位置传感器(10，15，20)的检测信号输送给第二调节装置(1，2，3)。

3.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，存在至少另一轴，所述至少另一轴具有在驱动调节意义上被分配给其的调节装置(1，2，3)；在所述第一轴和所述第二轴和所述另一轴中每个轴上除了分配给其的调节装置(1，2，3)之外还存在用于检测该轴的位置的位置传感器(10，15，20)；将相应的位置传感器(10，15，20)的检测信号输送给不同于被分配给该轴的那个调节装置的调节装置(1，2，3)。

4.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，附加地存在的位置传感器(10，15，20)的检测信号依次分别被分配给与被分配给相应的轴的调节装置(1，2，3)不同的调节装置(1，2，3)。

5.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，除了检测信号之外，还将下述信号至少之一输送给监测装置：第二调节装置(1，2，3)的状态信号；所述第二调节装置(1，2，3)所检测的位置实际值；输送给所述第一调节装置(1，2，3)的额定值。

6.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，被分配给该第二轴和/或者其它轴的这些调节装置(1，2，3)也分别具有用于监测其它轴(1，2，3)之一的监测装置。

7.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，所述监测装置连接到单独的物理通信通道，通过该物理通信通道能够发出驱动装置的功能故障的信号。

8.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，至少第一调节装置(1，2，3)具有开关装置，通过该开关装置能够将第一调节装置(1，2，3)输出的调节量输送给这些轴中的与所述第一轴不同的轴。

9.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，调节装置(1，2，3)为了通信相互连接。

10.根据权利要求9所述的驱动装置，其特征在于，通过驱动层上的现场总线连接调节装置(1，2，3)。

11.根据权利要求10所述的驱动装置，其特征在于，至少一个调节装置(1，2，3)与主控层相连接，通过驱动层上的现场总线在调节装置(1，2，3)之间传输来自主控层的数据。

12.根据权利要求1或2任一所述的驱动装置，其特征在于，调节装置(1，2，3)被相互分开地分别设置给其要驱动的轴。

13.根据权利要求12所述的驱动装置，其特征在于，调节装置(1，2，3)执行其要驱动的轴所需的所有控制、监测和调节功能。

14.根据权利要求13所述的驱动装置，其特征在于，相互分开的调节装置(1，2，3)分别具有相互分开的供能装置(5，7，9)，其中一个供能装置(5，7，9)被分配给一个调节装置(1，2，3)。

15.根据权利要求14所述的驱动装置，其特征在于，供能装置具有不间断电源(5，7，9)。

16.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，所述的第一轴和第二轴为风能设备中待调整的转子叶片的轴。

17.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的第一轴和第二轴为利用倾斜技术的有轨车辆的倾斜机构的待调整的轴。

18.根据权利要求7所述的驱动装置，其特征在于，所述功能故障是被监测的调节装置(1，2，3)的功能故障。