CN104460359B

CN104460359B - 具有对制动器和发送器的组合控制的驱动系统

Info

Publication number: CN104460359B
Application number: CN201410444477.9A
Authority: CN
Inventors: A.库恩
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: EP2851909B1; US9484846B2; US20150077024A1; CN104460359A; EP2851909A1

Abstract

应当简化具有变流器(1)、电动机(2)和线路装置(4)的驱动系统的连接技术，其中，电动机(2)具有发送器(3)和制动器(14)。为此设有，线路装置(4)为了传输能量和数据，除了功率线(L1,L2,L3和PE)之外仅还具有两条制动线(B1和B2)。变流器(1)构建为将第一极性的第一供电电压和具有与第一极性相反的第二极性的第二供电电压为了给制动器(14)和发送器(3)供电而施加至制动线(B1和B2)。电动机(2)构建为，以相应的供电电压不依赖于其极性地为发送器(3)供电，而依赖于其极性地为制动器供电。

Description

具有对制动器和发送器的组合控制的驱动系统

技术领域

本发明涉及一种尤其用于生产型机床的驱动系统，该驱动系统具有变流器、带有制动器和发送器的电动机、以及线路装置，该线路装置将变流器与电动机连接，该线路装置具有至少两条功率线以及用于为制动器供电的两条制动线，并且该线路装置构建为用于在变流器与电动机之间的数据传输以及用于将能量传输给发送器。

背景技术

这种驱动系统于是适于生产型机床，例如铣床、车床等。然而也可以将其用于机器人、传送带等。驱动系统为此也称作伺服驱动器。其典型地具有带有制动器的电动机和通过多条线缆与电动机连接的变流器。

在电伺服驱动器中，为了采集电动机的位置而目前通常在电动机中使用具有数字接口的发送器或编码器。这些编码器通过编码线连接，其按照现有技术包含供电电压导线和对于传输数据所需的导线。

与数据线和用于编码器的供电电压线并行地设有功率线，通过功率线可以将电能传输给电动机。此外，设有用于制动器的控制线，该制动器通常经由直流电压(例如24V DC)来控制。通常，变流器与电动机之间的线路综合到两条线缆中，这两条线缆并行延伸并且需要在线缆通道和牵引链中的位置。这并非总是有利的。

然而在市场上已经有解决方案可用，在该解决方案中在变流器和电动机之间仅需一条线缆，其中电动机具有制动器和发送器。随着Sick-Stegmann公司的编码器接口“HiperfaceDSL”的引入，可以在仅两条扭绞的线上实现向编码器或发送器的电压供应和数据通信。这种线可以非常细并且与功率线一起集成到单条线缆中。在此，应用者仅还需在变流器与电动机之间连接单条线缆(通常称作线路装置)，其包括编码器线。由此简化了连接技术。然而应用者需要在电动机上的特殊插头，其容纳用于两条通信芯线的附加接触部。在市场上可获得直至插头大小1.5的这种插头。然而此外不存在相应的连接技术。

发明内容

本发明的任务由此在于，提供一种驱动系统，其具有简化的连接技术。

根据本发明，该任务通过一种尤其用于生产型机床的驱动系统解决，该驱动系统具有：

-变流器，

-电动机，其具有制动器和发送器，以及

-线路装置，该线路装置将变流器与电动机连接，该线路装置具有至少两条功率线以及用于为制动器供电的两条制动线，并且该线路装置构建为用于在变流器与电动机之间进行数据传输以及用于将能量传输给发送器，

其中，

-线路装置为了传输能量和数据，除了功率线之外仅还具有两条制动线，

-变流器构建为将第一极性的第一供电电压和具有与第一极性相反的第二极性的第二供电电压为了给制动器和发送器供电而施加至制动线，以及

-电动机构建为，以相应的供电电压不依赖于其极性地为发送器供电，并且依赖于其极性地为制动器供电。

有利地，变流器能够提供极性不同的供电电压。电动机就其本身而言于是能够不依赖于极性地一直为发送器或编码器供电，并且将供电电压的极性用于特定地控制制动器，即，闭合和松开制动器。借助该技术于是可以通过功率线和仅两条附加的制动线来实现能量和数据的传输。

优选地，变流器和电动机构建为通过制动线传输数据。原则上虽然还存在通过功率线为发动机传输数据的可能性，然而通过制动线传输数据具有的优点是，通常以直流电压进行发送器和制动器的供电，可以从该直流电压没有大的开销地分离高频数据信号。功率线中的交变电流将影响数据传输的交变信号。

通过制动线进行的数据传输可以以高于10kHz和尤其高于1MHz的频率进行。有利地，例如选择33MHz处的数据传输。由此保证了与制动器和发送器的直流电压供电的足够大的频谱距离，然而还保证了与用于电动机供电的常见单相或三相系统的供电频率的足够大的距离。相应地可以安全地传输或取回数据。

变流器可以具有可切换的电桥，借助该电桥可以从直流电压中产生第一和第二供电电压。借助这种可切换的电桥可以以简单方式从直流电压中产生第一极性和相反的第二极性的供电电压。

有利地，制动器在电动机中/处通过二极管连接至制动线。以该方式可以以小的开销极性相关地控制制动器。

此外，发送器可以通过桥式整流器连接至制动线。这种桥式整流器在输出端上保证了不依赖于输入端上的极性的供电。

此外，制动线可以相对于功率线单独地被屏蔽。由此可以保证数据传输可以通过制动线无干扰地进行。

此外，可以设有线路装置中所有线的总屏蔽部。这具有的优点是，既不从外部将干扰耦合输入到功率线和制动线中，又不从其向外发射干扰。

电动机可以是三相电机，其中线路装置具有4条功率线。由此还可以使具有制动器和发送器的常见三相电机受益于简单的连接原理。

可选地，为了数据传输分别将驱动器模块不仅在变流器中而且在电动机中耦合至制动线。如果驱动器模块例如是以太网收发器(Ethernet-Tranceiver)，则在变流器和电动机之间可以发生经典的以太网通信。

附图说明

现在借助附图详细阐述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的驱动系统的原理构造；以及

图2是图1的驱动系统的电路框图。

具体实施方式

下面详细阐述的实施例示出了本发明的优选实施方式。

图1象征性地示出了根据本发明的驱动系统，其例如对于铣床适于作为驱动器。驱动系统具有变流器1和在此具有两个电动机2。变流器1于是可以控制一个电动机2或者多个电动机2。

每个电动机2具有未示出的制动器和未示出的发送器。可以将它们中的两个或仅一个集成到电动机的壳体中。原则上也可以将这二者都安装在电动机2的壳体外部。制动器用于迅速制动电动机的轴或转子。典型地，这种制动器被以电磁方式驱动。在此，出于安全原因有利的会是，制动器在未通电状态中被闭合并且在被通电时松开。

此外，两个电动机2中的每个都具有发送器或编码器。借助这种发送器3(参见图2)可以采集电动机2的转子或轴的转数、转角、旋转位置等，并且将相应的信息向外提供。

每个电动机2借助单条线缆4(通常称作线路装置)连接至变流器1。这种线缆4：

a)传输用于电动机2的驱动能量，

b)传输用于为制动器供电的能量，

c)传输用于为发送器3供电的能量，以及

d)在变流器1与发送器3之间传输数据。

借助单条线缆于是保证了在变流器1与电动机2(包括所集成或所连接的制动器和发送器)之间传输分别所需的能量和积累的数据。

在图2中示出了借助线缆4连接至变流器1的电动机2的电路框图。变流器1通过矩形表示，其实际上代表其壳体。产生用于驱动电动机2的三相电流的电力电子装置在此出于纵览性原因而未示出。代替功率输出端，在变流器1的输出端上仅标出三条相线L1、L2和L3以及零线PE(下面也称作“功率线”)。出于简单性原因，将这些相线和零线示出为连续地从变流器1穿过线缆4直至电动机2。这些功率线L1、L2、L3和PE中的每条都在变流器中或处具有相应的、接线柱或者插座极或插头极形式的端口。

变流器1还具有作为收发器的驱动器模块5，用于与发送器3通信。抽象地，其在此例如是以太网连接的物理层。驱动器模块5的两条通信线连接至变流器1中为电去耦而设的变压器6的初级侧。在次级侧，通信线经过电容器7引向线缆4的制动线B1和B2。这例如可以经过未示出的插头系统来进行。

此外，变流器1具有可切换的电桥8，其在输入侧被馈以用正极P和负极M表示的直流电压。该直流电压用于为电动机侧的发送器和电动机侧的制动器供电。电桥8的输出端经过纵向电感器9连接至制动线B1和B2。电桥8构建为全桥并且具有4个支路，在这些支路中分别布置有开关或晶体管、IGBT等A、B、C和D。与每个开关并联有二极管10。

线缆4例如经过未示出的插头连接至变流器1。除了功率线L1、L2、L3和PE外，在线缆4中作为线路仅还具有制动线B1和B2。制动线B1和B2在线缆4中被单独的屏蔽部11围绕。由此，其相对于功率线被电磁屏蔽。此外，线缆4在此具有总屏蔽部12，其围绕线缆4的所有线路。由此电磁屏蔽整个线缆4。屏蔽部11和12仅可选地存在。

如果仅一个单相电动机是经过缆线4来控制或供电的，则仅需设置2条功率线。在该情况下，线缆4是四芯线的(两条功率线和两条制动线)。对于另外每一相设有一条附加的功率线。

为了给三相电动机2供电，六芯线的线缆4在电动机侧通向相应的六极插头13。如果制动器14和发送器3布置在电动机2的壳体内，则该插头将线缆4的线路进一步引至电动机内部。如果它们布置在电动机壳体外，则制动线B1和B2也可以进一步引至电动机壳体外。在图2的示例中，电动机壳体15的一部分通过虚线表示。功率线L1、L2和L3或PE所通向的绕组出于纵览性原因而未示出。

在图2的示例中，发送器3和制动器14位于电动机壳体15内。可以用以制动电动机2的转子或其轴的制动器14经过二极管16连接至两条制动线B1和B2。即，仅允许单向的电流流动通过制动器14。对于制动器的控制由此存在正极P_B和负极M_B。

编码器或发送器3同样连接至制动线B1和B2。该编码器或发送器3同样具有作为收发器的驱动器模块17，用于与变流器1通信。驱动器模块17从其来看在初级侧同样连接至变压器18以用于电去耦。在其次级侧上，经过电容器19连接了制动线B1和B2。

发送器3的供电经过制动线B1和B2。进行。为此，全桥20的输入端经过纵向电感器21与制动线B1和B2连接。在全桥20的输出端上存在正极P_E和负极M_E用于编码器或发送器3的供电。两个极均为了直流平滑而可选地与电容器22连接。

下面详细阐述驱动系统的运行。在此，三个运行状态是主要的：

I)电动机断开并且制动器闭合，

II)电动机运转并且制动器形成气隙，以及

III)电动机(至少暂时地)运转并且制动器闭合。

在电动机关断并且制动器14同样未通电的状态I)期间，后者机械地闭合，从而电动机2的转子静止。变流器1的电桥8的开关A、B、C和D在该情况下未通电，即A＝B＝C＝D＝0。从而，在极P_B和M_B上未施加电压，并且制动器闭合。

在状态II)中，当电动机运转时，制动器14形成气隙。为此给开关A和D通电，而并不为开关B和C通电，即A＝D＝1并且B＝C＝0。相应地，正电势P经过开关A施加至图2中上方的制动线B1，而负电势M经过开关D施加至下方的制动线B2。从而，电流流经二极管16和正极P_B至制动器14，并且从那里经过负极M_B流回下方的制动线B2。制动器14于是通电并且由此形成气隙。

在状态III)中应将电动机制动。为此，将开关B和C置于高电势并且将开关A和D置于低电势，即A＝D＝0并且B＝C＝1。相应地，正的供电电势经过开关C施加至下方的制动线B2并且负的供电电势经过开关D施加至上方的制动线B1。二极管16阻止从正的下方制动线B2经过制动器14至负的上方的制动线B1的电流流动。制动器14于是并不通电并且因此机械地闭合。

在整个运行期间，发送器3经过制动线B1和B2被供以电流。在状态I)中，电动机并不运行并且因此在制动线B1和B2并未施加电压，由此发送器3也并未被供以电流。相反在状态II)中，当上方的制动线B1是正的时，电流经过纵向电感器21流向全桥整流器20。在那里，电流通过左上方的二极管流向编码器供电的正极P_E。电流经过负极M_E、右下方的二极管和另一纵向电感器21流回下方的制动线B2。发送器3于是被供以电流，同时电动机2运转。

在状态III)中，当电动机制动时，发送器3同样应被供以电流。这由此保证，电流从下方的、现在为正的制动线B2经过全桥整流器20的右上方的二极管流向正极P_E。电流经过负极M_E和全桥整流器20的左下方的二极管流回现在为负的上方制动线B1。电流流动在此也经过纵向电感器21进行。发送器3的电流供给于是也在该状态III)中保证。

根据本发明，编码器数据和编码器供电的传输也在用于控制(DC)制动的两条芯线上执行。相应的连接导体通常已经在电动机线路中存在，并且相应的接触部已经设于如今常见的插接连接器中，从而在此无需与标准的偏差。此外，连接技术的待提供的变型减少，因为不再需要用于带有/没有制动线的功率线和发送器线的端口，而是仅还需用于功率线和制动线的端口，因为相应的线缆也可以用于没有制动器的驱动系统。

有利地，于是(可靠的)制动器控制、发送器电压供给和通信接口的功能可以经过唯一的线路对(制动线)在一条线缆中实现。在此可以利用的是，制动器的控制和发送器的供电以例如24V的直流电压进行，而数据传输无直流分量地例如在大约33MHz或更高处进行。相应的交变信号在频谱上与直流电压远离至使得其可以以小的电路技术开销来与直流电压分离。

发送器的供电可以进行为使得其已经在制动器松开之前、期间和之后被供以电压。而制动器在特定的运行情况下可靠地打开或又闭合，这通过供电电压的极性反转来实现。

编码器优选地包含桥式整流器，其在任何情况下总是保证供电电压的正确极性。制动器却有利地以二极管解耦，该二极管仅在供电电压的极性之一的情况下能够实现电流流动和由此实现制动器的打开。由此如上面阐述那样，覆盖了三个可能的运行情况：发送器和制动器关断/发送器接通，制动器关断/发送器和制动器都接通。

在一个有利的扩展方案中，该类型的控制在变流器侧还可以与监视组合，该监视能够实现监督可切换的电桥8中的单个晶体管关断支路和由此实现根据多方面的安全要求的可靠制动器控制。

在数字的传输中优选使用扭绞的芯线对。可以使用基于RS485的以及基于屏蔽的单对以太网(Sheelded Single Pair Ehternet-basierte)的传输协议。在一个有利的应用方式中在此于是可以经过制动线传输HiperfaceDSL。

在另一有利实施方式中可以使用尤其具有双线技术的实时以太网协议。

Claims

1.一种用于生产型机床的驱动系统，所述驱动系统具有：

-变流器(1)，

-电动机(2)，其具有制动器(14)和发送器(3)，以及

-线路装置(4)，所述线路装置将所述变流器与所述电动机连接，所述线路装置具有至少两条功率线(L1,L2,L4,PE)以及用于为所述制动器供电的制动线(B1,B2)，并且所述线路装置构建用于在所述变流器与所述电动机之间的数据传输以及构建用于将能量传输给所述发送器，

其特征在于，

-所述线路装置(4)为了传输能量和数据，除了功率线之外仅具有两条所述制动线，

-所述变流器(1)构建为，将第一极性的第一供电电压和具有与第一极性相反的第二极性的第二供电电压为了给所述制动器(14)和所述发送器(3)供电而施加到所述制动线上，以及

-所述电动机(2)构建为，以第一极性的第一供电电压和第二极性的第二供电电压不依赖于其极性地为所述发送器供电，并且依赖于其极性地为所述制动器供电。

2.根据权利要求1所述的驱动系统，其中，所述变流器(1)和所述电动机(2)构建为经过所述制动线(B1,B2)传输数据。

3.根据权利要求2所述的驱动系统，其中，经过所述制动线(B1,B2)进行的数据传输以高于10kHz、尤其高于1MHz的频率进行。

4.根据上述权利要求中任一项所述的驱动系统，其中，所述变流器(1)具有可切换的电桥(8)，借助所述电桥能够从直流电压中产生第一和第二供电电压。

5.根据上述权利要求1至3中任一项所述的驱动系统，其中，所述制动器(14)在所述电动机(2)中/处经过二极管(16)连接至所述制动线(B1,B2)。

6.根据上述权利要求1至3中任一项所述的驱动系统，其中，所述发送器(3)经过桥式整流器(20)连接至所述制动线(B1,B2)。

7.根据上述权利要求1至3中任一项所述的驱动系统，其中，所述制动线(B1,B2)相对于功率线(L1,L2,L3,PE)被单独屏蔽。

8.根据上述权利要求1至3中任一项所述的驱动系统，其中，总屏蔽部(12)围绕线路装置(4)中的所有线路。

9.根据上述权利要求1至3中任一项所述的驱动系统，其中，所述电动机(2)是三相电机，并且线路装置(4)具有4条功率线(L1,L2,L3,PE)。

10.根据上述权利要求1至3中任一项所述的驱动系统，其中，为了数据传输，不仅在所述变流器(1)还在所述电动机(2)中将驱动器模块(5,17)耦合至所述制动线(B1,B2)。