CN106130437A - 电动机控制器和用于运行电动机控制器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机控制器和用于运行电动机控制器的方法。电动机控制器包括控制单元（21），其被设计用于接收和/或处理运动信号和用于输出控制信号；功率级（22），其被设计用于根据控制信号允许电能流；和传感器（15），其被设计用于检测电动机（4）的运动以及用于将与运动有关的传感器信号提供给控制单元（21）的传感器输入端（17），其中控制单元（21）被设计用于检测由电动机（4）驱动的运动系统（2）的与使用有关的负载值，其中控制单元（21）包括用于存储运动系统（2）的组件的参数的组件存储器（25）、用于将参数与到达的传感器信号组合以产生负载值的处理设备（26）和用于存储确定的负载值的负载值存储器（27）。

Description

电动机控制器和用于运行电动机控制器的方法

技术领域

本发明涉及用于将电能提供给电动机的电动机控制器，所述电动机控制器包括控制单元，所述控制单元被设计用于接收和/或处理运动信号以及用于输出与运动信号有关的控制信号，以及包括功率级，所述功率级与控制单元并且与输入连接以及与输出连接电连接，并且所述功率级被设计用于根据控制信号在输入连接和输出连接之间允许（enabling）电能流，以及此外包括传感器，所述传感器被设计用于检测电动机的运动，并且用于将与运动有关的传感器信号提供给控制单元的传感器输入端，其中所述控制单元被设计用于检测由电动机驱动的运动系统的与使用有关的负载值。此外，本发明涉及用于运行电动机控制器的方法。

背景技术

由EP 1653240 A1已知一种线性驱动设备，所述线性驱动设备被设计用于沿着线性轴在两个端部位置之间的预设的最大冲程的至少一部分上实施基本上直线的调整运动。线性驱动设备配备有电驱动器，所述电驱动器的旋转驱动运动借助于传动装置可被变换成平移运动，并且线性驱动设备包括用于检测在确定的时间段上进行的运行负载和/或运行状态的运行数据采集装置，其中运行数据采集装置可被连接到电驱动器的功率连接装置上用于采集数据。

发明内容

本发明基于的问题是提供电动机控制器和用于运行电动机控制器的方法，所述电动机控制器利用简单的装置使对所连接的运动系统的监控容易，所述运动系统尤其由电动机和传动设备组成。

对于上述类型的电动机控制器，该问题通过以下特征解决：所述电动机控制器包括控制单元，所述控制单元被设计用于接收和/或处理运动信号和用于输出与运动信号有关的控制信号，并且包括功率级，所述功率级与控制单元并且与输入连接以及与输出连接电连接，并且所述功率级被设计用于根据控制信号在输入连接和输出连接之间允许电能流，以及此外包括传感器，所述传感器被设计用于检测电动机的运动，和用于将与运动有关的传感器信号提供给控制单元的传感器输入端，其中所述控制单元被设计用于检测由电动机驱动的运动系统的与使用有关的负载值，并且其中控制单元包括用于存储运动系统的组件的参数的组件存储器、用于将参数与到达的传感器信号组合以产生负载值的处理设备，和用于存储所确定的负载值的负载值存储器。

在此规定，控制单元包括用于存储运动系统的组件的参数的组件存储器、用于将参数与到达的传感器信号组合以产生负载值的处理设备和用于存储所确定的负载值的负载值存储器。

用于电动机控制器的本发明目标是在没有复杂的和昂贵的附加措施、诸如安装附加传感器的情况下使对所连接的运动系统的监控容易。既然如此，运动系统的监控对准简单地确定的负载值、诸如累积的行程（travel）和/或运动逆转周期（movement reversal cycle，Bewegungsumkehrspielen）的数量。为此目的，运动系统的组件的参数被存储在控制单元的组件存储器中。所述参数可以例如是关于电动机的最大行程和/或与电动机耦合的传动设备、尤其主轴驱动器（spindle drive）或者带驱动器的最大行程的数据。

附加地或者可替代地，参数可以包括关于电动机和/或传动设备的运动逆转周期的最大数量的信息。通常地，所述参数由所述组件（电动机、传动设备）的制造商提供，并且如果适用的话在考虑安全系数情况下用于与实际上确定的负载值比较，用以如果适当的话从中导出报警信号和/或警报信号。参数也可以包括阈值，处理设备可以使用所述阈值用于评定：由传感器所检测的运动是否在任何情况下将会改变负载值。

例如，电动机的参数可以确定：负载值在电动机的电动机轴的何种旋转角时相对于行经的距离将被改变。由此，例如可以装备有滑动轴承或者滚珠轴承的电动机的磨损特性可以被映射，以便能够尽可能现实地评定实际经历的负载。同样内容适用于与电动机耦合的传动设备，所述传动设备同样可以具有单独的参数，所述参数被存储在组件存储器中。

处理设备的具有的目的是，从组件存储器中读出参数，并且在预定的或者可自由编程的算法中考虑所述参数，所述算法被提供用于处理传感器的传感器信号。作为将参数与传感器信号关联的结果，处理设备提供负载值，所述负载值可以被存储在负载值存储器中。可选地可以规定，由处理设备将在负载值存储器中存储的负载值与来自组件存储器的参数比较，以便提供警报信号和/或报警信号，或者将所存储的负载值提供给外部的组件、诸如上级控制系统。

本发明的有利的改进方案形成从属权利要求的主题。

如果控制单元包括数据接口，则是有利的，所述数据接口被设计用于将来自负载值存储器的负载值尤其提供给上级控制系统，和/或用于将组件数据提供给组件存储器，和/或用于尤其从上级控制系统接收运动信号。借助于数据接口，使控制单元能够与外部组件、诸如上级控制系统和/或参数化设备通信。尤其可以是可编程逻辑控制器（PLC）的上级控制系统可能被设计用于循环地反复地从负载值存储器读出负载值，并且在达到负载值的可预设的最大值时，通过减少其负载或者将其关断来影响电动机控制器。为此目的，尤其可以规定，上级控制系统根据读出的负载值调节用于电动机控制器的运动信号，以便延迟负载值的任何进一步增加。附加地或者可替代地，数据接口可以被设计用于将组件数据提供给组件存储器。

优选地规定，在电动机控制器最初运行之前，确定运动系统的组件数据；这例如可以借助于电动机和/或传动设备的类型代码在使用配置软件的适当的数据库的情况下进行，以便接着通过数据接口将组件数据和其他配置信息传输给电动机控制器。可替代地，组件数据可以从用于运动系统的组件的数据表借助于适当的输入设备、尤其个人计算机通过数据接口直接地被传送给组件存储器。为此目的，所述组件存储器可以尤其配备有网络服务器，所述网络服务器为输入设备提供可预设的用户界面。此外，数据接口可以被设计用于按照I/O链路协议与上级控制系统进行通信、尤其总线通信或者多极通信，用以交换运动信号和/或负载值。

在本发明的一种有利的改进方案中规定，处理设备被设计用于作为负载值从传感器的传感器信号中确定在运动系统的输出接口处提供的行程和/或由运动系统执行的运动逆转周期的数量。这考虑以下事实：运动系统除了电动机外还包括传动设备，所述传动设备例如可以是带驱动器、齿轮机构或者具有螺纹主轴（threaded spindle）的主轴驱动器，并且所述传动设备在任何情况下被提供用于将电动机的旋转运动转换为旋转运动或者线性运动。电动机控制器被设计为使得在确定负载值中，所述电动机控制器可以考虑电动机的特性以及传动设备的特性两者，以便促使尽可能完全地将运动系统的特性映射成负载值。作为用于确定负载值的系统边界（system limit），运动系统的输出接口通常被使用，所述输出接口可以例如是齿轮机构的输出元件或者主轴驱动器的联接杆或者与齿形带的离合器。举例来说可以规定，负载值排他地反映在输出接口处的行程，或者负载值考虑电动机的电动机轴的行程以及在输出接口处的行程两者。运动逆转周期的数量的确定应该基于电动机的电动机轴和传动设备之间正向耦合的假设，使得仅仅电动机的电动机轴的运动逆转周期必须被考虑。

优选地，处理设备被设计用于在确定负载值之前预处理传感器信号，使得电动机低于可预设的运动阈值的运动对负载值没有任何影响。通过传感器信号的这种预处理，可以考虑诸如传感器信号的噪声的效应和诸如电动机和/或传动设备的不同构造的特性。由传感器所提供的传感器信号由于传感器的缺陷和/或由于由电噪声引起的在传感器和处理设备之间的电线路中的干扰可能导致电动机的和/或传动设备的实际运动行为的误解，其中所述电噪声作为具有宽的、未指定的频谱的一般干扰量并且因此作为传感器信号的信号电平的持续的波动发生。为了减少噪声的影响，传感器信号的预处理包括检验传感器信号相对于可预设的参考值是否超过预设的阈值（滞后值或者滞后区间）。仅当阈值实际上被超过时，才在处理设备的算法中处理传感器信号。在预处理传感器信号的过程中，也可以考虑影响上述阈值的、电动机和/或传动设备的特性。因为例如电动机的电动机轴的小的回转角根据轴承布置影响电动机的实际磨损，所以例如对于具有滚珠轴承的电动机以及对于具有滑动轴承的电动机可以不同地设置用于负载值的增加的阈值。各自的阈值是用于运动系统的各自的组件的一个或多个参数的部分。

在本发明的另一扩展方案中规定，控制单元被设计用于在数据接口处提供状态信号、尤其警报信号和/或报警信号。状态信号可以通过将所计算的负载值与组件数据比较被确定。例如可以规定，如果达到最大行程的和/或运动逆转周期的最大数量的可预设的百分比，那么警报信号被输出。这用来使运动系统的运营者采取防护性措施、诸如服务操作（service operation）或者购买备件。如果达到最大行程和/或运动逆转周期的最大数量，那么报警信号可以被输出。在这样的情况下，在电动机控制器之内或者通过经由数据接口向上级控制系统的适当的信号传输，可以设置关断用于电动机的能量供应或者切换成具有减小的运动速度的故障安全模式（fail-safe mode）。

如果处理设备被设计用于提供编码的负载值和/或如果负载值存储器被设计用于不可逆地存储负载值，那么这是有利的。这些措施用来防止对所存储的负载值的操纵，因为负载值可能地被使用来评定保修索赔（warranty claims）或者评定在值勘测（value investigation）内运动系统的状况。举例来说可以规定，由处理设备确定的负载值借助于时间戳和/或通过其他手段被编码为使得使所述负载值的操纵变得困难或者不可能。附加地或者可替代地，可以规定，负载值存储器配备有用于负载值的存储单元，所述存储单元仅仅准许负载值的单次写入，从而防止所存储的负载值的删除。

如果传感器被设计用于检测电动机的电动机轴的旋转方向和/或如果控制单元被设计用于仅仅经由传感器的传感器信号检测与使用有关的负载值，那么这是有利的。关于电动机的电动机轴的旋转方向的信息使得电动机和运动系统的与所述电动机连接的传动设备的运动逆转周期的确定变得容易。如果电动机控制器具有带有仅一个传感器的非常简单的结构用以确保可以成本低地制造运动系统，那么这尤其适用。

本发明的问题此外通过用于运行电动机控制器的方法解决，其中为了确定负载值，处理设备使用来自以下组中的至少一个阈值进行传感器信号的预处理：行程、运动速度、加速度，并且仅当所述至少一个阈值被超过时，才确定负载值。在执行该方法时可以规定，使用一个或多个阈值用于评定运动系统的组件的实际的负载。纯举例来说可以规定，仅当例如对于电动机的电动机轴和/或对于运动系统的输出接口，最小行程和沿着所述最小行程的最小运动速度两者已被检测时，才增加负载值。阈值的其他组合也是可能的。

在该方法的另一实施例中规定，如果由传感器信号确定的行程超过可预设的行程阈值，那么处理设备改变负载值。

在该方法的另一实施例中规定，为了由传感器信号确定由运动系统执行的运动逆转周期的数量，处理设备确定运动方向并且如果在第一运动方向上的运动由在相反的第二运动方向上的运动跟随并且如果两个运动均包括高于可预设的行程阈值的行程，那么改变负载值。

附图说明

本发明的有利的实施例在附图中示出，其中：

图1示出具有运动系统和电动机控制器的驱动设备的纯图解性图示，

图2示出用于运动系统的不同的运动序列的图形图示，和

图3示出具有在图1中示出的驱动系统的组件的负载值的表格。

具体实施方式

图1示出驱动设备1，所述驱动设备1包括运动系统2和与运动系统2耦合的电动机控制器3。纯举例来说，运动系统2具有电动机4和主轴驱动器5，所述电动机4可以被设计为同步电动机或者异步电动机。电动机4被设计用于提供围绕旋转轴6的旋转运动，并且为此目的包括驱动轴7，所述驱动轴7可旋转地安装在电动机壳体8中。驱动轴7通过离合装置9恒定地（permanently）与螺纹主轴10连接，所述螺纹主轴10可旋转地被容纳在传动装置壳体11中。螺纹主轴10通过未详细示出的开合螺母（clasp nut）与驱动杆12正向（positively）耦合，所述正向耦合负责将螺纹主轴10的旋转运动转换成驱动杆12沿着旋转轴6的线性运动。

设计为旋转编码器（rotary encoder, Drehgeber）或者旋转变压器（resolver）的传感器15被提供在电动机壳体8的远离驱动轴7的端部区域中，用于检测驱动轴7围绕旋转轴6的旋转运动。传感器15通过传感器线路16与电动机控制器3的传感器接口17连接，传感器接口17与控制单元21电连接。此外，电动机4通过纯图解性示出的连接线路18与电动机控制器3的连接接口19连接。

纯举例来说，电动机控制器3被形成在未详细示出的单个印刷电路板上。除了传感器接口17和连接接口19外，电动机控制器3包括控制单元21、功率级22、数据接口23和供电接口24。控制单元21纯图解性地被划分成组件存储器25、处理设备26和负载值存储器27，为所有实践目的，这些可以可选地被设计为分立电子组件、尤其存储器模块或者微控制器或者单一的微控制器或者微处理器。

在图解的实施例中规定，控制单元21通过数据线路28与数据接口23电连接，并且由此能够与仅图解性示出的上级控制系统29通信。为了所述通信，例如设置使用总线协议或者并行数据通信。因此，数据接口23可选地被设计为总线节点或者接线板。

供电接口24与同样地仅纯图解性示出的功率源30电连接。由功率源30提供的电能通过供电线路31被馈送给功率级22，并且可以从那里根据控制单元21的控制信号被提供给连接接口19。

控制单元21可以可选地被设计用于接收由控制系统29提供的运动信号或者用于使用在控制单元21中尤其作为控制软件所存储的运动序列（movement sequence）在内部提供运动信号。控制单元21通过控制线路32使运动信号可用于功率级22，所述功率级22优选地是电子断路开关或者是这样的断路开关的装置，并且在此处基于运动信号视情况而定地由功率源30为电动机4释放电能。

如果以这种方式释放电能，那么在电动机4的驱动轴7中引起旋转运动，结果是，传感器15将传感器信号输出给传感器线路16。纯举例来说规定，传感器15输出模拟传感器信号。传感器信号被馈送给处理设备26，所述处理设备26例如在涉及时钟信号的情况下被设计用于确定用于驱动轴7的运动的转速和/或角速度和/或角加速度、尤其累积的行程。

此外，处理设备26被设计用于读出并且处理存储在组件存储器25中的电动机4和/或主轴驱动器5的参数。

举例来说规定，在组件存储器25中存储电动机4的最大行程和主轴驱动器5的最大行程，并且处理设备通过适当的编程被配置用于使用可用的传感器信号计算用于电动机4的第一负载值和用于主轴驱动器5的第二负载值，并且将所确定的负载值与所存储的最大行程值比较。

为此所规定的做法举例来说可以在图2和3中看出。图2示出驱动轴7的从传感器15的（未示出的）传感器电平确定的行程的进展；在图2的图表中，在横坐标（水平轴）上绘制时间，而在纵坐标（竖直轴）上绘制由驱动轴7行经的距离。

图3的第一行包含累积的行程的值，而第二行包含运动逆转周期的数量的值。

在时间点t0和时间点t1之间，假设静止的驱动轴7。既然如此，在图3的图示中，行程34和运动逆转周期35的数量的值不被改变。

在时间点t1处，驱动轴7的正向运动开始；该正向运动通过直到时间点t4为止增加的行程34表示。纯举例来说规定，如果行程34的变化超过具有按照图3两个单位的区间宽度的纯示范性滞后区间，那么累积的行程的值被增加，所述滞后区间相对参考值中央地设置，所述参考值例如以0单位处于时间点t1。因此，在时间点t2、t3和t4处，也被描述为负载值的行程34的累积的值被增加。

在时间点t4和时间点t5之间不存在驱动轴7的运动，使得行程34也不被改变。

从时间点t5起，存在驱动轴7的负向运动，所述负向运动通过直至时间点t6为止减少的行程表示。因为在时间点t5和t6之间超过可预设的滞后区间，所以所述两个时间点之间的运动的量完全地被分配给行程34的累积的值。

此外，由于在时间点t5处驱动轴7的运动反转，所以运动逆转周期35的数量的值（也被描述为负载值）也被增加，因为从超过滞后区间的驱动轴7的先前的正向运动开始，处理设备26现在可以观察到超过滞后区间的驱动轴7的负向运动，并且因此将运动逆转周期35的数量的值增加1。

在时间点t7和t8以及t9和t11之间的随后的正向旋转运动中，滞后区间分别被超过，使得行程34的累积的值相应地被增加。此外，运动逆转周期35的数量的值在时间点t8也进一步被增加。在时间点t11和t12之间的反向运动导致行程34的累积的值的相应的增加。同样内容适用于在时间点t13和t14之间的正向运动，所述正向运动由运动逆转周期35的数量的值的进一步增加伴随。

直至时间点t15的休止（rest）由驱动轴7的非常缓慢的正向运动跟随，所述正向运动在时间点t20才超过滞后区间，导致行程34的累积的值的增加。

举例来说可以规定，行程34的最后的值被存储为参考值用于基于此随后评定行程以及运动逆转周期，其中所述行程34的最后的值导致了行程34的累积的值的改变。

Claims (11)

1.用于将电能提供给电动机（4）的电动机控制器，所述电动机控制器包括控制单元（21），所述控制单元（21）被设计用于接收和/或处理运动信号和用于输出与运动信号有关的控制信号，并且包括功率级（22），所述功率级（22）与控制单元（21）并且与输入连接（24）以及与输出连接（19）电连接，并且所述功率级（22）被设计用于根据控制信号在输入连接（24）和输出连接（19）之间允许电能流，以及进一步包括传感器（15），所述传感器（15）被设计用于检测电动机（4）的运动，和用于将与运动有关的传感器信号提供给控制单元（21）的传感器输入端（17），其中所述控制单元（21）被设计用于检测由电动机（4）驱动的运动系统（2）的与使用有关的负载值，其中控制单元（21）包括用于存储运动系统（2）的组件的参数的组件存储器（25）、用于将参数与到达的传感器信号组合以产生负载值的处理设备（26）和用于存储所确定的负载值的负载值存储器（27）。

2.按照权利要求1所述的电动机控制器，其中所述控制单元（21）包括数据接口（23），所述数据接口（23）被设计用于提供来自负载值存储器（27）的负载值和/或用于将组件数据提供给组件存储器（25），和/或用于接收运动信号。

3.按照权利要求2所述的电动机控制器，其中所述数据接口（23）被设计用于将来自负载值存储器（27）的负载值提供给高级控制系统（29）和/或用于从高级控制系统（29）接收运动信号。

4.按照权利要求1所述的电动机控制器，其中所述处理设备（26）被设计用于作为负载值由传感器（15）的传感器信号确定在运动系统（2）的输出接口处提供的行程和/或由运动系统（2）执行的运动逆转周期的数量。

5.按照权利要求1所述的电动机控制器，其中所述处理设备（26）被设计用于在确定负载值之前预处理传感器信号，使得低于可预设的运动阈值的电动机（4）的运动对负载值没有任何影响。

6.按照权利要求1所述的电动机控制器，其中所述控制单元（21）被设计用于在数据接口（23）处提供状态信号。

7.按照权利要求1所述的电动机控制器，其中处理设备（26）被设计用于提供编码的负载值，和/或所述负载值存储器（27）被设计用于不可逆地存储负载值。

8.按照权利要求1所述的电动机控制器，其中所述传感器（15）被设计用于检测电动机（4）的电动机轴的旋转方向，和/或所述控制单元（21）被设计用于排他地经由传感器（15）的传感器信号检测与使用有关的负载值。

9.用于运行按照权利要求1所述的电动机控制器（3）的方法，其中为了确定负载值，所述处理设备（26）使用来自以下组中的至少一个阈值来执行传感器信号的预处理：行程、运动速度、加速度，并且仅当至少一个阈值被超过时，才确定负载值。

10.按照权利要求9所述的方法，其中如果由传感器信号确定的行程超过可预设的行程阈值，那么所述处理设备（26）改变负载值。

11.按照权利要求9所述的方法，其中为了由传感器信号确定由运动系统（2）执行的运动逆转周期的数量，所述处理设备（26）确定运动方向，并且如果在第一运动方向上的运动由在相反的第二运动方向上的运动跟随，并且如果两个运动均包括高于可预设的行程阈值的行程，那么改变负载值。