CN113169701A

CN113169701A - 一种用于故障安全转速监控过程的方法和装置

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Publication number: CN113169701A
Application number: CN201980077926.1A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·穆西奥里克
Original assignee: Keb Automation KG
Current assignee: Keb Automation KG
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-07-23
Also published as: JP2023065529A; US20220014141A1; EP3657670B1; JP2021535724A; JP7478870B2; US11784606B2; KR20210094537A; WO2020109240A1; KR102643423B1; EP3657670A1

Abstract

一种用于无传感器三相驱动器(3)的故障安全转速监控的方法，其中，所述三相驱动器(3)由包括逆变器(7)的驱动电子设备(2)以U、V、W相进行三相控制，所述三相U、V、W处的电压信号以脉冲宽度调制信号的形式存在，其中确定对所述驱动器采用的所述逆变器(7)的输出频率，并由此确定所述驱动器(3)的实际转速(20)，其中将所述实际转速(20)与可预先确定的期望转速(21)进行比较，并且如果所述实际转速(20)超出所述期望转速(21)，则切断所述驱动器(3)，使用所述脉冲宽度调制信号的脉冲宽度来确定所述逆变器(3)的所述输出频率。

Description

一种用于故障安全转速监控过程的方法和装置

本发明涉及一种用于无传感器三相驱动器的故障安全转速监控的方法，其中，三相驱动器由包括逆变器的驱动电子设备以U、V、W相进行三相控制，三相U、V、W处的电压信号以脉冲宽度调制信号的形式存在。此外，本发明还涉及一种用于无传感器三相驱动器的故障安全转速监控的装置，特别是用于执行根据本发明提供的方法的装置。

这种类型的三相驱动器在工业应用中用于驱动机床、机器人、传送带和/或类似装置。它们存在潜在的风险，特别是对于操作员而言，这就是需要适当保护的原因所在。EN61800-5-2“可调速电力驱动系统-第5-2部分：安全要求-功能”中对特别保护电力驱动的可能措施进行了标准化。

标准化的安全功能之一涉及所谓的安全最大速度(安全限制转速(SafelyLimited Speed，简称SLS))。根据该安全功能，监控到驱动侧未超出可预先确定的最大速度，即转速。出于此目的，监控驱动器的转速，并且在超出可预先确定的限制转速的情况下，触发错误反应。可能的错误反应是立即中断驱动器的电源，然后不受控制地停止驱动器(安全转矩关闭(Safe Torque Off，简称STO))。

为了根据标准实现SLS安全功能，根据现有技术已知，使用外部传感器，例如用于确定转速。反过来，此类传感器必须符合相应的安全标准，例如EN61508。

使用外部传感器系统来测量驱动器的转速已在日常实际使用中得到证明，但也存在缺点。一方面，使用外部传感器系统的成本高昂，因此本质上是不利的，尤其是因为它需要额外遵守关于此类外部传感器系统的安全标准。另一方面，为了符合诸如EN 61800-5-2之类的相关标准，可能需要使用以冗余方式操作的传感器系统，这也会导致更高的成本以及更高的安装成本。

为了克服上述缺点，根据DE 10 2009 048 944 A1已知，当电流和电压曲线从驱动电子设备传输到电机时，基于电流和电压曲线来确定电机的负载转速。出于此目的，通过基于检测到的电流、检测到的电压、由驱动预先确定的频率以及电机的特性图数据计算观测器模型来确定负载转速。

根据DE 10 2009 048 944 A1已知的解决方案不需要外部传感器，但对于标准兼容的双通道电流和/或电压检测，需要提供相应地以冗余方式操作的测量装置，该测量装置十分复杂并且因此成本高昂。关于电流测量，还必须考虑到存在电机侧工作点或电流为零的负载情况。在这些情况下，无法确定驱动器侧的转速，因此在这些情况下不能确保功能安全。在采用所谓的伺服电机和同步磁阻电机的情况下尤其如此，这就是通常从SLS安全功能中排除这些电机的原因所在。

此外，根据符合EP 1 211 774 A1的现有技术，已知用于无传感器三相驱动器的安全转速监控，其中在检测到故障时双通道将切断。出于此目的，在两个几乎冗余的系统中，在两个通道中限制和监控确定的定子频率设定值，并且在每个系统中，由此导出用于逆变器的电流阀的相应控制设定信号，这些信号可以在两个监控电子设备中相互比较。由于冗余系统设计，这种配置也经证明实现成本高昂且耗时。

基于上述内容，本发明的目的是提供一种用于无传感器三相驱动器的故障安全转速监控的方法，与现有技术相比，该方法可以更容易地实现，同时符合标准化的安全功能。此外，本发明还旨在提供一种用于执行该方法的相应装置。

为了实现上述目标，提供了一种用于无传感器三相驱动器的故障安全转速监控的方法，其中，三相驱动器由包括逆变器的驱动电子设备以U、V、W相进行三相控制，三相U、V、W处的电压信号以脉冲宽度调制信号的形式存在，其中确定对驱动器采用的逆变器的输出频率，并由此确定驱动器的实际转速，其中将实际转速与可预先确定的期望转速进行比较，并且如果实际转速超出期望转速，则切断驱动器，仅使用脉冲宽度调制信号的脉冲宽度来确定逆变器的输出频率。

在装置方面，为了实现上述目的，提供了一种用于无传感器三相驱动器的故障安全转速监控的装置，特别是用于执行上述方法的装置，该装置包括：具有逆变器的驱动电子设备，三相驱动器可由其以U、V、W相进行三相控制；脉冲宽度调制发生器，三相U、V、W处的电流和电压信号可由其以脉冲宽度调制信号的形式提供；装置，用于确定对驱动器采用的逆变器的输出频率；计算单元，用于基于逆变器的输出频率来确定驱动器的实际转速；比较单元和切断装置，其中，可以使用比较单元将实际转速与可预先确定的转速进行比较，比较单元在实际转速超出期望转速的情况下产生相应的信号，并且将信号传输到切断装置，驱动器可由切断装置切断；以及用于检测脉冲宽度调制信号的脉冲宽度的装置的装置，仅可基于脉冲宽度确定对驱动器采用的逆变器的输出频率。

根据本发明，确保在按照预期使用期间确定对驱动器采用的逆变器的输出频率，并基于该输出频率确定驱动器的实际转速。仅使用脉冲宽度调制信号的脉冲宽度来确定输出频率。与现有技术相比，确定转速时无需测量电流，也无需测量电压。这不仅简化了方法的执行和装置的结构，而且提供了更广泛的应用范围，因为脉冲宽度确定的特定优点是不必从SLS安全功能中排除完整的电机类型。特别地，还可以使用根据本发明提供的方法或根据本发明提供的装置安全地操作伺服电机和同步磁阻电机。关于这些电机类型，仅需排除一些工作点，而不排除这些电机类型，就像根据现有技术必须提供的电流测量的情况一样。

本发明的线索在于以下事实，即与预期相反，当电流和/或电压曲线传输到三相驱动器时，记录电流和/或电压曲线不是决定性的。本发明利用以下事实，即可以基于提供逆变器的变频器的中间电路电压来确定逆变器侧输出电压，其中，中间电路电压包含在以固定比率确定的相位元件电压中，这使得输出电压和中间电路电压的具体测量变得多余。作为根据本发明提供的设计的结果，仅基于脉冲宽度调制信号的脉冲宽度来确定输出频率以及转速。特别地，可以通过具有与脉冲宽度调制发生器相同分辨率的闸门来确定用于控制例如U+、V+和W+相的IGBT的脉冲宽度。

由于无论如何都会提供脉冲宽度调制，因此可以通过根据本发明提供的方法或装置以简单的方式来实现可靠的转速确定，而无需附加硬件设备。这意味着，对于电流和/或电压测量，既不需要外部传感器系统，也不需要附加测量装置。

因此，根据本发明提供的设计确保在按照预期使用期间确定驱动器的转速。将所确定的转速作为实际转速与可预先确定的期望转速进行比较。如果实际转速高于期望转速，即如果在驱动器的实际操作期间超出可预先确定的限制转速，则立即切断驱动器。

基于对驱动器采用的逆变器侧输出频率来计算驱动器的转速。接着，使用脉冲宽度调制信号的脉冲宽度来确定输出频率。这可以通过具有与PWM发生器相同分辨率的闸门来实现，这会导致一种可以非常简单地执行的方法。

根据本发明的另一特征，使用所确定的脉冲宽度来确定变换角度。为了确定变换角度，使用定子固定坐标系中变换后的脉冲宽度的比率，如以下公式所示。

因此，可以通过三个相位的脉冲宽度来确定开关频率CNT_FSWITCH

或

CNT_FSWITCH＝Max(p_U；p_V；p_W)+Min(p_U；p_V；p_W)+2TOTKOMP

必须针对死区时间补偿CNT_TOTKOMP调整脉冲宽度。然后，以如下开关频率CNT_FSWITCH和中间电路电压U_IC获得相位元件电压：

转换为α/β坐标系之后，所得相位元件电压为：

根据定子固定坐标系中变换后的电压得到变换角度，然后为

根据上述公式，由于在确定变换角度时只有电压的比率至关重要，可以直接使用控制程度进行计算，因此不需要确定中间电路电压，即测量中间电路电压。结果如下：

因此所得变换角度为

其中

p_U,V,W用于控制逆变器阀的PWM信号的脉冲宽度

u_U,V,W与虚拟星点相关的相位电压的瞬时值

u_IC中间电路电压的瞬时值

转子位置(变换角度)

然后，可根据角度差得出输出频率

其中

转子位置(变换角度)

ω₁输出电角频率

f_CALC计算频率

基于以这种方式确定的电角频率，随后可以根据

确定三相驱动器的机械转速ω，这将在下面更详细地示出。

根据本发明的另一特征，确保一方面通过第一微控制器，并且另一方面在此基础上通过第二微控制器在两个通道中确定输出频率。输出频率的冗余确定使得标准化地符合附加安全要求。

此外，优选地，在这种背景下，通过在两个微控制器之间交叉通信来交换和比较由两个微控制器确定的输出频率。如果该比较的结果不相等，则立即切断驱动器。

因此，根据本发明，必须在两种关断情况之间进行区分。根据第一种情况，如果根据本发明提供的两个微控制器检测到彼此不同的输出频率，则立即切断驱动器。因此，确定驱动器的实际转速不再重要。驱动器已经切断，因为微控制器确定出不同的输出频率。可以提供标准化的公差范围，根据该公差范围，由微控制器确定的输出频率之间的偏差被允许在某些可能预先确定的限值内。

如果由微控制器确定的输出频率在可预先确定的公差范围内具有相同的尺寸，则基于该确定来确定驱动器的实际转速。如果实际转速超出可预先确定的期望转速，则切断驱动器，因为在这种情况下驱动器的实际转速太高，即不可接受的高速。因此，如果实际转速低于期望转速，则不切断驱动器。此外，还可以提供公差范围，用于在实际转速与期望转速之间进行比较。

可以基于输出电角频率ω₁以本身已知的方式确定驱动器的实际转速。为了确定机械转速，必须在不同的驱动器类型之间进行区分。

例如，对于异步驱动器，结果如下：

其中

ω₁输出电角频率

ω机械转速

s滑动

然而，对于同步驱动器，结果如下：

其中

ω₁输出电角频率

ω机械转速

根据本发明，在工艺流程方面和装置方面都实现了以下优点，即可以根据标准能够可靠地确定转速，并且与现有技术相反，既不需要进行电流测量，也不需要进行电压测量。仅基于PWM信号的调制电平来可靠地确定转速。这不仅可以实现精简工艺流程和装置设计，而且可以使先前从SLS安全功能中排除的驱动器类型(例如，伺服电机和同步磁阻电机)经受安全转速确定。

根据下面基于附图的实施方式，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。

图1示出了根据本发明提供的装置或方法的示意性电路图；

图2示出了异步驱动器的等效电路图；

图3示出了同步驱动器的等效电路图。

图1示出了根据本发明提供的用于无传感器三相驱动器3的故障安全转速监控的装置1的示意性电路图。

三相驱动器3由驱动电子设备2控制以三相控制，即以电机U、V、W相控制。接着，驱动电子设备2由三相供电线路4以L1、L2和L3相供电。

例如，为了控制作为异步电机形式的电机的三相驱动器3，驱动电子设备2具有变频器5，并且三个电机U、V、W相处的电压信号以脉冲宽度调制信号的形式存在。

以本身已知的方式，变频器5具有通过中间电路8相互连接的整流器6和逆变器7。

根据本发明提供的装置1具有两个以冗余方式布置的微控制器9和10，通过这两个微控制器在两个通道中确定逆变器侧输出频率。出于此目的，提供第一通道11和第二通道12，其中微控制器9连接到第一通道11，微控制器10连接到第二通道12。两个微控制器9和10通过交叉通信16相互连接。

在按照预期使用期间，在方法方面确定对三相驱动器3采用的逆变器7的输出频率。使用脉冲宽度调制信号的脉冲宽度来确定输出频率。

由两个微控制器9和10确定的输出频率通过交叉通信16相互比较。在不相等的情况下，立即切断驱动器3，出于此目的提供了切断装置18。这根据箭头19与驱动器3通信。可选择地并且同样优选地，根据箭头24提供切断装置19与变频器5之间的通信连接。一旦检测到不相等的输出频率，就根据箭头17将信号传输到切断装置18，这随后确保经由通信连接19直接地或者通过插入变频器5经由通信连接24间接地立即切断驱动器3。优选地，通过启动适当的开关装置，例如通过断开变频器5的市电电源来切断驱动器3。

如果由微控制器9和10以冗余方式确定的输出频率相同，则基于此确定驱动器3的实际转速20。出于此目的，根据本发明提供的装置1具有计算单元13，其根据箭头14和15与微控制器9和10通信连接。

将由计算单元13确定的实际转速20与可预先确定的期望转速21进行比较。出于此目的，根据本发明提供的装置具有比较装置22。如果实际转速20超出期望转速21，则立即切断驱动器3，出于此目的，根据箭头23将比较装置20与切断装置18通信连接。

两个微控制器9和10基于如下角度差确定输出频率：

其中转子位置(即变换角φ)结果如下：

其中

其中

p_U,V,W用于控制逆变器阀的PWM信号的脉冲宽度

转子位置(变换角度)

ω₁输出电角频率

f_CALC计算频率

从上面的图示可以看出，使用根据本发明提供的方法，可以基于PWM信号的调制水平直接确定输出频率。既不需要测量输出电流和输出电压，也不需要测量中间电路电压。

图1中示出的示意图仅用于说明目的，仅是示例性的。特别地，可以将计算单元13、比较装置22、切断装置18以及微控制器9和10组合成公共装置。此外，确保微控制器9和10中的每一个以冗余方式接管计算单元13、切断装置18和/或比较装置22的功能。然而，本发明的重要之处仅在于，仅基于PWM信号的控制程度来可靠地确定转速，实现检测交叉通信中不相等的双通道确定，其中在检测到不相等的情况下，立即切断驱动器3。此外，如果所确定的实际转速超出可预先确定的期望转速，则切断驱动器3。可以提供必须按照标准定义的公差范围，用于检测不相等和/或超速。

图2示出了异步驱动器的等效电路图。对于此类驱动器，实际转速21结果如下：

其中

X_1σ＝ω₁L_1σ，X_2σ＝ω₁L_2σ，X_h＝ω₁L_h

其中

以及

其中

R₁定子电阻

R₂′转子电阻

L_1σ定子漏感

L_2σ′转子漏感

L_h主电感

s滑动

图3示出了同步驱动器的等效电路图。在这方面，以下情况适用：

U₁U_P +I₁ (R₁+jX₁)

U_P ＝ω·Ψ_P

其中，转速结果如下：

其中

Ψ_P转子磁通

R₁定子电阻

L_1d沿d方向的定子电感

L_1q沿q方向的定子电感

参考标志列表

1 装置

2 驱动电子设备

3 电机(三相驱动器)

4 供电线路

5 变频器

6 整流器

7 逆变器

8 中间电路

9 微控制器

10 微控制器

11 第一通道

12 第二通道

13 计算单元

14 箭头

15 箭头

16 交叉通信

17 箭头

18 切断装置

19 箭头(通信连接)

20 实际转速

21 期望转速

22 比较单元

23 箭头(信号)

24 箭头(通信连接)

Claims

1.一种用于无传感器三相驱动器(3)的故障安全转速监控的方法，其特征在于，所述三相驱动器(3)由包括逆变器(7)的驱动电子设备(2)以U、V、W相进行三相控制，所述三相U、V、W处的电压信号以脉冲宽度调制信号的形式存在，其中确定对所述驱动器(3)采用的所述逆变器(7)的输出频率，并由此确定所述驱动器(3)的实际转速(20)，其中将所述实际转速(20)与可预先确定的期望转速(21)进行比较，并且如果所述实际转速(20)超出所述期望转速(21)，则切断所述驱动器(3)，仅使用所述脉冲宽度调制信号的脉冲宽度来确定所述逆变器(3)的所述输出频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述脉冲宽度来确定变换角度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用所述定子固定坐标系中变换后的脉冲宽度的比率来确定变换角度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用变换角度差来确定输出频率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，针对死区时间补偿调整所述脉冲宽度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，一方面通过第一微控制器(9)，并且另一方面在此基础上通过第二微控制器(10)，在两个通道中确定所述输出频率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过在所述两个微控制器(9、10)之间交叉通信来交换和比较由所述两个微控制器(9、10)确定的所述输出频率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如果所述输出频率不相等，则切断所述驱动器(3)。

9.一种用于无传感器三相驱动器(3)的故障安全转速监控的装置，特别是用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的装置，其特征在于，包括

-具有逆变器(7)的驱动电子设备(2)，所述三相驱动器(3)可由其以所述U、V、W相进行三相控制；

-脉冲宽度调制发生器，所述三相处的电压信号可由其以脉冲宽度调制信号的形式提供；

-装置(9、10、13)，用于确定对所述驱动器(3)采用的所述逆变器(7)的输出频率；

-计算单元(13)，用于基于所述逆变器的所述输出频率来确定所述驱动器(3)的实际转速(20)；

-比较单元(22)；以及

-切断装置(18)，

-其中，可以使用比较单元(22)将所述实际转速(20)与可预先确定的期望转速(21)进行比较；

-其中，所述比较单元(22)在所述实际转速(20)超出所述期望转速(21)的情况下产生相应的信号(23)，并且将所述信号(23)传输到所述切断装置(18)，所述驱动器(3)可由所述切断装置(18)切断；

-装置(9、10)，用于检测所述脉冲宽度调制信号的脉冲宽度；

-其中，仅可基于所述脉冲宽度确定对所述驱动器(3)采用的所述逆变器(7)的所述输出频率。