CN115023666A - 用于监控电机中传感器的故障防护功能的方法 - Google Patents

用于监控电机中传感器的故障防护功能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种系统和一种方法，用于特别是冗余地多样性监控电机(M)上的至少一个第一转速传感器(S1)和一个第二转速传感器(S2)的无故障功能，其中，转数(n)用于准确地确定和监控转子位置，并且其中：‑形成第一传感器(S1)的第一输出信号(A1)的第一当前计数值(Z1)和第二输出信号(A2)的最大计数值(Z2max)的第一乘积(Pa)以及‑形成第二传感器(S2)的第二输出信号(A2)的第二当前计数值(Z2)和第一输出信号(A1)的最大计数值(Z1max)的第二乘积(Pb)，以及‑循环检查两个乘积(Pa,Pb)是否相等，并且‑如果检查结果为否定的，则会生成故障消息(F)。由此获得两个传感器在共同的值系统中的位置，并且能够直接将它们相互比较。因此能够准确地确定和监控转子位置。

Description

用于监控电机中传感器的故障防护功能的方法
技术领域
本发明涉及一种用于监控至少一个第一传感器和一个第二传感器的无故障功能的方法，这两个传感器彼此独立工作，其中，运行两个传感器以得出电机的转速，其中，而该转速又被用于故障防护地确定电机的转子位置，其中，第一传感器提供第一输出信号并且第二传感器提供第二输出信号。
本发明还涉及一种伺服驱动系统，包括电机、第一传感器、第二传感器、自动化控制器，该自动化控制器具有用户程序，其中，该用户程序被设计为，执行对第一传感器和第二传感器的无故障功能的监控，其中，两个传感器设计用于得出电机的转速，其中，该转速又用于故障防护地确定转子位置，其中，第一传感器提供第一输出信号并且第二传感器提供第二输出信号。
背景技术
自动化技术中对运动控制任务的需求不断增加，变得更加多样化和复杂。西门子股份公司目前拥有市场上提供的伺服驱动系统“SIMATIC Micro-Drive”，它提供了一个完美的数字化入口。特别是在与安全相关的应用中，必须对例如所使用的电机的转速、电机电流、扭矩进行监控。其必须满足例如STO、SS1、SLT、SLS、SSM的安全功能。上述安全功能在IEC61508和IEC 13849中进行了规定。此外，SIL2和Cat.3级别也被提及。
为了限制扭矩或可靠地确定转子位置，需要进行转速监控。通过这样的监控，通过两个传感器的相互比较来监控转速。在已知设备“自动门控制系统手册(SystemhandbuchAutomatische Türsteuerung)，SIDOOR ATE530S COATed/ATE531S COATED/ATE531S，版本11/2019”中，使用以下监控来确定安全的转子位置：将实际转速与使用基波模型计算出的相应的电机的转速进行比较。此外，与脉冲转速器定期交换同步报文。算法确保传感器的转速也通过电机的数学模型进行(除功能外的)监控，因此能够识别出角度和转速故障。
传统监控方法的问题在于，通常两个传感器在不同的参考系统中工作，并且不容易相互比较。例如，增量编码器通常每转有100次冲程，这会导致四次扫描时每转400个边沿，而霍尔编码器例如每电转有6段。因此具有两对磁极的电机将具有2x6段进而每个机械旋转具有12段变化。
发明内容
本发明的目的是提出一种方法，该方法不像已知方法那样耗费并且也相对快速，即该方法必须易于在程序中实现。
该目的通过开头提到的方法实现，即形成第一输出信号的第一当前计数值与第二输出信号的最大计数值的第一乘积以及形成第二输出信号的第二当前计数值与第一输出信号的最大计数值的第二乘积，并循环检查两个乘积是否相等，如果检查结果为否定的，则会生成故障消息。
本发明基于将通常两个不同的传感器(多样性的)的输入信息转换为对于两个传感器或信号都相同的且抽象的值系统。例如，如果一方面有用于第一传感器的增量编码器且另一方面有用于第二传感器的霍尔编码器，则能够将第一传感器的瞬时值乘以第二个传感器的计数范围，并将第二传感器的瞬时值乘以第一传感器的计数范围，由此能够在一个共同的值系统中获得两个传感器的位置，并且能够直接将它们相互比较。
优选地，最大计数值在初始调试期间利用初始化运行得出。这意味着电机被驱控为，使其恰好执行一圈，并且在相关的计算单元中对一整圈的旋转脉冲或分段变化进行计数。
此外，有利的是，在触发故障消息之后，进一步检查：在能调节的时间段期间，使用增量编码器作为第一传感器时计数脉冲是否无法实现，或者在使用霍尔传感器作为第二传感器时分段变化是否无法实现，并且如果检查结果为肯定的，则会生成传感器导线失效或传感器失效的消息。
为了特别地识别偶发错误，第一乘积和第二乘积各自在第一无限计数器或第二无限计数器中连续累加，并且周期性检查第一无限计数器与第二无限计数器是否相等，如果确定不相等，则输出关于偶发干扰的故障消息。这种实施方式具有以下优点。
一个简单的实施，不再需要精确记录单个霍尔扇区，方向的反转和方向的保持不再起作用，立即识别各个线路或传感器的完全故障，通过无限计数器中的差异能够注意到间歇性中断或短路并在超过限制值时被识别到，个别缺失的线条或霍尔扇区使无限计数器失真，并在超出限制值时被识别。无限计数的显著优势在于，实际上所有故障都能够表现在传感器的刚性耦合的损坏中，进而也使无限和失真。因此，为了识别故障，考虑无限计数器或无限和是理想的方法。
为了导出共同的值系统，根据方法地将第一输出信号标准化为公共值系统，由此提供第一标准值，并且将第二传感器的第二输出信号也标准化为相同的值系统，由此提供第二标准值，其中，标准值循环地借助第一输出信号的第一当前计数值与第一输出信号的第一最大计数值的第一商和第二输出信号的第二当前计数值与第二输出信号的第二最大计数值的第二商形成。
上述方法步骤优选在自动化控制器的用户程序中执行。
此外，在该方法中，电机通过转换器提供能量，转换器又由自动化控制器控制。安全的转子位置是确定给定的电机扭矩进而安全的力输出的所必需的基础，为了确保这种安全性，故障防护地确定转子位置是必需的。
上述方法步骤描述了转子位置的精确确定和监控。
该目的还由一种伺服驱动系统实现，该伺服驱动系统包括电机、第一传感器、第二传感器、自动化控制器，该自动化控制器具有用户程序，其中，该用户程序被配置用于，执行对第一传感器和第二传感器的无故障功能的监控，其中，两个传感器都设计用于得出电机的转速，其中，该转速又用于故障防护地确定电机的转子位置，其中，第一传感器提供第一输出信号，第二传感器提供第二输出信号，该用户程序被配置如下。在用户程序中，循环地形成第一输出信号的第一当前计数值和第二输出信号的最大计数值的第一乘积以及形成第二输出信号的第二当前计数值和第一输出信号的最大计数值的第二乘积并且循环地检查两个乘积是否相等，并且如果检查结果为否定的，则会生成故障消息。
附图说明
附图示出了本发明的一个实施例。图中示出：
图1示出了该方法的程序流程图，并且
图2示出了伺服驱动系统。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的方法的程序流程图20。从程序开始，在初始化阶段21，计数脉冲Zi由第一传感器S1读入，而分段变化Si由第二传感器S2读入。在初始化阶段21中，程序技术地控制电机M，使其恰好执行一圈，因此能够得出用于第一传感器S1的第一最大计数值Z1max和用于第二传感器S2的第二最大计数值Z2max的最大计数脉冲。
在另一方法步骤中，即计数值读入22中，循环地读入第一计数器Z1或第二传感器S2的计数脉冲Zi或分段变化Si，并且在此形成第一输出信号A1的第一当前计数值Z1和第二输出信号A2的最大计数Z2max的第一乘积Pa，并且还形成第二输出信号A2的第二当前计数值Z2和第一输出信号A1的最大计数值Z1max的第二乘积Pb。在程序部段相等检查23中，循环检查第一乘积Pa与第二乘积Pb是否相等，如果检查结果为否定的，则在部段输出故障消息24中生成故障消息F。
在附加部段监控时间开始25中，在触发故障消息F后，能够进一步检查：在能调节的时间段tp期间，在使用增量编码器作为第一传感器S1时计数脉冲Zi是否无法实现，或者在使用霍尔传感器作为第二传感器S2时分段变化Si是否无法实现。如果检查结果为肯定的，则会生成传感器导线失效或传感器失效的消息SLA。
在程序部段相加26中，通过将第一乘积Pa循环相加形成第一无限计数器EZ1，并且通过将第二乘积PD循环相加形成第二无限计数器EZ2。然后，在进一步的相等检查27中，周期性地检查第一无限计数器EZ1与第二无限计数器EZ2是否相等，如果确定为不相等的情况，则输出关于偶发干扰SPO的故障消息。
为了导出公共值系统，在标准化步骤22a中，第一标准值υ1由此形成，即形成第一输出信号A1的第一当前计数值Z1和第一输出信号A1的第一最大计数值Z1max的第一商，并且第二标准值υ2由此形成，即形成第二输出信号A2的第二当前计数值Z2和第二输出信号A2的第二最大计数值Z2max的第二商。
根据图2，示出了伺服驱动系统μD。其包括电机M、第一传感器S1、第二传感器S2、具有用户程序AP的自动化控制器CPU。在此，用户程序AP被配置用于，执行对第一传感器S1和第二传感器S2的无故障功能的监控，其中，两个传感器S1、S2被设计用于得出电机M的转速n，其中，转速n又用于故障防护地确定电机M的转子位置。
第一传感器S1提供第一输出信号A1并且第二传感器S2提供第二输出信号A2。第一传感器S1和第二传感器S2集成在电机M中。插入式导线ST经由接线盒AK插接并且它们在转换器UR与电机M之间建立连接。转换器UR经由通信导线与自动化控制器CPU耦合。第一传感器S1的计数脉冲Zi经由第一传感器导线SL1被引导至自动化控制器CPU，而分段变化Si从转换器UR经由第二传感器导线SL2被引导至自动化控制器CPU。
自动化控制器CPU具有用户程序AP，在该用户程序中它根据该方法评估第一当前计数值Z1和第二当前计数值Z2。如果在计数器评估期间出现故障，自动化控制器CPU借助于用户程序AP生成故障消息F或关于传感器导线失效SLA的消息或关于偶发干扰SPO的故障消息。

Claims (8)

1.一种用于监控至少一个第一传感器(S1)和一个第二传感器(S2)的无故障功能的方法，所述第一传感器和所述第二传感器彼此独立地工作，其中，运行两个传感器(S1，S2)以得出电机(M)的转速(n)，其中，所述转速(n)又用于故障防护地确定所述电机(M)的转子位置，其中，所述第一传感器(S1)提供第一输出信号(A1)并且所述第二传感器(S2)提供第二输出信号(A2)，
其特征在于，
-形成所述第一输出信号(A1)的第一当前计数值(Z1)与所述第二输出信号(A1)的最大计数值(Z2max)的第一乘积(Pa)，并且
-形成所述第二输出信号(A2)的第二当前计数值(Z2)与所述第一输出信号(A1)的最大计数值(Z1max)的第二乘积(Pb)，并且
-循环检查两个乘积(Pa，Pb)是否相等，并且
-如果检查结果为否定的，则生成故障消息(F)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在初始调试期间利用初始化运行得出最大计数值(Z1max，Z2max)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，在触发故障消息(F)之后进一步检查：在能调节的时间段(tP)期间，在使用增量编码器作为所述第一传感器(S1)时计数脉冲(Zi)是否无法实现，或者在使用霍尔传感器作为所述第二传感器(S2)时分段变化(Si)是否无法实现，并且如果检查结果为肯定的，则生成传感器导线失效或传感器失效的消息(SLA)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述第一乘积(Pa)和所述第二乘积(Pb)各自在第一无限计数器或第二无限计数器(EZ1，EZ2)中连续累加，并且周期性检查所述第一无限计数器(EZ1)与所述第二无限计数器(EZ2)是否相等，并且如果确定不相等，则输出关于偶发干扰(SPO)的故障信息。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，将所述第一输出信号(A1)标准化为公共值系统，从而提供第一标准值(υ1)，并且同样将所述第二传感器(S2)的所述第二输出信号(A2)标准化为所述公共值系统，从而提供第二标准值(υ2)，其中，借助
-所述第一输出信号(A1)的所述第一当前计数值(Z1)与所述第一输出信号(A1)的第一最大计数值(Z1max)的第一商以及
-所述第二输出信号(A2)的所述第二当前计数值(Z2)与所述第二输出信号(A2)的第二最大计数值(Z2max)的第二商，循环地形成标准值(υ1，υ2)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在自动化控制器(CPU)的用户程序(AP)中执行所述方法的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，转换器(UR)为所述电机(M)提供能量，并且所述转换器又被所述自动化控制器(CPU)控制。
8.一种伺服驱动系统(μD)，包括：
电机(M)，
第一传感器(S1)，
第二传感器(S2)，
自动化控制器(CPU)，
所述自动化控制器具有用户程序(AP)，其中，所述用户程序(AP)被配置用于，执行对所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)的无故障功能的监控，其中，两个传感器(S1，S2)被设计用于得出所述电机(M)的转速(n)，其中，所述转速(n)又用于故障防护地确定所述电机(M)的转子位置，其中，所述第一传感器(S1)提供第一输出信号(A1)，并且所述第二传感器(2)提供第二输出信号(A2)，
其特征在于，所述用户程序(AP)被配置用于，
-形成所述第一输出信号(A1)的第一当前计数值(Z1)与所述第二输出信号(A1)的最大计数值(Z2max)的第一乘积(Pa)，以及
-形成所述第二输出信号(A2)的第二当前计数值(Z2)与所述第一输出信号(A1)的最大计数值(Z1max)的第二乘积(Pb)，以及
-循环检查两个乘积(Pa，Pb)是否相等，并且
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