CN220473869U - 用于安全限制电动机运动的装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于安全限制电动机运动的装置，其中，通过命令相关轴或轴的集合的过程系统执行遵循定义路径(即位置、速度和加速度相对于时间的轨迹)的运动、在安全系统中重建相同的轨迹、以及在安全系统中监督安全重建的目标位置和安全位置测量值之间的偏差来实现安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电气机械，并且具体地涉及在运行或维护期间机械和人员之间存在相互作用的电气机械。这种电气机械的示例行业可以包括汽车制造、食品、包装、纺织、机器人、电子组装、金属成型和许多其他行业。
背景技术
维护人员通常需要机器是半运行的，以便执行诸如清洁、润滑、更换备件或取回变形工件或移除异物等活动。在这种情况下，半运行通常意味着机器的一个或多个部件正在移动，但速度非常慢，以至于不可能造成伤害，或者伤害至少可以被受过训练的人员轻松避免。
在包括欧盟在内的一些地区，强制要求机械必须具有安全系统。当前良好的做法是至少在软件上将安全系统与过程控制系统区分开来，通常在硬件上也是如此。也就是说，机械的运动由过程控制系统激活、控制以及按顺序排列，而确保这些动作安全的责任落在安全系统上。
相关技术的描述
在自动化机器中，过程控制系统通常体现为伺服电机和驱动器，并且它们可以由中央可编程逻辑控制(programmable logic control,PLC)或运动控制器协调。在同一机器中，安全系统通常体现为伺服驱动器中的安全子系统集合，这些安全子系统可选地耦接至中央安全PLC或替代地直接连接到诸如弱电流、机电门锁和压力垫(pressure mat)的安全设备。
例如，如果有必要从机器中取回变形工件，则可以使用一系列步骤安全地实现这种取回：
步骤1.操作员首先按下标有“维护模式1”的按钮；
步骤2.响应于步骤1，过程控制系统使机器减速；
步骤3.安全系统检查机器的移动速度是否低于维护模式安全极限速度；
步骤4.安全系统释放防护门锁；
步骤5.操作员打开防护门并取回变形工件；
步骤6.操作员关闭防护门；
步骤7.操作员按下标有“恢复运行”的按钮；
步骤8.响应于步骤7，安全系统暂停检查机器的移动速度是否低于维护模式安全极限速度；
步骤9.过程控制系统恢复机器的正常运行。
在这种情况下，安全系统通过在维护期间强制执行速度限制来监督机器。如果超过速度限制，则会出现故障反应，例如关闭电机转矩，以及可选地应用制动器，从而使机器停止运转。标准“IEC 61800-5-2:2016可调速电力驱动系统-第5-2部分：安全要求-功能(IEC 61800-5-2:2016Adjustable speed electric power drive systems-Part 5-2:Safety requirements-Functional)”定义了一种称为SLS(安全限速(safely limitedspeed))的安全功能，同一标准还定义了其他安全功能，包括STO(安全转矩关断(safetorque off)：即给电机绕组断电)、SBC(安全制动器控制(safe brake control))、SLP(安全限制位置(safely limited position))和SLA(安全限制加速度(safely limitedacceleration))。皮尔斯(Pearce)的美国专利第10,520,050号教导了安全制动器控制的操作。云特(Yundt)的美国专利第8,566,415号教导了安全转矩关断的实现。亚当斯(Adams)的德国专利公开第10,361,132号教导了一种用于通过包含机器的运动部件沿运动路径的动能来最小化伤害的技术。
实现安全功能的安全系统必须在整个安全链中使用安全元件。安全系统通常使用安全级(safety-rated)编码器测量速度。安全级编码器是一种向两个安全通道提供轴角(或位置，因为也有线性设备)的两个独立测量值的设备；这种安全级编码器由指定机构批准，其特点是诸如SIL2/SIL3的安全评级以及安全相关的准确度。安全级编码器也具有非安全属性，这是因为过程控制系统可以进一步使用相同的编码器来实现速度和/或位置环闭合。安全工程的保守性意味着安全系统使用的安全相关的准确度比过程控制系统可用的位置增量粗略得多。安全编码器的代表性示例是来自Sick-Stegmann的EEM37-2KF0A017A型；该设备的过程控制系统的角度分辨率为17位(0.00274°)，但安全相关的准确度(也称为安全位置增量)仅为8.49位(1°)。在本文中，过程子系统是与功能安全无关的电驱动器的一部分，其中驱动控制逻辑是主要元件。
作为使用安全级编码器的替代方案，可以替代地使用两个普通编码器(术语“编码器”还包括解析器)，两个位置信号的集合由安全系统进行比较。由于需要考虑轴扭曲、耦合倾斜和其他实际限制，由此产生的安全位置测量值的分辨率和准确度低于每个编码器。因此，从两个普通编码器导出安全位置测量值在概念和性能两者上基本上等同于使用发送到位置测量值集合的单个安全级编码器，并且将不再进一步考虑。
过程控制系统和安全系统两者都通过周期性地对连续位置测量值进行差分来计算速度。1kHz是安全系统的典型周期率，在本文中称为安全记号率(safety tick rate)。在这些条件下，如果极限速度为60转每分(RPM)，则这相当于每秒360个安全位置增量，但安全系统的每个记号只有0.36个安全位置增量(安全相关的准确度/安全记号率＝360/1000)。监测如此低的速度因此对于安全系统来说是有问题的，因为单独通过周期性差分计算的速度被过于粗略地量化，无法直接与极限值进行比较。该问题的常见解决方案是对计算出的速度进行滤波(例如使用一阶滞后)以获得更高的分辨率；实际的滤波时间常数在10-100毫秒范围内。如果电机超过速度限制的10％，那么经过约2.4个滤波时间常数之后，速度滤波器的输出将超过极限值；如果滤波器的时间常数为10毫秒，则滤波器的故障反应时间增加24毫秒。较长的故障反应时间会降低安全系统的有效性，因为电机可能会在超过速度限制的瞬间和检测到超速的瞬间之间加速。对安全速度进行滤波的另一个缺点是用户可能难以理解期望速度限制与滤波时间常数和故障反应时间的相互作用。
对粗略量化的速度测量值进行滤波的替代方案是延长采集间隔，例如如果每毫秒有0.36个安全位置增量，则可以通过每隔32毫秒对位置进行差分来提高分辨率，因为这会将感知速度波纹降低到约9％，这是可用的；然而该技术具有与滤波类似的延迟问题，因此具有相同的较长的故障反应时间。对于本目的，该技术可以被认为是滤波的变体。
在本领域中需要一种控制系统，该控制系统提供运动的安全监督，而不会遭受与对从安全编码器读取的位置信号计算的速度进行滤波相关联的较慢的故障反应时间的惩罚。
实用新型内容
在操作员从机器中取回变形工件的上述示例中，机器的相关部件必须足够慢地运转，以便操作员能够容易地避免伤害。在现有技术中，该目标通过安全系统在一个轴或轴的集合上使用SLS强制执行最大瞬时速度来实现。
在根据本实用新型的电动机驱动系统中，通过命令相关轴或轴的集合的过程系统执行遵循预定义路径(即位置、速度和加速度相对于时间的轨迹)的运动，在安全系统中重建相同的轨迹，以及还在安全系统中监督安全重建的目标位置和安全位置测量值之间的偏差，来实现等同的安全。本实用新型的电动机驱动系统在本文中可称为安全路径运动(SafePath Motion,SPM)。
在本实用新型的优选实施例中，提供了一种用于电动机的驱动系统，该驱动系统包括耦接至电动机的功率放大器和具有多通道安全转矩关断电路的驱动控制逻辑，该驱动电路耦接至功率放大器。提供耦接至电动机的多通道位置反馈编码器，多通道位置反馈编码器在每个通道上具有功能安全子系统，并且多通道位置反馈编码器的至少一个通道被耦接至驱动控制逻辑。功能安全子系统中的每一个均耦接至多通道安全转矩关断电路的一个通道。驱动控制逻辑和功能安全子系统同时计算被限制不超过目标安全速度限制的电动机运动轨迹。功能安全子系统监测电动机的实际位置与电动机的需求位置的偏差，并通过作用于多通道安全转矩关断电路的至少一个通道来关闭功率放大器。驱动控制逻辑作用于功率放大器，使得电动机的运动遵循轨迹。
附图说明
通过以下结合附图进行的描述，本实用新型的特征和优点是显而易见的，其中：
图1示出了根据本实用新型的电机驱动中安全子系统的结构；
图2示出了轴从静止加速到1转每秒(RPS)然后保持该速度的示例轨迹；
图3示出了目标位置和瞬时上下限的轨迹；
图4示出了目标位置在点对点运动中的轨迹。
具体实施方式
可以理解，标准“IEC 61800-5-2:2016Adjustable speed electrical powerdrive systems-Part 5-2:Safety requirements-Functional”中定义的安全功能列表并不详尽，并且安全器材的制造商可以设计新的安全功能，并与指定机构合作对这些新的安全功能进行认证。
图1显示了根据本实用新型实施例的具有内置安全控制器的电动机驱动的元件。
过程子系统(被区分为圆形元件)包括驱动控制逻辑108、用于控制电机绕组中电流的功率放大器电路104和电动机105。安全级编码器101具有耦接至电动机105的两个位置测量通道115和125，这两个位置测量通道具有两个指示位置的信号。替代地，两个不同的编码器可以耦接至电动机105。在电动机105和编码器101之间提供机械耦合106。可以经由至少一个配置端口109来配置驱动控制逻辑108，该配置端口109可以是串行端口、无线端口、现场总线端口、存储卡接口等中的任意一个。配置端口109也可以作为运行时命令接口。配置端口109与处理器间接口102和107相结合，允许安全处理器110和120的参数化。
响应于由安全编码器101的一个通道(在本例中为A通道115)测量的电机的位置，驱动控制逻辑108发射用于控制功率放大器104的高侧开关元件的第一组脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)脉冲串114和用于控制功率放大器104的低侧开关元件的第二组PWM脉冲串124。在正常运行时，即当安全子系统不干预时，这两组PWM脉冲串114和124通过元件112和122而无需修改，以作为控制功率放大器104的两组PWM脉冲串113和123出现。为了清楚起见，图1并未示出诸如功率输入、内部电源、通信端口等驱动器运行所需的所有元件。这些元件是本领域技术人员所熟知的并且对于理解本实用新型不是必需的。
安全子系统(在图1中被区分为矩形元件)包括两个安全通道A和B，这两个安全通道被布置为形成在功能安全文献中称为“loo2”结构或“loo2D”结构，在本文中“loo2”包含“loo2D”。每个安全处理器110/120可以通过处理器间接口102的相互通信来监测另一个安全处理器120/110；这种交叉监测包括每个安全处理器110/120检查来自115和125的两个位置测量值之间的偏差是否在规定范围内。
故障安全机电电机制动器103附接至电动机105的轴。电机制动器由两个控制线117BRAKE+和127BRAKE-驱动。为了释放制动器信号，BRAKE+必须被驱动为高，信号BRAKE-必须被驱动为低。为了应用制动器，元件111/121分别断开BRAKE+和BRAKE-中的一个或两个，这样，制动器中的电流被中断，从而应用制动器。
功率放大器由两组控制线驱动，第一组PWM脉冲串113用于上开关元件，第二组PWM脉冲串123用于下开关元件。分别通过元件112/122的动作使第一组PWM脉冲串113或第二组PWM脉冲串123断电将停止电机中的电流，并且通过这种方式应用STO。元件112/122以故障安全方式实现，即，这些元件正确地运行，或者如果它们发生故障，则它们无法达到安全状态；“Adjustable speed electrical power drive systems-Part 5-2:Safetyrequirements-Functional(IEC 61800-5-2:2016)”中的图B.3显示了一种可能的实现方式。
通道A安全处理器110经由信号107与驱动控制逻辑108通信，并由此被告知(在安全配置过程期间)定义随后要被监督的运动轨迹的参数。通道A安全处理器110读取电机105的通道A位置115并计算与期望运动轨迹的偏差。在与期望轨迹的偏差超过规定范围的情况下，通道A安全处理器110应用故障反应，该故障反应是可选的降速至零速度的可配置序列，禁用功率放大器(STO)并且可选地应用制动器(SBC)。为了应用STO，通道A安全处理器110通过使通道A安全转矩关断电路112的控制输入116断电来阻止第一组PWM脉冲串114到达功率放大器104的高侧开关元件，并因此PWM串的输出集合113被设置为非活动状态。为了应用SBC，通道A安全处理器110使通道A安全制动器控制电路111的输入断电，从而使输出BRAKE+断电并使故障安全制动器103被应用。
通道B安全处理器120经由处理器间接口102与通道A安全处理器110通信，从而被告知(在配置过程期间)定义随后要被监督的运动轨迹的参数。通道B安全处理器120读取电机105的通道B位置125并计算与期望运动轨迹的偏差。在与期望轨迹的偏差超过规定界限的情况下，通道B安全处理器120应用故障反应。为了应用STO，通道B安全处理器120通过使通道B安全转矩关断电路122的控制输入126断电来阻止第二组PWM脉冲串124到达功率放大器104的低侧开关元件，并因此PWM串的输出集合123被设置为非活动状态。为了应用SBC，通道B安全处理器120使通道B安全制动器控制电路121的输入断电，从而使输出BRAKE-断电并使故障安全制动器103被应用。
驱动控制逻辑108和安全处理器110和120通常实现为单芯片微控制器，但可以替代地使用其他类型的处理器、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)或数字逻辑。图1的细微变化不改变本实用新型的本质，例如驱动控制逻辑可以替代地使用来自通道B125的位置反馈，通道B安全处理器120可以进一步连接到驱动控制逻辑108，用于通道A 112的安全转矩关断电路可以替代地在用于低侧设备124的PWM上运行，功率放大器被示出为具有三相，但其他数量的相也是可能的。
图2显示了轴从静止加速到1RPS然后保持该速度的期望轨迹的示例。计数以安全位置增量表示，因此1RPS为360计数/秒。图3是图2的放大图，仅显示了目标位置和瞬时上下限的轨迹。在这种情况下，限制为距目标位置+/-20°。运动轨迹由驱动控制逻辑108生成，并在两个安全处理器110和120中重复并由这两个安全处理器监督，以便在所测量位置超过目标位置多于规定限制的情况下，每个安全处理器110/120使其各自的STO控制输出116/126断电，使得功率放大器104不再驱动电机线圈中的电流。根据故障反应的配置，每个安全处理器110/120还将使(并因此应用)电机制动器103断电。
即使在低速下，过程控制系统保持在图3所示的示例限制内也是完全可行的，因为驱动控制逻辑108可以利用作用于高分辨率反馈115(当使用EEM37-2KF0AO17A编码器时为17位)的高增益来关闭速度和位置环路。
图3中位置的误差边界还用作对速度和加速度的间接限制，因为必须指定速度和加速度，以便定义位置相对于时间的轨迹(“运动曲线”)。
安全路径运动(SPM)的轨迹可以有多种形式，可以是“加速到目标速度并保持目标速度”(如图2和图3)，也可以是如图4的点对点移动或包括凸轮传动和齿轮传动的任何其他运动类型。
SPM可以被细化到多个轴，每个轴具有它自己规定的路径和误差限制，以这种方式可以安全地监测多轴移动。
SPM不需要对安全位置测量值或导出的安全速度测量值进行任何滤波。如上所述，这种滤波增加了故障反应时间。用户也难以评估和配置这种滤波，因为反应时间取决于滤波时间常数和与限制值的偏差大小两者。SPM只需要与目标值的偏差的配置，不需要配置时间常数。
如果需要，SPM能够与能够同时生效的其他运动安全功能(例如SLT(安全限制转矩(safely limited torque))或SLA(安全限制加速度))共存。
尽管本实用新型已经关于其示例性实施例被示出和描述，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以在本实用新型的形式和细节上进行上述和各种其他改变、省略和添加。因此，本实用新型已经通过说明而非限制的方式显示和描述。
Claims (9)
1.一种用于安全限制电动机运动的装置，包括，
耦接至所述电动机的功率放大器；
具有多通道安全转矩关断电路的驱动控制逻辑处理器，驱动电路耦接至所述功率放大器；
耦接至所述电动机的多通道位置反馈编码器，所述多通道位置反馈编码器具有耦接至所述驱动控制逻辑处理器的多通道位置反馈编码器的至少一个通道；以及
在所述多通道位置反馈编码器的每个通道上的功能安全子系统，所述功能安全子系统中的每一个耦接至所述多通道安全转矩关断电路的一个通道；
其中，所述驱动控制逻辑处理器和所述功能安全子系统同时计算受最大目标安全速度限制的电动机运动轨迹；
其中，所述功能安全子系统监测所述电动机的实际位置与所述电动机的需求位置的偏差，并通过作用于所述多通道安全转矩关断电路的通道中的至少一个来关闭所述功率放大器；以及
其中，所述驱动控制逻辑处理器作用于所述功率放大器，使得所述电动机的运动遵循所述轨迹，每个功能安全子系统重复所述轨迹并监测从所述轨迹背离规定限制的偏差。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动控制逻辑处理器和所述功能安全子系统基于定义所述轨迹的参数集合来计算电动机轨迹，所述参数在所述电动机的运动之前已在所述驱动控制逻辑处理器和所述功能安全子系统中被预先配置。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多通道安全转矩关断电路是双通道安全转矩关断电路。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多通道位置反馈编码器是安全级双通道位置反馈编码器。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述功能安全子系统是loo2功能安全子系统。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括在所述loo2功能安全子系统的每个通道上的处理器。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述loo2功能安全子系统的通道被耦接用于通道间通信。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述处理器计算所述电动机的位置与需求位置相对于时间的偏差。
9.一种用于安全限制电动机运动的装置，包括：
耦接至所述电动机的功率放大器；
具有双通道安全转矩关断电路的驱动控制逻辑处理器，所述双通道安全转矩关断电路耦接至所述功率放大器；
耦接至所述电动机的安全级双通道位置反馈编码器，所述位置反馈编码器的至少一个通道耦接至所述驱动控制逻辑处理器；以及
用于所述编码器的loo2功能安全子系统，所述loo2功能安全子系统在具有通道间通信的两个通道中的每一个上具有处理器，所述功能安全子系统耦接至所述双通道安全转矩关断电路；
其中，所述驱动控制逻辑处理器和所述loo2功能安全子系统的处理器同时计算受最大目标安全速度限制的运动轨迹；
其中，所述loo2功能安全子系统的处理器监测实际位置与需求位置的偏差，并通过作用于所述双通道安全转矩关断电路的通道中的至少一个来关闭所述功率放大器；以及
其中，所述驱动控制逻辑处理器作用于所述功率放大器，使得所述电动机的运动遵循所述轨迹，每个功能安全子系统重复所述轨迹并监测从所述轨迹背离规定限制的偏差。
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