DE10124877A1

DE10124877A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur elektronischen Anschlagerkennung bei Synchronmotoren

Info

Publication number: DE10124877A1
Application number: DE2001124877
Authority: DE
Inventors: Heiko Knaebel
Original assignee: Saia Burgess GmbH
Current assignee: Johnson Electric Dresden GmbH
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2002-11-28
Also published as: WO2002095926A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Ausführung und den Einsatz von Synchronmotoren als Stellantriebe bei durch Endanschlägen begrenztem Stellbereich, z. B. für Ventile und Klappen. DOLLAR A Nach der Konzeption der Erfindung werden die Phasenlage und/oder die Einschaltdauer der Spannungen über den Motorphasen A und B (4.1) überwacht. Erreicht der Motor (4) einen Endanschlag, so ändern sich die Phasenlage und die Einschaltdauer der Signale, der Endanschlag wird erkannt und der Motor wird abgeschaltet. DOLLAR A Zum Vergleich und als Bewertungs- und Enscheidungsgrundlage dienen entweder fest eingespeicherte Werte oder die ermittelten Messwerte aus vorangegangenen Perioden. DOLLAR A Mit der vorgestellten Lösung werden auch rein digitale Signale, wie z. B. einfache Microcontroller (6), in die Lage versetzt, Synchronmotoren zu überwachen und bei Erreichen von Anschlägen abzuschalten. Anders als bei mechanischen Systemen ist kein zusätzlicher konstruktiver Aufwand notwendig und die Justage entfällt. DOLLAR A Das neue Verfahren eignet sich sowohl für rotatorisch als auch für linear stellende Synchronmotoren. DOLLAR A Hauptvorteil der Erfindung ist es, dass gegenüber den bisherigen Lösungen keine zusätzlichen Elemente wie AD-Wandler, Komparatoren, Endschalter usw. benötigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Ausführung und Einsatz von Synchronmotoren als Stellantriebe bei durch Endanschlägen begrenztem Stellbereich, z. B. für Ventile und Klappen.

Bei der Ausführung von Stellaufgaben mit Synchronmotoren werden Endlagen üblicherweise mit Endschaltern auf mechanischem, induktivem oder optischem Wege erkannt.

So ist beispielsweise der Einsatz mechanischer Lösungen zur Präzisierung der Stell vorgänge ein zweifelhafter Ausweg, da der exakte Stellweg oder Stellwinkel von den Montagetoleranzen abhängt. Bei Systemen, die eine Schließfunktion realisieren, ist eine aufwendige mechanische Lösung erforderlich, da der Motor erst abgeschaltet werden darf, wenn der Schließvorgang wirklich abgeschlossen, also z. B. eine Klappe wirklich geschlossen ist. Dazu kommen Probleme, die mit dem Verschleiß mechani scher Systeme und der notwendigen Justage einhergehen.

Eine zweite Möglichkeit der Anschlagerkennung ergibt sich aus der Überwachung der Höhe der Spannung über beiden Motorphasen, wie sie u. a. in DE 197 30 576 A1 und DE 200 21 290.7 U1 beschrieben wird.

Hier wird insbesondere die Spannung der über den Kondensator versorgten Spule gemessen. Über- oder unterschreitet diese Spannung einen bestimmten Grenzwert, so wird daraus gefolgert, dass ein Anschlag erreicht wurde und der Motor wird abge schaltet.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass auch in digitalen Steuersystemen die Möglichkeit zur Ermittlung der Spannungshöhe vorhanden sein muß, wodurch üblicherweise zusätzliche Komparatoren oder AD-Wandler notwendig werden. Außerdem ist eine Anpassung an das konkrete Erzeugnis notwendig.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, bei Antriebssystemen mit Synchronmotoren einen Endanschlag - auch bei Verwendung einer rein digitalen Steuerung - ohne zusätzliche Bauelemente zu erkennen.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiter bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nach der Konzeption der Erfindung werden die Phasenlage und/oder die Einschalt dauer der Spannungen über den beiden Motorphasen A und B überwacht.

Erreicht der Motor einen Endanschlag, so ändern sich die Phasenlage und die Ein schaltdauer der Signale, der Endanschlag wird erkannt und der Motor wird abgeschaltet.

Zum Vergleich und als Bewertungs- und Entscheidungsgrundlage dienen entweder fest eingespeicherte Werte oder die ermittelten Messwerte aus vorangegangenen Perioden.

Die beiden auszuwertenden Entscheidungskriterien Phasenlage und Einschaltdauer werden dabei wie folgt definiert:

- die Phasenlage ist die zeitliche Verschiebung beider Signale bezogen auf einen Schwellwert,
- die Einschaltdauer ergibt sich aus dem Verhältnis aus der Zeit, in welcher ein Signal einen Schwellwert überschreitet, bezogen auf die Periodendauer.

Das neue Verfahren eignet sich sowohl für rotatorisch als auch für linear stellende Synchronmotoren.

Hauptvorteil der Erfindung ist es, dass gegenüber den bisherigen Lösungen keine zusätzlichen Elemente wie AD-Wandler, Komparatoren, Endschalter usw. benötigt werden.

Wird der Motor bei Erreichen des Endanschlages abgeschaltet, so werden Geräusch entwicklung und Verschleiß vermindert und Montagetoleranzen ausgeglichen. Systeme können sich selbständig an den Stellbereich anpassen. So ist z. B. eine Steuerung für mehrere Stellbereiche verwendbar ohne dass sie neu konfiguriert werden muss.

Weiterhin sind viele Steuerungen heute als digitale Systeme aufgebaut. Diese können Zeiten ohne zusätzlichen Aufwand messen. Um analoge Signale (z. B. Spannungspegel) auszuwerten, bedarf es jedoch zusätzlichen Aufwandes. Mit der vorgestellten Lösung werden auch rein digitale Systeme, wie z. B. einfache Microcontroller, in die Lage ver setzt, Synchronmotoren zu überwachen und bei Erreichen von Anschlägen abzuschal ten. Anders als bei mechanischen Systemen ist kein zusätzlicher konstruktiver Auf wand notwendig und die Justage entfällt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltschema zur Grundstruktur der Lösung,

Fig. 2 eine konkrete Ausführungsvariante einer Schaltung zur Anschlagerkennung für Synchronmotoren in schematischer Darstellung,

Fig. 3 Spannungsverläufe zur Signalauswertung und -aufbereitung.

Den Grundaufbau einer Schaltungsanordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt Fig. 1.

Das dargestellte Schaltungsschema umfasst die Hauptbaugruppen Motor 4 mit Motorphasen 4.1 (A und B), Motorkondensator C1, Auswerte- und Ansteuerelektronik 6 sowie ein Schaltelement 7 zur Abschaltung des Synchronmotors bei Erreichen einer Endlage.

Über die Messpunkte 1 bis 3 werden beispielsweise die Messwerte für die Phasenlage und/oder die Einschaltdauer der Spannungen über den beiden Motorphasen 4.1 erfaßt und in der Auswerte- und Ansteuerelektronik 6 ausgewertet.

Wird vom Stellantrieb ein Endanschlag erreicht, so kommt es beispielsweise zu einer signifikanten Änderung der Phasenlage der Spannung über den Motorphasen 4.1.

Im Ergebnis dieser auswertbaren Änderung wird von der Auswerte- und Ansteuer elektronik 6 das Schaltelement 7 angesteuert und die Bestromung des Motors 4 wird unterbrochen.

Eine konkrete Ausführungsvariante eines Schaltschemas zur Abschaltsteuerung von Synchronmotoren, die das neue Prinzip der elektronischen Anschlagerkennung nutzt, zeigt Fig. 2.

Die Spannung (u₁ u₂) über den Motorphasen 4.1 wird an den Punkten 1 und 2 abge nommen, s. auch Kurvenverläufe in Fig. 3.1.

Mit Hilfe von D1, R1 und D3 bzw. D2, R2 und D4 erfolgt die Signalaufbereitung. Die negative Halbwelle wird durch D1 bzw. D2 weggeschnitten, durch die Zenerdioden D3 und D4 werden die Signale (u_1a u_2a) auf die für den Microcontroller 6 zulässige Spannungshöhe reduziert, s. Fig. 3.2.

Mit Erreichen der pegeltypischen Schaltschwelle wird das Signal vom Eingang des Microcontroller 6 als logisch 0 oder 1 erkannt. Das Programm im Microcontroller misst von den so entstandenen Rechtecksignalen (S1, S2) die Einschaltdauer (t₁/t₂) und die Phasenlage (t_ps) beider Signale. Ändern sich diese Kenngrößen auf bestimmte Werte bzw. um bestimmte Differenzen, so wird ein Anschlag erkannt, der Motor wird abge schaltet.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1

Messpunkt

2

Messpunkt

3

Messpunkt

4

Motor

4.1

Motorphasen

5

Stränge mit D

1

/D

2

, R

1

/R

2

, D

3

/D

4

6

Auswerte- und Ansteuerelektronik, Microcontroller

7

Schaltelement

Claims

1. Verfahren zur elektronischen Anschlagerkennung bei Synchronmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage und/oder die Einschaltdauer der Spannungen über den beiden Motorphasen A und B (4.1) gemessen werden und eine Änderung der Einschaltdauer und/oder der Phasenlage als Entscheidungskriterien für das Erkennungen eines Anschlages und damit das Abschalten des Motors (4) dienen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewertungs- und Entscheidungsgrundlage der Vergleich der aktuellen Messwerte von Phasenlage und/oder Einschaltdauer mit fest eingespeicherten Werten oder ermittelten Meßwerten aus vergangenen Perioden herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Abschaltung des jeweiligen Motors (4) bei erkanntem Endanschlag auch zusätzliche Aktionen, wie eine Umkehr der Drehrichtung u. a. m. ausgelöst werden kann.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung u₁, u₂ an den Messpunkten (1, 2) bezogen auf die Masse (3) abgenommen wird und die Signalaufbereitung mit Hilfe der beiden zwischen den Messpunkten (1, 2) und Masse (3) liegenden Stränge (5) mit Gleichrichter D1, Widerstand R1, Zenerdiode D3 und/oder Gleichrichter D2, Widerstand R2 und Zenerdiode D4 erfolgt, wobei die negative Halbwelle durch die Dioden D1, D2 weggeschnitten wird und die auszuwertenden Spannungssignale u_1a, u_2a durch die Zenerdioden D3, D4 auf die für die Auswerte- und Ansteuerelektronik (6) zulässige Spannungshöhe beschränkt wird (Fig. 2).

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Auswerte- und Ansteuerelektronik (6) ein Microcontroller MCU vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Schalter SW1 (7) vorhanden ist.