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Die
Erfindung bezieht sich auf eine selbstverstärkende elektromechanische Bremse.
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Elektromechanische
Bremsen sind an sich bekannt. Diese weisen eine Bremsscheibe auf,
deren Bremsbeläge
mit Hilfe eines Elektromotors gegen die Bremsscheibe gepresst werden
können.
Der Elektromotor überträgt seine
Betätigungskraft über eine
so genannte Planeten-Walz-Gewindespindel auf einen axial verschiebbar
gelagerten Kolben, der mit dem Bremsbelag zusammenwirkt.
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Bei
einer weiteren als elektromechanische Bremse ausgebildeten, elektrisch
betätigbare
Fahrzeugbremse sind deren Bremsbeläge wiederum mittels eines als
Aktuator dienenden Elektromotors an die Bremsscheibe andrückbar. Der
Elektromotor umschließt
ein Spindelgetriebe und ist in Verschieberichtung der Bremsbeläge mittels
eines Spindelelementes, das von unterschiedlicher Ausführungsform sein
kann, mit einem axial verschiebbaren Kolben verbunden.
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Aus
der
DE 199 37 159
A1 ist ein elektrisch gesteuertes Bremssystem bekannt.
Dieses elektrisch gesteuerte Bremssystem weist wenigstens zwei Steuermodule
auf, die jeweils über
einen oder mehrere elektrisch angesteuerte Aktuatoren eine Gruppe von
wenigstens zwei Radbremsen betätigen.
Da jedes Steuermodul ein Mikrorechnersystem aufweist, in dem zwei
unabhängige
Programme implementiert sind, die ihre Ergebnisse gegenseitig überprüfen, sind
diese Steuermodule jeweils fehlertolerant aufgebaut. Außerdem werden
jedem Steuermodul mindestens drei Betätigungssignale eines Bremspedals
zugeführt,
so dass in jedem Steuermodul eine sichere Ermittlung eines Fahrerwunsches
ermöglicht
wird.
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Aus
der
DE 101 20 238
A1 ist eine Betätigungseinrichtung
einer mindestens eine elektrisch betätigbare, mechanisch wirkende
Motorbremse aufweisenden Bremsvorrichtung bekannt. Bei dieser Bremsvorrichtung
ist jedem Antriebsmotor eine Motorbremse zugeordnet, der elektrisch
in Reihe ein Schalter zugeordnet ist. Diese Motorbremsen jeweils mit
einem vorgeschalteten Schalter sind elektrisch parallel geschaltet.
Dieser Parallelschaltung ist ein weiterer Schalter, insbesondere
ein Relais, vorgeschaltet. Die den einzelnen Motorbremsen unmittelbar
zugeordneten Schalter können
einen Bestandteil entsprechender Motorsteuerungen sein. Diese Bremsvorrichtung
soll sich bei so genannten sicherheitsgerichteten Steuerungen mit
zwei Mikroprozessoren, die sich gegenseitig überprüfen, eignen.
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Ein
Hauptproblem herkömmlicher
Bremsen mit einem elektrischen Aktuator liegt in der hohen Aktuatorkraft,
die zum Erzielen einer ausreichenden Bremswirkung aufgebracht werden
muss. Die erforderliche, hohe Aktuatorkraft und der daraus resultierende,
hohe Leistungsbedarf des Aktuators bringt es mit sich, dass als
Antriebsquelle sehr große,
drehmomentstarke und damit auch schwere und teure Antriebseinheiten,
die üblicherweise
Elektromotoren sind, eingesetzt werden müssen. Dies hat dazu geführt, dass
elektromechanische Bremsen beispielsweise als Fahrzeugbremsen bisher
keine Verbreitung gefunden haben.
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Neben
diesen elektromechanischen Bremsen gibt es auch noch selbstverstärkende elektromechanische
Bremsen (
DE 103 19
083 B3 ,
DE
103 20 335 A1 ). Bei solchen Bremsen bringt ein elektrischer Aktuator
eine Betätigungskraft
auf, die die Reibbeläge
der Bremse an die sich drehende Bremsscheibe anlegt. Eine Selbstverstärkungseinrichtung
in Gestalt einer Keilanordnung nutzt die in der sich drehenden Bremsscheibe
enthaltene kinetische Energie zum weiteren Zustellen der Reibbeläge, d.h.,
die Reibbeläge
werden mit einer gegenüber
der Aktuatorkraft deutlich erhöhten
Kraft, die nicht von dem elektrischen Aktuator aufgebracht wird,
gegen die Bremsscheibe gepresst. Wegen der Ausgestaltung der Selbstverstärkungseinrichtung
wird diese selbstverstärkende
elektromechanische Bremse auch als Keilbremse bezeichnet.
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In
industriellen Anwendungen mit Elektromotoren, insbesondere stromrichtergespeisten
Elektromotoren gibt es vielfach den Bedarf der Motor-Bremsung. Das
Festhalten oder Abbremsen eines Elektromotors oder Anlagenteils
muss häufig
auch sicherheitsgerichtet erfolgen. Alternativ wird die Mechanik im
Umfeld auch selbsthemmend ausgeführt.
Bremsen mit reiner Haltefunktion sollen aus Verschleißgründen nicht
an fahrenden Motoren aktiviert werden. Die Haltefunktion der Bremse
ist auch im spannungslosen Zustand des stromrichtergespeisten Elektromotors
zu gewährleisten.
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Die
nicht sicherheitsgerichtete Bremssteuerung erfolgt vielfach durch
ein Ausgangsrelais in der Leistungselektronik des stromrichtergespeisten
Elektromotors, der auch als Antrieb bezeichnet wird. Diese Leistungselektronik
ist beispielsweise ein Umrichter, insbesondere ein Spannungszwischenkreis-Umrichter,
oder ein Motorstarter mit einer Steuereinrichtung. Diese Leistungselektronik
aktiviert eine Haltebremse nach der elektrischen Abbremsung des
Antriebs. Eine elektrische Abbremsung erfolgt beispielsweise durch
eine Gleichstrombremsung, mittels eines Bremschoppers bzw. eines
Rückspeisebetriebes.
Die den Elektromotor steuernde Leistungselektronik "kennt" natürlich den
besten Zeitpunkt für
die Bremsansteuerung. Die beschrieben selbstverstärkende elektromechanische
Bremse als einfacher Ersatz von klassischen Bremsen findet allmählich Einzug
in der industriellen Antriebstechnik. Eine sicherheitsgerichtete
Ansteuerung einer elektromechanischen Bremse ist bei im Handel erhältlichen
Stromrichtern nicht integriert.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine selbstverstärkende elektromechanische Bremse
dahin gehend zu verbessern, dass diese sicherheitsgerichtet ausgeführt ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Dadurch,
dass für
jede Drehrichtung zwei eine Betätigungskraft
erzeugende elektrische Aktuatoren jeweils mit einer Regelung vorgesehen
sind, die eingangsseitig mit einer Bremsmanagement-Einrichtung verknüpft sind,
die mittels einer sicherheitsgerichteten Datenübertragungseinrichtung mit
einem Verbraucherabzweig eines abzubremsenden Elektromotors verknüpft ist,
erhält
man eine sicherheitsgerichtete selbstverstärkende elektromechanische Bremse,
die nicht mehr vom Anwender aufwendig projektiert werden muss.
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Gemäß dieser
erfindungsgemäßen Ausgestaltung
weist die sicherheitsgerichtete Bremse einerseits eine so genannte
Zweitbremse und andererseits eine sicherheitsgerichtete Ansteuerung
durch den Verbraucherabzweig auf. Somit ist diese sicherheitsgerichtete
Bremse zum Teil Bestandteil des stromrichtergespeisten Elektromotors,
der durch die selbstverstärkende
elektromechanische Bremse abgebremst werden soll.
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Die
Ansteuerung dieses sicherheitsgerichteten Anlagenteils der selbstverstärkenden
elektromechanischen Bremse erfolgt ebenfalls sicherheitsgerichtet.
Dazu wird eine sicherheitsgerichtete Datenübertragungs-Einrichtung verwendet.
Diese kann im einfachsten Fall zwei separate Steuerleitungen aufweisen.
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Ebenfalls
ist die Verwendung eines Datenbusses möglich, bei dem ein so genannte "grauer Kanal" vorhanden ist. Dadurch
ist dieser Datenbus in zwei separate Teildatenbusse unterteilt,
die datentechnisch voneinander getrennt sind.
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Eine
weitere Ausführungsform
einer sicherheitsgerichteten Datenübertragungs-Einrichtung weist
einerseits eine Steuerleitung und andererseits einen Pulsgenerator
mit einem Modulator und einem Demodulator auf. Mittels des Pulsgenerators
wird ein Ansteuersignal auf eine Motorzuleitung aufmoduliert und
von der Bremsmanagement-Einrichtung mittels des Demodulators von
dieser Motorzuleitung abgegriffen. Dasselbe Ansteuersignal gelangt
mittels der Steuerleitung ebenfalls zur Bremsmanagement-Einrichtung.
Erst bei Gleichheit dieser beiden empfangenen Ansteuersignale wird
die Information dieses Ansteuersignals von der Bremsmanagement-Einrichtung
umgesetzt.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Bremsmanagement-Einrichtung ist ein Mikroprozessor. Mittels
dieses Mikroprozessors kann eine Erwartungshaltung für ein Steuersignal,
insbesondere eines periodischen Steuersignals, befriedigt werden.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
einer selbstverstärkenden
elektromechanischen Bremse schematisch veranschaulicht ist.
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In
dieser Figur ist eine selbstverstärkende elektromechanische Bremse
für zwei
Drehrichtungen in der erfindungsgemäßen Ausführungsform näher dargestellt.
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Da
diese so genannte Keilbremse für
zwei Drehrichtungen vorgesehen ist, weist diese für jeweils
eine Drehrichtung zwei Aktuatoren auf, die mit 2, 4 bzw. 6, 8 bezeichnet
sind. Diese Aktuatoren 2, 4, 6 und 8 sind
bekannter Maßen
auf einer Bremsscheibe 10 angeordnet. Diese Bremsscheibe 10 ist
verdrehsicher mit einer Antriebswelle 12 eines Elektromotors 14 verkoppelt,
der mittels eines Stromrichters 16 aus einem nicht näher dargestellten
Versorgungsnetz mit Energie versorgt wird. Als Stromrichter 16 kann
ein Umrichter, insbesondere ein Spannungszwischenkreis-Umrichter,
oder ein Motorstarter mit einer Steuereinrichtung vorgesehen sein.
Dieser Stromrichter wird auch als Verbraucherabzweig bezeichnet.
Dieser stromrichtergespeiste Elektromotor, bestehend aus Elektromotor 14 und
Stromrichter 16, wird in der Antriebstechnik als Antrieb
bezeichnet. In dieser Darstellung ist als Verbraucherabzweig 16 ein Umrichter
vorgesehen, von dem sein Leistungsteil 18 und seine Steuer-
und Regeleinrichtung 20 schematisch dargestellt sind. Die
Anschlussklemmen des Elektromotors sind mittels Motorzuleitungen 22 mit den
Ausgangsanschlüssen
des Leistungsteils 18 des Verbraucherabzweiges 16 elektrisch
leitend verbunden.
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Die
Keilbremse weist neben den Aktuatoren 2, 4, 6 und 8 außerdem eine
Bremseinheit 24 auf. Diese umfasst für jeden Aktuator 2 bzw. 4 bzw. 6 bzw. 8 eine
Regelung 26 bzw. 28 bzw. 30 bzw. 32 und
eine Bremsmanagement-Einrichtung 34 zum Steuern dieser
Regelungen 26, 28, 30 und 32 auf.
Für diese Bremsmanagement-Einrichtung 34 kann
vorteilhafterweise ein Mikroprozessor vorgesehen sein. Diese Bremseinheit 24 weist
ebenfalls einen Demodulator 36 auf, der ausgangsseitig
mit der Bremsmanagement-Einrichtung 34 und eingangsseitig
mit den Motorzuleitungen 22 elektrisch leitend verbunden
ist. Jede Regelung 26 bis 32 dieser Bremseinheit 24 sind jeweils
mittels einer Steuerleitung 38 mit der Bremsmanagement-Einrichtung 34 elektrisch
leitend verbunden.
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Neben
dieser Bremseinheit 24 ist der Verbraucherabzweig 16 ebenfalls
erfindungsgemäß ausgebildet.
Dazu zählt
eine Bremssteuereinrichtung 40 und ein Pulsgenerator 42 mit
nachgeschalteten Modulator 44. Diese Bremssteuereinrichtung 40 ist Bestandteil
der Steuer- und Regeleinrichtung 20 des Strom richters 16,
wogegen der Pulsgenerator 42 dem Leistungsteil 18 des
Stromrichters zugeordnet ist. In den Motorzuleitungen 22 ist
der Modulator 44 angeordnet, der eingangsseitig mit dem
Pulsgenerator 42 verknüpft
ist. Die Bremssteuereinrichtung 40 ist einerseits mittels
einer Steuerleitung 46 mit der Bremsmanagement-Einrichtung 34 der
Bremseinheit 24 und andererseits mit dem Pulsgenerator 42 verknüpft.
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An
Stelle dieser sicherheitsgerichteten Datenübertragungseinrichtung kann
ebenfalls ein Datenbus mit einem so genannten "grauen Kanal" verwendet werden, der die Bremssteuereinrichtung 40 mit
der Einrichtung 34 der Bremsmanagement-Einrichtung 24 verbindet.
Derartige Busse sind im Handel erhältlich und werden wie folgt
bezeichnet: PROFIbus, PROFInet, Profi-SAFE bzw. DriveCLiQ. Ebenso kann eine
sicherheitsgerichtete Datenübertragungseinrichtung
mittels zweier separater Steuerleitungen realisiert werden, die
beide eingangsseitig mit der Bremssteuereinrichtung 40 verknüpft sind.
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Erfindungsgemäß generiert
die Bremssteuereinrichtung 40 ein periodische Steuersignal,
das einerseits mittels der Steuerleitung 46 zur Bremsmanagement-Einrichtung 34 der
Bremseinheit 24 gesendet wird und andererseits mittels
des Pulsgenerators 42 in eine kodierte frequente Schwingung
umgewandelt und mittels des Modulators 44 auf die Motorzuleitungen 22 gegeben
wird. Diese kodierte frequente Schwingung stellt somit einen "Ton" dar, der periodisch
auf die Ausgangsspannungen des Leistungsteils 18 des Verbraucherabzweiges 16 aufmoduliert
wird. Dieses periodische Steuersignal wird auch als Lebenszeichen
bezeichnet, das in der Bremsmanagement-Einrichtung 34 der
Bremseinheit 24 eine Erwartungshaltung erzeugt. Mittels
des Demudolators 36 wertet die Bremsmanagement-Einrichtung 34 die
Frequenz und die Drehrichtung der Motoreingangsspannung aus. D.
h., aus dem aufmodulierten "Ton" wird wieder ein
Steuersignal generiert, das von der Bremsmanagement-Einrichtung 34 der
Bremseinheit 24 mit dem mittels der Steuerleitung 46 übertragenem
Signal verglichen wird. Solange die erzeugte Erwartungshaltung befriedigt
wird, ist diese selbstverstär kende
elektromechanische Bremse sicherheitsgerichtet freigegeben.
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Soll
der Antrieb abgebremst werden, so wird ein entsprechendes Signal
wie das periodische Freigabe-Signal zur Bremsmanagement-Einrichtung 34 der
Bremsmanagement-Bremseinheit 24 übertragen und bei Gleichheit
in entsprechende Steuersignale für
die Regelungen 26, 28 bzw. 30, 32 der
Aktuatoren 2, 4 bzw. 6, 8 jeweils
einer Drehrichtung umgewandelt.
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In
dieser Darstellung sind von diesen Regelungen 26 bis 32 der
Bremseinheit 24 jeweils zwei Regelungen 26 und 28 bzw. 30 und 32 einer
Drehrichtung mittels Leitungen 48 bzw. 50 miteinander verknüpft. Mittels
dieser Verknüpfungen
können
sich die Regelungen 26 und 28 bzw. 30 und 32 jeweils
einer Drehrichtung gegenseitig überwachen.
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Außerdem kann
mittels dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
einer selbstverstärkenden elektromechanischen
Bremse eine periodische Dynamisierung vorgenommen werden. Dazu wird
in das periodische Freigabesignal ein Bremssignal kleiner Amplitude
eingebracht, wodurch die Aktuatoren 2 und 4 bzw. 6 und 8 jeweils
einer Drehrichtung eine kleine Bremskraft ausüben. Dadurch wird die Bremsscheibe 10 und
der mechanisch gekoppelte Elektromotor 14 derart abgebremst,
dass dessen Drehzahl abnimmt. Dies wird von der Steuer- und Regeleinrichtung 20 des
Verbraucherabzweiges 16 erkannt und gegengesteuert. Daraus
folgert die Bremssteuereinrichtung 40, dass die Aktuatoren 2 und 4 bzw. 6 und 8 einer
Drehrichtung funktionsfähig
sind.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
zur Realisierung einer sicherheitsgerichteten elektromechanischen
Bremse erlaubt den Verzicht auf komplexe und risikobehafteten Ansteuerungslösungen,
die durch einen Anwender projektiert sind, und gibt dem Verbraucherabzweig 24 die
Möglichkeit
der technologisch bestmöglichen
Ansteuerung. Dadurch kann einem Kunden eine sicherheitsgerichtete
selbstverstärkende
elektromechanische Bremse, mit einer hin terlegten Bremsreaktion
als Paket angeboten werden. Diese erfindungsgemäße elektromechanische Bremse
mit ihrer sicherheitsgerichteten Ansteuerung durch einen Verbraucherabzweig 16 kann
als zertifiziertes Produkt eingesetzt werden, wodurch die Sicherheitskategorie
im System erhöht
wird.