DE102009038597A1

DE102009038597A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102009038597A1
Application number: DE200910038597
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Brandstätter
Original assignee: Schneider Electric Motion Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Schneider Electric Automation GmbH
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2011-03-10

Abstract

Eine elektrische Maschine (1) hat eine Maschinensteuerung (9) und mindestens einen Antrieb (2), der einen Elektromotor (3) und eine Ansteuereinrichtung (4) zum elektronischen Kommutieren des Elektromotors (3) aufweist. Die Ansteuereinrichtung (4) ist über ein Bussystem (8) mit der Maschinensteuerung (9) verbunden. In dem Antrieb (2) wird ein Betriebszustandssignal für den Elektromotor (3) bereitgestellt. Das Betriebszustandssignal wird über das Bussystem (8) zu der Maschinensteuerung (9) übertragen. In der Maschinensteuerung (9) wird ein Sicherheitsanforderungssignal für eine für die Maschine (1) geforderte Betriebssicherheit erzeugt und in Abhängigkeit von dem Sicherheitanforderungssignal wird ein zulässiger Wertebereich für das Betriebszustandssignal ermittelt. Der Wertebereich wird mit in der Maschinensteuerung (9) mit dem Betriebszustandssignal verglichen und das entsprechende Vergleichssignal wird über das Bussystem (8) und/oder eine separate Kommunikationsverbindung (11) mit einer Übertragungssicherheit zu der Ansteuereinrichtung (4) übertragen, die größer ist als die Übertragungssicherheit, mit der das Betriebszustandssignal über das Bussystem (8) übertragen wurde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die eine Maschinensteuerung und mindestens einen Antrieb umfasst, der zumindest einen Elektromotor und eine Ansteuereinrichtung zum elektronischen Kommutierten des Elektromotors aufweist, wobei die Ansteuereinrichtung über ein Bussystem mit der Maschinensteuerung verbunden ist, wobei ein Betriebszustandssignal für den Elektromotor bereitgestellt wird, wobei in der Maschinensteuerung ein Sicherheitsanforderungssignal für eine für die Maschine geforderte Betriebssicherheit erzeugt und in Abhängigkeit von dem Sicherheitsanforderungssignal ein zulässiger Wertebereich für das Betriebszustandssignal ermittelt wird, wobei der Wertebereich mit dem Betriebszustandssignal verglichen und ein entsprechendes Vergleichssignal erzeugt wird, wobei der Elektromotor über die Ansteuereinrichtung angesteuert wird, wenn das Vergleichssignal einer Übereinstimmung entspricht, und wobei der Elektromotor über die Ansteuereinrichtung abgeschaltet oder gestoppt wird, wenn das Vergleichssignal einer Abweichung entspricht. Dabei werden unter dem Wertebereich Sollwerte und unter einem Betriebszustandssignal Istwerte einer Teilmenge der Zustandsvariablen des Elektromotors verstanden.
Ein derartiges Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine ist aus der Praxis bekannt. Die Maschine hat mehrere Achsen, die jeweils einen Antrieb aufweisen. Jeder Antrieb hat einen Elektromotor, eine Ansteuereinrichtung zum elektronischen Kommutierten des Elektromotors und einen Lagesensor zur Erfassung eines Betriebszustandssignals des Elektromotors.
Aufgrund der Energieumwandlung von elektrischer in mechanische Energie stellt die Maschine eine potentielle Gefahrenquelle dar. Um dennoch einen sicheren Betrieb der Maschine zu gewährleisten, hat die Maschine eine Maschinensteuerung, an der verschiedene Sensoren angeschlossen sind, wie z. B. Lichtschranken, Schlüssel- oder Zustimmungsschalter und Notausschalter. In Abhängigkeit von den Sensorsignalen dieser Sensoren wird in der Maschinensteuerung ein Sicherheitsanforderungssignal für eine für den Elektromotor geforderte Betriebssicherheit generiert. Die Maschinensteuerung ist derart ausgestaltet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass beim Generieren des Sicherheitsanforderungssignals ein Fehler auftritt, geringer ist als ein vorbestimmter Wahrscheinlichkeitswert, der für die von der Maschine ausgehenden potentiellen Gefahren als akzeptabel angesehen wird. In Abhängigkeit von dem Sicherheitsanforderungssignal wird in der Maschinensteuerung für jeden Antrieb jeweils ein zulässiger Wertebereich für das Betriebszustandssignal ermittelt und über das Bussystem an die Ansteuereinrichtung übertragen und dort aktiviert. Die Übertragung der Wertebereiche über das Bussystem muss mit der erforderlichen Zuverlässigkeit erfolgen. Für die Übertragung wird daher ein entsprechend aufwändiges Protokoll verwendet, bei dem die Übertragung der Wertebereiche redundant erfolgt und bei dem die empfangenen Informationen in der Ansteuereinrichtung auf Plausibilität überprüft werden. Außerdem müssen die Wertebereiche mit der erforderlichen hohen Zuverlässigkeit in den Systemkomponenten gehalten werden, wodurch ein erheblicher Kommunikationsaufwand entsteht. Durch diesen Kommunikationsaufwand wird jedoch Synchronisationsgeschwindigkeit der Antriebe herabgesetzt. Daher gestaltet sich für eine derartige Maschine der Nachweis der geforderten Zuverlässigkeit schwierig.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das auf einfache Weise durchführbar ist und sowohl eine hohe Sicherheit der Maschine als auch eine schnelle Synchronisation der Bewegung des Elektromotors ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Betriebszustandssignal über das Bussystem zu der Maschinensteuerung übertragen und der Vergleich zwischen dem Wertebereich und dem Betriebszustandssignal in der Maschinensteuerung durchgeführt wird, und dass das Vergleichssignal derart von der Maschinensteuerung über das Bussystem und/oder eine separate Kommunikationsverbindung zu der Ansteuereinrichtung übertragen wird, dass die Übertragungssicherheit bei dieser Übertragung größer ist als die Übertragungssicherheit, mit der das Betriebszustandssignal über das Bussystem übertragen wurde. Unter dem Begriff „Übertragungssicherheit” wird die mittlere Wahrscheinlichkeit verstanden, mit der von einem ersten Busteilnehmer (Antrieb, Maschinensteuerung) über das Bussystem zu einem zweiten Busteilnehmer (Maschinensteuerung, Antrieb) gesendete Informationen von dem zweiten Busteilnehmer fehlerfrei empfangen werden.
Überraschender Weise ist es also möglich, trotz der geforderten hohen Sicherheit der Maschine das Betriebszustandssignal zunächst mit einer relativ geringen bzw. normalen Übertragungssicherheit von dem mindestens einen Antrieb über das Bussystem zu der Maschinensteuerung zu übertragen, es dort mit dem dem Sicherheitsanforderungssignal zugeordneten Wertebereich zu vergleichen und das aus dem Vergleich resultierende Vergleichssignal danach mit einer höheren Übertragungssicherheit von der Maschinensteuerung an die Ansteuereinrichtung(en) zu übermitteln. Somit kann bei der Übertragung des Betriebszustandssignals über das Bussystem ein unsicheres, aber schnelles Protokoll zu Anwendung kommen, wodurch sich der Kommunikationsaufwand entsprechend reduziert. Nur die Sicherheitsanforderung des Abschaltens oder Steppens des Elektromotors wird sicher über das Bussystem übertragen und dann in der Ansteuereinrichtung durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren verringert die Reaktionszeit der Maschine beim Wechsel zwischen unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen für den Elektromotor. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines gefährlichen Fehlers ist gering und liegt etwa im Bereich der entsprechenden Wahrscheinlichkeit von einfach-redundanten Systemen, obwohl intern einfache Kommunikationskanäle verwendet werden.
Das Verfahren eignet sich besonders für mehrachsige Maschinen. In der Maschinensteuerung kann ein mehrdimensionaler Betriebszustandsraum in zulässige und unzulässige Bereiche geteilt werden. Diese Aufgabe ist in der Ansteuereinrichtung kaum möglich, da das ständige sichere Nachstellen der zulässigen Wertebereiche zu einer hohen Kommunikationsrate über das Bussystem und zu einer entsprechenden Verzögerung führen würde. Da bei dem Verfahren das Vergleichssignal zentral in der Maschinensteuerung erzeugt wird, können die einzelnen Antriebe auf einfache Weise getauscht werden. Ein Abnahmeprotokoll nach dem Austausch eines Antriebs ist nicht erforderlich.
Vorteilhaft ist, wenn mit Hilfe der Ansteuereinrichtung ein Kommutierungssignal erzeugt und an den Elektromotor ausgegeben wird, wenn für den Betriebszustand des Elektromotors mindestens ein Messsignal erfasst wird, und wenn das Betriebszustandssignal das Kommutierungssignal und das mindestens eine Messsignal beinhaltet. Das Betriebszustandssignal ist also mindestens zweidimensional. Das Messsignal kann ein Lage-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und/oder Antriebsmoment-Signal sein. Das Messsignal kann mit Hilfe eines Lagesensors gemessen werden, beispielsweise mit Hilfe eines Encoders. Das Messsignal wird in der Regel in der Maschinensteuerung zur Steuerung eines Prozesses benötigt und muss daher nicht speziell übertragen werden.
Bevorzugt werden für den Betriebszustand des Elektromotors mit Hilfe von mindestens zwei voneinander unabhängigen Messeinrichtungen mindestens zwei Messsignale erfasst, wobei das Betriebszustandssignal diese Messsignale beinhaltet. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für Asynchronmotoren verwendet werden. Die beiden Messeinrichtungen können beispielsweise zwei Encoder sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden das Kommutierungssignal und das Messsignal bei der Übertragung über das Bussystem unterschiedlich codiert und/oder mit voneinander unabhängigen Sicherheitscodes versehen. Dadurch werden sogenannte Common Cause Fehler im nicht sicheren Übertragungskanal vermieden.
Bevorzugt wird das Vergleichssignal mindestens zwei mal von der Maschinensteuerung über das Bussystem zur Ansteuereinrichtung übertragen, wobei für die Übertragungen vorzugsweise eine unterschiedliche Codierung zur Anwendung kommt, wobei die von der Ansteuereinrichtung bei den unterschiedlichen Übertragungen empfangenen Vergleichssignale miteinander verglichen werden, und wobei beim Auftreten einer Abweichung der Elektromotor abgeschaltet oder gestoppt wird. Die seriell über das Bussystem übertragenen, das Vergleichsergebnis repräsentierenden Signale werden vorzugsweise in der Ansteuereinrichtung mit separater Hardware verarbeitet. Dadurch wird eine hohe Übertragungssicherheit ermöglicht.
Zweckmäßigerweise ist das Bussystem ein Feldbus, insbesondere ein isochroner Feldbus. Derartige Bussysteme haben sich in der Praxis für industrielle Anwendungen bewährt.
Das Sicherheitsanforderungssignals kann in Abhängigkeit von mindestens einem Sensorsignal ermittelt werden. Das Sensorsignal kann mit Hilfe eines Schalters, einer Lichtschranke und/oder eines Näherungssensors erfasst werden. Dabei ist es insbesondere möglich, dass das Sicherheitsanforderungssignal durch logische Verknüpfung mehrerer Sensorsignale ermittelt wird.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer elektrischen Maschine, die einen Antrieb mit einem elektronisch kommutierten Antriebsmotor aufweist,
2 ein Blockschaltbild einer elektrischen Maschine, die mehrere über ein Bussystem mit einer Maschinensteuerung verbundene Antriebe aufweist, und
3 ein Blockschaltbild eines weiten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine.
Eine in 1 bis 3 nur schematisch dargestellte, im ganzen mit 1 bezeichnete elektrische Maschine hat mindestens einen Antrieb 2, der einen Elektromotor 3 mit einem Primärteil und einem relativ dazu bewegbaren Sekundärteil aufweist. Das Primärteil hat zur Erzeugung eines bewegten magnetischen Feldes eine mehrphasige Motorwicklung, die über einen Luftspalt mit dem Sekundärteil zusammenwirkt. Zum elektronischen Kommutierten des Elektromotors 3 weist der Antrieb 2 eine Ansteuereinrichtung 4 mit einer Motorsteuerung 5 und einer Endstufe 6 auf In der Motorsteuerung 5 läuft auf mindestens einem Mikroprozessor ein Betriebsprogramm ab, mit dessen Hilfe in an sich bekannter Weise ein Kommutierungssignal für den Elektromotor 3 erzeugt werden.
Die Endstufe ist mit ihren Eingangsanschlüssen mit Ausgängen der Motorsteuerung 5 verbunden und hat eine der Anzahl der Phasen der Motorwicklung entsprechende Anzahl Ausgangsanschlüsse. Jeder Ausgangsanschluss ist jeweils mit einem ihm zugeordneten Phasenanschluss der Wicklung verbunden.
Zur Erfassung der Relativposition zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil des Elektromotors 3 hat der Antrieb 2 einen Lagesensor 7, der mechanisch mit dem Primär- und dem Sekundärteil verbunden ist. Mit Hilfe des Lagesensors 7 und ggf. mit Hilfe von physikalischen Kenngrößen der Maschine 1 wird ein Lage-, Geschwindigkeits, Beschleunigungs- und/oder ein Antriebsmoment- bzw. Kraftsignal für den Elektromotor erfasst. Aus diesen Messsignalen und dem Kommutierungssignal wird ein Betriebszustandssignal für den Elektromotor 3 gebildet.
Bei den in 1 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Maschine 1 nur einen elektrischen Antrieb 2 auf. Wie in 2 erkennbar ist, kann die Maschine auch mehrere Antrieb 2 haben, die beispielsweise unterschiedliche Achsen antreiben können.
In 1 bis 3 ist erkennbar, dass die mindestens eine Ansteuereinrichtung über ein Bussystem 8 mit einer Maschinensteuerung 9 verbunden ist, die als Sicherheits-SPS mit mehreren redundanten Komponenten bzw. Kanälen ausgestaltet ist. An der Maschinensteuerung 9 sind verschiedene Sensoren 10a, 10b angeschlossen, von denen in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei dargestellt sind. Die Sensoren 10a, 10b können beispielsweise eine Lichtschranke, einen Schlüsselschalter, einen Fingarabdrucksensor und/oder einen Notaus-Schalter umfassen.
Messsignale der Sensoren 10a, 10b werden in die Maschinensteuerung 9 eingelesen und in den Abhängigkeit von den Messsignalen wird in der Maschinensteuerung 9 ein Sicherheitsanforderungssignal für eine für die Maschine 1 geforderte Betriebssicherheit erzeugt. In Abhängigkeit von dem Sicherheitsanforderungssignal wird ein zulässiger Wertebereich für das Betriebszustandssignal ermittelt, bei dessen Einhaltung die geforderte Betriebssicherheit gewährleistet wird.
Während des Betriebs der Maschine 1 wird das Betriebszustandssignal von dem mindestens einen Antrieb 2 über das Bussystem 8 in die Maschinensteuerung 9 übertragen und dort zwischengespeichert. Die Übertragung erfolgt mit einem einfachen Protokoll, das keine oder nur eine geringe Redundanz aufweist. Die Übertragung des Betriebszustandssignals ist daher unsicher, d. h. das Betriebszustandssignal kann auf dem Weg vom Antrieb zur Maschinensteuerung verfälscht werden, beispielsweise beim Auftreten von EMV-Störungen.
Das über das Bussystem 8 übertragene Betriebszustandssignal wird in der Maschinensteuerung 9 mit dem zulässigen Wertebereich für das Betriebszustandssignal verglichen und in der Maschinensteuerung 9 wird ein entsprechendes Vergleichssignal erzeugt. Bei dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Vergleichssignal über eine separate Kommunikationsverbindung 11 von der Maschinensteuerung 9 zu der mindestens einen Ansteuereinrichtung 4 übertragen. Die Kommunikationsverbindung 11 ist derart ausgestaltet, dass Übertragungssicherheit für das Vergleichssignal größer ist als die Übertragungssicherheit, mit der das Betriebszustandssignal über das Bussystem übertragen wurde. Die höhere Übertragungssicherheit der Kommunikationsverbindung 11 kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Kommunikationsverbindung 11 eine feste Leitung aufweiset, über die nur das Vergleichssignal übertragen wird.
Das Vergleichssignal wird in die Motorsteuerung 5 eingelesen. Falls das das Vergleichssignal anzeigt, dass das Betriebszustandssignal mit dem zulässigen Wertebereich übereingestimmt hat, wird der Elektromotor kommutiert. Zeigt das Vergleichssignal dagegen an, dass das Betriebszustandssignal nicht mit dem zulässigen Wertebereich übereingestimmt hat, wird der Elektromotor über die Ansteuereinrichtung 4 abgeschaltet. Dies kann bevorzugt dadurch erreicht werden, dass die Ausgänge der Endstufe 6 hochohmig geschaltet oder auf Massepotential gelegt werden, um die Wicklung des Elektromotors von der Betriebsspannung zu trennen.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Vergleichssignal nicht über eine separate Kommunikationsverbindung 11 sondern über dasselbe Bussystem 8 von der Maschinensteuerung 9 zu dem mindestens einen Antrieb 2 übertragen, über das zuvor das Betriebszustandssignal übertragen wurde. Für die Übertragung des Vergleichssignals wird ein Protokoll verwendet, das eine größere Übertragungssicherheit aufweist als das Protokoll, mit dem das Betriebszustandssignal. über das Bussystem übertragen wird. Während das Betriebszustandssignal nur ein einziges mal über das Bussystem übermittelt wird, wird das Vergleichssignal mehrmals über das Bussystem übertragen, wobei das Vergleichssignal bei jeder Übertragung unterschiedlich codiert wird.
Die von der Motorsteuerung 5 empfangenen Vergleichssignale werden in der Motorsteuerung 5 zwischengespeichert, decodiert und miteinander verglichen.
Beim Auftreten einer Abweichung zwischen den Vergleichssignalen wird der Elektromotor 3 – wie oben beschrieben – abgeschaltet.
Erwähnt werden soll noch, dass auch bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere Antriebe 2 am Bussystem 8 angeschlossen sein können. Der Aufbau der Maschine 1 entspricht dann dem in 2, wobei jedoch die separate Kommunikationsverbindung (11) entfällt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (1), die eine Maschinensteuerung (9) und mindestens einen Antrieb (2) umfasst, der zumindest einen Elektromotor (3) und eine Ansteuereinrichtung (4) zum elektronischen Kommutierten des Elektromotors (3) aufweist, wobei die Ansteuereinrichtung (4) über ein Bussystem (8) mit der Maschinensteuerung (9) verbunden ist, wobei ein Betriebszustandssignal für den Elektromotor (3) bereitgestellt wird, wobei in der Maschinensteuerung (9) ein Sicherheitsanforderungssignal für eine für die Maschine (1) geforderte Betriebssicherheit erzeugt und in Abhängigkeit von dem Sicherheitsanforderungssignal ein zulässiger Wertebereich für das Betriebszustandssignal ermittelt wird, wobei der Wertebereich mit dem Betriebszustandssignal verglichen und ein entsprechendes Vergleichssignal erzeugt wird, wobei der Elektromotor (3) über die Ansteuereinrichtung (4) angesteuert wird, wenn das Vergleichssignal einer Übereinstimmung entspricht, und wobei der Elektromotor (3) über die Ansteuereinrichtung abgeschaltet oder gestoppt wird, wenn das Vergleichssignal einer Abweichung entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebszustandssignal über das Bussystem (8) zu der Maschinensteuerung (9) übertragen und der Vergleich zwischen dem Wertebereich und dem Betriebszustandssignal in der Maschinensteuerung (9) durchgeführt wird, und dass das Vergleichssignal derart von der Maschinensteuerung (9) über das Bussystem (8) und/oder eine separate Kommunikationsverbindung (11) zu der Ansteuereinrichtung (4) übertragen wird, dass die Übertragungssicherheit bei dieser Übertragung größer ist als die Übertragungssicherheit, mit der das Betriebszustandssignal über das Bussystem (8) übertragen wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Ansteuereinrichtung (4) ein Kommutierungssignal erzeugt und an den Elektromotor (3) ausgegeben wird, dass für den Betriebszustand des Elektromotors (3) mindestens ein Messsignal erfasst wird, und dass das Betriebszustandssignal das Kommutierungssignal und das mindestens seine Messsignal beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betriebszustand des Elektromotors (3) mit Hilfe von mindestens zwei voneinander unabhängigen Messeinrichtungen mindestens zwei Messsignale erfasst werden, und dass das Betriebszustandssignal diese Messsignale beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommutierungssignal und das Messsignal bei der Übertragung über das Bussystem (8) unterschiedlich codiert werden und/oder mit voneinander unabhängigen Sicherheitscodes versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichssignal mindestens zwei mal von der Maschinensteuerung (9) über das Bussystem (8) zur Ansteuereinrichtung (4) übertragen wird, wobei für die Übertragungen vorzugsweise eine unterschiedliche Codierung zur Anwendung kommt, dass die von der Ansteuereinrichtung (4) bei den unterschiedlichen Übertragungen empfangenen Vergleichssignale miteinander verglichen werden, und dass beim Auftreten einer Abweichung der Elektromotor (3) abgeschaltet oder gestoppt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bussystem (8) ein Feldbus ist, insbesondere ein isochroner Feldbus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsanforderungssignal in Abhängigkeit von mindestens einem Sensorsignal ermittelt wird.