DE102010021460A1

DE102010021460A1 - Verfahren und Vorrichtung zum elektromagnetischen Bremsen eines Motors

Info

Publication number: DE102010021460A1
Application number: DE102010021460A
Authority: DE
Inventors: Donald R. Brighton Davis; Nicolaus A. Houston Radford; Frank Noble Webster Permenter; Adam H. Houston Parsons
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: Usa As Represented By Administrator Us; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-02-17
Also published as: US20100301785A1; JP2010279242A; US8067909B2; JP5342497B2

Abstract

Ein elektromagnetisches Bremsensystem und ein Verfahren werden bereitgestellt, um einen Motor unter Verwendung einer elektromagnetischen Bremse selektiv zu bremsen, welche einen Elektromagnet, einen Permanentmagnet, eine Rotoranordnung und einen Bremsklotz aufweist. Die Bremsenanordnung wird eingerückt, wenn der Elektromagnet ausgeschaltet wird, und gelöst, wenn der Elektromagnet erregt wird. Wenn sie eingerückt ist, bewegt der Permanentmagnet den Bremsklotz in einen Reibungseingriff mit einem Gehäuse, und wenn sie gelöst ist, hebt der Elektromagnet den Fluss des Permanentmagnets auf, um zu ermöglichen, dass eine Blattfeder den Bremsklotz vom Gehäuse wegbewegt. Ein Controller weist einen DC-DC-Wandler zum Umsetzen einer Hauptbusspannung in eine niedrigere Bremsenspannung auf der Grundlage einiger Parameter auf. Der Wandler verwendet eine Pulsbreitenmodulation (PWM), um die Bremsenspannung zu regeln. Ein kalibrierter Spalt ist zwischen dem Bremsklotz und dem Permanentmagnet definiert, wenn die Bremsenanordnung gelöst ist, und kann über den Controller dynamisch modifiziert werden.

Description

AUSSAGE HINSICHTLICH VOM BUND GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese hier beschriebene Erfindung wurde bei der Ausführung von Arbeiten unter NASA Space Act Agreement mit der Vertragsnummer SAA-AT-07-003 getätigt und ist den Bestimmungen von Abschnitt 305 des National Aeronautics and Space Act von 1958 in der geänderten Fassung (42 U. S. C. 2457) unterworfen. Die Bundesregierung kann einige Rechte an der Erfindung besitzen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Bremsen eines Elektromotors und insbesondere die aktive Steuerung einer Leistungsquelle eines elektromagnetischen Bremssystems, um die Rotation eines Rotorabschnitts eines Elektromotors selektiv zu bremsen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektromotoren werden bei einer Menge von Roboter- oder anderen Automatisierungssystemen verwendet, um ein Drehmoment bereitzustellen, das zur Verrichtung nützlicher Arbeit in einem System geeignet ist. Elektromotoren umfassen einen Stator und einen Rotor, wobei eine oder beide dieser Komponenten Wicklungen oder Spulen zum Erzeugen eines Magnetflusses aufweisen, wenn sie von einer Leistungsversorgung selektiv erregt werden. Die entgegengesetzten Magnetflüsse des Stators und des Rotors erzeugen schließlich die gewünschte Drehung des Rotors. Die Rotationskraft kann nach Bedarf genutzt werden, um das gewünschte Drehmoment in dem angetriebenen System zu erzeugen.
Elektromotoren kommen in einer Vielfalt von Wechselstrom-(AC-) und Gleichstrom-(DC-)Entwürfen vor. DC-Motoren können speziell vom Bürstentyp, vom bürstenlosen Typ oder vom Schrittmotortyp sein, wobei jeder Entwurf relative Leistungsvorteile aufweist. Von diesen Entwürfen beseitigt der bürstenlose DC-Motor oder BLDC-Motor Wicklungen des Rotors und stellt dadurch einige Verhaltensvorteile bezüglich des Wirkungsgrads, der Haltbarkeit und der Geräusche im Verhältnis zu anderen Motorentwürfen bereit.
Bei einem ausfallsicheren elektromagnetischen Bremssystem des Typs, der im Allgemeinen mit einem BLDC-Motor verwendet wird, kann elektrische Leistung selektiv an einen Elektromagnet angelegt werden, um die Bremse in Abhängigkeit vom Entwurf der Bremsenanordnung zu betätigen oder zu lösen. Zum Beispiel legt ein Entwurf eine Spannung an die Spulen eines Elektromagnetabschnitts der Bremsenanordnung an, wobei der von dem Elektromagnet erzeugte elektromagnetische Fluss einen Magnetfluss eines Permanentmagnetabschnitts der Bremsenanordnung schließlich aufhebt. Sobald die jeweiligen Flüsse auf diese Weise aufgehoben sind, löst sich ein Bremsklotz aus einem Reibungseingriff mit dem Rotor. Auf die gleiche Weise ermöglicht eine Unterbrechung der Leistungsübertragung an den Elektromagnet, dass der Magnetfluss des Permanentmagnets den Bremsklotz in einen Reibungseingriff mit dem Rotor bewegt, wodurch die Bremse angewendet wird.
Bei herkömmlichen elektromagnetischen Bremssystemen ist die Haupt-DC-Leistungsversorgung, die elektrische Leistung an den Motor liefert, für gewöhnlich von der Leistungsversorgung, die zum Erregen der Bremsenanordnung verwendet wird, getrennt. Dies liegt zum großen Teil am wesentlichen Unterschied zwischen der Motorspannung und der zum Lösen der Bremse benötigten Spannung. Um das Verhalten einer gegebenen elektromagnetischen Bremsenanordnung zu optimieren, kann ein Controller unter Verwendung von DC-Leistung, die von der dedizierten Bremsenleistungsversorgung bereitgestellt wird, eine konstante Vorspannungskraft aufbringen. Diese Praxis kann jedoch zur Erzeugung übermäßiger Wärme in der Bremsenanordnung führen, was einige wärmeempfindliche Komponenten beeinflussen kann, die in der Nähe irgendwelcher der erwärmten Oberflächen positioniert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich wird eine elektromagnetische Bremsenanordnung zur Verwendung mit einem BLDC-Motor, wie vorstehend beschrieben, bereitgestellt. Die Bremsenanordnung weist einen Bremsenzustand mit niedriger Leistung auf, der die darin erzeugte Wärmemenge um einen großen Teil verringert. Im Umfang der Erfindung führt ein Controller einen Algorithmus aus, um die Bremsenspannung zu steuern, wenn die Bremsenanordnung gelöst wird, und wenn sie anschließend im gelösten Zustand gehalten wird. Zu diesem Zweck setzt der Controller einen DC-DC-Abwärtswandler mit einer Pulsbreitenmodulationsschaltung (PWM-Schaltung) ein, der zur Verringerung einer Hauptbusspannung auf einen Spannungspegel ausgelegt ist, der zur Steuerung der Bremsenanordnung besser geeignet ist. Das heißt, dass der Controller einen geeigneten PWM-Spannungspegel (V_PWM) unter Verwendung der PWM-Schaltung erzeugt und den Spannungspegel, der an die Bremsenanordnung geliefert wird, auf der Grundlage eines Satzes von Bremsensteuerungsparametern nach Bedarf automatisch einstellt.
Die Bremsensteuerungsparameter können Werte umfassen, welche die Temperatur der Bremsenanordnung, eine Spannung oder einen Strom, die bzw. der an die Bremsenanordnung angelegt wird, eine Motordrehzahl, ein Motordrehmoment usw. direkt oder indirekt beschreiben, wobei andere Umgebungs- und/oder Dynamikparameter innerhalb des beabsichtigten Umfangs der Erfindung auch oder alternativ verwendbar sind. Die PWM-Schaltung des Controllers kann optional einen Satz von Überbrückungseinrichtungen umfassen, die ein manuelles Lösen der Bremsenanordnung bei Bedarf ermöglichen, etwa bei einer Wartung des Motors oder der Bremsenanordnung.
Von dem Bremsklotz und dem Elektromagnet der Bremsenanordnung und zwischen diesen ist ein kalibrierter Spalt definiert. Die Spaltgröße kann in Abhängigkeit von dem speziellen Entwurf der Bremsenanordnung nach Bedarf dimensioniert sein. Bei einer Ausführungsform kann die Spaltgröße unter Verwendung eines Stellglieds dynamisch modifiziert und optimiert werden. Der durch die vorliegende Erfindung ermöglichte optimierte Spalt kann den magnetischen Effekt des Permanentmagnets verringern und/oder die Zugkraft einer Feder erhöhen, wodurch ein niedrigerer Relativpegel an Leistungsübertragung an den Elektromagnet zum Aufheben des Magnetflusses des Permanentmagnets benötigt wird. Die Bremsensteuerungsparameter können an den Controller als ununterbrochene Rückkopplungswerte weitergeleitet werden, um zu ermöglichen, dass der Controller die benötigte Spannung und/oder den benötigten Strom, die bzw. der an die Bremsenanordnung geliefert wird, aktiv abstimmt, wodurch schließlich der Gesamtwirkungsgrad der Bremsenanordnung erhöht wird.
Insbesondere wird hier eine Motoranordnung bereitgestellt, die eine Rotoranordnung, einen Stator mit Wicklungen, die durch eine erste Spannung von einem Hochspannungsbus selektiv erregt werden, um eine Drehung der Rotoranordnung zu bewirken, eine Bremsenanordnung und einen Controller umfasst. Die Bremsenanordnung weist einen Elektromagnet, einen Permanentmagnet und einen Bremsklotz auf und ist zum Loslassen des Rotors, wenn der Elektromagnet unter Verwendung einer zweiten Spannung erregt wird, und zum Bremsen des Rotors ausgelegt, wenn der Elektromagnet ausgeschaltet ist. Der Controller umfasst einen DC-DC-Wandler, der zum Umsetzen der ersten Spannung in eine zweite Spannung ausgelegt ist, die niedriger als die erste Spannung ist, und einen Algorithmus, der zum Optimieren der zweiten Spannung als eine Funktion von Bremsensteuerungsparametern ausgelegt ist.
Es wird hier auch ein Verfahren bereitgestellt, um den Wirkungsgrad einer elektromagnetischen Bremsenanordnung zu optimieren, die ein Gehäuse aufweist, das einen Elektromagnet und einen Permanentmagnet enthält, und die einen beweglichen Bremsklotz aufweist, der zum selektiven Bremsen eines Rotors einer Motoranordnung ausgelegt ist. Das Verfahren umfasst, dass der Satz von Bremsensteuerungsparametern detektiert wird, dass ein DC-DC-Wandler verwendet wird, um eine erste Spannung von einem Hochspannungsbus in eine zweite Spannung, die niedriger als die erste Spannung ist, umzusetzen, und dass die zweite Spannung an einen Elektromagnet der elektromagnetischen Bremsenanordnung angelegt wird, um einen Magnetfluss des Permanentmagnets im Wesentlichen aufzuheben. Die Aufhebung des Flusses ermöglicht es, den Bremsklotz aus einem Reibungseingriff mit einer Oberfläche des Gehäuses zu bewegen, um eine Drehung des Rotors zu ermöglichen. Wenn die Aufhebung des Flusses fehlt, wird der Rotor über einen Reibungseingriff des Bremsklotzes mit dem Gehäuse gebremst. Das Verfahren umfasst, dass die zweite Spannung als eine Funktion des Satzes von Bremsensteuerungsparametern variiert wird, um dadurch einen Optimalwert der zweiten Spannung zu bestimmen.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der besten Arten zum Ausführen der vorliegenden Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Motorsteuerungsschaltung mit einem Elektromotor und einer elektromagnetischen Bremsenanordnung, die gemäß dem Verfahren der Erfindung steuerbar ist;
2 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht des Motors und der Bremse von 1;
3 ist eine Schaltplanzeichnung, die eine Pulsbreitenmodulationsschaltung (PWM-Schaltung) beschreibt, welche mit dem Controller der in 1 gezeigten Schaltung verwendet werden kann; und
4 ist ein Ablaufplan, der einen Steuerungsalgorithmus beschreibt, der mit dem Controller der in 1 gezeigten Schaltung verwendet werden kann.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen in den mehreren Ansichten auf gleiche Komponenten beziehen und mit 1 beginnend umfasst eine Motorsteuerungsschaltung 10 eine Elektromotoranordnung (M) 12. Die Motoranordnung 12 empfängt elektrische Leistung von einer Energieversorgung (ES) 14 über einen Hochspannungsbus 22 über eine Hauptbusspannung (V_M). Die Motoranordnung 12 empfängt auch eine Bremsenspannung (V_PWM) für eine kontinuierliche Spannungssteuerung einer elektromagnetischen Bremsenanordnung (B) 30 von einem DC-DC-Wandler 18, der in einem Controller (C) 16 enthalten oder für diesen zugänglich ist, wie nachstehend im Detail offengelegt ist.
Die Motoranordnung 12 und der Controller 16 können ausgestaltet sein, um gewünschte Bewegungssteuerungsebenen eines motorisierten Roboters, einer Maschine oder einer beliebigen anderen motorgetriebenen Einrichtung bereitzustellen. Der Controller 16 empfängt einen Satz von Steuerungseingaben, zum Beispiel von einem zentralen Roboterprozessor, einer Anwenderschnittstelle, einer Hostmaschine usw. und verarbeitet die Steuerungseingabe unter Verwendung einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) oder eines Prozessors 20, wie nachstehend offengelegt ist. Ein Bremsensteuerungsalgorithmus 100, der nachstehend mit Bezug auf 4 beschrieben ist, kann von dem Controller 16 unter Verwendung des Prozessors 20 ausgeführt werden, um dadurch die Bremsaktion der Motoranordnung 12 zu steuern.
Immer noch mit Bezug auf 1 kann der Controller 16 als eine rechnerbasierte Steuerungseinrichtung ausgestaltet sein, die einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), d. h., den oben erwähnten Prozessor 20, verschiedene elektronische und/oder magnetische Speicherstellen oder Gebiete, einen oder mehrere Netzwerkverbinder, und Eingabe/Ausgabe-Abschnitte (E/A-Abschnitte) zum Empfangen und Übertragen der verschiedenen E/A-Steuerungssignale aufweist, die dem Controller 16 von einem Prozess, der gesteuert wird, zugeführt werden. Der Controller 16 kann geeignete Steuerungsschaltungen umfassen, um vorbestimmte Bewegungssteuerungssequenzen in Ansprechen auf eine oder mehrere Eingabesteuerungsvariable auszuführen, um eine gewünschte Steuerungsantwort zu erzeugen. Der Controller 16 kann auf diese Weise verwendet werden, um den Zustand verschiedener Steuerungseingaben automatisch zu prüfen, gewöhnlich indem Werte gelesen werden, die von beliebigen notwendigen dynamischen oder Umgebungssensoren ermittelt werden, um eine Funktion auszuführen, den Ausgabezustand zu aktualisieren und den Zyklus dann bei Bedarf zu wiederholen.
Die Bremsenanordnung 30 ist ein elektromagnetischer Entwurf, wie vorstehend erläutert wurde, und kann durch den Controller 16 mit der Energieversorgung 14 und dem Hochspannungsbus 22 verbunden sein. Unter Verwendung des Wandlers 18 und eines vorbestimmten Satzes von Bremsensteuerungsparametern, welche ein Temperatursignal (T) umfassen, das unter Verwendung eines oder mehrerer Sensoren 15 detektiert wird und letztlich eine Temperatur der Bremsenanordnung 30 und falls gewünscht des Motorabschnitts der Motoranordnung 12 beschreibt, stellt der Controller 16 der Bremsenanordnung 30 eine pulsbreitenmodulierte Bremsenspannung (PWM-Bremsenspannung) (V_PWM) bereit, wie nachstehend beschrieben ist. Bei einer Ausführungsform kann die Bremsenanordnung 30 gelöst sein, wenn sie erregt ist, und eingerückt sein, wenn sie ausgeschaltet ist, um dadurch einen fehlersicheren elektromagnetischen Bremsenentwurf bereitzustellen.
Mit Bezug auf 2 umfasst die Motoranordnung 12 gemäß einer Ausführungsform eine Statoranordnung 40, eine Rotoranordnung 42 und die Bremsenanordnung 30. Die Statoranordnung 40 umfasst einen Satz von Statorwicklungen 41. Wie der Fachmann versteht, wird ein elektromagnetischer Fluss mit Bezug auf die Wicklungen 41 erzeugt, wenn die Statorwicklungen 41 durch die Energieversorgung 14, die in 1 gezeigt ist, oder durch eine andere geeignete Energiequelle erregt werden. Die Rotoranordnung 42 umfasst eine Stahlnabe mit daran angebrachten Magneten 47. Der Magnetfluss der Rotormagnete 47 wirkt entgegengesetzt zu dem elektromagnetischen Fluss der Statoranordnung 40, was bewirkt, dass die Rotoranordnung 42 mit Bezug auf eine Achse 11 rotiert.
Die Bremsenanordnung 30 umfasst einen Permanentmagnet 32 und einen Elektromagnet 34 mit einem Satz von Spulen 33. Der Permanentmagnet 32 und der Elektromagnet 34 sind in einem Gehäuse 31 untergebracht. Die Rotoranordnung 42 kann eine Nabe 44 umfassen. Die Nabe 44 kann Montagelöcher 82 umfassen, die zum Anbringen der Rotoranordnung 42 an einem angetriebenen Element (nicht gezeigt) geeignet sind, etwa einem Robotergestänge oder einer anderen motorgetriebenen Komponente. Gemäß einer Ausführungsform kann die Nabe 44 aus Aluminium oder einem anderen leichten und nicht magnetischen Material ausgebildet sein, obwohl andere Materialien oder Entwürfe ebenfalls verwendet werden können, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen.
Die Bremsenanordnung 30 umfasst auch einen Bremsklotz 35 oder ein anderes geeignetes Reibungselement, das aus eisenhaltigen oder anderen magnetisierbaren Materialen aufgebaut sein kann. Der Bremsklotz 35kann bei einer Ausführungsform aus einem einheitlichen oder festen/einzigen Stück eines Magnetmaterials ausgebildet sein, obwohl Entwürfe aus mehreren Stücken ebenfalls verwendet werden können. Der Bremsklotz 35 ist unter Verwendung eines elastischen Elements, z. B. eines Satzes von Blattfedern 38, welche den Bremsklotz 35 in die Richtung von Pfeil R (d. h. für „release/lösen”) bewegen, mit der Nabe 44 verbunden, um den Bremsklotz 35 immer dann bündig mit der Nabe 44 zu halten, wenn sich die Bremsenanordnung 30 in einem gelösten oder ausgerückten Zustand befindet. Wenn die Bremsenanordnung 30 gelöst oder ausgerückt ist, rotiert der Bremsklotz 35 frei mit der Nabe 44 und dem Rest der Rotoranordnung 42.
Mit anderen Worten kann der Magnetfluss des Elektromagnets 34 selektiv induziert oder erzeugt werden, um den Magnetfluss des Permanentmagnets 32 aufzuheben, um dadurch zu ermöglichen, dass die Blattfedern 38 den Bremsklotz 35 lösen und die Bremsenanordnung 30 in einem gelösten Zustand halten. Auf die gleiche Weise kann die Bremsenanordnung 30 angewendet werden, indem ihre Spulen 33 selektiv ausgeschaltet werden. Wenn die Spulen 33 ausgeschaltet sind, überwindet der Fluss des Permanentmagnets 32 die Rückstellkraft der Blattfedern 38 und zieht den magnetischen Bremsklotz 35 in die Richtung von Pfeil A (d. h. für „apply/anwenden”). Auf diese Weise wird die Bremsenanordnung 30 unter Verwendung eines direkten Reibungskontakts zwischen dem Bremsklotz 35 und dem Gehäuse 31 angewendet.
Wieder mit Bezug auf 1 kann die an die Bremsenanordnung 30 gelieferte Leistung über den Controller 16 gesteuert werden, um einen Zustand mit niedriger Leistung ohne Hinzufügen einer dedizierten Bremsenleistungsversorgung bereitzustellen. Zum Beispiel kann eine Spannung von etwa 24 Volt notwendig sein, um die Bremsenanordnung 30 anfänglich zu lösen. Danach kann eine niedrigere Spannung von etwa 14 Volt–17 Volt verwendet werden, um den gelösten Zustand zu halten. Der Controller 16 kann einen übertragenen Satz von Bremsensteuerungsparametern empfangen, wie etwa einen Bremsenstrom, eine Zeit, und eine Bremsen- und/oder Motortemperatur, ohne unbedingt darauf beschränkt zu sein. Der Controller 16 kann dann den Spannungspegel der Bremsenanordnung 30 während des Lösens und während anschließender Gelöst-Haltezustände unter Verwendung der Werte der Bremsensteuerungsparameter optimieren.
Wie der Fachmann versteht, beeinflusst die Temperatur das Verhalten und den Wirkungsgrad der Bremsenanordnung 30. Eine Bremsentemperatur kann unter Verwendung der Sensoren 15 bestimmt werden, z. B. über eine proportionale Spannungserfassung, einen variablen Widerstandswert, eine Berechnung usw., und eine Spannung und/oder ein Strom, die bzw. der an die Bremsenanordnung 30 übertragen werden, können gesteuert werden, um irgendwelche nachteiligen temperaturbezogenen Auswirkungen zu verbessern. Das heißt, dass der Wirkungsgrad der Bremsenanordnung 30 durch Steuern der Haltespannung während eines gelösten Zustands der Bremsenanordnung deutlich verbessert werden kann, was wiederum die Wärme verringern kann, die in das umgebende System eingebracht wird. Somit beseitigt ein Steuern der Bremsenanordnung 30 unter Verwendung eines herunter transformierten oder modulierten Abschnitts der Hauptbusspannung (V_M) vom HV-Bus 22 von 1, die bereits zur Lieferung der benötigten Motorleistung bereitgestellt ist, die Notwendigkeit für das Leiten einer unabhängigen Bremsenleistung durch das System, z. B. an einen Roboter oder ein anderes motorgetriebenes System.
Der HV-Bus 22 ist mit der Energieversorgung 14 verbunden und versorgt die Motoranordnung 12 mit Leistung. Zur Versorgung der Bremsenanordnung 30 mit Leistung kann die über den HV-Bus 22 geleitete Hauptbusspannung (V_M) über den Wandler 18 herunter transformiert werden, um eine geeignete pulsbreitenmodulierte Spannung (PWM-Spannung) (V_PWM) bereitzustellen. Das heißt, dass der Controller 16 den Algorithmus 100 und den Wandler 18 wie nachstehend beschrieben verwendet, um die Hauptbusspannung (V_M) selektiv auf einen Spannungspegel zu reduzieren, der zur Steuerung der Bremsenanordnung 30 geeigneter ist, besonders wenn die Bremsenanordnung einen gelösten Zustand beibehält. Bei einer Ausführungsform beträgt der Spannungspegel zum Halten des gelösten Zustands etwa 70% oder weniger der Spannung, die zum Lösen der Bremsenanordnung 30 verwendet wird, obwohl andere Werte verwendet werden können, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen. Der Controller 16 passt den Wert der Spannung (V_PWM) unter Verwendung der Werte der Bremsensteuerungsparameter dynamisch an, um das Verhalten der Bremsenanordnung 30 zu optimieren.
Wieder mit Bezug auf 2 ist zwischen dem Bremsklotz 35 und dem Permanentmagnet 32 ein Bremsenspalt (Pfeil G) definiert oder bereitgestellt. Der Spalt weist eine kalibrierte Größe auf. Bei einer Ausführungsform kann ein Stellglied 80 über den Controller 16 von 1 selektiv gesteuert werden, um die Größe des Spalts (Pfeil G) zu variieren. Zum Beispiel kann das Stellglied 80 ausgestaltet sein, um das Gehäuse 31 entlang der Achse 11 zu bewegen, wie in der Ausführungsform von 2 gezeigt ist. Alternativ kann das Stellglied 80 ausgestaltet sein, um den Bremsklotz 35 und/oder die Rotoranordnung 42 oder beliebige geeignete Abschnitte davon zu bewegen, um den gleichen Spaltendimensionierungseffekt zu erreichen, wodurch die Größe des Spalts (Pfeil G) in Ansprechen auf die Bremsensteuerungsparameter optimiert wird. Zum Beispiel kann die Spaltgröße erhöht werden, wenn sich die Motoranordnung 12 in einem Bereitschaftszustand oder einem Zustand mit niedriger Leistung befindet, etwa wenn die Bremsenanordnung 30 angewendet ist, und verringert werden, wenn sich die Motoranordnung in einem aktiven Zustand befindet. Das Stellglied 80 kann als eine elektromechanische, hydraulische, pneumatische, piezoelektrische, eine Stellgliedeinrichtung mit Formgedächtnislegierung (SMA) oder eine andere geeignete Stellgliedeinrichtung ausgeführt sein, die das Gehäuse 31 oder den Permanentmagnet 32 mit Bezug auf den Bremsklotz 35 bewegen kann.
Mit Bezug auf 3 dient der Wandler 18 des Controllers 16 (siehe auch 1) zum Heruntertransformieren der Hauptbusspannung (V_M) unter Verwendung des Prozesses einer Pulsbreitenmodulation (PWM) und zum Anlegen der resultierenden Spannung (Pfeil V_PWM) an die Low-side der Bremsenanordnung 30. Bei der Verwendung hierin bezieht sich der Begriff „High-side” auf die Leitung „LEISTUNG FÜR BREMSE” in 3, welche bei der Ausführungsform von 3 gewöhnlich bei einem Pegel von 96 Volt liegt, sofern nicht eine Leistung mit 24 Volt durch Positionieren einer Überbrückungseinrichtung 70 angelegt wird, wie nachstehend beschrieben ist. Der Begriff „Low-side” bezieht sich auf die Leitung „BREMSENRÜCKLEITUNG” in 3, die unterbrochen oder mit 96 Volt Masse verbunden sein kann, wie nachstehend erläutert ist.
Es können zwei Busspannungen bereitgestellt sein: 24 Volt für den Betrieb der verschiedenen erforderlichen Prozessoren, Sensoren usw. und die Hauptbusspannung (V_M) von 96 Volt zum Versorgen des Motorabschnitts der Motoranordnung 12, die in 1 gezeigt ist, mit Leistung. Der 24 Volt-Bus kann als eine „Logikleistung” bezeichnet werden und wird seinerseits auf der Grundlage der Erfordernisse der verschiedenen Logikchips auf verschiedene Spannungspegel geregelt, z. B. etwa 3 Volt bis etwa 4 Volt im Falle eines im Feld programmierbaren Gatearrays (FPGA), das als der oder zusammen mit dem Prozessor 20 von Controller 16 (siehe 1) verwendet wird. Das Spannungssignal (Pfeil V_PWM) wird vom Controller 16 (siehe 1) durch einen geeigneten Widerstand 54 über eine Signalleitung 52 an einen Feldeffekttransistor (FET) 56 übertragen.
Eine Modulation des Spannungssignals (Pfeil V_PWM) schaltet schließlich den FET 56 ein und aus. Wenn der FET 56 ausgeschaltet wird, wird die Low-side der Bremsenanordnung 30 unterbrochen und eine Leistungsübertragung an die Bremsenanordnung 30 wird beendet. Wenn der FET 56 eingeschaltet wird, wird die Low-side der Bremsenanordnung 30 mit 96 Volt Masse verbunden, d. h. die Bremsenanordnung 30 wird mit dem HV-Bus 22 (siehe 1) direkt verbunden, welche gemäß dieser speziellen Ausführungsform bei einem Maximum von etwa 96 Volt liegt. Der Controller 16 wendet danach eine PWM an, um das Tastverhältnis des Spannungssignals (V_PWM) nach Bedarf zu modifizieren, um dadurch den Spannungspegel zu optimieren, der an die Bremsenanordnung 30 übertragen wird.
Insbesondere stimmt der Controller 16 die 96 Volt des HV-Buses 22 selektiv auf eine niedrigere Spannung ab, die geeignet bleibt, um ein Ausrücken der Bremsenanordnung 30 zu ermöglichen. Zu Beginn kann eine Spannung von etwa 24 Volt ausreichend sein, um die Bremsenanordnung 30 zu lösen, d. h. ein Tastverhältnis von 24/96 = 0,25. Nachdem die Bremsenanordnung 30 gelöst ist, kann der Controller 16 die Bremsensteuerungsparameter verwenden, um den Spannungspegel noch weiter abzusenken, z. B. auf etwa 14 Volt bis etwa 17 Volt oder weniger bei einer Ausführungsform unter Verwendung eines entsprechenden Tastverhältnisses von 17/96 = 0,177, obwohl der tatsächliche Wert in Abhängigkeit von der Größe des Spalts (Pfeil G) von 2 sowie den Werten der Bremsensteuerungsparameter variieren kann. Wenn das Stellglied 80 von 2 verwendet wird, kann der in dieser Figur gezeigte Spalt (Pfeil G) auf der Grundlage der Werte der Bremsensteuerungsparameter selektiv variiert werden, wie vorstehend offengelegt ist.
Immer noch mit Bezug auf 3 kann die Bremsenanordnung 30 mit einem Entkopplungskondensator 58 elektrisch verbunden sein, der Rauschen ausfiltert oder entkoppelt. Ein Sensor 60 kann ausgelegt sein, um auf der Grundlage des Bremsenstroms (Pfeil I_B), wobei eine proportionale Spannungserfassung oder eine andere geeignete Stromerfassungseinrichtung verwendet wird, eine Ausgangsspannung (V_OUT) durchzuschalten, welche unter Verwendung eines Analog/Digital-Chips (nicht gezeigt) oder einer anderen Einrichtung an einer elektrischen Leitung 65 gelesen werden kann. Der Sensor 60 weist eine Leistungsversorgung 63 auf. Wie in der Ausführungsform von 3 gezeigt ist, kann die Leistungsversorgung 63 Kondensatoren 67 und 69 umfassen, wobei der Kondensator 67 als ein Entkopplungskondensator wirkt und der Kondensator 69 die Bandbreite des Sensors 60 einstellt. Außerdem können ein geeigneter Widerstand 64 und ein Kondensator 66 verwendet werden, um schließlich einen gefilterten Spannungswert (V_OUT) bereitzustellen, der an der elektrischen Leitung 65 gelesen werden kann.
Optional kann ein Satz von Überbrückungseinrichtungen 70, 72 verwendet werden, um die Bremsenanordnung 30 bei Bedarf manuell zu lösen, zum Beispiel bei einer Wartung irgendeines Abschnitts der Motoranordnung 12 von 1 und 2 oder bei der Wartung irgendwelcher Elemente, die mit dem Ausgang der Motoranordnung verbunden sind. Das heißt, dass die Überbrückungseinrichtung 70 bei einem Normalbetrieb an Position 2–3 verbleiben kann und für ein manuelles Lösen der Bremse an die Stelle 1–2 bewegt werden kann, während die Überbrückungseinrichtung 72 nur während eines derartigen manuellen Lösens der Bremse wie in 3 gezeigt positioniert bleibt. Die 24 Volt Logikleistung kann verwendet werden, um die Bremsenanordnung 30 zu lösen, wenn der Controller 16 nicht kommuniziert oder anderweitig heruntergefahren ist, z. B. während einer Wartung. Ein zusätzlicher Schaltungsschutz kann unter Verwendung einer Rücklaufdiode 74 oder einer anderen geeigneten Einrichtung bereitgestellt sein, wie in 3 gezeigt ist.
Mit Bezug auf 4 und mit Schritt 102 beginnend kann die Bremsenanordnung 30 von 1 und 2 anfänglich in einem Leerlauf- oder eingerückten Zustand platziert sein. Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 104 weiter.
Bei Schritt 104 bestimmt der Algorithmus 100, ob die Bremsenanordnung 30 einen Befehl zum Ausrücken empfangen hat. Ein derartiger Befehl kann von dem Controller 16 in Ansprechen auf einen separaten Steuerungsalgorithmus (nicht gezeigt), der zum Steuern der Motoranordnung 12 von 1 verwendet wird, bereitgestellt werden. Wenn ein derartiger Befehl detektiert wird, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 106 weiter, andernfalls wird Schritt 102 wiederholt.
Bei Schritt 106 detektiert, misst oder bestimmt der Algorithmus 100 auf andere Weise Werte für einen kalibrierten Satz von Bremsensteuerungsparametern. Zum Beispiel kann Schritt 106 ein Verwenden des bzw. der Sensoren 15 von 1 zur Folge haben, um die Temperatur (T) der Bremsenanordnung 30 und/oder eines anderen Abschnitts der Motoranordnung 12 zu bestimmen. Der Sensor 60 von 3 kann verwendet werden, um einen Bremsenstrom zu bestimmen. Die Bremsensteuerungsparameter können auch oder alternativ beliebige andere nützliche Werte umfassen, welche eine Bremsenspannung, eine Motordrehzahl, ein Motordrehmoment usw. umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Schritt 106 umfasst daher die Messung aller Werte, die für die Bremsensteuerungsparameter verwendet werden. Bei Schritt 106 kann der Controller 16 auch andere bekannte Werte verarbeiten, die den Zustand eines speziellen Gelenks eines Roboters unter Verwendung der Motoranordnung 12 beschreiben, wenn er so ausgestaltet ist, zum Beispiel unter Verwendung von Drehzahl- und Drehmomentmessungen. Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 108 weiter.
Bei Schritt 108 werden die Werte der verschiedenen Bremsensteuerungsparameter, die bei Schritt 106 ermittelt wurden, an den Controller 16 übertragen und von diesem empfangen und darin in einem Speicher temporär gespeichert. Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 110 weiter.
Bei Schritt 110 verarbeitet der Controller 16 die Werte von Schritt 108 und erzeugt ein geeignetes PWM-Signal (Pfeil V_PWM von 3) in Ansprechen auf die Bremsensteuerungsparameter. Die Bremsenanordnung 30 kann unter Verwendung des PWM-Signals (V_PWM) von Schritt 108 gesteuert werden. Bei Schritt 110 wird der FET 56 von 3 mit einem vorbestimmten Tastverhältnis zwischen ein- und ausgeschalteten Zuständen an der Low-side der Bremsenanordnung 30 angesteuert, wobei das Tastverhältnis letztendlich den Spannungspegel bestimmt, der an die Bremsenanordnung 30 geliefert wird, und speziell während des gelösten Zustands derselben. Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 112 weiter.
Bei Schritt 112 verstellt der Algorithmus 100 die Bremsenanordnung 30 auf der Grundlage der sich ändernden Umgebung nach Bedarf, d. h. aufgrund von Änderungen an den Bremsensteuerungsparametern, welche beliebige Parameter umfassen, die letztlich die Temperatur (T), den Bremsenstrom (I_B), die Bremsenspannung, die Motordrehzahl, das Motordrehmoment usw. beschreiben. Schritt 112 kann die automatische Verstellung des Spalts (Pfeil G) von 2 unter Verwendung des Stellglieds 80 umfassen, wenn es so ausgestaltet ist, wobei der Controller 16 die Spaltgröße auf der Grundlage der Werte der Bremsensteuerungsparameter verstellt. Nach dem Verstellen der Bremsenanordnung 30 nach Bedarf kehrt der Algorithmus 100 zu Schritt 104 zurück und wiederholt die Schritte 104–112 in einer Endlosschleife.
Der Algorithmus 100 fährt automatisch in einer geschlossenen Schleife fort, bis er zur Beendigung gezwungen wird, z. B. wenn die Logikleistung zu irgendeinem Zeitpunkt entfernt wird. Wenn dies auftritt, werden alle Prozessoren, Chips und Sensoren automatisch heruntergefahren und der Algorithmus 100 ist nicht mehr in der Lage, weiterzumachen, was bewirkt, dass die Bremse einrückt.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Motoranordnung, die umfasst: einen Rotor; einen Stator mit Wicklungen, die durch eine erste Spannung von einem Hochspannungsbus selektiv erregt werden, um eine Drehung der Rotoranordnung zu bewirken; eine Bremsenanordnung mit einem Elektromagnet, einem Permanentmagnet und einem beweglichen Bremsklotz, wobei die Bremsenanordnung ausgelegt ist, um den Rotor loszulassen, wenn der Elektromagnet unter Verwendung einer zweiten Spannung erregt ist, und um den Rotor zu bremsen, wenn der Elektromagnet ausgeschaltet ist; und einen Controller mit einem DC-DC-Wandler zum Umsetzen der ersten Spannung in die zweite Spannung, wobei die zweite Spannung kleiner als die erste Spannung ist; wobei der Controller einen Algorithmus umfasst, der zum Optimieren der zweiten Spannung als eine Funktion eines Satzes von Bremsensteuerungsparametern ausgelegt ist.
Motoranordnung nach Anspruch 1, die ferner einen Satz von Federn umfasst, wobei die Federn zwischen dem Bremsklotz und einer Oberfläche des Rotors positioniert und mit diesen direkt verbunden sind.
Motoranordnung nach Anspruch 1, die ferner einen ersten Sensor, der zum Erzeugen eines Ausgangssignals ausgestaltet ist, das in Ansprechen auf die Temperatur der Bremsenanordnung variiert, und einen zweiten Sensor umfasst, um den Bremsenstrom zu bestimmen, wobei die Bremsensteuerungsparameter die jeweiligen Ausgangssignale des ersten und zweiten Sensors umfassen.
Elektromagnetische Bremsenanordnung zur Verwendung mit einer Motoranordnung, die einen Rotor und einen Stator aufweist, welche zum Bewirken einer Rotation des Rotors dienen, wenn der Stator erregt wird, wobei die elektromagnetische Bremsenanordnung umfasst: einen Elektromagnet; einen Permanentmagnet; einen beweglichen Bremsklotz, wobei die elektromagnetische Bremsenanordnung zum Lösen des Bremsklotzes aus einem Reibungseingriff mit dem Rotor, wenn der Elektromagnet unter Verwendung einer zweiten Spannung erregt ist, und zum Bremsen des Rotors über einen Reibungseingriff mit dem Rotor ausgelegt ist, wenn der Elektromagnet ausgeschaltet ist; und einen Controller mit einem DC-DC-Wandler, der zum Umwandeln der ersten Spannung in die zweite Spannung auf einen Spannungspegel dient, der kleiner als derjenige der ersten Spannung ist; wobei der Controller einen Algorithmus umfasst, der zum Optimieren der zweiten Spannung als eine Funktion eines Satzes von Bremsensteuerungsparametern ausgelegt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, wobei der Controller eine Pulsbreitenmodulation (PWM) anwendet, um ein Tastverhältnis der ersten Spannung zu variieren, wodurch die zweite Spannung erzeugt wird.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, wobei der Bremsklotz einen Spalt mit einer kalibrierten Größe in Verbindung mit dem Permanentmagnet definiert und wobei die Bremsensteuerungsparameter die kalibrierte Größe umfassen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Bremsensteuerungsparameter ferner einen Bremsenstrom und/oder eine Bremsenspannung und/oder eine Bremsentemperatur und/oder eine Motordrehzahl und/oder ein Motordrehmoment umfassen, insbesondere ferner umfassend: ein Stellglied, das mit dem Controller in Verbindung steht und ausgelegt ist, um die kalibrierte Größe des Spalts auf der Grundlage der Bremsensteuerungsparameter selektiv zu verändern, und/oder wobei der Bremsklotz aus einem einheitlichen Stück eines Magnetmaterials gebildet ist, ferner vorzugsweise ein Gehäuse umfassend, das den Elektromagnet und den Permanentmagnet enthält, wobei der Bremsklotz mit dem Gehäuse in Reibungseingriff tritt, wenn der Elektromagnet ausgeschaltet ist.
Verfahren zum Optimieren des Wirkungsgrads einer elektromagnetischen Bremsenanordnung mit einem beweglichen Bremsklotz, der zum selektiven Bremsen eines Rotors einer Motoranordnung ausgelegt ist, und mit einem Gehäuse, das einen Elektromagnet und einen Permanentmagnet enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Satz von Bremsensteuerungsparametern detektiert wird; ein DC-DC-Wandler verwendet wird, um eine erste Spannung von einem Hochspannungsbus in eine zweite Spannung umzusetzen, die niedriger als die erste Spannung ist; die zweite Spannung an den Elektromagnet angelegt wird, um einen Magnetfluss des Permanentmagnets im Wesentlichen aufzuheben, und um dadurch zu ermöglichen, dass sich der Bremsklotz aus einem Reibungseingriff mit dem Gehäuse bewegt, um den Rotor loszulassen; die zweite Spannung unterbrochen wird, um dadurch zu ermöglichen, dass der Permanentmagnet den Bremsklotz in einen Reibungseingriff mit dem Gehäuse bewegt, um den Rotor zu bremsen; und die zweite Spannung als eine Funktion eines Satzes von Bremsensteuerungsparametern automatisch variiert wird, um dadurch einen optimalen Wert der zweiten Spannung zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Permanentmagnet und der Bremsklotz einen Spalt mit einer kalibrierten Größe dazwischen definieren, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: ein Stellglied verwendet wird, um die Größe der Größe des Spalts selektiv zu verstellen, wobei das Verwenden eines Stellglieds zum selektiven Verstellen der Größe des Spalts insbesondere umfasst, dass ein Stellglied aktiviert wird, um dadurch eine Komponente der Motoranordnung in eine axiale Richtung mit Bezug auf eine Rotationsachse des Rotors zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein kontinuierliches Optimieren der zweiten Spannung umfasst, dass ein Tastverhältnis unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulation (PWM) variiert wird und das Tastverhältnis auf die erste Spannung angewendet wird, um dadurch die zweite Spannung zu erzeugen.