DE102010024688A1

DE102010024688A1 - Steueranordnung und Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE102010024688A1
Application number: DE102010024688A
Authority: DE
Inventors: Dr. Reimer Jan; Per Ulrich; Martin Fuss; Michael Schöttner
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steueranordnung zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung (2) mit einem Stator (32) und einem Läufer (31); mit Schaltmitteln (15), die zur Bereitstellung elektung der elektrischen Antriebseinrichtung (2) ausgebildet sind, mit einer Sensoreinrichtung (16), die zur Bereitstellung wenigstens eines elektrischen Sensorsignals in Abhängigkeit von einer räumlichen Lage des Läufers (31) gegenüber dem Stator (32) ausgebildet ist und mit Steuermitteln (22) zur Ansteuerung der Schaltmittel (15). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung (16) einen Sensor (17) zur Messung der räumlichen Lage des Läufers (31) sowie Messmittel (18) zur Ermittlung wenigstens eines elektrischen Betriebsparameters der elektrischen Antriebseinrichtung (2) umfasst, wobei die Sensoreinrichtung (16) mit einer Überwachungseinheit (23) verbunden ist, die zur Bestimmung der räumlichen Lage des Läufers (31) anhand wenigstens eines elektrischen Sensorsignals des Sensors (17) und zur Berechnung der räumlichen Lage des Läufers (31) anhand wenigstens eines elektrischen Betriebsparameters ausgebildet ist, um eine Lagedifferenz zwischen der berechneten räumlichen Lage und der gemessenen räumlichen Lage zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steueranordnung zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung, die einen Stator und einen zum Stator relativbeweglichen Läufer umfasst; mit Schaltmitteln, die zur Bereitstellung elektrischer Leistung an wenigstens eine Spuleneinrichtung der elektrischen Antriebseinrichtung ausgebildet sind, mit einer Sensoreinrichtung, die zur Bereitstellung wenigstens eines elektrischen Sensorsignals in Abhängigkeit von einer räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator ausgebildet ist, mit Steuermitteln, die zur Ansteuerung der Schaltmittel in Abhängigkeit von dem Sensorsignal ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung.
Elektrische Antriebseinrichtungen, insbesondere elektrische Synchronmaschinen oder elektrodynamische Lineardirektantriebe, sind als drehbewegliche oder linearbewegliche Maschinenantriebe, beispielsweise als Bewegungsantriebe für Maschinenkomponenten, weit verbreitet. Für eine Ansteuerung derartiger Antriebseinrichtungen werden Steueranordnungen eingesetzt, die die bereitzustellende elektrische Leistung in geeigneter Weise an die Antriebseinrichtung abgeben. Um eine effiziente Ansteuerung der Antriebseinrichtung zu ermöglichen, umfassen bekannte Steueranordnungen wenigstens eine Sensoreinrichtung, um eine räumliche Lage eines Läufers gegenüber einem Stator ermitteln zu können. Anhand des von der wenigstens einen Sensoreinrichtung bereitgestellten elektrischen Signals kann die Steueranordnung die Antriebseinrichtung wirkungsvoll ansteuern. Bei der Sensoreinrichtung kann es sich beispielsweise um einen elektromechanischen Drehwinkelsensor für einen Rotor einer drehbeweglichen Antriebseinrichtung oder um ein elektromechanisches Linearpotentiometer für den verschieblich gelagerten Läufer einer linearbeweglichen Antriebseinrichtung oder um Messmittel zur Bestimmung von elektrischen Betriebsparametern, insbesondere um den Strom und/oder um die Spannung und/oder um den magnetischen Fluss der elektrischen Antriebseinrichtung handeln.
Aus der DE 602 05 743 T2 ist ein Verfahren für eine Positionswinkelsteuerung und eine Drehzahlsteuerung einer Synchronmaschine bekannt, bei dem die Phasenströme und Phasenspannungen eines Stators der Synchronmaschine bestimmt werden und ein Positionswinkel geschätzt wird. Zur Verbesserung der Schätzung des Positionswinkels werden Schätzungen von Statorflussvektorkomponenten aus den Phasenströmen und von Statorflussvektorkomponenten aus den Phasenspannungen vorgenommen und mit Hilfe dieser Schätzungen wird ein Korrekturwert für den geschätzten Positionswinkel ermittelt.
Die US 5,144,564 offenbart ein Verfahren zum Regeln einer Synchronmaschine anhand eines mathematischen Modells, das unter Zuhilfenahme von Messwerten, die bei Anlegen von hochfrequenten elektrischen Spannungen an den Stator bei Stillstand des Rotors ermittelt werden, kalibriert wird.
In der US 4,814,677 ist eine Regelungseinrichtung für eine sensorlose Permanentmagnetmotorregelung offenbart.
Aus der EP 1 383 231 A1 ist es bekannt, zur Erfassung des magnetischen Flusses, der Rotorposition und/oder der Drehzahl des Rotors in einem Ein- oder Mehrphasenpermanentmagnetmotor oder -synchronmotor Statorspannungsgleichungen zu nutzen und die ermittelten Werte durch Berücksichtigung der Energieverhältnisse des Rotors zu korrigieren, um eine erhöhte Erfassungsgenauigkeit zu erreichen.
Sofern die Antriebseinrichtung zum Antrieb von sicherheitskritischen Maschinenkomponenten eingesetzt wird, ist es bisher bekannt, die Signale von wenigstens zwei messtechnisch voneinander unabhängigen, baulich voneinander getrennten oder baulich miteinander gekoppelten elektromechanischen Sensoren, beispielsweise Drehwinkelsensoren für eine rotierende Antriebseinrichtung, an die Steueranordnung bereitzustellen. Die Sensorsignale werden in der Steueranordnung verarbeitet und miteinander verglichen. Dadurch können eventuelle Messfehler der Sensoren, die sich beispielsweise aus internen Messabweichungen in den einzelnen Sensoren oder bei einer unzureichenden mechanischen Kopplung des jeweiligen Sensors mit der Antriebseinrichtung ergeben können, detektiert und gegebenenfalls zumindest teilweise kompensiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steueranordnung sowie ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung bereitzustellen, die eine besonders zuverlässige und kostengünstige Überwachung und Ansteuerung der Antriebseinrichtung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird für eine Steueranordnung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Hierbei ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung einen Sensor zur Messung der räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator sowie Messmittel zur Ermittlung wenigstens eines elektrischen Betriebsparameters der elektrischen Antriebseinrichtung umfasst, wobei die Sensoreinrichtung mit einer Überwachungseinheit verbunden ist, die zur Bestimmung der räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator anhand wenigstens eines elektrischen Sensorsignals des Sensors und zur Berechnung der räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator anhand wenigstens eines elektrischen Betriebsparametes ausgebildet ist, um eine Lagedifferenz zwischen der berechneten räumlichen Lage und der gemessenen räumlichen Lage zu ermitteln.
Die Überwachungseinheit dient zur Überwachung der korrekten Funktion der Antriebseinheit und arbeitet parallel zu den Steuermitteln. Vorzugsweise ist wobei die Überwachungseinheit funktional unabhängig von den Steuermitteln ausgebildet. Bevorzugt sind die Überwachungseinheit und die Steuermittel baulich getrennt voneinander ausgebildet. Durch die Einbeziehung der gemessenen räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator anhand des wenigstens einen elektrischen Signals des Sensors und der anhand des wenigstens einen elektrischen Betriebsparameters berechneten räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator werden für die Überwachung der Antriebseinrichtung zwei voneinander unabhängige Lageinformationen genutzt. Hierdurch kann eine möglicherweise durch Messfehler oder mechanische Unzulänglichkeiten des Sensors bedingte Differenz zwischen der tatsächlichen räumlichen Lage und der ermittelten räumlichen Lage minimiert werden. Darüber ist es aufgrund der zwei unterschiedlichen Messverfahren möglich, eine Plausibilitätskontrolle vorzunehmen, anhand derer im laufenden Betrieb der Antriebseinrichtung eine Beurteilung eines Messfehlers für die ermittelte räumliche Lage erfolgen kann. Die Überwachungseinheit ist dementsprechend für eine redundante Überwachung der räumlichen Lage des Läufers gegen über dem Stator eingerichtet. Dies ist insbesondere bei Verwendung der Antriebseinrichtung für sicherheitskritische Anwendungen von Interesse, da hier vermieden werden muss, dass die Antriebseinrichtung von der Steueranordnung in einer Art und Weise angesteuert wird, die zu einem sicherheitskritischen Zustand führen könnte.
Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen elektromechanischen Sensor, insbesondere um einen optischen Winkelsensor, oder um einen Hall-Sensor handeln, mit dessen Hilfe ein absolutes oder inkrementales Sensorsignal, das die räumliche Lage des Läufers gegenüber dem Stator repräsentiert, an die Überwachungseinheit übertragen werden kann. Die Messmittel sind beispielsweise zur Messung von elektrischen Spannungen und/oder Strömen ausgebildet, die von den Schaltmitteln an die wenigstens eine Spuleneinrichtung der elektrischen Antriebseinrichtung bereitgestellt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßig ist es, wenn in der Überwachungseinheit eine vorgebbare Lagedifferenzschwelle abgespeichert ist und wenn die Überwachungseinheit zur Ausgabe eines Schaltsignals ausgebildet ist, sofern die ermittelte Lagedifferenz die vorgebbare Lagedifferenzschwelle überschreitet. Die Lagedifferenzschwelle kann fest vorgegebenen oder frei programmierbar sein, insbesondere in Abhängigkeit von der Antriebseinrichtung vorgebbar sein, für deren Ansteuerung die Steueranordnung eingesetzt wird. Vorzugsweise sind in der Steueranordnung, insbesondere in der Überwachungseinrichtung, für mehrere unterschiedliche Antriebseinrichtungen entsprechende Werte für die Lagedifferenzschwelle hinterlegt, die in Abhängigkeit vom Einsatzfall der Steueranordnung abgerufen werden können. Das Schaltsignal, das bei Überschreitung der vorgebbaren Lagedifferenzschwelle von der Überwachungseinheit ausgegeben wird, kann beispielsweise an die Steuermittel weitergeleitet werden, um dort eine Beeinflussung, insbesondere eine Gegenbestromung, Drosselung oder Abschaltung, der an die Antriebseinrichtung bereitgestellten elektrischen Energie zu bewirken, um diese rasch aus einem gegebenenfalls sicherheitskritischen Ansteuerungszustand in einen sicheren Betriebszustand, insbesondere in den Stillstand, zu bringen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Überwachungseinheit, vorzugsweise unmittelbar, mit den Schaltmitteln verbunden ist, um bei Überschreiten der Lagedifferenzschwelle, vorzugsweise unmittelbar, auf die Antriebseinrichtung einzuwirken, insbesondere um eine Stromversorgung der Antriebseinrichtung zu unterbrechen. Hierdurch wird eine besonders kurze Reaktionszeit bei Überschreiten der Lagedifferenzschwelle gewährleistet. Zudem wird hierdurch auch eine Entkopplung von der Funktionsbereitschaft der Steuermittel gewährleistet, die möglicherweise abseits von Fehlfunktionen des, insbesondere genau einen, Sensors und/oder der Messmittel ebenfalls für eine fehlerhafte Ansteuerung der Antriebseinrichtung verantwortlich sein können. In einem solchen Fall könnte eventuell bei Übermittlung des Schaltsignals von der Überwachungseinrichtung an die Steuermittel eine erforderliche Abschaltung der Antriebseinrichtung bzw. eine Überführung der Antriebseinrichtung in einen sicheren Betriebszustand unterbleiben und somit ein unerwünschter Betriebszustand der Antriebseinrichtung weiter bestehen bleiben. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Überwachungseinrichtung für einen direkten und unmittelbaren Eingriff in die Schaltmittel ausgebildet ist, um die Schaltfunktion direkt beeinflussen zu können. Besonders bevorzugt ist das von der Überwachungseinrichtung bereitgestellte Schaltsignal derart ausgebildet, dass es ohne weitere Verarbeitung in den Schaltmitteln direkt zur Beeinflussung der von den Schaltmitteln bereitzustellenden elektrischen Energie an die Antriebseinrichtung genutzt werden kann. Dabei kann das Schaltsignal ein Einzelsignal, mehrere parallele Signale und/oder eine sequentielle Folge von Signalen umfassen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung als, vorzugsweise permanenterregte, elektrische Synchronmaschine oder als elektrodynamischer Lineardirektantrieb ausgebildet ist. Derartige Antriebe erfordern komplex aufgebaute Steueranordnungen, da in der wenigstens einen elektrischen Spuleneinrichtung, typischerweise in mehreren Spuleneinrichtungen, der Antriebseinrichtung ein von der Lage des Läufers abhängiges magnetisches Wanderfeld aufgebaut werden muss, dessen Phasenlage gegenüber dem Läufer von Randbedingungen wie der Drehzahl oder Verfahrgeschwindigkeit des Läufers, von der Last am Läufer, etc. abhängig ist. Bei derartigen Antriebseinrichtungen ist die erfindungsgemäße Steueranordnung besonders vorteilhaft einzusetzen, da sie vorzugsweise Gebrauch von der ohnehin zur korrekten Ansteuerung der Steuermittel erforderlichen Sensoreinrichtung macht und somit ohne erheblichen Zusatzaufwand eine deutliche Verbesserung der Betriebssicherheit für die Steueranordnung und der hiervon angesteuerten Antriebseinrichtung ermöglicht.
Bevorzugt ist die Überwachungseinheit zur Überwachung von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung bereitgestellten elektrischen Strömen und von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung bereitgestellten elektrischen Spannungen ausgebildet. Die bereitgestellten Messgrößen werden von der Überwachungseinheit in einem Maschinenmodell verarbeitet, aus dem ein Bezug zwischen den gemessenen Größen und der räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator und gegebenenfalls weitere Informationen über den Betriebszustand der Antriebseinrichtung errechnet werden können. Bei dem Maschinenmodell handelt es sich im Wesentlichen um einen mathematischen Algorithmus, der in der Überwachungseinheit hinterlegt ist und der gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von ebenfalls hinterlegten oder von programmierbaren Parametern auf die jeweilige Antriebseinrichtung angepasst werden kann.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit zur Überwachung von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung bereitgestellten elektrischen Strömen und einer an die Schaltmittel bereitgestellten elektrischen Zwischenkreisspannung und von an die Schaltmittel bereitgestellten Pulsweitenmodulationssignalen ausgebildet ist. Diese Messgrößen können alternativ zu den gemessenen wenigstens zwei Strömen und wenigstens zwei Spannungen in das Maschinenmodell eingespeist werden, um die räumliche Lage des Läufers gegenüber dem Stator zu ermitteln.
Zweckmäßig ist es, wenn in der Überwachungseinheit ein Strangwiderstand und/oder eine Stranginduktivität und/oder eine Spannungskonstante für die Antriebseinrichtung, insbesondere für unterschiedliche Antriebseinrichtungen, gespeichert sind. Diese Parameter werden zur Anpassung des Maschinenmodells an die zu überwachende Antriebseinrichtung benötigt und können entweder fest in der Überwachungseinheit abgespeichert sein oder frei programmierbar, beispielsweise durch Datenübertragung, insbesondere mittels eines Bussystems, abgelegt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit zur Berechnung einer Winkelgeschwindigkeit für eine rotierende Antriebseinrichtung mittels der elektrischen Betriebsparameter und/oder mittels des Sensorsignals des Sensors ausgebildet ist. Beispielsweise kann aus der Differenz zwischen der mit Hilfe des Sensors ermittelten Winkelgeschwindigkeit und der anhand der elektrischen Betriebsparameter berechneten Winkelgeschwindigkeit eine Fehlergeschwindigkeit bestimmt werden. Diese Fehlergeschwindigkeit dient als Kenngröße für die ordnungsgemäße Funktion der Sensoreinheit.
Bevorzugt umfassten die Steuermittel und die Überwachungseinheit jeweils einen Mikrocontroller. Jeder der Mikrocontroller ist dazu eingerichtet, anhand der zur Verfügung stehenden Sensorsignale die räumliche Lage des Läufers gegenüber dem Stator zu ermitteln. Der Mikrocontroller der Steuermittel ist derart eingerichtet, insbesondere programmiert, dass er anhand des Sensorsignals die korrekte Ansteuerung der Schaltmittel vornehmen kann, um die Antriebseinrichtung korrekt zu betreiben. Der Mikrocontroller der Steuermittel derart eingerichet sein, dass er keine Überprüfung des bereitgestellten Sensorsignals auf Fehler oder Plausibilität vornimmt und diese Aufgabe gänzlich dem Mikrocontroller der Überwachungseinheit überlässt. In diesem Fall benötigt der Mikrocontroller der Steuermittel nur eine relativ geringe Rechenkapazität und kann somit besonders kostengünstig gestaltet werden. Bevorzugt ist der Mikrocontroller der Steuermittel jedoch auch dazu eingerichtet, eine Plausibilitätskontrolle und/oder eine Fehlerermittlung für die zu verarbeitenden Sensorsignale vorzunehmen. Hierdurch kann eine Redundanz mit der Überwachungseinrichtung erzeugt werden, durch die vorzugsweise eine Plausibilitätskontrolle und/oder eine Fehlerermittlung für die zu verarbeitenden Sensorsignale erfolgen kann. Hierdurch wird bereits die Betriebssicherheit der Steuermittel erhöht, diese wird durch die redundante Auslegung der Überwachungseinrichtung zusätzlich gesteigert. Somit kann mit einem überschaubaren Aufwand eine Nutzung der Steueranordnung auch für sicherheitskritische Antriebsanwendungen erfolgen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Messmittel zusätzlich wenigstens einen Temperatursensor zur Kompensation von temperaturabhängigen Messfehlern umfassen. Hierdurch können die durch Temperaturschwankungen fehlerbehafteten Messwerte für Strom und/oder Spannung zumindest teilweise fehlerkompensiert werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird für ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung, die einen Stator und einen zum Stator relativbeweglichen Läufer umfasst, mit den folgenden Schritten gelöst: Ermitteln einer räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator mittels einer Sensoreinrichtung und Ausgeben wenigstens eines der ermittelten räumlichen Lage entsprechenden Sensorsignals; Ansteuern von Schaltmitteln, die zum Bereitstellen von elektrischer Leistung an wenigstens eine Spuleneinrichtung der elektrischen Antriebseinrichtung ausgebildet sind, mit Hilfe von Steuermitteln in Abhängigkeit von dem Sensorsignal. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Sensorsignal in eine Überwachungseinheit eingespeist wird, die anhand des Sensorsignals einen Vergleich zwischen einer berechneten räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator und einer gemessenen räumlichen Lage des Läufers gegenüber dem Stator vornimmt und die eine Lagedifferenz zwischen der berechneten räumlichen Lage und der gemessenen räumlichen Lage ermittelt.
Vorzugsweise nimmt die Überwachungseinheit einen Vergleich der ermittelten Lagedifferenz mit einer vorgebbaren Lagedifferenzschwelle vor, bei Überschreiten der Lagedifferenzschwelle wird ein, vorzugsweise unmittelbar, auf die Schaltmittel wirkendes Schaltsignal ausgegeben, insbesondere um eine Stromversorgung der Antriebseinrichtung zu unterbrechen.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit die Lagedifferenz anhand von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung bereitgestellten elektrischen Strömen und anhand von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung bereitgestellten elektrischen Spannungen berechnet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit die Lagedifferenz anhand von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung bereitgestellten elektrischen Strömen und anhand einer an die Schaltmittel bereitgestellten elektrischen Zwischenkreisspannung und anhand von an die Schaltmittel bereitgestellten Pulsweitenmodulationssignalen berechnet.
Zweckmäßig ist es, wenn die Überwachungseinheit bei einer geringen Relativgeschwindigkeit zwischen Stator und Läufer eine Korrektur der ermittelten Lagedifferenz anhand einer Synchronmotor-Fehlerspannung vornimmt. Die Empfindlichkeit der Messgrößen, unter Anderem auch der nachstehend als u * / γ bezeichneten Fehlerspannung steigt proportional mit der Drehzahl der Synchronmaschine, so dass das erfindungsgemäße Verfahren bei steigender Drehzahl empfindlicher reagiert. Da es vorteilhaft ist, die Überwachung anhand einer von der Drehzahl unabhängigen Fehlergröße durchzuführen, wird eine drehzahlunabhängige Fehlergröße U * / γ beobachtet, die durch Division der Fehlerspannung u * / γ durch den Betrag der errechneten Drehzahl |ω_el| ermittelt wird.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
1 ein schematisches Blockschaltbild der Steueranordnung zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung und
2 eine schematische Darstellung eines Synchronmotors mit den für die Ansteuerung wesentlichen Betriebsparametern.
Das in der 1 dargestellte schematische Blockschaltbild umfasst die Steueranordnung 1 sowie eine mit der Steueranordnung elektrisch gekoppelte, exemplarisch als Synchronmotor ausgebildete Antriebseinrichtung 2. Zwischen der Steueranordnung 1 und der Antriebseinrichtung 2 sind mehrere Verbindungsleitungen 3, 4 und 5 ausgebildet, die zur Bereitstellung von elektrischer Energie von der Steueranordnung 1 an die Antriebseinrichtung 2 dienen. Eingangsseitig weist die Steueranordnung 1 exemplarisch drei Versorgungsleitungen 6, 7 und 8 auf, die für eine Versorgung der Steueranordnung 1 mit elektrischer Energie, insbesondere mit Drehstrom, ausgebildet sind. Außerdem sind an der Steueranordnung 1 noch Busleitungen 9, 10 vorgesehen, die eine Kommunikation der Steueranordnung 1, beispielsweise mit einer nicht dargestellten Maschinensteuerung, über ein ebenfalls nicht näher dargestelltes Bussystem ermöglichen. Über das Bussystem können beispielsweise Daten zwischen der Steueranordnung 1 und einer Maschinensteuerung ausgetauscht werden, die zum Betreiben der Antriebseinrichtung 2 dienen oder einen Betriebszustand der Antriebseinrichtung 2 und/oder der Steueranordnung 1 repräsentieren.
Die Steueranordnung 1 umfasst exemplarisch ein Gleichrichtermodul 11, in dem beispielsweise ein Gleichrichter mit einem vorgeschalteten Filter angeordnet ist. Das Gleichrichtermodul 11 dient zur Gleichrichtung der an den Versorgungsleitungen 6, 7 und 8 bereitgestellten elektrischen Energie. Der Filter im Gleichrichtermodul 11 dient zur Vermeidung von Störeinkopplungen in die Steueranordnung 1. Mit dem Gleichrichtermodul 11 ist beispielhaft ein Glättungsmodul 12 elektrisch verbunden, das insbesondere einen Kondensator und eine parallel geschaltete Spule umfasst, und das zur Glättung des im Gleichrichtermodul 11 erzeugten Gleichstroms dient. An das Glättungsmodul 12 sind vorliegend Schaltmittel 15 angeschlossen, die exemplarisch als Wechselrichter ausgebildet sind. Die Schaltmittel 15 umfassen mehrere elektronische Leistungsschalter 14, die durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Steuerspannung elektrisch leitend geschaltet werden können, um die vom Gleichrichtermodul 11 bereitgestellte elektrische Energie an wenigstens eine, nicht näher dargestellte elektrische Spuleneinrichtung der Antriebseinrichtung 2 weiterleiten zu können. Bei entsprechender Beaufschlagung der wenigstens einen elektrischen Spuleneinrichtung kann eine Relativbewegung zwischen einem nicht näher dargestellten Läufer, beispielsweise einem Rotor einer Synchronmaschine, und einem nicht näher dargestellten Stator, beispielsweise einem Stator einer Synchronmaschine, hervorgerufen werden.
Die Steueranordnung 1 umfasst zudem eine Sensoreinrichtung 16, die zur Ermittlung von Betriebszuständen der Antriebseinrichtung 2 vorgesehen ist. Exemplarisch umfasst die die Sensoreinrichtung 16 einen beispielsweise als elektromechanischen Drehwinkelsensor ausgebildeten Sensor 17, der vorzugsweise mechanisch mit dem Läufer und/oder dem Stator der Antriebseinrichtung 2 gekoppelt ist, um deren relative Lage zueinander ermitteln zu können. Die Sensoreinrichtung 16 umfasst auch Messmittel 18, die zur Erfassung von elektrischen Strömen und/oder elektrischen Spannungen, die über die Verbindungsleitungen 3, 4 und 5 an die Antriebseinrichtung 2 bereitgestellt werden können, ausgebildet sind. Die Sensoreinrichtung 16 ist über Signalleitungen 19, 20, 21 mit Steuermitteln 22 und mit einer Überwachungseinheit 23 verbunden.
Die Steuermittel 22 umfassen exemplarisch einen Mikrocontroller 24 und einen zugeordneten elektronischen Speicher 25, in dem beispielsweise Kennwerte unterschiedlicher Antriebseinrichtungen 2 und/oder verschiedene Ansteuerungsprogramme für den Mikrocontroller 24 abgelegt sein können. Die Steuermittel 22 sind über interne Busleitungen 26 mit einem Kommunikationsmodul 27 verbunden, das über die Busleitungen 9, 10 eintreffende Bussignale in interne Bussignale für die Steuermittel 22 umsetzt und interne Bussignale in Bussignale für den durch die Busleitungen 9, 10 repräsentierten Datenbus umsetzt. Exemplarisch sind zwei der drei Signalleitungen 19, 20, 21 mit den Steuermitteln 22 verbunden, so dass diese beispielhaft das elektronische Signal des Sensors 17 sowie mit Signalen der Messmittel 18 über die an die Antriebseinrichtung 2 bereitgestellten elektrischen Ströme versorgt werden.
Die Überwachungseinheit 23 umfasst ebenfalls einen Mikrocontroller 28 und einen zugeordneten elektronischen Speicher 29, in dem ebenfalls Kennwerte für unterschiedliche Antriebseinrichtungen 2 sowie für unterschiedliche Lagedifferenzschwellen abgespeichert werden können. Die Überwachungseinheit 23 ist exemplarisch für einen Datenaustausch, beispielsweise mit einer nicht dargestellten Maschinensteuerung, über Busleitungen 30 mit dem Kommunikationsmodul 27 verbunden. Über diese Busleitungen 30 kann beispielsweise eine Programmierung der Lagedifferenzschwelle in Abhängigkeit vom Einsatzfall für die Antriebseinrichtung 2 erfolgen.
Nachstehend wird die Funktionsweise der Steueranordnung 1 für die Ansteuerung der Antriebseinrichtung 2 näher erläutert. Hierbei wird exemplarisch zugrundegelegt, dass die Antriebseinrichtung 2 als elektrischer Synchronmotor ausgebildet ist und dass die Messmittel 18 zur Erfassung der von den Schaltmitteln 15 an die Antriebseinrichtung 2 bereitgestellten Motorströme und Klemmenspannungen ausgebildet sind:
Bei einer rotierenden Synchronmaschine kann die räumliche Lage, hier die rotatorische Position, des in 2 schematisch dargestellten, als Rotor ausgebildeten Läufers 31 gegenüber dem Stator 32 zu jedem beliebigen Zeitpunkt anhand der an den Motorklemmen anliegenden, über die Verbindungsleitungen 3, 4 und 5 bereitgestellten Spannungen sowie anhand der fließenden Ströme durch Berechnung ermittelt werden. Zu diesem Zweck erfasst die in der 1 dargestellte Steueranordnung 1 die fließenden Motorströme und die Klemmenspannungen in bzw. zwischen den Verbindungsleitungen 3, 4 und 5. Darüber hinaus wird mittels des Sensors 17, insbesondere auf elektromechanischem Wege, die rotatorische Position bzw. räumliche Lage des Läufers 31 gegenüber dem Stator 32 bestimmt.
Für die Berechnung der rotatorischen Position des Läufers 31 werden exemplarisch zwei der drei Motorphasenströme sowie zwei der drei Phasenspannungen der an die Antriebseinrichtung 2 bereitgestellten elektrischen Energie erfasst.
Alternativ können die Phasenspannungen können auch indirekt über eine kombinierte Messung der Zwischenkreisspannung (intermediate circuit voltage), die in dem Glättungsmodul 12 mit nicht dargestellten Messmitteln erfasst werden kann, und gleichzeitiger Erfassung von Pulsweitenmodulationssignalen (PWM-Signale/control signals to power stage) berechnet werden. Die PWM-Signale werden von den Steuermitteln 22 über eine Steuerverbindung 33 an die Schaltmittel 15 bereitgestellt, um die dort integrierten elektronischen Leistungsschalter 14 individuell entsprechend der Rotorposition zwischen einem nichtleitenden und einem leitenden Zustand zu schalten.
Für die Berechnung rotatorischen Position des Läufers 31 mittels eines in der Überwachungseinheit 23 ablaufenden mathematischen Algorithmus, der auch als Maschinenmodell bezeichnet wird, müssen der Überwachungseinheit 23 zusätzlich noch Informationen über die wesentlichen Motorparameter der Antriebseinrichtung 2 zur Verfügung stehen. Bei einer als Synchronmaschine ausgebildeten Antriebseinrichtung 2 sind dies insbesondere der Strangwiderstand R, Stranginduktivität L und Spannungskonstante ke der Maschine. Diese können vorteilhaft als Parameter im Speicher 29 der Überwachungseinheit 23 abgelegt werden und entsprechend der verwendeten Antriebseinrichtung 2, insbesondere durch Programmierung über das Bussystem ausgehend von der nicht dargestellten Maschinensteuerung, angepasst werden.
Anhand der gemessenen Größen und mit Hilfe der Motorparameter kann die Überwachungseinheit 23 das elektrische Modell der Antriebseinrichtung 2, insbesondere die in der wenigstens einen Spuleneinrichtung induzierte Spannung, berechnen. Diese Berechnung kann grundsätzlich sowohl in einem Statorkoordinatensystem als auch in einem Rotorkoordinatensystem erfolgen. In der nachfolgenden Beschreibung werden Rotorkoordinaten verwendet.
In der 2 ist die Zuordnung der verwendeten Koordinatensysteme dargestellt: die Achsen x und y bezeichnen das Statorkoordinatensystem; die Achsen d und q bezeichnen das tatsächliche Rotorkoordinatensystem, das gegenüber dem Statorkoordinatensystem um den Rotordrehwinkel pε verdreht ist; die Achsen γ und δ bezeichnen das vom Sensor 17 gemessene Rotorkoordinatensystem, das gegenüber dem Rotor um den Fehlerwinkel Δpε verdreht ist.
Solange der Sensor 17 und die Auswertung des elektronischen Sensorsignals in den Steuermitteln 22 und in der Überwachungseinheit 23 korrekt funktionieren, ist das gemessene Rotorkoordinatensystem deckungsgleich mit dem tatsächlichen Rotorkoordinatensystem.
Die elektrischen Maschinengleichungen der Synchronmaschine in Rotorkoordinaten lauten:
u_p ist die induzierte Spannung der wenigstens einen Spuleneinrichtung der Antriebseinrichtung 2. Diese induzierte Spannung u_p steht über die Spannungskonstante k_e im Zusammenhang mit der mechanischen Drehfrequenz ω des Läufers 31.
Die Polpaarzahl p bestimmt das Verhältnis von der elektrischen (ω_el) zu der mechanischen Drehfrequenz des Läufers 31.
Wenn nun ein Fehler in der Winkelerfassung im Sensor 17 oder bei der Weiterverarbeitung des elektronischen Sensorsignals auftritt, stimmt das gemessene γ-δ-Koordinatensystem nicht mehr mit dem tatsächlichen d-q-Koordinatensystem überein. Vielmehr ist das gemessene γ-δ-Koordinatensystem gegenüber dem tatsächlichen d-q-Koordinatensystem um den Fehlerwinkel (Δpε) gedreht.
Alle Berechnungen in den Steuermitteln 22 basieren auf dem vom Sensor 17 gemessenen Drehwinkel und erfolgen daher in dem eventuell fehlerhaften, gemessenen Koordinatensystem. Die Einprägung der Ströme geschieht somit auch in diesem γ-δ-Koordinatensystem und ist somit möglicherweise nicht in idealer Weise an die tatsächliche rotatorische Position des Läufers 31 gegenüber dem Stator 32 angepasst. Hierdurch können der Wirkungsgrad der Antriebseinrichtung 2 negativ beeinflusst und die Betriebssicherheit reduziert werden.
Die in der wenigstens einen Spuleneinrichtung induzierte Spannung u_p liegt hingegen stets in der q-Achse des tatsächlichen Rotorkoordinatensystems. Dadurch weist u_p im gemessenen Rotorkoordinatensystem sowohl Anteile in der δ-Achse als auch in der γ-Achse auf. Daraus können die folgenden modifizierten Gleichungen des Maschinenmodells in γ-δ-Koordinaten entwickelt werden:
Die Überwachungseinheit 23 berechnet nun zyklisch die Gleichungen (4) und (5) und ermittelt daraus zwei Messgrößen, die geeignet sind, Fehler in der Berechnung in den Steuermitteln 22 und insbesondere Fehler im Sensor 17 zu erkennen:
Die Messgröße 1 wird aus der Gleichung (4) ermittelt, indem die Gleichung (4) nach ω aufgelöst wird, es wird also eine Drehgeschwindigkeit auf Basis der Maschinengleichung berechnet.
Die so ermittelte Winkelgeschwindigkeit wird mit der über den Drehgeber ermittelten Winkelgeschwindigkeit verglichen. Im Falle einer fehlerhaft erfassten Position ergibt sich eine Fehlergeschwindigkeit ω*:
Solange die Winkelerfassung korrekt arbeitet, gilt: ω* = 0 (8)
Bei einer Winkelabweichung |Δpε| > 0 wird ω* < 0
Die Messgröße 2 wird aus der Gleichung (5) errechnet:
Die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_el kann dabei wiederum gemäß Gleichung (4) bestimmt werden. Solange die Winkelerfassung korrekt arbeitet, gilt: u * / γ = 0 (10)
Anhand des Vorzeichens von u * / γ kann erkannt werden, ob der gemessene Winkel größer oder kleiner als der tatsächliche Rotorlagewinkel ist.
Der in der Überwachungseinheit 23 vorgesehene Mikrocontroller 28 überwacht die Messgrößen 1 und 2 kontinuierlich. Da dieser Mikrocontroller 28 unabhängig von dem in den Steuermitteln 22 vorgesehenen Mikrocontroller 24 arbeitet, ist eine hohe Betriebssicherheit für die Steueranordnung 1 gewährleistet. Sobald der Lagedifferenzwinkel eine vorgebbare, insbesondere frei programmierbare, Lagedifferenzschwelle überschreitet, ist davon auszugehen, dass ein Fehler in der Verarbeitung des Sensorsignals und/oder ein Fehler am Sensor 17 vorliegen. In diesem Fall ist vorzugsweise eine Abschaltung oder aktive Abbremsung der Antriebseinrichtung 2 vorgesehen. Dieser Eingriff in den Betriebszustand der Antriebseinrichtung 2 wird vorzugweise durch einen unmittelbaren Eingriff der Überwachungseinheit 23 mittels einer Schaltleitung 35, die mit den elektronischen Leistungsschaltern 14 des Schaltmittels 15 gekoppelt ist, vorzugsweise unter Umgehung der Steuermittel 22, bewirkt.
Die Empfindlichkeit der Messgrößen und damit der Fehlerspannung u * / γ steigt proportional mit der Drehzahl der Synchronmaschine. Das Verfahren reagiert folglich mit zunehmender Drehzahl empfindlicher. Da Gleichung (4) auch unabhängig vom Sensor 17 einen Geschwindigkeitsistwert liefert, können die Grenzwerte für die Überwachung adaptiv in Abhängigkeit der Geschwindigkeit angepasst werden, so dass in einem weiten Drehzahlbereich eine gleichbleibende Empfindlichkeit des Verfahrens erreicht wird.
Für die Implementierung der Überwachung ist es von Vorteil, wenn das Verfahren eine Fehlergröße liefert, die unabhängig von der Drehzahl ist. Dann können die Grenzwerte für die Überwachung des Winkels einmalig als Konstante, bzw. als Parameter festgelegt werden. Da die Gleichung (6) auch unabhängig vom Drehgeber einen Drehzahlistwert liefert, bietet sich die Berechnung einer drehzahlunabhängigen Fehlergröße U * / γ an:
Um eine Division durch Null zu vermeiden, muss die errechnete Drehzahl ω_el auf eine untere Grenze ω_min überwacht werden. Diese untere Grenze ist von der Rechengenauigkeit und von der Genauigkeit der spannungs- und Stromerfassung abhängig. Unterhalb von ω_min reagiert die Überwachung weniger empfindlich. Eine Überwachung des Winkelgebers im Stillstand der Achse ist daher nicht möglich.
Das Verfahren funktioniert insbesondere mit allen Arten von Drehgebern: Resolver, Inkrementalgeber, Geber mit serieller Datenübertragung.
Bei einem plötzlichen Ausfall des Drehgebers tritt ein Stillstand des gemessenen Winkels ein, der Rotor dreht aber aufgrund der unvermeidlichen Masseträgheit noch weiter. Der Fehlerwinkel Δpε wird akkumuliert, bis die Überwachungseinheit 23 anspricht und die Schaltmittel 15 entsprechend ansteuert.
Ein plötzlicher Ausfall der Steuermittel 22 führt zu fehlerhaften oder komplett abgeschalteten Spannungen und Strömen. Gleichung (4) liefert einen falschen Drehzahlwert, so dass die Überwachung in der Überwachungseinheit 23 anspricht und eine Abschaltung der Schaltmittel 15 über die Schaltleitungen 34 vorgenommen wird.
Bei einem schleichend akkumulierenden Winkelfehler, z. B. durch einen langsam auf der Welle verrutschenden Sensor 17 akkumuliert der Fehlerwinkel Δpε ebenfalls, bis die Überwachungseinheit 23 anspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60205743 T2 [0003]
US 5144564 [0004]
US 4814677 [0005]
EP 1383231 A1 [0006]

Claims

Steueranordnung zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung (2), die einen Stator (32) und einen zum Stator (32) relativbeweglichen Läufer (31) umfasst; mit Schaltmitteln (15), die zur Bereitstellung elektrischer Leistung an wenigstens eine Spuleneinrichtung der elektrischen Antriebseinrichtung (2) ausgebildet sind, mit einer Sensoreinrichtung (16), die zur Bereitstellung wenigstens eines elektrischen Sensorsignals in Abhängigkeit von einer räumlichen Lage des Läufers (31) gegenüber dem Stator (32) ausgebildet ist und mit Steuermitteln (22), die zur Ansteuerung der Schaltmittel (15) in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Sensorsignal ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (16) einen Sensor (17) zur Messung der räumlichen Lage des Läufers (31) gegenüber dem Stator (32) sowie Messmittel (18) zur Ermittlung wenigstens eines elektrischen Betriebsparameters der elektrischen Antriebseinrichtung (2) umfasst, wobei die Sensoreinrichtung (16) mit einer Überwachungseinheit (23) verbunden ist, die zur Bestimmung der räumlichen Lage des Läufers (31) gegenüber dem Stator (32) anhand wenigstens eines elektrischen Sensorsignals des Sensors (17) und zur Berechnung der räumlichen Lage des Läufers (31) gegenüber dem Stator (32) anhand wenigstens eines elektrischen Betriebsparameters ausgebildet ist, um eine Lagedifferenz zwischen der berechneten räumlichen Lage und der gemessenen räumlichen Lage zu ermitteln.
Steueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Überwachungseinheit (23) eine vorgebbare Lagedifferenzschwelle abgespeichert ist und dass die Überwachungseinheit (23) zur Ausgabe eines Schaltsignals ausgebildet ist, sofern die ermittelte Lagedifferenz die vorgebbare Lagedifferenzschwelle überschreitet.
Steueranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23), vorzugsweise unmittelbar, mit den Schaltmitteln (15) verbunden ist, um bei Überschreiten der Lagedifferenzschwelle, vorzugsweise unmittelbar, auf die Antriebseinrichtung (2) einzuwirken, insbesondere um eine Stromversorgung der Antriebseinrichtung (2) zu unterbrechen.
Steueranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (2) als, vorzugsweise permanenterregte, elektrische Synchronmaschine oder als elektrodynamischer Lineardirektantrieb ausgebildet ist.
Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23) zur Überwachung von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung (2) bereitgestellten elektrischen Strömen und/oder von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung (2) bereitgestellten elektrischen Spannungen ausgebildet ist.
Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23) zur Überwachung von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung (2) bereitgestellten elektrischen Strömen sowie einer an die Schaltmittel bereitgestellten elektrischen Zwischenkreisspannung und von an die Schaltmittel (15) bereitgestellten Pulsweitenmodulationssignalen ausgebildet ist.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Überwachungseinheit (23) ein Strangwiderstand und/oder eine Stranginduktivität und/oder eine Spannungskonstante für die Antriebseinrichtung (2), insbesondere für unterschiedliche Antriebseinrichtungen (2), gespeichert sind.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23) zur Berechnung einer Winkelgeschwindigkeit für eine rotierende Antriebseinrichtung (23) mittels der elektrischen Betriebsparameter und/oder mittels des Sensorsignals des Sensors (17) ausgebildet ist.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (22) und die Überwachungseinheit (23) jeweils einen Mikrocontroller (24, 28) umfassen.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (18) zusätzlich wenigstens einen Temperatursensor zur Kompensation von temperaturabhängigen Messfehlern umfassen.
Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebseinrichtung (1), die einen Stator (32) und einen zum Stator (32) relativbeweglichen Läufer (31) umfasst, mit den Schritten: Ermitteln einer räumlichen Lage des Läufers (31) gegenüber dem Stator (32) mittels einer Sensoreinrichtung (16) und Ausgeben wenigstens eines der ermittelten räumlichen Lage entsprechenden Sensorsignals; Ansteuern von Schaltmitteln (15), die zum Bereitstellen von elektrischer Leistung an wenigstens eine Spuleneinrichtung der elektrischen Antriebseinrichtung (2) ausgebildet sind, mit Hilfe von Steuermitteln (22) in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Sensorsignal; dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorsignal in eine Überwachungseinheit (23) eingespeist wird, die anhand des wenigstens einen Sensorsignals einen Vergleich zwischen einer berechneten räumlichen Lage des Läufers (31) gegenüber dem Stator (32) und einer gemessenen räumlichen Lage des Läufers (31) gegenüber dem Stator (31) vornimmt und die eine Lagedifferenz zwischen der berechneten räumlichen Lage und der gemessenen räumlichen Lage ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23) einen Vergleich der ermittelten Lagedifferenz mit einer vorgebbaren Lagedifferenzschwelle vornimmt und bei Überschreiten der Lagedifferenzschwelle ein, vorzugsweise unmittelbar, auf die Schaltmittel (15) wirkendes Schaltsignal ausgibt, insbesondere um eine Stromversorgung der Antriebseinrichtung (2) zu unterbrechen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23) die Lagedifferenz anhand von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung (2) bereitgestellten elektrischen Strömen und/oder anhand von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung (2) bereitgestellten elektrischen Spannungen berechnet.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23) die Lagedifferenz anhand von wenigstens zwei an die Antriebseinrichtung (2) bereitgestellten elektrischen Strömen und anhand einer an die Schaltmittel (15) bereitgestellten elektrischen Zwischenkreisspannung und anhand von an die Schaltmittel (15) bereitgestellten Pulsweitenmodulationssignalen berechnet.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23) bei einer geringen Relativgeschwindigkeit zwischen Stator (31) und Läufer (31) eine Korrektur der ermittelten Lagedifferenz anhand einer Synchronmotor-Fehlerspannung vornimmt.