DE102013005237A1

DE102013005237A1 - Antriebssystem und Verfahren zum Betrieben eines Antriebssystems

Info

Publication number: DE102013005237A1
Application number: DE201310005237
Authority: DE
Inventors: Rochus Hien; Klaus Philipp
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-02
Also published as: DE102013005237A8

Abstract

Antriebssystem und Verfahren zum Betrieben eines Antriebssystems, aufweisend einen Winkelsensor, mit welchem die Winkelstellung der Rotorwelle eines Elektromotors erfasst wird, und einen Umrichter, welcher den Motor mittels eines Versorgungskabels speist, wobei der Umrichter pulsweitenmoduliert betrieben ist, wobei das Versorgungskabel abgeschirmt ausgeführt ist, insbesondere also die elektrischen Leitungen des Kabels von einem metallischen Schirmmaterial umgeben ist, wobei die vom Winkelsensor erzeugten Signale auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert sind und dieses modulierte Trägerfrequenz-Signal aufmoduliert wird auf eine oder mehrere Leitungen des Kabels

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem und Verfahren zum Betrieben eines Antriebssystems.
Aus der US 8 135 977 B2 , insbesondere aus dem letzten Anspruch hierbei, ist bekannt, Geberdaten über ein Motorversorgungskabel zu übertragen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verringerte Fehlerrate erreichbar zu machen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Antriebssystem nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Antriebssystem sind, dass
es einen Winkelsensor aufweist, mit welchem die Winkelstellung der Rotorwelle eines Elektromotors erfasst wird, und einen Umrichter, welcher den Motor mittels eines Versorgungskabels speist,
wobei der Umrichter pulsweitenmoduliert betrieben ist,
wobei das Versorgungskabel abgeschirmt ausgeführt ist, insbesondere also die elektrischen Leitungen des Kabels von einem metallischen Schirmmaterial umgeben ist,
wobei die vom Winkelsensor erzeugten Signale auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert sind und dieses modulierte Trägerfrequenz-Signal aufmoduliert wird auf eine oder mehrere Leitungen des Kabels
Von Vorteil ist dabei, dass geringere Fehlerraten bei der Datenübertragung auftreten, weil die Störpegel verringert sind. Denn das Mittel zur Erzeugung der Pulsweitenmodulation erzeugt einen hohen Störpegel im unteren Frequenzbereich, also beispielsweise im Bereich bis 20 kHz als Grundschwingung und davon ausgehend Oberschwingungen sowie beim Schalten erzeugte Störanteile.
Mittels der Verschiebung der Datenübertragung in einen von diesem unteren Frequenzbereich beabstandeten Frequenzbereich werden die Störquellen besser unterdrückt. Außerdem ist durch die Aufmodulation auf eine Trägerfrequenz zusätzlich die Fehlerrate verringert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die vom Winkelsensor erfassten Winkelwerte als auf eine Trägerfrequenz aufmodulierte Signale übertragen über das Versorgungskabel, insbesondere über die Leitungen des Versorgungskabels,
insbesondere indem die auf die Trägerfrequenz aufmodulierten Signale über die Leitungen übertragen werden und auf den den Motor speisenden Strom aufmoduliert werden. Von Vorteil ist dabei, dass das Leistungssignal im Niederfrequenzbereich angeordnet ist und die von der pulsweitenmoduliert betriebene Endstufe des Umrichters im unteren Frequenzberiech Störsignale erzeugt, wovon aber die Trägerfrequenz einen großen Frequenzabstand hat. Somit ist die Fehlerrate verringert.
Wichtig ist auch, dass die Abschirmung zwar die Störstrahlung von äußeren Störquellen unterdrückt oder zumindest verringert. Allerdings werden die vom Umrichter erzeugten Störsignale zusammen mit dem Leistungssignal in den abgeschirmten Beriech des Kabels eingespeist, also innerhalb der Abschirmung eingekoppelt. Infolge der Abschirmung ist somit der Störpegel dieser eingekoppelten Störsignale im gesamten Kabel sehr hoch. Trotzdem ist eine fehlerarme Datenübertragung im selben Raumgebiet, insbesondere mit denselben Leitungen ermöglicht, weil die Trägerfrequenz derart hoch ist, dass die für den Umrichter typischen Störsignale einen hohen Frequenzabstand aufweisen zum für Datenübertragung genutzten Frequenzband, insbesondere bei Frequenzmodulation um die Trägerfrequenz herum.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die vom Winkelsensor erfassten Winkelwerte als auf eine Trägerfrequenz aufmodulierte Signale auf das vom Umrichter erzeugte Leistungssignal zur Versorgung des Motors aufmoduliert. Von Vorteil ist dabei, dass eine verringerte Störwirkung vorhanden ist und somit die Fehlerrate verringert ist, wie oben erläutert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung benötigen die vom Winkelsensor erfassten Winkelwerte eine Bandbreite, deren Betrag geringer ist als der Betrag der Hälfte der Trägerfrequenz. Von Vorteil ist dabei, dass ein genügend hoher Abstand und trotzdem eine sehr hohe Datenübertragungsrate erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Motor ein Drehstrommotor, insbesondere also das Kabel als Drehstromkabel mit Abschirmung ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass keine Fernstrahlung aus dem Kabel austritt, so dass die Datenübertragung nicht selbst wiederum andere Elektrogeräte stört.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Frequenz des Leistungssignals kleiner als 1 kHz, insbesondere kleiner als 200 Hertz. Von Vorteil ist dabei, dass der Motor mit einer Grundfrequenz zwischen 0 und 100 Hertz speisbar ist und somit durch den Umrichter drehzahlgeregelt betreibbar ist. Der Umrichter umfasst hierzu einen Wechselrichter.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Trägerfrequenz zwischen 20 und 60 MHz, wobei die Bandbreite der Signale des Winkelsensors geringer ist als 10 MHz. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe Datenübertragungsrate und somit eine gute Regelqualität des Umrichters-erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Einspeisung des Leistungssignals am ersten Endbereich des Kabels angeordnet und die das Mittels zur Einspeisung der mit den Signalen des Winkelsensors modulierten Trägerfrequenz ist am anderen Endbereich des Kabels angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass das Leistungssignal entgegengesetzt gerichtet sich ausbreitet zum Datenübertragungssignal.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Mittel zur Modulation als Mittel zur Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation und/oder Phasenmodulation ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass ein geeignetes Verfahren zur Verringerung der Fehlerrate anwendbar ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei ein Phasenmodulationsverfahren.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Störpegel von Störquellen, insbesondere von dem Mittel zur pulsweitenmodulierten Erzeugung des Leistungssignals oder von Funksignalquellen, wie von Mobilfunkgeräten, Radiosendern oder sonstigen Quellen elektromagnetischer Strahlung, bei Übertragung der Signale des Winkelsensors im Basisband, also ohne Trägerfrequenz, größer ist als bei Übertragung der Signale des Winkelsensors mittels Modulation der vorgegebenen Trägerfrequenz. Von Vorteil ist dabei, dass mittels der Trägerfrequenz ein Frequenzbereich für die Datenübertragung wählbar ist, der einen geringeren Störanteil aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Trägerfrequenz derart vorgegeben, dass der Störpegel von Störquellen, insbesondere von dem Mittel zur pulsweitenmodulierten Erzeugung des Leistungssignals oder von Funksignalquellen, wie von Mobilfunkgeräten, Radiosendern oder sonstigen Quellen elektromagnetischer Strahlung, möglichst klein ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein besonders geringe Fehlerrate erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Störpegel von Störquellen, insbesondere von dem Mittel zur pulsweitenmodulierten Erzeugung des Leistungssignals oder von Funksignalquellen, wie von Mobilfunkgeräten, Radiosendern oder sonstigen Quellen elektromagnetischer Strahlung, bei höheren Trägerfrequenzwerten als dem vorgegebenen Trägerfrequenzwert größer. Von Vorteil ist dabei, dass die Trägerfrequenz von Funksignalquellen einen genügend großen Abstand aufweist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Antriebssystem schematisch dargestellt.
In der 2 ist die Stärke der Störstrahlung abhängig von der Frequenz schematisch aufgetragen.
Wie in 1 gezeigt, speist ein Umrichter 4 einen Elektromotor 1 mittels eines Drehstromkabels, welches abgeschirmt ausgeführt ist. Der Umrichter wird dabei pulsweitenmoduliert betrieben, so dass der Ausgangsstrom des Umrichters, welcher dem Motor zugeleitet wird, entsprechende Störfrequenzen aufweist. Hierzu trägt nicht nur die Pulsweitenmodulationsfrequenz, beispielsweise 4 kHz, 8 kHz oder 16 kHz, bei sondern auch deren Harmonische. Außerdem sind bei Änderung von Pulsweitenmodulationsdauern weitere Störfrequenzen vorhanden.
Wie in 2 gezeigt liegen die wesentlichen Störfrequenzen in einem ersten Frequenzbereich, der bis beispielsweise 10 MHz ausgedehnt ist.
An diesen ersten Frequenzbereich schließt sich ein zweiter Frequenzbereich 21 mit im Vergleich zum Störpegel des ersten Frequenzbereich schwächerem Störpegel. Bei beispielsweise 40 MHz liegt ein Minimum an Störpegel vor.
An diesen zweiten Frequenzbereich schließt sich ein dritter Frequenzbereich an, welcher Radiosenderfrequenzen, Mobilfunkfrequenzen und/oder Fernsehsenderfrequenzen aufweist und somit frequenzabhängig wiederum stärkere Störpegel.
Erfindungsgemäß wird zur Übertragung der vom Winkelsensor 2 erfassten Winkelstellungswerten der Rotorwelle des Elektromotors die entsprechende Information an den Umrichter übertragen, dessen Steuerelektronik den Motor regelt unter Beachtung der übertragenen Winkelinformation.
Das Kabel weist zumindest drei Leitungen auf, welche die Motorphasen versorgen.. Die elektrische Abschirmung des Kabels umgibt alle Leitungen des Kabels und stellt somit ein störarmes Volumen zur Verfügung für die Informationsübertagung. Jeder Motorphase ist dabei eine Leitung zugeordnet. Der Motor ist vorzugsweise ein Drehstrommotor, insbesondere ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor.
Die Information wird im Gegensatz zum Stand der Technik aufmoduliert auf eine Trägerfrequenz, die im zweiten Frequenzbereich liegt. Somit ist dann der Störpegel der Störstrahlung kleiner als im ersten Frequenzbereich, welcher dann relevant wäre, wenn keine Aufmodulation auf eine Trägerfrequenz ausgeführt würde.
Als Modulationsverfahren für die Aufmodulation sind hier Phasenmodulation, Amplitudenmodulation oder Frequenzmodulation verwendbar. Die Übertragung der Daten findet also nicht im Basisband des Kommunikationskanals statt.
Wie in 3 gezeigt, ist von der Pulsweitenmodulation ein erster Frequenzbereich 31 dominiert und mit einem starken Störpegel ausgeführt. Eine Übertragung ohne Aufmodulation auf eine Trägerfrequenz würde daher in diesem stark gestörten Bereich stattfinden. Erfindungsgemäß werden die Daten auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert und daher in einem Frequenzband B_Signal übertragen, das nahe an der Trägerfrequenz 33 ist, insbesondere näher als am ersten Frequenzbereich 31.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Winkelsensor zur Erfassung der Winkellage der Rotorwelle des Elektromotors 1
3: abgeschirmtes Versorgungskabel, insbesondere Drehstromkabel
4: Umrichter
20: erster Frequenzbereich, also PWM dominierter Störfrequenzbereich, starker Störpegel
21: zweiter Frequenzbereich, schwacher Störpegel
22: dritter Frequenzbereich, Radiofrequenzbereich, starker Störpegel
31: erster Frequenzbereich, also PWM dominierter Störfrequenzbereich, starker Störpegel
32: Bandbreite im Basisband bei Übertragung der Daten ohne Aufmodulation auf Trägerfrequenz
33: Trägerfrequenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8135977 B2 [0002]

Claims

Antriebssystem, aufweisend einen Winkelsensor, mit welchem die Winkelstellung der Rotorwelle eines Elektromotors erfasst wird, und einen Umrichter, welcher den Motor mittels eines Versorgungskabels speist, wobei der Umrichter pulsweitenmoduliert betrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Versorgungskabel abgeschirmt ausgeführt ist, insbesondere also die elektrischen Leitungen des Kabels von einem metallischen Schirmmaterial umgeben ist, wobei die vom Winkelsensor erzeugten Signale auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert sind und dieses modulierte Trägerfrequenz-Signal aufmoduliert wird auf eine oder mehrere Leitungen des Kabels
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Winkelsensor erfassten Winkelwerte als auf eine Trägerfrequenz aufmodulierte Signale übertragen werden über das Versorgungskabel, insbesondere über die Leitungen des Versorgungskabels, insbesondere indem die auf die Trägerfrequenz aufmodulierten Signale über die Leitungen übertragen werden und auf den den Motor speisenden Strom aufmoduliert werden.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Winkelsensor erfassten Winkelwerte als auf eine Trägerfrequenz aufmodulierte Signale auf das vom Umrichter erzeugte Leistungssignal zur Versorgung des Motors aufmoduliert werden.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Winkelsensor erfassten Winkelwerte eine Bandbreite benötigen, deren Betrag geringer ist als der Betrag der Hälfte der Trägerfrequenz.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Drehstrommotor ist, insbesondere also das Kabel als Drehstromkabel mit Abschirmung ausgeführt ist.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Leistungssignals kleiner ist als 1 kHz, insbesondere kleiner als 200 Hertz.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz zwischen 20 und 60 MHz liegt, wobei die Bandbreite der Signale des Winkelsensors geringer ist als 10 MHz.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung des Leistungssignals am ersten Endbereich des Kabels angeordnet ist und die Einspeisung der mit den Signalen des Winkelsensors modulierten Trägerfrequenz am anderen Endbereich des Kabels.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Modulation als Mittel zur Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation und/oder Phasenmodulation ausgeführt ist.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störpegel von Störquellen, insbesondere von dem Mittel zur pulsweitenmodulierten Erzeugung des Leistungssignals oder von Funksignalquellen, wie von Mobilfunkgeräten, Radiosendern oder sonstigen Quellen elektromagnetischer Strahlung, bei Übertragung der Signale des Winkelsensors im Basisband, also ohne Trägerfrequenz, größer ist als bei Übertragung der Signale des Winkelsensors mittels Modulation der vorgegebenen Trägerfrequenz.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz derart vorgegeben ist, dass der Störpegel von Störquellen, insbesondere von dem Mittel zur pulsweitenmodulierten Erzeugung des Leistungssignals oder von Funksignalquellen, wie von Mobilfunkgeräten, Radiosendern oder sonstigen Quellen elektromagnetischer Strahlung, möglichst klein ist.
Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störpegel von Störquellen, insbesondere von dem Mittel zur pulsweitenmodulierten Erzeugung des Leistungssignals oder von Funksignalquellen, wie von Mobilfunkgeräten, Radiosendern oder sonstigen Quellen elektromagnetischer Strahlung, bei höheren Trägerfrequenzwerten als dem vorgegebenen Trägerfrequenzwert größer wird.
Verfahren zum Betrieben eines Antriebssystems, insbesondere nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem Winkelsensor an einem Motor des Antriebssystems erfassten Messwerte über ein Kabel an einen den Motor speisenden Umrichter übertragen werden, wobei das Kabel abgeschirmt ausgeführt ist, wobei zur Datenübertragung die Signale des Winkelsensors auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert werden.