DE102013214919B4

DE102013214919B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE102013214919B4
Application number: DE102013214919.0A
Authority: DE
Inventors: Christopher Pohl; Andreas Kathöfer
Original assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Current assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: DE102013214919A1

Abstract

Vorrichtung (101, 513) zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (403, 503), die ausgebildet ist, im Betrieb ein Element (505) anzutreiben, umfassend eine Steuerung (103, 515), die zwischen einem Gebersystem (303, 507) zum Messen einer kinematischen Zustandsgröße des Elements (505) und einer Antriebsregelung (405, 509) zum Regeln eines Betriebsparameters der Antriebseinrichtung (403, 503) schaltbar ist, wobei ein Zustandsgrößensignal, das eine Information über eine gemessene kinematische Zustandsgröße umfasst, vom Gebersystem (303, 507) zur Steuerung ((103, 515) übertragen wird, wobei die Steuerung (103, 515) ausgebildet ist, aus dem Zustandsgrößensignal einen Positionswert des Elements zu bestimmen, wobei die Steuerung (103, 515) weiter ausgebildet ist, das Zustandsgrößensignal und dessen Übertragung zu bewerten und bei einer Detektion eines positionsrelevanten Fehlers bei der Bewertung nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers eine Position des Elements (505) durch eine Fortschreibung der bereits bestimmten Positionswerte des Elements mittels einer Extrapolation zu ermitteln, wobei von der Steuerung (103, 515) eine Zeitdauer nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers bestimmt und vorgegeben wird, nach welcher die Positionsabweichung größer oder gleich einem Positionsabweichungsschwellwert ist, wobei die Steuerung (103, 515) ausgebildet ist, eine Zeit nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers und vor einer Korrektur des positionsrelevanten Fehlers abgelaufene Zeit zu messen, und die Antriebseinrichtung (403, 503) abzuschalten, wenn die gemessene abgelaufene Zeit größer oder gleich der vorgegebenen Zeitdauer ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Betreiben einer Antriebseinrichtung sowie ein Computerprogramm.
Linearmotoren und Elektromotoren umfassen in der Regel Gebersysteme zum Erfassen einer Position eines Läufers des Linearmotors oder eines Rotors des Elektromotors. Hierbei wird in der Regel die mittels des Gebersystems erfasste Position an eine Regelung übertragen, die den Elektromotor oder den Linearmotor regelt. Es ist üblich, dass beispielsweise bei einem Übertragungsfehler einer Übertragung zwischen dem Gebersystem und der Regelung oder bei einem Messfehler aufgrund von mechanischen Belastungen des Gebersystems der Elektromotor oder der Linearmotor unmittelbar nach der Detektion des Fehlers sofort abgeschaltet wird.
Nachteilig hieran ist insbesondere, dass der Motor auch dann gestoppt wird, wenn die den Fehler auslösende Ursache nur für eine relativ kurze Zeit auftritt und/oder nur eine geringe Wirkung hat. Ein Neustart des Elektromotors oder des Linearmotors benötigt üblicherweise viel Zeit und ist aufwendig. Ferner können von einem Stopp des Motors Fertigungslinien betroffen sein, so dass Prozeßabläufe komplett zum Erliegen kommen können. Ein Wiederanfahren ist komplex und zeitaufwendig.
Die EP 2 067 250 B1 zeigt eine Antriebsvorrichtung einer elektrischen Maschine, welche eine Vorrichtung zur feldorientierten Regelung der elektrischen Maschine aufweist, wobei eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich eines Gebersignals eines Gebers der elektrischen Maschine mit einer errechneten Drehzahlgröße aus der feldorientierten Regelung vorgesehen ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, eine Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinrichtung bereitzustellen, die die bekannten Nachteile überwindet und einen robusteren Betrieb der Antriebseinrichtung ermöglicht.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch darin gesehen werden, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung anzugeben.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann des Weiteren darin gesehen werden, ein entsprechendes System zum Betreiben einer Antriebseinrichtung bereitzustellen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch darin gesehen werden, ein entsprechendes Computerprogramm anzugeben.
Diese Aufgaben werden mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinrichtung bereitgestellt, die ausgebildet ist, in einem Betrieb ein Element anzutreiben, umfassend eine Steuerung, die zwischen einem Gebersystem zum Messen einer kinematischen Zustandsgröße des Elements und einer Antriebsregelung zum Regeln eines Betriebsparameters der Antriebseinrichtung schaltbar ist, wobei die Steuerung ausgebildet ist, bei einer Detektion eines Fehlers während des Betriebs der Antriebseinrichtung die Antriebseinrichtung abzuschalten, wenn eine Positionsabweichung einer Position des Elements größer oder gleich einem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung bereitgestellt, die in einem Betrieb ein Element antreibt, wobei bei einer Detektion eines Fehlers während des Betriebs der Antriebseinrichtung die Antriebseinrichtung abgeschaltet wird, wenn eine Positionsabweichung einer Position des Elements größer oder gleich einem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein System zum Betreiben einer Antriebseinrichtung bereitgestellt, die ausgebildet ist, in einem Betrieb ein Element anzutreiben, umfassend ein Gebersystem zum Messen einer kinematischen Zustandsgröße des Elements und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinrichtung.
Nach noch einem Aspekt wird ein Antriebssystem bereitgestellt, umfassend eine Antriebseinrichtung zum Antreiben eines Elements während eines Betriebs der Antriebseinrichtung, eine Antriebsregelung zum Regeln eines Betriebsparameters der Antriebseinrichtung und ein System zum Betreiben der Antriebseinrichtung, wobei die Steuerung zwischen dem Gebersystem und der Antriebsregelung geschaltet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das Programmcode zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer Antriebseinrichtung umfasst, wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird.
Merkmale, die im Zusammenhang mit der Vorrichtung und/oder den Systemen beschrieben werden, gelten entsprechend analog für das Verfahren und umgekehrt.
Die Erfindung umfasst also insbesondere den Gedanken, im Fehlerfall die Antriebseinrichtung nicht unmittelbar sofort abzuschalten. Vielmehr wird die Antriebseinrichtung erst dann abgeschaltet, wenn eine Positionsabweichung einer Position des Elements größer oder gleich einem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist. Dadurch wird also in vorteilhafter Weise bewirkt, dass nicht jeder noch so unbedeutende und geringfügige Fehler bewirkt, dass die Antriebseinrichtung abschaltet. Als Kriterium für die Abschaltung ist die Positionsabweichung vorgesehen, die auch als ein Positionsfehler bezeichnet werden kann. Erst wenn diese größer oder gleich, insbesondere ausschließlich größer, dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist, wird die Antriebseinrichtung abgeschaltet. Solange also die Positionsabweichung nicht zu groß ist, also unterhalb des Positionsabweichungsschwellwerts liegt, wird die Antriebseinrichtung nicht abgeschaltet, so dass diese das Element weiter antreiben kann. Dadurch, dass dieses weitere Antreiben nur dann der Fall ist, wenn die Positionsabweichung kleiner dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist, wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass der Betrieb der Antriebseinrichtung stets innerhalb zulässiger Parameter erfolgt. Hierbei hängt der konkrete Positionsabweichungsschwellwert insbesondere von einer konkreten Ausgestaltung der Antriebseinrichtung ab.
Eine Positionsabweichung im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet stets eine nach oben abgeschätzte, das heißt maximal mögliche Positionsabweichung, auch wenn dies an den entsprechenden Stellen nicht explizit ausgeführt ist. Diese maximal mögliche Positionsabweichung ergibt sich aus einer Differenz zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position.
Hierbei wird die erste Position basierend auf kinematischen Zustandsgrößen (der Singular soll stets mitgelesen werden) berechnet, die mittels des Gebersystems vor der Detektion des Fehlers gemessen wurden. Es wird also insbesondere angenommen, dass sich das Element mit den vor der Detektion des Fehlers gemessenen Zustandsgrößen auch nach der Detektion des Fehlers entsprechend weiterbewegt. Die gemessenen kinematischen Zustandsgrößen können beispielsweise in die Newtonsche Bewegungsgleichung eingesetzt werden, so dass basierend darauf die erste Position für eine Zeit t nach der Detektion des Fehlers berechnet werden kann.
Die zweite Position wird basierend auf zumindest einer oder mehrerer fest vorgegebenen maximal möglichen kinematischen Zustandsgrößen berechnet. Das heißt also insbesondere, dass angenommen wird, dass das Element nach der Detektion des Fehlers diese maximal möglichen kinematischen Zustandsgrößen (der Singular soll stets mitgelesen werden) aufweist und sich entsprechend den maximal möglichen kinematischen Zustandsgrößen nach der Detektion des Fehlers weiterbewegt. Beispielsweise wird angenommen, dass sich das Element nach der Detektion des Fehlers mit einer maximal möglichen Beschleunigung in eine entgegengesetzte Richtung bewegt bezogen auf eine Richtung vor der Detektion des Fehlers. Diese maximal möglichen kinematischen Zustandsgrößen werden beispielsweise in die Newtonsche Bewegungsgleichung eingesetzt, so dass basierend darauf für eine Zeit t nach der der Detektion des Fehlers die zweite Position berechnet werden kann.
Die eine oder mehrere maximal möglichen kinematischen Zustandsgrößen für die Berechung der zweiten Position werden insbesondere in Abhängigkeit von der Antriebseinrichtung, insbesondere von dem Element, und/oder von einer geforderten Genauigkeit ausgewählt. Diese maximal möglichen Zustandsgrößen können fest vorgegeben werden oder zur Laufzeit, also im Betrieb der Antriebseinrichtung, dynamisch geändert werden.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Antriebseinrichtung einen Linearmotor umfasst oder als solcher gebildet ist. Im Fall eines Linearmotors ist das Element, welches mittels des Linearmotors angetrieben wird, vorzugsweise ein Läufer. Das Element kann also insbesondere Teil der Antriebseinrichtung sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Antriebseinrichtung einen Elektromotor umfasst oder als solcher gebildet ist. Im Fall eines Elektromotors ist das Element, welches mittels des Elektromotors angetrieben wird, insbesondere ein Rotor des Elektromotors oder eine Welle, die mit dem Rotor verbunden ist. Eine solche Welle kann beispielsweise als eine Rotorwelle bezeichnet werden. Das Element mittels der Antriebseinrichtung angetrieben wird, also insbesondere bewegt wird, kann das Element auch als ein bewegliches oder beweglich gelagertes Element bezeichnet werden.
Ein Abschalten im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere, dass nach einem solchen Abschalten die Antriebseinrichtung das Element nicht weiter antreibt. Insbesondere wird das Element zum Stillstand gebracht, beispielsweise in dem das Element gebremst oder beispielsweise ausgetrudelt wird. Das heißt also insbesondere, dass sich der Rotor oder die Rotorwelle nach einem Abschalten nicht mehr dreht oder rotiert. Ein Läufer führt nach einem Abschalten keine Linearbewegung mehr durch.
Bei einem Betriebsparameter im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es sich beispielsweise um eine Drehzahl, eine Spannung, ein Strom oder eine Leistung handeln. Insbesondere können mehrere Betriebsparameter geregelt werden. Diese können insbesondere gleich oder vorzugsweise unterschiedlich gebildet sein.
Ein Gebersystem im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere einen Codierer oder eine Codiereinrichtung für mechanische Bewegungen. Ein solcher Codierer bildet Signale aus Bewegungen, beispielsweise translatorische und/oder rotatorische Bewegungen, des Elements. Der Codierer kann als ein optischer und/oder magnetischer und/oder und/oder kapazitiver und/oder mechanischer mit Kontakten versehener Codierer gebildet sein. Codierer bezeichnen also insbesondere Messwertgeber oder Eingabegeräte, welche beispielsweise eine aktuelle Position eines Rotors oder einer Welle, insbesondere einer Rotorwelle, eines Läufers oder einer Antriebseinheit erkennen und als elektrisches Signal ausgeben. Es können somit insbesondere zwei Arten von Codierern vorgesehen sein: rotatorische und lineare Codierer. Rotatorische Geber oder Codierer werden in der Regel an rotierenden Bauteilen montiert, zum Beispiel auf eine Motorwelle oder eine Rotorwelle eines Elektromotors. Lineare Codierer werden in der Regel an Bauteilen montiert, die Teil eines Linearmotors sind.
Das Gebersystem kann zum Messen oder Bestimmen der Zustandsgröße eine Positionsbestimmungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, einen Winkel eines Rotors und/oder eine Position eines Läufers zu messen oder zu bestimmen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Absolut- und/oder einen Relativwinkel respektive Absolut- und/oder Relativposition handeln.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Codierer als Absolutwertgeber oder als Inkrementalgeber gebildet ist oder einen solchen oder beide umfasst.
Ein Fehler im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet jeden beliebigen positionsrelevanten Fehler, der eine Position des Elements und/oder einen Positionsmesswert beeinflussen kann. Ein Fehler im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet insbesondere eine beliebige physikalische Ursache, die einen Übertragungsfehler oder einen Messfehler aufgrund von mechanischen Belastungen des Gebersystems bewirken kann. Ein Übertragungsfehler bezeichnet beispielsweise einen Fehler, der bei der Übertragung von Signalen zwischen dem Gebersystem und der Vorrichtung auftritt.
Eine Zustandsgröße im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet insbesondere eine makroskopische physikalische Größe, die einen momentanen, vergangenen oder zukünftigen Zustand eines physikalischen Systems beschreiben kann. Eine kinematische Zustandsgröße beschreibt somit einen kinematischen Zustand kann beispielsweise eine Position, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung sein. Dies insbesondere, wenn es sich um eine Linearbewegung eines Linearmotors handelt. Wenn im Folgenden lediglich von „Zustandgröße“ geschrieben wird, so soll damit immer insbesondere „kinematische Zustandsgröße“ mitgelesen werden.
Bei einer Drehbewegung eines Rotors eines Elektromotors kann die kinematische Zustandsgröße ein Winkel, eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Winkelbeschleunigung sein.
Die kinematische Zustandsgröße kann beispielsweise ein Ruck sein. Ein Ruck ist die zeitliche Ableitung der Beschleunigung respektive der Winkelbeschleunigung.
Nach einer Ausführungsform können mehrere kinematische Zustandsgrößen vorgesehen sein. Ausführungen im Zusammenhang mit einer kinematischen Zustandsgröße gelten analog für mehrere kinematische Zustandsgrößen und umgekehrt.
Das heißt also insbesondere, dass basierend auf einer Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung und/oder Ruck respektive Winkel und/oder Winkelgeschwindigkeit und/oder Winkelbeschleunigung und/oder Ruck eine zukünftige Position oder zukünftige Positionen des Elements berechnet oder extrapoliert werden können. Dies insbesondere basierend auf der Newtonschen Bewegungsgleichung.
Ausführungen im Zusammenhang mit den Zustandsgrößen Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Ruck im Zusammenhang mit Linearbewegungen gelten analog für Winkel, Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung sowie Ruck im Zusammenhang mit Elektromotoren.
Weiterhin ist vorgesehen dass der Steuerung eine Zeitdauer nach einem Fehler vorgegeben ist oder wird, nach welcher die Positionsabweichung größer oder gleich dem Positionsabweichungsschwellwert ist, wobei die Steuerung ausgebildet ist, eine nach der Detektion des Fehlers und insbesondere vor einer Korrektur des Fehlers abgelaufene Zeit zu messen und die Antriebseinrichtung abzuschalten, wenn die gemessene abgelaufene Zeit größer oder gleich der vorgegebenen Zeitdauer ist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Zeitdauer nach einem Fehler vorgegeben ist oder wird, nach welcher die Positionsabweichung größer oder gleich dem Positionsabweichungsschwellwert ist, und wobei eine nach der Detektion des Fehlers und insbesondere vor einer Korrektur des Fehlers abgelaufene Zeit gemessen wird und die Antriebseinrichtung abgeschaltet wird, wenn die gemessene abgelaufene Zeit größer oder gleich der vorgegebenen Zeitdauer ist.
Eine Korrektur des Fehlers im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet beispielsweise, dass der Fehler beseitigt wurde oder von selbst verschwunden ist. Zum Beispiel können mechanische Schwingungen abgeklungen sein. Zum Beispiel kann eine Übertragung zwischen Gebersystem und Steuerung wieder fehlerlos funktionieren.
Sofern nach der Detektion des Fehlers und vor Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer wieder eine oder mehrere gültige Positionen vorliegen und diese für die Berechnung der ersten Position verwendet wurden, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung im Betrieb gelassen wird, also nicht abgeschaltet wird. Eine gültige Position bezeichnet allgemein insbesondere eine Position, die nicht durch einen Fehler beeinflusst oder verfälscht wurde. Das heißt also insbesondere, dass eine oder mehrere gültige Positionen basierend auf nach der Detektion gemessenen Zustandsgrößen bestimmt oder berechnet und für die Bestimmung der Positionsabweichung, verwendet oder berücksichtigt wurden. Die Zeitmessung kann somit nach einer Ausführungsform nach Detektion des Fehlers bei Vorliegen einer oder mehrerer gültiger Positionen, die insbesondere für die Berechnung der Positionsabweichung mittels Berechnung der ersten Position basierend auf den gültigen Positionen verwendet wurden, gestoppt werden.
Durch das Vorgeben einer solchen Zeitdauer wird in vorteilhafter Weise ein einfaches Mittel bereitgestellt, um sicherzustellen, dass eine Positionsabweichung innerhalb des vorgegebenen Zeitraumes korrigiert wurde. Es reicht hier eine einfache Zeitmessung, die in der Regel sehr genau durchgeführt werden kann. Dadurch werden in vorteilhafter Weise ein Messaufbau und ein entsprechendes Messverfahren weniger aufwendig und fehleranfällig. Da in der Regel im Gebersystem und/oder in der Steuerung interne Zeittaktsignale generiert werden, können diese beispielsweise einfach für eine solche Zeitmessung verwendet werden. Ein messrelevanter Aufwand reduziert sich somit in vorteilhafter Weise.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuerung ausgebildet ist, vor der Detektion des Fehlers eine Position des Elements basierend auf der mittels des Gebersystems gemessenen kinematischen Zustandsgröße des Elements zu bestimmen und die bestimmte Position an die Antriebsregelung zum Regeln des Betriebsparameters basierend auf der bestimmten Position auszugeben, und wobei die Steuerung ausgebildet ist, nach der Detektion des Fehlers eine Position des Elements basierend auf zumindest einer kinematischen Zustandsgröße zu berechnen, die mittels des Gebersystems vor der Detektion des Fehlers gemessen wurde, und die berechnete Position an die Antriebsregelung zum Regeln des Betriebsparameters basierend auf der berechneten Position auszugeben. Vorzugsweise kann die Steuerung ausgebildet sein, die maximal mögliche Positionsabweichung an die Antriebsregelung zum Regeln des Betriebsparameters basierend auf der maximal möglichen Positionsabweichung auszugeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass vor der Detektion des Fehlers eine Position des Elements basierend auf einer gemessenen kinematischen Zustandsgröße des Elements bestimmt wird und an eine Antriebsregelung zum Regeln eines Betriebsparameters der Antriebseinrichtung basierend auf der bestimmten Position ausgegeben wird und wobei nach der Detektion des Fehlers zumindest eine Position des Elements basierend auf zumindest einer kinematischen Zustandsgröße berechnet wird, die vor der Detektion des Fehlers gemessen wurde, und die berechnete Position an die Antriebsregelung zum Regeln des Betriebsparameters der Antriebseinrichtung basierend auf der berechneten Position ausgegeben wird. Vorzugsweise wird die maximal mögliche Positionsabweichung an die Antriebsregelung zum Regeln des Betriebsparameters basierend auf der maximal möglichen Positionsabweichung ausgegeben.
Das heißt also insbesondere, dass vor der Detektion des Fehlers die Position des Elementes basierend auf gemessenen Messwerten bestimmt wird. Nach der Detektion des Fehlers wird die Position des Elements berechnet oder extrapoliert. Dies basierend auf einer kinematischen Zustandsgröße des Elements, die mittels des Gebersystems vor der Detektion des Fehlers gemessen wurde. Es wird also nach der Detektion des Fehlers insbesondere angenommen, dass das Element die vor der Detektion des Fehlers gemessene kinematische Zustandsgröße aufweist. Diese Extrapolation wird insbesondere basierend auf der Newtonschen Bewegungsgleichung durchgeführt. Diese Position wurde weiter oben als die erste Position bezeichnet.
Dadurch also, dass der Antriebsregelung zumindest berechnete Positionen (erste Positionen) zur Verfügung gestellt werden, kann diese weiterhin die Antriebseinrichtung basierend auf den berechneten Positionen regeln. Dies insbesondere solange, bis die maximal mögliche Positionsabweichung (Berechnet basierend auf der ersten und der zweiten Position) größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist, denn dann wird die Antriebseinrichtung abgeschaltet. Somit kann also in vorteilhafter Weise trotz Vorliegens eines Fehlers und gegebenenfalls kurzfristig nicht mehr verfügbarer Messwerte des Gebersystems der Betrieb der Antriebseinrichtung weiter aufrechterhalten werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuerung ausgebildet ist, ein Fehlersignal an die Antriebsregelung zum Abschalten der Antriebseinrichtung auszugeben, wenn die maximal mögliche Positionsabweichung der Position des Elements größer oder gleich dem vorbestimmten Positions-abweichungsschwellwert ist.
Nach noch einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein Fehlersignal an eine Antriebsregelung zum Regeln eines Betriebsparameters der Antriebseinrichtung ausgegeben wird, wenn die Positionsabweichung des Elements größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
Das heißt also insbesondere, dass die Steuerung ein Fehlersignal an die Antriebsregelung ausgibt, wenn die Positionsabweichung der Position des Elements größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist. Die Antriebsregelung schaltet also in Reaktion auf das Fehlersignal die Antriebseinrichtung ab. Somit kann in vorteilhafter Weise einfach und zuverlässig ein Abschalten der Antriebseinrichtung bewirkt werden.
Nach noch einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuerung ausgebildet ist, ein einer Qualität der mittels des Gebersystems gemessenen kinematischen Zustandsgröße entsprechendes Qualitätssignal zu empfangen und zu verarbeiten für eine Entscheidung, ob ein relevanter Fehler vorliegt oder nicht.
Nach noch einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein einer Qualität einer gemessenen kinematischen Zustandsgröße des beweglichen Elements entsprechendes Qualitätssignal empfangen und verarbeitet wird für eine Entscheidung, ob ein relevanter Fehler vorliegt oder nicht.
Das heißt also insbesondere, dass das Gebersystem die gemessene kinematische Zustandsgröße bewertet und mit einem Gütefaktor versieht. Basierend auf diesem Gütefaktor oder dieser Qualität kann dann die Steuerung entscheiden, ob ein Fehler vorliegt oder nicht, also insbesondere, ob das empfangene Zustandsgrößensignal ausreichend gut ist, um basierend darauf die Position des Elements zu bestimmen. Für dieses Bewerten kann das Gebersystem vorzugsweise eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Qualität oder der Güte des Zustandsgrößensignals umfassen. Abhängig von der Qualität oder der Güte gibt die Überwachungseinrichtung das Qualitätssignal aus.
Somit kann ein einziges Gebersystem für eine Vielzahl an Anwendungen verwendet werden, da insbesondere die Entscheidung, ob die gemessenen Zustandgrößen ausreichend sind für eine Positionsbestimmung in der Steuerung vorgenommen wird.
Ein Zustandsgrößensignal im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere eine Information über eine gemessene kinematische Zustandsgröße, also beispielsweise den Wert der gemessenen kinematischen Zustandsgröße.
Ein Qualitätssignal im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere eine Information über eine Qualität oder Güte der gemessenen kinematischen Zustandsgröße, also beispielsweise wie hoch eine Messabweichung der gemessenen Zustandsgröße ist. Ein Qualitätssignal kann beispielsweise die Information umfassen, ob das Zustandsgrößensignal gültig oder nicht gültig, also ungültig, ist, also beispielsweise ob die gemessene Zustandsgröße ausreichend genau gemessen wurde. Das heißt also insbesondere, dass ein gültiges Zustandsgrößensignal zur Positionsbestimmung verwendet werden kann. Ein ungültiges Zustandsgrößensignal wird nicht zur Positionsbestimmung verwendet.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass nach der Detektion des Fehlers ein gültiges Zustandsgrößensignal von dem Gebersystem an die Steuerung übertragen wird. Insbesondere kann die Steuerung das Gebersystem nach einer Zustandsgröße abfragen. Die Steuerung ist also insbesondere ausgebildet, das Gebersystem abzufragen nach einer Zustandsgröße. Dadurch können in vorteilhafter Weise wieder aktuelle und real gemessene Zustandsgrößen für eine Bestimmung der Position des beweglichen Elements zur Verfügung stehen. Das heißt also insbesondere, dass in diesem Fall die Position des Elements basierend auf Messwerten bestimmt werden kann.
Sofern aber keine gültigen Zustandsgrößensignale an die Steuerung übertragen werden können, so wird zumindest sichergestellt, dass die Antriebseinrichtung innerhalb zulässiger Parameter weiter betrieben wird, insbesondere basierend auf den ersten Positionen, solange die Positionsabweichung kleiner dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuerung ausgebildet ist, Übertragungsfehler einer Übertragung eines der mittels des Gebersystems gemessenen kinematischen Zustandsgröße entsprechenden Zustandsgrößensignals zwischen dem Gebersystem und der Steuerung zu erkennen und einen erkannten Übertragungsfehler als Fehler zu klassifizieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein Übertragungsfehler einer Übertragung eines mittels eines Gebersystems gemessenen kinematischen Zustandsgröße des Elements entsprechenden Zustandsgrößensignals zwischen dem Gebersystem und einer Steuerung erkannt und der erkannte Übertragungsfehler als Fehler klassifiziert wird, wobei als Reaktion auf das Erkennen des Übertragungsfehlers die Steuerung die Antriebseinrichtung abschaltet, wenn die Positionsabweichung des Elements größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
Solche Übertragungsfehler können beispielsweise erkannt werden, indem übertragende Signale, beispielsweise Zustandgrö-ßensignale und/oder Qualitätssignale, eine Prüfsumme aufweisen.
Ein erkannter Übertragungsfehler wird als Fehler klassifiziert, so dass dieser Übertragungsfehler als Fehler detektiert wird, um eine Überwachung dahingehend auszulösen, ob die maximal mögliche Positionsabweichung einer Position des Elements größer oder gleich einem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist, also insbesondere, ob die gemessene abgelaufene Zeit nach der Detektion des Übertragungsfehlers und insbesondere vor dessen Ausgleich größer oder gleich der vorgegebenen Zeitdauer ist.
Für die Extrapolation der Position des Elements auf Basis von Messwerten aus der Vergangenheit kann beispielsweise die folgende Extrapolation verwendet werden, wobei diese hier einheitenlos durchgeführt ist: $t = n Δ T, n \in N$
$v (t) = p (t) - p (t - 1)$
$a (t) = v (t) - v (t - 1) = p (t) - 2 p (t - 1) + p (t - 2)$
$\ddot{p} (t + 1) = \frac{1}{2} a (t) + v (t) + p (t)$
Hierbei steht a für die Beschleunigung. v steht für die Geschwindigkeit, t steht für die Zeit, p für die Position. p̈ ist die zweifache zeitliche Ableitung der Position, also die Beschleunigung.
Für die Darstellung der Lösung können drei verschiedene Kanäle oder Übertragungswege zwischen dem Gebersystem und der Steuerung vorgesehen werden:

• p-Kanal: Bei diesem Kanal werden die Positionsinformationen direkt zwischen dem Gebersystem und der Steuerung übertragen. Das heißt also insbesondere, dass jede Übertragung eine Winkelinformation oder eine Positions- oder Ortsinformation umfasst. Das heißt also insbesondere, dass über den p-Kanal Positionssignale übertragen werden.
• ṗ-Kanal: Es werden jeweils nur Positionsänderungen, also eine Geschwindigkeit, zwischen dem Gebersystem und der Steuerung übertragen, wodurch in vorteilhafter Weise Kanalkapazität gespart werden kann. Das heißt also insbesondere, dass über den p-Kanal Geschwindigkeitssignale übertragen werden. Bei der Decodierung oder Bestimmung der Position aus diesen Geschwindigkeitswerten muss in der Regel ein Anfangswertproblem gelöst werden, also insbesondere, wo befand sich das bewegliche Element zum Zeitpunkt t = 0. Dieses Anfangswertproblem stellt sich insbesondere einmal bei jedem Start und bei jedem schwerwiegenden Positionsfehler. Um dieses Anfangswertproblem zu lösen, ist vorzugsweise vorgesehen, einen weiteren Kanal (zum Beispiel einen p-Kanal), zwischen dem Gebersystem und der Steuerung vorzusehen, der in der Lage ist, eine Position als Positionssignal direkt zu übertragen. Dies kann beispielsweise entweder zyklisch mit einer niedrigen Priorität oder vorzugsweise auf Anfrage, insbesondere auf jeden Fall mit bekannter Latenz erfolgen.
• p-Kanal: Es werden nur Geschwindigkeitsänderungen, also Beschleunigungen, zwischen dem Gebersystem und der Steuerung übertragen, wodurch in vorteilhafter Weise weitere Kanalkapazität gespart werden kann. Das heißt also insbesondere, dass über den p-Kanal Beschleunigungssignale übertragen werden. Auch hier muss in der Regel das oben genannte Anfangswertproblem gelöst werden.

Nach einer Ausführungsform kann also ein p-Kanal zwischen dem Gebersystem und der Steuerung gebildet sein. Über den p-Kanal werden Positionssignale übertragen.
Nach einer Ausführungsform kann also ein p-Kanal zwischen dem Gebersystem und der Steuerung gebildet sein. Über den p-Kanal werden Geschwindigkeitssignale übertragen.
Nach einer Ausführungsform kann also ein p-Kanal zwischen dem Gebersystem und der Steuerung gebildet sein. Über den p-Kanal werden Beschleunigungssignale übertragen.
Nach einer Ausführungsform kann die Steuerung ausgebildet sein, das Gebersystem über den p-Kanal nach einer momentanen Position des Elements abzufragen.
Nach einer Ausführungsform kann die Steuerung ausgebildet sein, das Gebersystem über den p-Kanal nach einer momentanen Geschwindigkeit des Elements abzufragen.
Nach einer Ausführungsform kann die Steuerung ausgebildet sein, das Gebersystem über den p-Kanal nach einer momentanen Beschleunigung des Elements abzufragen.
Nach einer Ausführungsform kann das Gebersystem ausgebildet sein, über den p-Kanal zyklisch mit einer vorgegebenen ersten Periode Positionssignale an die Steuerung ohne vorherige Abfrage seitens der Steuerung, also selbständig, zu übertragen.
Nach einer Ausführungsform kann das Gebersystem ausgebildet sein, über den p-Kanal zyklisch mit einer vorgegebenen zweiten Periode Geschwindigkeitssignale an die Steuerung ohne vorherige Abfrage seitens der Steuerung, also selbständig, zu übertragen.
Nach einer Ausführungsform kann das Gebersystem ausgebildet sein, über den p-Kanal zyklisch mit einer vorgegebenen dritten Periode Beschleunigungssignale an die Steuerung ohne vorherige Abfrage seitens der Steuerung, also selbständig, zu übertragen.
Abhängig vom verwendeten Kanal hat die Verfügbarkeit von korrekten Übertragungen unterschiedliche Bedeutungen die sich auf die Fehlerabschätzung auswirken können.
Für den p-Kanal kann sich folgender Fall ergeben:
Sobald ein beliebiger Fehler detektiert wird, der sich auf die Position auswirkt, werden die Positionswerte fortgeschrieben, also extrapoliert oder berechnet. Hierfür wird eine maximale Beschleunigung a_max□ fest vorgegeben sowie eine maximal tolerierbare Positionsabweichung Δp_max□, also den Positionsabweichungsschwellwert, vorgegeben. Zur Verbesserung der Abschätzung kann vorzugsweise auch noch der maximale Ruck j_max□ in die Berechnung oder Extrapolation eingehen.
Die Unsicherheit ergibt insbesondere sich aus der Annahme, dass mit der maximal möglichen Beschleunigung a_max□ entgegen a(t) beschleunigt wird. Demnach gilt für die aktuell mögliche Positionsabweichung in Abhängigkeit der maximalen Beschleunigung Δp_a(t) $Δ p_{a} (t) = 2 (\frac{1}{2} a_{m a x t^{2}}) = a_{m a x t^{2}}$
Oder unter Berücksichtigung des maximalen Rucks und der maximalen Beschleunigung Δp_aj(t) $Δ p_{a j} (t) = 2 (\frac{1}{6} j_{m a x} t^{3}) = \frac{1}{3} j_{m a x} t^{3}$
Werden also die oben beschriebenen Werte angegeben, so kann zu jedem Zeitpunkt t während einer Fehlersituation, also nach einer Detektion eines Fehlers, der maximale Fehler, also die Positionsabweichung, nach oben abgeschätzt oder berechnet werden, um die Fehlersituation zu überbrücken. Sollte der maximale Positionsfehler, also die Positionsabweichung, stets unter der vom Benutzer vorgegebenen Grenze, also dem Positionsabweichungsschwellwert liegen, so bleibt das System, insbesondere die Antriebseinrichtung, im Betrieb, ohne eine Fehlermeldung verarbeiten zu müssen.
Allgemein werden über die Verbindung, also insbesondere den Kanälen, zwischen Gebersystem und Steuerung Positionsinformationen übertragen. Solche Positionsinformationen umfassen insbesondere Positionen, Positionsänderungen (Geschwindigkeit) und Änderungen der Positionsänderungen (Beschleunigung).
Für den p-Kanal kann sich folgender Fall ergeben.
Bei der Übertragung von Positionsänderungen über den p-Kanal muss, wie oben beschrieben, nach jeder fehlerhaften Positionsänderungsübertragung (unabhängig von deren Ursache) das genannte Anfangswertproblem gelöst werden, damit ein konstanter Offset in der Position ausgeglichen werden kann. Dieser Offset entsteht durch die fehlerbehaftete Extrapolation der Position durch die Folge p.
Dieser konstante Offset wird seinerseits durch die im Zusammenhang mit dem p-Kanal angegebenen Gleichungen abgeschätzt und verändert sich nicht, sobald korrekte Geschwindigkeitsinformationen zur Verfügung stehen. Da jede korrekt übertragene und ausgewertete Positionsänderung den Positionsoffset nicht verändert, kann diese Information verwendet werden, um die maximal überbrückbare Zeitspanne zu erweitern, bevor die Antriebseinrichtung abgeschaltet wird. Bei diesem Verfahren ist es sinnvoll, die Dauer der Positionskorrektur zu überwachen, das heißt zusätzlich zu Ap_max□ kann vorzugsweise eine maximale Korrekturzeit t_c angegeben werden, für die Fehler akzeptiert werden.
Dieser Sachverhalt kann mathematisch wie folgt beschrieben werden: $p_{0} + \sum_{n} {\dot{p}}_{n} = \tilde{p}$
Alle x Zyklen Übertragung von p (einer gültigen Position), so dass eine Korrektur von p̃ auf p durchgeführt werden kann. mit:

ṗ_n übertragene Geschwindigkeit
p̃ berechnete Position
p₀ Positionsoffset, wird durch Lösung des Anfangswertproblems bestimmt
p reale Position

Annahme:
Es werden ein oder mehrere Zyklen (n_err) ungültige ṗ_m übertragen: Setze dann ṗ_m = ṗ_m-1bei ungültigen Werten. Es ergibt sich ein Fehler in der Geschwindigkeit P_err zwischen der Berechnung und der realen Bewegung.
Daraus folgt, dass sich ergibt ein Offset-Fehler in p̃ p̃ = p + Δp(ṗ_err,n_err) ergibt.
Bei einer Übertragung einer gültigen Position, kann eine Korrektur von p̃ auf p durchgeführt werden.
Der maximale Fehler in der Position hängt direkt von dem maximal möglichen Fehler ṗ_err ab, welcher sich aus Eigenschaften der realen Bewegung (a_max,j_max)berchnen lässt. Je besser die Eigenschaften der realen Bewegung bekannt sind, desto exakter und somit kleiner kann ṗ_err bestimmt werden.
Bei Berücksichtigung von a_max der realen Bewegung: ${\dot{p}}_{e r r} = 2 a_{m a x} t$
Bei Berücksichtigung von a_max und j_max der realen Bewegung: ${\dot{p}}_{e r r} (t) = min (j_{m a x} \cdot t^{2} {,2a}_{m a x} t) \leq 2 a_{m a x} t$
Für den p-Kanal kann sich folgender Fall ergeben.
Bei der Übertragung von Geschwindigkeitsänderungen treten prinzipiell die gleichen Effekte auf wie im p-Kanal, mit dem Unterschied, dass es einen Offset in der Beschleunigung mit entsprechenden Auswirkungen auf die Position geben kann. Auch hier ist eine entsprechende Überwachung der Positionskorrektur angebracht.
Dieser Sachverhalt kann mathematisch wie folgt beschrieben werden: $v_{0} + \sum_{n} {\ddot{p}}_{n} = \tilde{v}$
$p_{0} + \sum_{n} {\tilde{v}}_{n} = \tilde{p}$
Alle x Zyklen findet eine Übertragung von p (gültige Position) statt, so dass eine Korrektur von p̃ auf p durchgeführt werden kann. Optional findet zusätzlich alle y Zyklen eine Übertragung von v (gültige Geschwindigkeit, also Positionsänderung) statt, so dass eine Korrektur von ṽ auf v durchgeführt werden kann.
mit:

p̈_n übertragene Beschleunigung
ṽ berechnete Geschwindigkeit
p̃ berechnete Position
v₀ Geschwindigkeitsoffset, wird durch Lösung des Anfangswertproblems bestimmt
p₀ Positionsoffset, wird durch Lösung des Anfangswertproblems bestimmt
p reale Position
v reale Geschwindigkeit

Es wird folgende Annahme getroffen:
Es werden ein oder mehrere Zyklen (n_err) ungültige p̈_mübertragen: Setze p̈_m = p̈_m-1 bei ungültigen Werten. Es ergibt sich ein Fehler in der Beschleunigung (p̈_err) zwischen der Berechnung und der realen Bewegung.
Es folgt, dass sich ein Offset-Fehler in ṽ und somit ein linear ansteigender Fehler in p̃ ergibt: $\tilde{p} = p + Δ v ({\ddot{p}}_{e r r}, n_{e r r}) \cdot t .$
Bei einer Übertragung einer gültigen Geschwindigkeit, kann eine Korrektur von ṽ auf v durchgeführt werden, so dass die Steigung von p̃ wieder korrekt berechnet werden kann. Es verbleibt ein Offset-Fehler in p̃: $\tilde{p} = p + Δ p ({\ddot{p}}_{e r r}, n_{e r r}, T)$
Bei einer Übertragung einer gültigen Position, kann eine Korrektur von p̃ auf p durchgeführt werden.
Der maximale Fehler in der Position hängt direkt von dem maximal möglichen Fehler p̈_err ab, welcher sich aus Eigenschaften der realen Bewegung (a_max,j_max) berechnen lässt. Je besser die Eigenschaften der realen Bewegung bekannt sind, desto exakter und somit kleiner kann p̈_err bestimmt werden.
Bei Berücksichtigung von a_max der realen Bewegung: ${\ddot{p}}_{e r r} = 2 a_{m a x}$
Bei Berücksichtigung von a_max und j_max der realen Bewegung: ${\ddot{p}}_{e r r} (t) = min (j_{m a x} \cdot t,2 a_{m a x}) \leq 2 a_{m a x}$
Bei der Übertragung von Geschwindigkeitsänderungen treten prinzipiell die gleichen Effekte auf wie im ṗ-Kanal, mit dem Unterschied, dass es einen Offset in der Beschleunigung mit entsprechenden Auswirkungen auf die Position geben kann. Hier kann entsprechend den im Zusammenhang mit dem ṗ-Kanal gemachten Ausführungen korrekt Übertragene Geschwindigkeitsänderung verwendet werden, um die Überbrückbare Zeitspanne (vorgegebenen Zeitdauer) zu erhöhen. Auch kann eine entsprechende Überwachung der Positionskorrektur vorgesehen sein.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Gebersystem eine Codierungseinrichtung umfasst. Die Codierungseinrichtung ist ausgebildet, ein Positionssignal zu codieren. Ein solches Positionssignal kennzeichnet insbesondere eine Position des Elements und kann beispielsweise mittels einer Positionsbestimmungseinrichtung bereitgestellt werden.
Das codierte Positionssignal kann beispielsweise auch als ein Zustandsgrößensignal bezeichnet werden. Das Zustandsgrößensignal kann vorzugsweise ein Positionssignal, ein Geschwindigkeitssignal oder ein Beschleunigungssignal sein. Das heißt also insbesondere, dass die Codierungseinrichtung basierend auf zugeführten Positionssignalen eine entsprechende Geschwindigkeit und/oder eine entsprechende Beschleunigung, also kinematische Zustandsgrößen, des Elements ermitteln kann und diese Informationen entsprechend in Geschwindigkeitssignale und/oder Beschleunigungssignale codiert.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Gebersystem eine physikalische Schnittstelle aufweist, über welche ein Zustandsgrößensignal und/oder ein Qualitätssignal an die Steuerung übertragen werden kann. Für die Übertragung kann insbesondere eine drahtgebundene Verbindung, zum Beispiel ein Datenkabel, und/oder eine drahtlose Verbindung vorgesehen sein.
In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eine physikalische Schnittstelle aufweist, über die Zustandsgrößensignale und/oder Qualitätssignale des Gebersystems empfangen werden respektive werden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eine Fehlerbehandlungseinrichtung aufweist. An diese wird beispielsweise das Qualitätssignal ausgegeben.
In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eine Decodierungseinrichtung umfasst. An diese werden vorzugweise das Zustandsgrößensignal oder die Zustandsgrößensignale ausgegeben, insbesondere von der physikalischen Schnittstelle der Steuerung.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eine Extrapolationseinrichtung umfasst. An diese werden vorzugsweise das Zustandsgrößensignal oder die Zustandsgrößensignale ausgegeben, insbesondere von der physikalischen Schnittstelle der Steuerung.
Die Decodierungseinrichtung ist nach einer Ausführungsform ausgebildet, aus dem Zustandsgrößensignal die Position des Elements zu decodieren oder zu bestimmen. Beispielsweise kann die Decodierungseinrichtung aus einem Beschleunigungssignal oder aus mehreren Beschleunigungssignalen die Position des Elements bestimmen. Das heißt also insbesondere, dass die Position, die mittels der Decodierungseinrichtung bereitgestellt wird, auf realen Messwerten beruht. Entsprechend kann ein Positionssignal bereitgestellt werden. Dieses kann als ein bestimmtes Positionssignal bezeichnet werden.
In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eine Schaltereinrichtung aufweisend einen Schalter umfasst. Das bestimmte Positionssignal wird vorzugsweise an die Schaltereinrichtung ausgegeben.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Extrapolationseinrichtung ausgebildet ist, insbesondere im Fehlerfall, also vorzugsweise nach der Detektion eines Fehlers, eine Position (erste Position) des Elements für die Zukunft, also ab dem Zeitpunkt der Detektion des Fehlers, zu extrapolieren oder zu berechnen. Dies insbesondere auf den vor der Detektion bereitgestellten Zustandsgrößensignalen. Hierbei werden für die Extrapolation eine oder mehrere Zustandsgrößen des Elements, fest vorgegeben. Das heißt also insbesondere, dass die für die Zukunft, geschätzten, berechneten oder extrapolierten Positionen des Elements auf theoretischen Berechnungen und Annahmen und vor der Detektion des Fehlers gemessenen Zustandsgrößen beruhen. Die Extrapolationseinrichtung ist somit beispielsweise ausgebildet, ein berechnetes oder theoretisches Positionssignal, das der ersten Position entspricht, an die Schaltereinrichtung auszugeben.
Der Schalter der Schaltereinrichtung ist insbesondere ausgebildet, zwischen zwei Zuständen geschaltet zu werden. In einem ersten Schaltzustand wird das Positionssignal, welches auf realen Messwerten beruht, also das bestimmte Positionssignal, an einen Ausgang der Steuerung ausgegeben, so dass das bestimmte Positionssignal an die Antriebsregelung ausgegeben werden kann. Diese kann dann basierend auf diesem Positionssignal die Antriebseinrichtung regeln.
Im Fehlerfall, also nach der Detektion eines Fehlers, schaltet der Schalter in einen zweiten Schalterzustand. Hierbei wird dann aber das berechnete Positionssignal der Extrapolationseinrichtung auf den Ausgang der Steuerung ausgegeben oder aufgeschaltet, so dass hierüber das berechnete Positionssignal der Antriebsregelung zur Verfügung gestellt werden kann. Somit kann die Antriebsregelung basierend auf dem berechneten Positionssignal (entspricht der ersten Position) die Antriebseinrichtung, zum Beispiel einen Elektromotor, regeln.
Obwohl ein Fehler detektiert wurde, bekommt die Antriebsregelung davon also noch nichts mit. Denn die Fehlerbehandlungseinrichtung gibt erst dann ein entsprechendes Fehlersignal aus, wenn nach der Detektion des Fehlers eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist und insbesondere wenn kein gültiges Zustandsgrößensignal vorliegt. Eine solche Zeitdauer gibt an, nach welcher Zeit die Positionsabweichung größer oder gleich dem Positionsabweichungsschwellwert ist.
Das heißt also insbesondere, dass, wenn das Qualitätssignal anzeigt, dass ein ungültiges Positionssignal vorliegt, die Fehlerbehandlungseinrichtung den Schalter der Schaltungseinrichtung in den zweiten Schaltungszustand schaltet. Gleichzeitig misst die Fehlerbehandlungseinrichtung eine Zeit, die nach dem Empfangen des Qualitätssignals abgelaufen ist. Wenn die abgelaufene Zeit der vorgegebenen Zeitdauer entspricht, gibt die Fehlerbehandlungseinrichtung das Fehlersignal an die Antriebsregelung aus. Diese schaltet dann in Reaktion auf das Fehlersignal die Antriebseinrichtung ab.
Das heißt also insbesondere, dass die Steuerung einen Fehler im Betrieb der Antriebseinrichtung vor der Antriebsregelung verbirgt. Dies solange, wie die Positionsabweichung der Position des Elements kleiner als ein vorbestimmter Positionsabweichungsschwellwert ist. Dies kann insbesondere mittels einer Zeitmessung festgestellt werden, wie oben beschrieben. Nach Ablauf der entsprechenden Zeit wird dann ein Fehlersignal an die Antriebsregelung ausgegeben.
Somit ist die Fehlerbehandlungseinrichtung in einer Ausführungsform ausgebildet, den Schalter der Schaltungseinrichtung zu schalten. Dies insbesondere vom ersten in den zweiten Schaltzustand und umgekehrt. Dies insbesondere abhängig von der Fehlerbehandlungseinrichtung zugeführten Fehlersignalen. Sobald insbesondere ein gültiges Zustandsgrößensignal vorliegt, was insbesondere mittels des Qualitätssignals signalisiert wird, schaltet die Fehlerbehandlungseinrichtung den Schalter vom zweiten in den ersten Schaltzustand.
Dieses Schalten von den extrapolierten (erste Position) zu den real gemessenen Positionen (basierend auf gemessenen Zustandsgrößen nach einer Beseitigung oder eines Verschwindens, also Korrektur, des Fehlers) wird vorzugsweise als ein sanfter Übergang durchgeführt. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise, dass es zu keinen abrupten Positionssprüngen kommt. Der Fachmann spricht hier von Überblenden oder verwendet den englischen Begriff „bumpless switch“. Denn in der Regel wird die extrapolierte Position von der ersten gemessenen Position nach der Beseitigung oder nach dem Verschwinden des Fehlers, zum Beispiel, wenn mechanischen Schwingungen abgeklungen sind, abweichen. Der Antriebsregelung wird jetzt aber vorzugsweise gerade nicht diese erste gemessene Position unmittelbar zugeführt. Denn dann könnte es zu Sprüngen in der Antriebsregelung kommen. Vielmehr findet ein sanfter Übergang zwischen der extrapolierten und dieser ersten gemessenen Position statt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen

1 eine Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinrichtung,
2 ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung,
3 ein System zum Betreiben einer Antriebseinrichtung,
4 ein Antriebssystem,
5 eine weiteres Antriebssystem,
6 eine detailliertere Ansicht von Teilkomponenten des Antriebssystems gemäß 5,
7 eine Simulation eines Fehlerszenarios,
8 zeitliche Verläufe von Beschleunigung, Geschwindigkeit, Position eines beweglichen Elements vor und nach einem Auftreten eines Fehlers ohne Berücksichtigung eines Rucks,
9 zeitliche Verläufe einer Beschleunigung, einer Geschwindigkeit und einer Position eines beweglichen Elements vor und nach einem Fehlerfall mit Berücksichtigung eines Rucks,
10 zeitliche Verläufe einer Beschleunigung, einer Geschwindigkeit, einer Position vor und nach einem Fehlerfall ohne Berücksichtigung eines Rucks und
11 zeitliche Verläufe einer Beschleunigung, einer Geschwindigkeit, einer Position eines beweglichen Elements vor und nach einem Fehlerfall ohne Berücksichtigung eines Rucks.

Im Folgenden können für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
1 zeigt eine Vorrichtung 101 zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (nicht gezeigt).
Die Antriebseinrichtung ist ausgebildet, in einem Betrieb ein Element anzutreiben. Hierbei kann es sich um ein Element der Antriebseinrichtung selbst handeln. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung ein Elektromotor sein. Das Element ist dann insbesondere der Rotor oder die Rotorwelle. Insbesondere kann es sich bei der Antriebseinrichtung um einen Linearmotor handeln. Das Element ist dann insbesondere ein Läufer.
Die Vorrichtung 101 umfasst eine Steuerung 103. Die Steuerung 103 ist ausgebildet, zwischen einem Gebersystem zum Messen einer kinematischen Zustandsgröße des Elements und einer Antriebsregelung zum Regeln eines Betriebsparameters der Antriebseinrichtung geschaltet zu werden. Das heißt also insbesondere, dass die Steuerung 103 zwischen der Antriebsregelung und dem Gebersystem geschaltet werden kann. Das heißt also insbesondere, dass dadurch in vorteilhafter Weise Signale von dem Gebersystem an die Steuerung übertragen werden und umgekehrt Signale von der Steuerung an das Gebersystem übertragen werden können. Die Signale des Gebersystems, die an die Steuerung 103 übertragen werden, werden also der Antriebsregelung nicht unmittelbar zur Verfügung gestellt. Die Steuerung 103 ist also ein zwischengeschaltetes Element zwischen der Antriebsregelung und dem Gebersystem.
Die Steuerung 103 ist ferner ausgebildet, bei einer Detektion eines Fehlers während des Betriebs der Antriebseinrichtung die Antriebseinrichtung abzuschalten, wenn eine Positionsabweichung einer Position des Elements größer oder gleich, insbesondere ausschließlich größer, einem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
Hierfür kann beispielsweise die Steuerung 103 ein Fehlersignal an die Antriebsregelung senden. In Reaktion auf das Empfangen des Fehlersignals kann dann die Antriebsregelung die Antriebseinrichtung abschalten. Das heißt also insbesondere, dass die Steuerung 103 die Antriebseinrichtung mittelbar, also mittels der Antriebsregelung ausschalten kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuerung 103 die Antriebseinrichtung unmittelbar, also direkt, abschalten kann.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Antriebseinrichtung.
Die Antriebseinrichtung treibt in einem Betrieb ein Element an, wobei in einem Schritt 201 ein Fehler während des Betriebs der Antriebseinrichtung detektiert wird. In einem Schritt 203 wird nach der Detektion des Fehlers überprüft, ob eine Positionsabweichung einer Position des Elements größer oder gleich einem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
Sofern im Schritt 203 festgestellt wird, dass die Positionsabweichung größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist, so wird in einem Schritt 205 die Antriebseinrichtung abgeschaltet.
Sofern im Schritt 203 festgestellt wird, dass die Positionsabweichung kleiner als der vorbestimmte Positionsabweichungsschwellwert ist, so wird die Antriebseinrichtung gemäß einem Schritt 207 weiter betrieben. Es findet aber kontinuierlich eine Überwachung gemäß dem Schritt 203 dahingehend statt, ob die Positionsabweichung im Laufe der Zeit größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist. Sofern dies der Fall sein sollte, wird gemäß dem Schritt 205 die Antriebseinrichtung abgeschaltet.
3 zeigt ein System 301 zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (nicht gezeigt).
Die Antriebseinrichtung ist ausgebildet, im Betrieb ein Element anzutreiben.
Das System 301 umfasst ein Gebersystem 303 zum Messen einer kinematischen Zustandsgröße des Elements. Ferner umfasst das System 301 die Vorrichtung 101 gemäß 1.
4 zeigt ein Antriebssystem 401.
Das Antriebssystem 401 umfasst eine Antriebseinrichtung 403, die ausgebildet ist, ein Element 404 während eines Betriebs der Antriebseinrichtung 403 anzutreiben. Das Element 404 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel Teil der Antriebseinrichtung 403 und kann beispielweise ein Rotor oder ein Läufer sein.
Ferner ist eine Antriebsregelung 405 vorgesehen, die einen Betriebsparameter der Antriebseinrichtung 403 regeln kann. Bei einem solchen Betriebsparameter kann es sich beispielsweise um eine Drehzahl, eine Spannung, ein Strom, eine Leistung handeln. Insbesondere können mehrere Betriebsparameter geregelt werden. Diese können insbesondere gleich oder vorzugsweise unterschiedlich gebildet sein.
Ferner umfasst das Antriebssystem 401 das System 301 gemäß 3. Hierbei ist die Steuerung 103 zwischen dem Gebersystem 303 und der Antriebsregelung 405 geschaltet. Das Gebersystem 303 misst eine kinematische Zustandsgröße des beweglichen Elements 404.
Signale, insbesondere Positionssignale und/oder Geschwindigkeitssignale und/oder Beschleunigungssignale, des Gebersystems 303 werden an die Steuerung 103 weitergegeben, woraufhin diese dann nach entsprechender Verarbeitung Signale, zum Beispiel Positionssignale und/oder Fehlersignale, an die Antriebsregelung 405 ausgeben kann. Diese kann basierend auf diesen Signalen die Antriebseinrichtung 403 regeln.
5 zeigt ein weiteres Antriebssystem 501.
Das Antriebssystem 501 umfasst eine Antriebseinrichtung 503, die hier der Übersicht halber abgeschnitten dargestellt ist. Bei der Antriebseinrichtung 503 handelt es sich um einen Elektromotor. Dieser Elektromotor 503 treibt eine Rotorwelle 505 als Element an. Eine Position, also insbesondere ein Winkel, der Rotorwelle 505 kann mittels eines Gebersystems 507 erfasst oder gemessen werden.
Das Antriebssystem 501 umfasst ferner eine Antriebsregelung 509, die über einen Leistungstreiber 511 die Antriebseinrichtung 503, also den Elektromotor, regeln kann.
Das Antriebssystem 501 umfasst ferner eine Vorrichtung 513 zum Betreiben des Elektromotors 503. Die Vorrichtung 513 umfasst eine Steuerung 515, die zu 6 noch ausführlicher beschrieben wird. Allgemein ist die Steuerung 515 ausgebildet, zwischen dem Gebersystem 507 und der Antriebsregelung 509 geschaltet zu werden. Insofern ist in dem Antriebssystem 501 die Vorrichtung 513 zwischen dem Gebersystem 507 und der Antriebsregelung 509 geschaltet.
Ferner ist die Steuerung 515 ausgebildet, bei einer Detektion eines Fehlers währende des Betriebs der Antriebseinrichtung 503 die Antriebseinrichtung 503 abzuschalten, wenn eine Positionsabweichung einer Position der Rotorwelle 505 größer oder gleich einem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
Die Vorrichtung 513, die Antriebsregelung 509 und der Leistungstreiber 511 sind in einem Gehäuse 525 angeordnet. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 513, der Leistungstreiber 511 und die Antriebsregelung 509 jeweils in eigenen Gehäusen angeordnet sind oder dass lediglich die Vorrichtung 513 und die Antriebsregelung 509 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind oder dass die Vorrichtung 513 in einem separaten Gehäuse getrennt von der Antriebsregelung 509 und dem Leistungstreiber 511 angeordnet ist. Jegliche mögliche Kombination sei hiermit offenbart.
Zwischen dem Gehäuse 525 und der Antriebseinrichtung 503 ist eine Leitung 523 vorgesehen, wobei ein Stecker 519 an der Antriebseinrichtung 503 vorgesehen ist zum Anstecken der Leitung 523 an der Antriebseinrichtung 503. Die Leitung 523 umfasst ein Verbindungskabel 521 zwischen dem Leistungstreiber 511 und einer hier nicht weiter gezeigten Motorregelung des Elektromotors 503.
Ferner umfasst die Leitung 523 ein weiteres Verbindungskabel 517 zwischen dem Gebersystem 507 und der Vorrichtung 513. Das heißt also insbesondere, dass mittels des weiteren Verbindungskabels 517 Signale von dem Gebersystem 507 an die Steuerung 515 übertragen werden können und umgekehrt. Mittels des Verbindungskabels 517 kann ein p-Kanal und/oder ein p-Kanal und/oder ein p-Kanal gebildet sein. Beispielsweise kann jeder der vorgenannten Kanäle mittels eines eigenen Verbindungskabels zwischen dem Gebersystem 507 und der Steuerung 515 gebildet sein. Dies auch insbesondere ganz allgemein, also losgelöst von dem gemäß 5 gezeigten Ausführungsbeispiel.
6 zeigt das Gebersystem 507 und die Vorrichtung 513 des Antriebssystems 501 der 5 in einer Detailansicht.
Das Gebersystem 507 umfasst eine Positionsbestimmungseinrichtung 601, die ausgebildet ist, einen Winkel der Rotorwelle 505 zu messen oder zu bestimmen. Hierbei kann es sich um einen Absolut- und/oder einen Relativwinkel handeln.
Das entsprechende Positionssignal ist hier symbolisch mit Pfeilen mit den Bezugszeichen 603 gekennzeichnet. Das Positionssignal 603 der Positionsbestimmungseinrichtung 601 wird einer Überwachungseinrichtung 605 zugeführt. Diese Überwachungseinrichtung 605 überwacht eine Qualität oder eine Güte des Positionssignals 603. Abhängig von der Qualität oder der Güte gibt die Überwachungseinrichtung 605 ein Qualitätssignal 607 aus.
Im einfachsten Fall kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Qualitätssignal 607 die Information umfasst, ob es sich bei dem Positionssignal 603 um ein gültiges oder ein nicht gültiges, also ungültiges, Positionssignal handelt. So kann beispielsweise bei einer ungenauen Messung aufgrund von mechanischen Erschütterungen das Positionssignal 603 als ein ungültiges Positionssignal klassifiziert werden.
Des Weiteren wird das Positionssignal 603 einer Codierungseinrichtung 609 zugeführt. Die Codierungseinrichtung 609 codiert das Positionssignal. Das codierte Positionssignal ist exemplarisch mit einem Pfeil mit dem Bezugszeichen 611 gekennzeichnet. Ein solches Signal 611 kann auch als ein Zustandsgrößensignal bezeichnet werden. Es kann ein Positionssignal, ein Geschwindigkeitssignal oder ein Beschleunigungssignal sein. Das heißt also insbesondere, dass die Codierungseinrichtung 609 basierend auf den zugeführten Positionssignalen 603 eine entsprechende Geschwindigkeit und/oder eine entsprechende Beschleunigung, also kinematische Zustandsgrößen, der Rotorwelle 505 ermitteln kann und diese Informationen entsprechend in Geschwindigkeitssignale und/oder Beschleunigungssignale codiert.
Das Zustandsgrößensignal 611 und das Qualitätssignal 607 werden über eine physikalische Schnittstelle 613 auf die Datenverbindung 517 zwischen dem Gebersystem 507 und der Steuerung 515 der Vorrichtung 513 gegeben. Hierbei weist die Steuerung 515 ebenfalls eine physikalische Schnittstelle 613 auf, die die entsprechenden Signale 611 und 607 empfangen kann.
Das Qualitätssignal 607 wird in der Steuerung 515 an eine Fehlerbehandlungseinrichtung 615 ausgegeben.
Das Zustandsgrößensignal 611 wird von der physikalischen Schnittstelle 613 der Steuerung 515 zum einen an eine Decodierungseinrichtung 617 ausgeben. Zum anderen wird das Zustandsgrößensignal 611 von der physikalischen Schnittstelle 613 der Steuerung 515 an eine Extrapolationseinrichtung 621 ausgegeben.
Die Decodierungseinrichtung 617 decodiert aus dem Zustandsgrößensignal 611 die Position der Rotorwelle 505. Beispielsweise kann die Decodierungseinrichtung 617 aus einem Beschleunigungssignal oder aus mehreren Beschleunigungssignalen die Position der Rotorwelle 505 bestimmen. Das heißt also insbesondere, dass die Position, die mittels der Decodierungseinrichtung 617 bereitgestellt wird, auf realen Messwerten beruht.
Ein entsprechendes Positionssignal, das auf diesen gemessenen Werten beruht, ist mit einem Pfeil mit den Bezugszeichen 619 bezeichnet. Dieses Positionssignal 619 wird an eine Schaltereinrichtung 625 ausgegeben, die einen Schalter 627 umfasst.
Die Extrapolationseinrichtung 621 erhält ebenfalls das Zustandsgrößensignal 611. Allerdings ist die Extrapolationseinrichtung 621 ausgebildet, im Fehlerfall eine Position der Rotorwelle 505 für die Zukunft zu extrapolieren oder zu berechnen (erste Position). Dies insbesondere auf den vor dem Fehlerfall bereitgestellten Zustandsgrößensignalen 611. Hierbei werden für die Extrapolation eine oder mehrere Zustandsgrößen des Elements, also hier der Rotorwelle 505, fest vorgegeben. Das heißt also insbesondere, dass die für die Zukunft, also ab dem Fehlerfall, geschätzten, berechneten oder extrapolierten Positionen des Elements, also der Rotorwelle 505, auf theoretischen Berechnungen und Annahmen beruhen.
Insofern gibt die Extrapolationseinrichtung 621 ein berechnetes Positionssignal 623 an die Schaltereinrichtung 625 aus.
Der Schalter 627 der Schaltereinrichtung 625 kann zwischen zwei Zuständen geschaltet werden. In einem Zustand wird das Positionssignal 619, welches auf realen Messwerten beruht, an einen hier nicht näher dargestellten Ausgang 631 der Steuerung ausgegeben, so dass dieses Positionssignal 619 an die Antriebsregelung 509 ausgegeben werden kann. Diese kann dann basierend auf diesem Positionssignal 619 den Elektromotor 503 regeln.
Im Fehlerfall schaltet der Schalter 627 in einen zweiten Schalterzustand. Hierbei wird dann aber das berechnete Positionssignal 623 der Extrapolationseinrichtung 621 auf den Ausgang 631 der Steuerung 515 ausgegeben, so dass hierüber das berechnete Positionssignal 623 der Antriebsregelung 509 zur Verfügung gestellt wird. Somit kann die Antriebsregelung 509 basierend auf dem berechneten Positionssignal 623 den Elektromotor 503 regeln.
Obwohl ein Fehler detektiert wurde, bekommt die Antriebsregelung 509 davon noch nichts mit. Denn die Fehlerbehandlungseinrichtung 615 gibt erst dann ein entsprechendes Fehlersignal 629 aus, wenn nach der Detektion des Fehlers eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist und der Fehler nicht innerhalb dieser Zeitdauer behoben wurde. Eine solche Zeitdauer gibt an, nach welcher Zeit die maximal mögliche Positionsabweichung größer oder gleich dem Positionsabweichungsschwellwert sein kann.
Das heißt also insbesondere, dass, wenn das Qualitätssignal 607 anzeigt, dass ein ungültiges Positionssignal 611 vorliegt, die Fehlerbehandlungseinrichtung 615 den Schalter 627 der Schaltungseinrichtung 625 in den zweiten Schaltungszustand schaltet. Gleichzeitig misst die Fehlerbehandlungseinrichtung 615 eine Zeit, die nach dem Empfangen des Qualitätssignals 607 abgelaufen ist. Wenn die abgelaufene Zeit der vorgegebenen Zeitdauer entspricht, gibt die Fehlerbehandlungseinrichtung 615 das Fehlersignal 629 an die Antriebsregelung 509 aus. Diese schaltet dann in Reaktion auf das Fehlersignal 629 den Elektromotor 503 ab.
Das heißt also insbesondere, dass die Steuerung 515 einen Fehler im Betrieb des Elektromotors 503 vor der Antriebsregelung 509 verbirgt. Dies solange, wie die Positionsabweichung der Position der Rotorwelle 505 kleiner als ein vorbestimmter Positionsabweichungsschwellwert ist. Dies kann insbesondere mittels einer Zeitmessung festgestellt werden, wie oben beschrieben. Nach Ablauf der entsprechenden Zeit wird dann ein Fehlersignal an die Antriebsregelung 509 ausgegeben.
7 zeigt eine Simulation eines ausgewählten Fehlerszenarios.
Gezeigt ist ein Graph. Aufgetragen ist die maximal mögliche Abweichung der errechneten Winkelposition von der tatsächlichen Winkelposition delta p in Grad (°) eines Elements, beispielsweise einer Rotorwelle, über die Zeit t in Sekunden. Zum Zeitpunkt t = 0 wurde ein Fehler detektiert: Beispielsweise ein Übertragungsfehler zwischen Gebersystem und Steuerung oder ein Messfehler bei der Positionsbestimmung des Elements mittels des Gebersystems.
Die Kurve mit dem Bezugszeichen 701 kennzeichnet einen theoretisch berechneten Verlauf der maximal möglichen Abweichung der Winkelposition der Motorwelle. Dies, wenn angenommen wird, dass eine maximale Beschleunigung (a_max), also eine Winkelbeschleunigung, fest vorgegeben ist, die die Motorwelle in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Entgegengesetzt bezogen auf die Richtung, in der sich die Rotorwelle vor dem Zeitpunkt t = 0 gedreht hat.
Die Kurve mit dem Bezugszeichen 702 kennzeichnet einen entsprechenden Winkelabweichungsverlauf der Rotorwelle analog zu der Kurve 701. Hierbei ist aber zusätzlich zur maximalen Beschleunigung noch ein maximaler Ruck (j_max) berücksichtigt. Der Zeitpunkt t1 kennzeichnet einen Zeitpunkt, an dem eine maximale Positionsabweichung zwischen der theoretisch berechneten Position und der realen Position größer einem Grad ist im Fall, wenn nur die maximale mögliche Beschleunigung ohne Ruck berücksichtigt wird.
Der Zeitpunkt t2 kennzeichnet die Zeit, ab welcher die maximale Positionsabweichung zwischen realer und theoretisch berechneter Position größer als ein Grad ist bei Berücksichtigung der maximalen Beschleunigung und des Rucks.
Wie ersichtlich, liegt der Zeitpunkt t2 nach dem Zeitpunkt t1. Das heißt also insbesondere, dass, wenn der Ruck in der Berechnung oder Extrapolation berücksichtigt wird, eine Positionsabweichung für eine längere Zeit unter einem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert (Δp_max), hier im vorliegenden Beispiel ein Grad, liegt. Durch Berücksichtigung des Rucks kann somit in vorteilhafter Weise im Fehlerfall die Rotorwelle länger angetrieben werden im Vergleich zum Fall, in dem nur die Beschleunigung, nicht aber noch zusätzlich der Ruck berücksichtigt wird.
Den Kurven gemäß 7 liegen insbesondere folgende Zahlen zugrunde:

• $a_{m a x} = 4 \cdot \frac{10^{3} r a d}{s^{2}}$
• $j_{m a x} = 2,8 \cdot \frac{10^{7} r a d}{s^{3}}$
• $Δ t = 15, 625 μ s$
• $Δ p_{m a x} = 1^{a} = \frac{2 π}{360} r a d$

Abhängig davon, ob der Ruck noch zusätzlich berücksichtigt wird oder nicht, können unterschiedlich lange Zeiten ohne valide aktuelle Position t_e überbrückt werden.

• Bei einer Positionsschätzung oder Positionsextrapolation ausschließlich auf Basis der Beschleunigung kann eine Zeit von t1 ≈ 2 ms ohne valide Position überbrückt werden, bevor die Rotorwelle gestoppt wird. Das entspricht beispielsweise 133 Übertragungszyklen, die das Gebersystem für eine Wiederherstellung einer korrekten Position zur Verfügung hat.
• Bei einer Positionsschätzung oder Positionsextrapolation unter Berücksichtigung von Ruck und Beschleunigung kann eine Zeit von t2 ≈ 4,7 ms ohne valide Position überbrückt werden, bevor die Rotorwelle gestoppt wird. Das entspricht beispielsweise 303 Übertragungszyklen, die das Gebersystem für eine Wiederherstellung einer korrekten Position zur Verfügung hat.

Für dieses konkrete Beispiel stehen dem Gebersystem 133 respektive 303 Übertragungszyklen zur Verfügung, um geordnete Verhältnisse, also insbesondere die Übertragung von gültigen Zustandsgrößensignalen, wiederherzustellen. Innerhalb dieser Zeitspannen sind mechanische Schwingungen an Maschinen typischerweise abgeklungen, und auch andere, reversible Fehler sollten behandelt werden können. Im Stand der Technik wäre die Rotorwelle aber bereits nach der Detektion eines Fehlers gestoppt worden.
Das Verfahren lässt sich beispielsweise auf zwei Wegen implementieren: a priori oder dynamisch

• A priori: Betrachtet man die Gleichungen im Zusammenhang mit den Kanälen, so enthalten diese ausschließlich Konstanten und die Zeit als Variable. Durch geeignete Lösung der simplen Gleichung Δp < Δp_max□ für eine Extrapolation kann a priori eine Zeit t_e bestimmt werden, innerhalb derer vom Gebersystem eine korrekte Position signalisiert werden muss. Diese Zeit muss entweder allgemein für die Grenzen eines Antriebsregler-Motorsystems (Antriebssystem) oder aber spezifisch für eine Applikation bestimmt werden. Bei der Lösung für eine spezifische Applikation sind die überbrückbaren Zeiten größer oder gleich der allgemeinen Lösung, da die Vorgaben für a_max□ und j_max□ immer kleiner oder gleich denen des allgemeinen Falls sein müssen.
• Bei einer Implementierung in einer schnell laufenden Task werden die möglichen Fehler mit jedem Zyklus aufsummiert und mit der vorgegebenen Schwelle verglichen. Dieses Verfahren hat im Falle eines p- oder p-Kanals den Vorteil, dass die im Zusammenhang mit dem p- und dem p-Kanal gemachten Ausführungen beschriebenen Zusatzinformationen (zum Beispiel das Anfangswertproblem) genutzt werden können, um die überbrückbare Zeit (t_c) weiter ausdehnen zu können. Daher wird hier t_c > t_e gewählt.

Die Erfindung ermöglicht es somit in vorteilhafter Weise, einen normalen Betrieb eines Antriebssystems in vielen Fällen aufrechtzuerhalten, in denen sie bei normaler Fehlerbehandlung ausfallen würden. Das gilt insbesondere für Maschinen oder Antriebssysteme, bei denen es aufgrund ihrer Konstruktion oder ihrer Funktionsweise zu starken mechanischen Schocks und Schwingungen kommen kann. Genauso können auf diese Weise zahlreiche Übertragungsfehler, etwa wegen einer ungünstigen Kabelkonfektion oder schlecht geschirmten Steckern überbrückt werden. Gebersysteme, die, wie zum Beispiel im Falle der Einkabeltechnologie von Hiperface DSL, attraktive Vorteile im Anwendungsfall, aber auch prinzipbedingt Nachteile hinsichtlich des Fehlerhandlings haben, können einem breiteren Anwendungsspektrum geöffnet werden. Damit werden insbesondere auch aufwändige mechanische Konstruktionen zur Schockabsorption unnötig.
8 bis 11 zeigen jeweils zeitliche Verläufe einer Beschleunigung a, einer Geschwindigkeit v und einer Position p eines Elements, beispielsweise eines Läufers oder einer Rotorwelle. Aufgetragen ist auf der X-Achse, also auf der Abszisse, die Zeit t in willkürlichen Einheiten. Auf der Y-Achse, also auf der Ordinate, die entsprechenden Werte für die Beschleunigung, für die Geschwindigkeit und für die Position in willkürlichen Einheiten.
Wenn eine Kurve mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist, so kennzeichnet sie den realen Verlauf. Eine gestrichelte Darstellung kennzeichnet, dass hier eine Extrapolation oder theoretische Berechnung für die Kurve stattgefunden hat.
Die Kurve mit dem Bezugszeichen 801 kennzeichnet den zeitlichen Verlauf der Beschleunigung. Die Kurve mit dem Bezugszeichen 803 kennzeichnet den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit. Die Kurve mit dem Bezugszeichen 805 kennzeichnet den zeitlichen Verlauf der Position, also beispielsweise einer Winkelposition im Fall eines Rotors eines Elektromotors oder einer X-, Y-, Z-Position im Fall eines Läufers eines Linearmotors.
Der Zeitpunkt tp kennzeichnet einen Zeitpunkt, zu dem eine gültige Position vom Gebersystem an die Steuerung übertragen wird. Der Zeitpunkt tf kennzeichnet den Zeitpunkt, zu dem ein Fehler auftritt, also zu dem dann eine Extrapolation basierend auf vergangenen Messwerten und fest vorgegebenen Zustandsgrößen stattfindet. Der Zeitpunkt tv kennzeichnet den Zeitpunkt, zu dem ein gültiger Geschwindigkeitswert übertragen wird vom Gebersystem an die Steuerung. Der Zeitpunkt ta kennzeichnet den Zeitpunkt, an dem vom Gebersystem an die Steuerung ein gültiger Beschleunigungswert übertragen wird.
In 8 wurde für die Extrapolation der Ruck nicht berücksichtigt. In 9 wurde der Ruck berücksichtigt bei der Extrapolation. In den 10 und 11 wurde der Ruck nicht berücksichtigt.
Wenn gemäß 10 vor der Übertragung einer gültigen Position eine gültige Geschwindigkeit übermittelt wird, so kann eine Positionsabweichung verringert werden, da nun wieder ein gültiger Geschwindigkeitswert zur Verfügung steht und der zeitliche Verlauf der Geschwindigkeit nun nicht mehr extrapoliert werden muss.
Analog gilt dies für die 11, die zeigt, dass ein gültiger Beschleunigungswert vor der Übertragung einer gültigen Position vom Gebersystem an die Steuerung übermittelt wurde. Somit kann die Extrapolation nicht mehr basierend auf theoretisch berechneten Beschleunigungen oder einer fest vorgegebenen Beschleunigung durchgeführt werden, sondern auf einem realen Messwert. Dies führt dann in vorteilhafter Weise dazu, dass sich die theoretisch berechnete Position der Rotorwelle wieder der realen Position annähert.
Zusammenfassend umfasst also die Erfindung insbesondere den Gedanken, den Betrieb einer Antriebseinrichtung nach Detektion eines Fehlers solange aufrechtzuerhalten, bis eine theoretisch berechnete Position des Elements einen Positionsfehler oder eine Positionsabweichung aufweist, die größer oder gleich einem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist. Dies kann insbesondere mittels einer Zeitmessung festgestellt werden. Die Antriebseinrichtung wird nach der Detektion des Fehlers basierend auf theoretisch berechneten Positionen des Elements betrieben. Dies solange, bis ein gültiger Positionswert wieder zur Verfügung steht oder bis die Positionsabweichung größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.

Claims

Vorrichtung (101, 513) zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (403, 503), die ausgebildet ist, im Betrieb ein Element (505) anzutreiben, umfassend eine Steuerung (103, 515), die zwischen einem Gebersystem (303, 507) zum Messen einer kinematischen Zustandsgröße des Elements (505) und einer Antriebsregelung (405, 509) zum Regeln eines Betriebsparameters der Antriebseinrichtung (403, 503) schaltbar ist, wobei ein Zustandsgrößensignal, das eine Information über eine gemessene kinematische Zustandsgröße umfasst, vom Gebersystem (303, 507) zur Steuerung ((103, 515) übertragen wird, wobei die Steuerung (103, 515) ausgebildet ist, aus dem Zustandsgrößensignal einen Positionswert des Elements zu bestimmen, wobei die Steuerung (103, 515) weiter ausgebildet ist, das Zustandsgrößensignal und dessen Übertragung zu bewerten und bei einer Detektion eines positionsrelevanten Fehlers bei der Bewertung nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers eine Position des Elements (505) durch eine Fortschreibung der bereits bestimmten Positionswerte des Elements mittels einer Extrapolation zu ermitteln, wobei von der Steuerung (103, 515) eine Zeitdauer nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers bestimmt und vorgegeben wird, nach welcher die Positionsabweichung größer oder gleich einem Positionsabweichungsschwellwert ist, wobei die Steuerung (103, 515) ausgebildet ist, eine Zeit nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers und vor einer Korrektur des positionsrelevanten Fehlers abgelaufene Zeit zu messen, und die Antriebseinrichtung (403, 503) abzuschalten, wenn die gemessene abgelaufene Zeit größer oder gleich der vorgegebenen Zeitdauer ist.
Vorrichtung (101, 513) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (103, 515) ausgebildet ist, vor der Detektion des positionsrelevanten Fehlers eine Position des Elements (505) basierend auf der mittels des Gebersystems (303, 507) gemessenen kinematischen Zustandsgröße des Elements (505) zu bestimmen und die bestimmte Position an die Antriebsregelung (405, 509) zum Regeln des Betriebsparameters basierend auf der bestimmten Position auszugeben, und wobei die Steuerung (103, 515) ausgebildet ist, nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers eine Position des Elements (505) basierend auf zumindest einer kinematischen Zustandsgröße zu berechnen, die mittels des Gebersystems vor der Detektion des Fehlers gemessen wurde, und die berechnete Position an die Antriebsregelung (405, 509) zum Regeln des Betriebsparameters basierend auf der berechneten Position auszugeben.
Vorrichtung (101, 513) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerung (103, 515) ausgebildet ist, ein Fehlersignal(629) an die Antriebsregelung (405, 509) zum Abschalten der Antriebseinrichtung (403, 503) auszugeben, wenn die Positionsabweichung der Position des Elements (505) größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
Vorrichtung (101, 513) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerung (103, 515) ausgebildet ist, ein eine Qualität der mittels des Gebersystems (303, 507) gemessenen Zustandsgröße entsprechendes Qualitätssignal (607) zu empfangen und zu verarbeiten für eine Entscheidung, ob ein positionsrelevanter Fehler vorliegt oder nicht.
Vorrichtung (101, 513) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerung (103, 515) ausgebildet ist, Übertragungsfehler bei der Übertragung des Zustandsgrößensignals (611) zwischen dem Gebersystem (303, 507) und der Steuerung (103, 515) zu erkennen und einen erkannten Übertragungsfehler als positionsrelevanten Fehler zu klassifizieren.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (403, 503), die im Betrieb ein Element (505) antreibt, umfassend eine Steuerung (103, 515), wobei ein Zustandsgrößensignal, das eine Information über eine gemessene kinematische Zustandsgröße umfasst, von einem Gebersystem (303, 507) zur Steuerung ((103, 515) übertragen wird, wobei die Steuerung (103, 515) aus dem das Zustandsgrößensignal einen Positionswert des Elements bestimmt, wobei die Steuerung (103, 515) das Zustandsgrößensignal und dessen Übertragung bewertet und bei einer Detektion (201) eines positionsrelevanten Fehlers bei der Bewertung nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers eine Position des Elements durch eine Fortschreibung der bereits bestimmten Positionswerte des Elements mittels einer Extrapolation ermittelt, wobei eine Zeitdauer nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers bestimmt und vorgegeben wird, nach welcher die Positionsabweichung größer oder gleich einem Positionsabweichungsschwellwert ist, und wobei eine nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers und vor einer Korrektur des positionsrelevanten Fehlers abgelaufene Zeit gemessen wird, und die Antriebseinrichtung (403, 503) abgeschaltet wird, wenn die gemessene abgelaufene Zeit größer oder gleich der vorgegebene Zeitdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei vor der Detektion des positionsrelevanten Fehlers eine Position des Elements (505) basierend auf einer gemessenen kinematischen Zustandsgröße des Elements (505) bestimmt wird und an eine Antriebsregelung (405, 509) zum Regeln eines Betriebsparameters der Antriebseinrichtung (403, 503) basierend auf der bestimmten Position ausgegeben wird und wobei nach der Detektion des positionsrelevanten Fehlers zumindest eine Position des Elements (505) basierend auf zumindest einer kinematischen Zustandsgröße berechnet wird, die vor der Detektion des Fehlers gemessen wurde, und die berechnete Position an die Antriebsregelung (405, 509) zum Regeln des Betriebsparameters der Antriebseinrichtung (403, 503) basierend auf der berechneten Position ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Fehlersignal (629) an eine Antriebsregelung (405, 509) zum Regeln eines Betriebsparameters der Antriebseinrichtung (403, 503) ausgegeben wird, wenn die Positionsabweichung des Elements (505) größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein eine Qualität einer gemessenen Zustandsgröße des beweglichen Elements (505) entsprechendes Qualitätssignal (607) empfangen und verarbeitet wird für eine Entscheidung, ob ein positionsrelevanter Fehler vorliegt oder nicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein Übertragungsfehler einer Übertragung des Zustandsgrößensignals (611) zwischen dem Gebersystem (303, 507) und einer Steuerung (103, 515) erkannt und der erkannte Übertragungsfehler als positionsrelevanten Fehler klassifiziert wird, wobei als Reaktion auf das Erkennen des Übertragungsfehlers die Steuerung (103, 515) die Antriebseinrichtung (403, 503) abschaltet, wenn die Positionsabweichung des Elements (505) größer oder gleich dem vorbestimmten Positionsabweichungsschwellwert ist.
System (301) zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (403, 503), die ausgebildet ist, im Betrieb ein Element (505) anzutreiben, umfassend ein Gebersystem (303, 507) und eine Vorrichtung (101, 513) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Antriebseinrichtung (403, 503) eine Linearmotor ist und beim Ermitteln der Position des Elements durch die Fortschreibung der bereits bestimmten Positionswerte des Elements mittels der Extrapolation auf der Grundlage einer Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung und/oder Ruck extrapoliert wird.
System (301) zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (403, 503), die ausgebildet ist, im Betrieb ein Element (505) anzutreiben, umfassend ein Gebersystem (303, 507) und eine Vorrichtung (101, 513) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Antriebseinrichtung (403, 503) eine Elektromotor ist und beim Ermitteln der Position des Elements durch die Fortschreibung der bereits bestimmten Positionswerte des Elements mittels der Extrapolation auf der Grundlage eines Winkels und/oder Winkelgeschwindigkeit und/oder Winkelbeschleunigung und/oder Ruck extrapoliert wird..
Computerprogramm, umfassend Programmcode zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird.