DE102015209574A1

DE102015209574A1 - Method for determining operating variables of an actuator, drive device and actuator with positionable element

Info

Publication number: DE102015209574A1
Application number: DE102015209574.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wahler; Richard Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-12-01
Also published as: WO2016188975A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Betriebsgrößen eines Aktors (200) mit positionierbarem Element (210), das mittels eines Elektromotors (220) bewegbar ist, wobei eine Betriebsgröße des Elektromotors (220) und eine Betriebsgröße des Elements (210) erfasst werden, und wobei aus der Betriebsgröße des Elektromotors (220) eine der Betriebsgröße des Elements (210) entsprechende Vergleichsgröße ermittelt wird, sowie eine Ansteuervorrichtung (205) für einen solchen Aktor (200) und einen solchen Aktor (200).The invention relates to a method for determining operating variables of an actuator (200) with a positionable element (210) which is movable by means of an electric motor (220), wherein an operating variable of the electric motor (220) and an operating variable of the element (210) are detected, and wherein a comparison variable corresponding to the operating variable of the element (210) is determined from the operating variable of the electric motor (220), and a drive device (205) for such an actuator (200) and such an actuator (200).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Betriebsgrößen eines Aktors mit positionierbarem Element wie bspw. einer elektromechanischen oder elektrohydraulischen Achse, eine Ansteuervorrichtung für einen Aktor mit positionierbarem Element und einen solchen Aktor. The present invention relates to a method for determining operating variables of an actuator with a positionable element such as, for example, an electro-mechanical or electro-hydraulic axis, a drive device for an actuator with a positionable element and such an actuator.

Stand der Technik State of the art

Bei einer elektrohydraulischen Achse handelt es sich um einen hydraulischen Antrieb mit einem Motor, einer hydraulischen Pumpe und einem hydraulischen Zylinder, bei dem eine elektrische bzw. elektronische Regelung bspw. der Position des Zylinders bzw. dessen Kolbens möglich ist. Solche elektrohydraulische Achsen werden bspw. für sog. Tiefziehpressen, Spritzgießmaschinen oder aber auch bei anderen Umformtechnikmaschinen verwendet. Ebenso gibt es elektromechanische Achsen, bei denen die Achse über den Motor und ein Getriebe angetrieben wird. An electro-hydraulic axle is a hydraulic drive with a motor, a hydraulic pump and a hydraulic cylinder, in which an electrical or electronic control, for example, the position of the cylinder or its piston is possible. Such electro-hydraulic axes are used, for example, for so-called. Deep drawing presses, injection molding machines or even in other forming machines. Likewise, there are electromechanical axles where the axle is driven by the engine and a gearbox.

An Maschinen, bei denen eine Achse in Bewegung versetzt werden kann, werden in der Regel hohe Sicherheitsanforderungen gestellt. Bspw. kann vorgesehen sein, die Achse im Bedarfsfall stillsetzen zu können und die Achse in ihrer Ist-Position zu halten. Solche Bedarfsfälle können bspw. sein, dass eine Bedienperson der sich bewegenden Achse zu nahe kommt, dass der Gefahrenbereich durch Bedienpersonal an Handarbeitsplätzen betreten werden muss, usw. Bei bestimmten Betriebsarten wie bspw. einem Einrichtbetrieb muss bspw. eine Geschwindigkeit der Achse sicher begrenzt werden können. On machines where an axle can be set in motion, high safety requirements are usually imposed. For example. can be provided to shut down the axis in case of need and to keep the axle in its actual position. Such needs may be, for example, that an operator comes too close to the moving axis, that the danger zone must be entered by operators at manual workplaces, etc. In certain operating modes such as a set-up operation, for example, a speed of the axis must be safely limited ,

Die Sicherheitsanforderungen, insbesondere hinsichtlich der Messung von Ist-Position und/oder Ist-Geschwindigkeit solcher Achsen werden zunehmend höher. Dies ergibt sich insbesondere aus neuen Maschinenkonzepten, die höhere Anforderungen an die Maßnahmen zur Risikoreduzierung haben. Daraus ergeben sich hohe Safety Integrity Level (SIL), die einschlägigen Vorschriften wie bspw. der DIN EN 61508 , zu entnehmen. Insbesondere werden daher hohe Sicherheitsanforderungen bspw. hinsichtlich Ausfallsicherheit an die verwendeten Messgeräte wie bspw. Sensoren und dergleichen gestellt. Je höher die geforderte Sicherheitsstufe (SIL) ist, desto teurer werden allerdings die entsprechenden Messgeräte. Eine alternative Lösung wäre zwar, anstatt einem Messgerät mit hohem SIL zwei Messgeräte für die relevante Größe mit einem geringeren SIL zu kombinieren, um dennoch die geforderte Sicherheitsstufe zu erreichen. Aber auch ein zweites Messgerät verursacht weitere Kosten. The safety requirements, in particular with regard to the measurement of actual position and / or actual speed of such axes, are becoming increasingly higher. This results in particular from new machine concepts, which have higher requirements for risk reduction measures. This results in high Safety Integrity Level (SIL), the relevant regulations such as DIN EN 61508 , refer to. In particular, therefore, high security requirements are made, for example, with regard to failure safety of the measuring devices used, such as, for example, sensors and the like. However, the higher the required safety level (SIL), the more expensive the corresponding measuring devices become. An alternative solution would be to combine two meters of the relevant size with a lower SIL, rather than a high-SIL instrument, to still achieve the required level of safety. But even a second meter causes further costs.

Es ist daher wünschenswert, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur sicheren Ermittlung von Betriebsgrößen bei einem Aktor mit positionierbarem Element, das mittels eines Elektromotors bewegbar ist, anzugeben. It is therefore desirable to provide a simple and cost-effective possibility for the reliable determination of operating variables in an actuator with a positionable element which is movable by means of an electric motor.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebsgrößen, eine Ansteuervorrichtung sowie ein Aktor mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. According to the invention, a method for determining operating variables, a drive device and an actuator with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln von Betriebsgrößen eines Aktors mit positionierbarem Element, das mittels eines Elektromotors bewegbar ist. Dabei werden eine Betriebsgröße des Elektromotors und eine Betriebsgröße des Elements erfasst, und aus der Betriebsgröße des Elektromotors wird eine der Betriebsgröße des Elements entsprechende Vergleichsgröße ermittelt. An inventive method is used to determine operating variables of an actuator with positionable element that is movable by means of an electric motor. In this case, an operating variable of the electric motor and an operating variable of the element are detected, and from the operating variable of the electric motor, a comparison variable corresponding to the operating variable of the element is determined.

Die Erfindung macht sich zunutze, dass bei Aktoren mit positionierbarem Element neben einem Messgerät für eine Betriebsgröße des Elements auch ein Messgerät für eine Betriebsgröße des Elektromotors vorgesehen ist, das bspw. zur ordnungsgemäßen Ansteuerung des Elektromotors genutzt wird. Wenn nun aus der Betriebsgröße des Elektromotors eine Vergleichsgröße ermittelt wird, die den gleichen Informationsgehalt wie die Betriebsgröße des Elements umfasst, stehen zwei, auf verschiedenem Wege gewonnene und vor allem auf verschiedenen Quellen beruhende Werte für die Betriebsgröße des positionierbaren Elements zur Verfügung. Bspw. kann dann also trotz eines Messgeräts für das Element mit geringerer Sicherheitsstufe durch Kombination mit der Vergleichsgröße ein Signal mit höherer Sicherheitsstufe betreffend die Betriebsgröße des Elements gewonnen werden. Ein zusätzliches Messgerät am Element oder ein teureres Messgerät mit höherer Sicherheitsstufe ist daher nicht nötig. The invention makes use of the fact that in actuators with a positionable element in addition to a measuring device for an operating variable of the element, a measuring device for an operating variable of the electric motor is provided which, for example, is used for proper control of the electric motor. If, from the operating variable of the electric motor, a comparison variable is determined which comprises the same information content as the operating variable of the element, two values for the operating variable of the positionable element which are obtained in different ways and, above all, based on different sources, are available. For example. Thus, in spite of a measuring device for the element with a lower safety level, a signal with a higher safety level regarding the operating variable of the element can then be obtained by combination with the comparison variable. An additional measuring device on the element or a more expensive measuring device with a higher safety level is therefore not necessary.

Vorzugsweise wird aus der Betriebsgröße des Elektromotors die Vergleichsgröße mittels eines regelungstechnischen Beobachters, eines Streckenmodells und/oder einer Wichtung ermittelt. Auf diese Weise kann die Vergleichsgröße im Sinne eines erwarteten Verhaltens des Elements besonders einfach und vor allem genau ermittelt werden. Hierzu kann bspw. ein dynamisches Modell für ein Streckenmodell oder einen Beobachter verwendet werden, für welches Modell eine Übertragungsfunktion ermittelt werden kann, welche aus einer oder mehreren Eingangsgrößen einen oder mehrere Ausgangswerte ermittelt. Eine solche Übertragungsfunktion kann bspw. als Berechnungsalgorithmus in einer Recheneinheit implementiert werden. Je nach verwendeter Art des Aktors kann möglicherweise auch eine einfache Wichtung zur Ermittlung der Vergleichsgröße ausreichend sein, so bspw. bei einer elektromechanischen Achse. The comparison variable is preferably determined from the operating variable of the electric motor by means of a control-technical observer, a system model and / or a weighting. In this way, the comparison variable in the sense of an expected behavior of the element can be determined particularly easily and above all accurately. For this purpose, for example, a dynamic model for a distance model or an observer can be used for which model a transfer function can be determined which determines one or more output values from one or more input variables. Such a transfer function can, for example, as a calculation algorithm in a Arithmetic unit to be implemented. Depending on the type of actuator used, a simple weighting may also be sufficient to determine the comparison quantity, for example, in the case of an electromechanical axis.

Vorteilhafterweise werden bei dem regelungstechnischen Beobachter, dem Streckenmodell bzw. der Wichtung Kenngrößen des Aktors berücksichtigt. Damit lässt sich eine möglichst genaue Vorausberechnung der Vergleichsgröße erreichen. Relevante Kenngrößen oder Parameter sind bspw. im Falle eines als elektrohydraulische Achse ausgebildeten Aktors ein Pumpenfördervolumen, Abmessungen von Rohren und Schläuchen, Abmessungen von hydraulischen Zylindern und dergleichen. Bei elektromechanischen Achsen können hier bspw. Getriebeübersetzungen und dergleichen relevant sein. Advantageously, parameters of the actuator are taken into account in the control-technical observer, the system model or the weighting. This allows the most accurate prediction of the comparison variable. Relevant characteristics or parameters are, for example, in the case of an actuator designed as an electrohydraulic axis, a pump delivery volume, dimensions of tubes and hoses, dimensions of hydraulic cylinders, and the like. In the case of electromechanical axes, gear ratios and the like may be relevant here, for example.

Es ist von Vorteil, wenn die Betriebsgröße des Elements gegen die Vergleichsgröße plausibilisiert wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache Überprüfung der gemessenen Werte des Elements ohne zusätzliche Hardware. It is advantageous if the operating size of the element is made plausible against the comparison quantity. This allows a particularly simple check of the measured values of the element without additional hardware.

Vorzugsweise wird anhand der Betriebsgröße des Elements und der Vergleichsgröße eine zweikanalige Überwachung des Aktors durchgeführt. Eine solche zweikanaligen Überwachung bedeutet hierbei, dass die relevanten Größen auf zwei voneinander getrennten Kanälen bzw. Wegen bereit gestellt werden und/oder von zwei verschiedenen Quellen stammen, wie dies auch eingangs bereits erwähnt wurde. Bspw. kann somit ein sicherer Betrieb des Aktors gewährleistet werden, indem im Rahmen einer solchen Überwachung bspw. der Betrieb des Aktors und somit auch des positionierbaren Elements gestoppt wird, falls eine Differenz der beiden Betriebsgrößen ermittelt und/oder eine festgelegte Grenze einer der beiden Betriebsgrößen oder deren Differenz überschritten wird. Preferably, a dual-channel monitoring of the actuator is performed based on the operating size of the element and the comparison variable. Such dual-channel monitoring here means that the relevant quantities are provided on two separate channels or paths and / or come from two different sources, as has already been mentioned at the outset. For example. Thus, a safe operation of the actuator can be ensured by, for example, the operation of the actuator and thus the positionable element is stopped in the context of such monitoring, if a difference of the two operating variables determined and / or a defined limit of one of the two operating variables or their Difference is exceeded.

Vorteilhafterweise wird anhand der Betriebsgröße des Elements und der Vergleichsgröße ein sicherer Wert für die Betriebsgröße des Elements ermittelt. Unter einem sicheren Wert soll in diesem Zusammenhang ein Wert verstanden werden, der eine höhere Sicherheitsstufe (SIL) aufweist, als die für diesen Wert herangezogenen Ausgangswerte, d.h. vorliegend die Werte der Betriebsgröße des Elements und der Vergleichsgröße. Mit anderen Worten kann aus den zwei Werten mit geringerem SIL, die von Element und Motor stammen und prinzipiell in zwei getrennten Kanälen vorhanden sind, durch Kombination ein Wert mit höherem SIL ermittelt werden. Bspw. kann aus zwei SIL-2-Werten ein SIL-3-Wert ermittelt werden. Bei hinreichend genauem Vergleichswert ist es somit also möglich, ohne Austausch eines Messgeräts für die Betriebsgröße des Elements und ohne zusätzliches Messgerät eine sichere Messung mit gefordertem SIL zu erhalten. Advantageously, a safe value for the operating variable of the element is determined on the basis of the operating variable of the element and the comparison variable. In this context, a safe value should be understood as meaning a value which has a higher safety level (SIL) than the output values used for this value, ie. in the present case, the values of the operating variable of the element and the comparison variable. In other words, from the two lower SIL values derived from the element and motor, which are principally in two separate channels, a higher SIL value can be determined by combination. For example. can be determined from two SIL 2 values a SIL 3 value. With a sufficiently accurate comparison value, it is thus possible to obtain a safe measurement with required SIL without replacing a measuring device for the operating size of the element and without additional measuring device.

Zweckmäßigerweise umfasst die Betriebsgröße des Elements eine Bewegungsgröße, insbesondere eine Position, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung. Hierbei handelt es sich um üblicherweise erfasste Betriebsgrößen eines solchen Elements. Zur Erfassung wird bspw. ein Wegaufnehmer verwendet, mit dem nicht nur eine Position, sondern bspw. auch eine Geschwindigkeit und eine Beschleunigung erfasst werden können. Bspw. kann somit auch eine sichere Geschwindigkeitsermittlung und/oder Positionsermittlung des Elements durchgeführt werden. Expediently, the operating variable of the element comprises a movement variable, in particular a position, a speed or an acceleration. These are usually recorded operating variables of such an element. For example, a displacement transducer is used for detection, with which not only one position but, for example, also a speed and an acceleration can be detected. For example. Thus, a secure speed determination and / or position determination of the element can be performed.

Es weiterhin auch zweckmäßig, wenn die Betriebsgröße des Elektromotors eine Bewegungsgröße, insbesondere eine Drehzahl oder einen Drehwinkel umfasst. Hierbei handelt es sich um die bei einem Elektromotor für den Betrieb relevante Betriebsgrößen. Zur Erfassung wird hier bspw. ein Motorgeber verwendet, der bei hinreichender Messgenauigkeit sowohl einen Drehwinkel als auch eine Drehzahl erfassen kann. It is also expedient if the operating variable of the electric motor comprises a movement variable, in particular a rotational speed or a rotation angle. These are the operating variables relevant to an electric motor for operation. To capture here, for example, a motor encoder is used, which can detect both a rotation angle and a rotational speed with sufficient accuracy.

Vorzugsweise wird als Aktor eine elektrohydraulische Achse verwendet, bei der mittels des Elektromotors und einer hydraulischen Pumpe ein das Element umfassender hydraulischer Verbraucher betrieben wird. Wie eingangs bereits beschrieben, handelt es sich bei elektrohydraulischen Achsen um häufig verwendete Aktoren. Insbesondere durch die Hydraulik weisen elektrohydraulische Achsen eine oft sehr kompakte Bauform auf. Preferably, an electro-hydraulic axis is used as the actuator, in which by means of the electric motor and a hydraulic pump, a comprehensive hydraulic element consumer is operated. As already described, electro-hydraulic axes are frequently used actuators. In particular, by the hydraulic electrohydraulic axes often have a very compact design.

Vorteilhafterweise wird aus der Betriebsgröße des Elektromotors die Vergleichsgröße unter Berücksichtigung wenigstens einer Zustandsgröße der elektrohydraulischen Achse, insbesondere einer Temperatur, eines Drucks, einer Kompressibilität und/oder einer Leckage eines Hydraulikfluids, ermittelt. Gerade bei der Verwendung hydraulischer Komponenten spielt für die Umsetzung der Motorbewegung in die Bewegung des Elements das Hydraulikfluid bzw. dessen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Je genauer diese Eigenschaften bei der Ermittlung der Vergleichsgröße berücksichtigt werden, desto genauer stimmt die Vergleichsgröße mit dem tatsächlichen Wert der zugehörigen Betriebsgröße des Elements überein. Advantageously, the comparison variable is determined from the operating variable of the electric motor taking into account at least one state variable of the electrohydraulic axis, in particular a temperature, a pressure, a compressibility and / or a leakage of a hydraulic fluid. Especially when using hydraulic components plays the hydraulic fluid or its properties an important role for the implementation of the motor movement in the movement of the element. The more precisely these properties are taken into account when determining the comparison quantity, the more precisely does the comparison variable match the actual value of the associated operating variable of the element.

Es ist von Vorteil, wenn weiterhin eine Druckänderung eines Hydraulikfluids erfasst wird und insbesondere für eine Überwachung des Aktors verwendet wird. Bspw. kann auf diese Weise eine Druckpulsation im Hydraulikfluid erkannt werden, die von der Hydraulikpumpe verursacht wird. Somit kann bspw. im Rahmen einer Diagnose auf eine mögliche Fehlfunktion der Hydraulikpumpe geschlossen werden und die Pumpe oder die gesamte elektrohydraulische Achse ggf. in einen sicheren Zustand gebracht werden. It is advantageous if, furthermore, a pressure change of a hydraulic fluid is detected and used in particular for monitoring the actuator. For example. can be detected in this way, a pressure pulsation in the hydraulic fluid, which is caused by the hydraulic pump. Thus, for example, in the context of a diagnosis, a possible malfunction of the hydraulic pump can be inferred and the pump or the entire electrohydraulic axle may be placed in a safe condition.

Alternativ wird als Aktor eine elektromechanische Achse verwendet, bei der mittels des Elektromotors und eines Getriebes das Element bewegt wird. Wie eingangs bereits erwähnt, werden oftmals auch solche elektromechanische Achsen für verschiedene Anwendungen verwendet. Eine rein mechanische Übertragung der Motorbewegung in die lineare Bewegung des Elements ist bspw. wartungsarm. Alternatively, an electromechanical axis is used as the actuator in which the element is moved by means of the electric motor and a transmission. As already mentioned, such electromechanical axes are often used for various applications. A purely mechanical transmission of the motor movement in the linear movement of the element is, for example, low maintenance.

Eine erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung eignet sich für einen Aktor mit positionierbarem Element, das mittels eines Elektromotors bewegbar ist, und ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. A drive device according to the invention is suitable for an actuator with a positionable element, which can be moved by means of an electric motor, and is set up to carry out a method according to the invention.

Ein erfindungsgemäßer Aktor mit positionierbarem Element, das mittels eines Elektromotors bewegbar ist, weist eine erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung auf. An actuator according to the invention with a positionable element, which can be moved by means of an electric motor, has a drive device according to the invention.

Bezüglich der Vorteile und weiterer bevorzugter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung und des erfindungsgemäßen positionierbaren Aktors sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. With regard to the advantages and further preferred embodiments of the drive device according to the invention and the positionable actuator according to the invention, reference is made to the above statements on the method according to the invention to avoid repetition.

Zweckmäßigerweise ist an dem Aktor ein Sensor zur Erfassung der Betriebsgröße des Elements und an dem Elektromotor ein Sensor zur Erfassung der Betriebsgröße des Elektromotors vorgesehen. Damit können die relevanten Betriebsgrößen, wie oben bereits mehrfach erläutert auf einfache Weise erfasst und anschließend verwendet werden. Conveniently, a sensor for detecting the operating variable of the element and to the electric motor, a sensor for detecting the operating variable of the electric motor is provided on the actuator. Thus, the relevant operating variables, as explained above several times can be easily detected and then used.

Bevorzugte Anwendungen solcher Aktoren sind bspw. in Tiefziehpressen, Biegemaschinen, Ballenpressen, Schrottpressen, Schmiedepressen, Feinschneidpressen, Faserverbundpressen, Walzwerke, Hüttenwerke, Spritzgießmaschinen, Blasformmaschinen, Druckgießmaschinen, Bearbeitungszentren, Prüfmaschinen, Simulatoren, Wellenkompensatoren, Servopressen, Rohr- und Drahtbiegemaschinen, Abkantpressen, Stanz- und Nibbelmaschinen, Stanz- und Umformautomaten, Saugertransfer- und Compactsaugerpressen, Reifenpressen, Reifenaufbaumaschinen, Vulkanisierpressen, Transfer- und Stufenpressen, Strangpressen, Biegezentren sowie Pulvermetallpressen Preferred applications of such actuators are, for example, in deep-drawing presses, bending machines, balers, scrap presses, forging presses, fineblanking presses, fiber composite presses, rolling mills, metallurgical plants, injection molding machines, blow molding machines, die casting machines, machining centers, testing machines, simulators, shaft compensators, servo presses, pipe and wire bending machines, press brakes, punching - and nibbling machines, stamping and forming machines, suction transfer and Compactsaugerpressen, tire presses, tire building machines, Vulkanisierpressen, transfer and transfer presses, extrusion presses, bending centers and powder metal presses

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. The invention is illustrated schematically by means of exemplary embodiments in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.

Figurenbeschreibung figure description

1a zeigt schematisch einen als elektromechanische Achse ausgebildeten Aktor mit positionierbarem Element. 1a schematically shows an electromechanical axis designed actuator with positionable element.

1b zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform. 1b schematically shows the sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.

2a zeigt schematisch einen als elektrohydraulische Achse ausgebildeten Aktor mit positionierbarem Element. 2a schematically shows an actuator designed as an electro-hydraulic axis with positionable element.

2b zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. 2 B schematically shows the sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment.

3a zeigt schematisch einen als elektrohydraulische Achse ausgebildeten Aktor mit positionierbarem Element. 3a schematically shows an actuator designed as an electro-hydraulic axis with positionable element.

3b zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. 3b schematically shows the sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung Detailed description of the drawing

In 1a ist schematisch ein als elektromechanische Achse 100 ausgebildeter Aktor dargestellt. Ein Elektromotor 120 ist über ein Getriebe 130 mit einem positionierbaren Element 110 verbunden. Das Getriebe 130 kann dazu bspw. eine Übersetzung über Zahnräder, Scheiben und Riemen und/oder ein Schneckengetriebe aufweisen. In 1a is schematically an electromechanical axis 100 trained actuator represented. An electric motor 120 is about a gearbox 130 with a positionable element 110 connected. The gear 130 may have, for example, a translation about gears, pulleys and belts and / or a worm gear.

Weiterhin ist eine Ansteuervorrichtung 105 vorgesehen, bspw. in Form eines Antriebsreglers oder einer Sicherheitssteuerung, über welche der Elektromotor 120 angesteuert werden kann. Außerdem sind ein Sensor 115 zur Erfassung einer Position und/oder Geschwindigkeit als Betriebsgröße des Elements 110 und ein Sensor 125 zur Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels als Betriebsgröße des Elektromotors 120 vorgesehen. Furthermore, a drive device 105 provided, for example. In the form of a drive controller or a safety controller, via which the electric motor 120 can be controlled. There is also a sensor 115 for detecting a position and / or speed as the operating quantity of the element 110 and a sensor 125 for detecting a rotational speed and / or a rotational angle as the operating variable of the electric motor 120 intended.

Die beiden Sensoren 115 und 125 sind mit der Ansteuervorrichtung 105 verbunden, so dass die Ansteuervorrichtung 105 die von den Sensoren gemessenen Betriebsgrößen erfassen kann. Die Verbindung der Sensoren 115 und 125 zur Ansteuervorrichtung 105 kann kabelgebunden oder auch kabellos, bspw. über Funk erfolgen. The two sensors 115 and 125 are with the drive device 105 connected, so that the driving device 105 can detect the operating variables measured by the sensors. The Connection of the sensors 115 and 125 to the drive device 105 can be wired or wireless, for example. By radio.

In 1b ist schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform, wie es bspw. in der in 1a gezeigten Ansteuervorrichtung 105 durchgeführt werden kann, gezeigt. In 1b schematically is the sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment, as for example. In the in 1a shown drive device 105 can be performed.

In Schritt 150 werden Messwerte, die vom Sensor 115 am positionierbaren Element 110 gemessen werden, erfasst bzw. empfangen. Bspw. kann es sich hierbei um eine aktuelle Position oder Geschwindigkeit des Elements handeln. In einem Schritt 155 werden diese Messwerte dann einer Überwachung zugeführt bzw. es wird eine Überwachung hinsichtlich der vom Sensor 115 gemessenen Betriebsgröße durchgeführt. In step 150 Measurements are taken from the sensor 115 on the positionable element 110 be measured, recorded or received. For example. This can be a current position or velocity of the element. In one step 155 These measured values are then fed to a monitoring or there is a monitoring with respect to the sensor 115 measured operating size carried out.

In Schritt 160 werden Messwerte, die vom Sensor 125 am Elektromotor 120 gemessen werden, erfasst bzw. empfangen. Bspw. kann es sich hierbei um eine aktuelle Drehzahl oder einen aktuellen Drehwinkel handeln. Anschließend wird in einem Schritt 161 eine Wichtung dieser Messwerte vorgenommen. In einer solchen Wichtung wird insbesondere die Übersetzung des Getriebes 130 zwischen Elektromotor 120 und Element 110 berücksichtigt. Ggf. kann zusätzlich auch noch ein Spiel im Getriebe 130 berücksichtigt werden, das sich je nach Bewegungsrichtung des Elements 110 auswirken kann. Diese gewichteten Messwerte entsprechen dann Vergleichswerten zu den in Schritt 150 bzw. vom Sensor 115 erfassten Messwerten. D.h. es wird bspw. aus einer Drehzahl des Elektromotors 120 eine Geschwindigkeit des positionierbaren Elements 110 ermittelt. Ebenso kann aus einem Drehwinkel des Elektromotors 130 eine Position des Elements 110 ermittelt werden. In step 160 Measurements are taken from the sensor 125 on the electric motor 120 be measured, recorded or received. For example. This can be a current speed or a current angle of rotation. Subsequently, in one step 161 a weighting of these measurements made. In such a weighting is in particular the translation of the transmission 130 between electric motor 120 and element 110 considered. Possibly. In addition, even a game in the transmission 130 be taken into account, depending on the direction of movement of the element 110 can affect. These weighted measurements then correspond to those in step 150 or from the sensor 115 recorded measured values. That is, it is, for example, from a rotational speed of the electric motor 120 a speed of the positionable element 110 determined. Likewise, from a rotation angle of the electric motor 130 a position of the element 110 be determined.

In den Schritten 152 und 162 können die Messwerte des Sensors 115 bzw. die Vergleichswerte, die durch den regelungstechnischen Beobachter bzw. das Streckenmodell gewonnen wurden, optional noch gegeneinander plausibilisiert werden. Dies kann bspw. als Diagnosefunktion zur Fehleraufdeckung bei der Messwerterfassung verwendet werden. In the steps 152 and 162 can read the readings of the sensor 115 or the comparison values which were obtained by the control-technical observer or the route model are optionally still plausible against each other. This can be used, for example, as a diagnostic function for fault detection during measured value acquisition.

In einem Schritt 165 werden diese gewichteten Messwerte bzw. Vergleichswerte dann einer Überwachung zugeführt. Auf diese Weise stehen zwei Überwachungskanäle, 155 und 165, für eine Betriebsgröße des positionierbaren Elements zur Verfügung. Diese beiden Überwachungskanäle verwenden unterschiedliche Quellen. Somit kann bspw. durch geeignete Kombination dieser beiden Überwachungskanäle ein sicheres Signal im Sinne eines Safety Integrity Levels (SIL) zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann somit aus zwei einfachen Sensoren mit bestimmtem SIL (bspw. kein SIL, SIL 1 oder SIL 2), ein Signal mit einem höheren SIL (bspw. entsprechend SIL 1, SIL 2 oder SIL 3) zur Verfügung gestellt werden. Der Vorteil hierbei ist, dass kein zusätzlicher Sensor am Element bzw. kein teuerer Sensor mit höherer Sicherheitsstufe am Element benötigt wird. In one step 165 These weighted measured values or comparison values are then fed to a monitoring. In this way there are two monitoring channels, 155 and 165 , available for an operating size of the positionable element. These two monitoring channels use different sources. Thus, for example, by a suitable combination of these two monitoring channels a safe signal in the sense of a Safety Integrity Level (SIL) can be made available. In particular, a signal with a higher SIL (eg corresponding to SIL 1, SIL 2 or SIL 3) can therefore be made available from two simple sensors with a certain SIL (eg no SIL, SIL 1 or SIL 2). The advantage here is that no additional sensor on the element or no expensive sensor with higher security level is required on the element.

In 2a ist schematisch ein als elektrohydraulische Achse 200 ausgebildeter Aktor dargestellt. Ein Elektromotor 220 ist mit einer hydraulischen Pumpe 230 verbunden. Die hydraulische Pumpe 230 wiederum ist über einen Hydraulikkreislauf mit einem hydraulischen Verbraucher, der ein positionierbares Element 210 aufweist, verbunden. Bei dem hydraulischen Verbraucher kann es sich bspw. um einen Hydraulikzylinder handeln und bei dem Element 210 dementsprechend um einen beweglichen Kolben. In 2a is schematically a electrohydraulic axis 200 trained actuator represented. An electric motor 220 is with a hydraulic pump 230 connected. The hydraulic pump 230 in turn, via a hydraulic circuit with a hydraulic consumer, which is a positionable element 210 has connected. The hydraulic consumer may, for example, be a hydraulic cylinder and the element 210 accordingly a movable piston.

Weiterhin ist eine Ansteuervorrichtung 205 vorgesehen, bspw. in Form eines Antriebsreglers oder einer Sicherheitssteuerung, über welche der Elektromotor 220 angesteuert werden kann. Außerdem sind ein Sensor 215 zur Erfassung einer Position und/oder Geschwindigkeit als Betriebsgröße des Elements 210 und ein Sensor 225 zur Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels als Betriebsgröße des Elektromotors 220 vorgesehen. Furthermore, a drive device 205 provided, for example. In the form of a drive controller or a safety controller, via which the electric motor 220 can be controlled. There is also a sensor 215 for detecting a position and / or speed as the operating quantity of the element 210 and a sensor 225 for detecting a rotational speed and / or a rotational angle as the operating variable of the electric motor 220 intended.

Die beiden Sensoren 215 und 225 sind mit der Ansteuervorrichtung 205 verbunden, so dass die Ansteuervorrichtung 205 die von den Sensoren gemessenen Betriebsgrößen erfassen kann. Die Verbindung der Sensoren 215 und 225 zur Ansteuervorrichtung 205 kann kabelgebunden oder auch kabellos, bspw. über Funk erfolgen. The two sensors 215 and 225 are with the drive device 205 connected, so that the driving device 205 can detect the operating variables measured by the sensors. The connection of the sensors 215 and 225 to the drive device 205 can be wired or wireless, for example. By radio.

In 2b ist schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wie es bspw. in der in 2a gezeigten Ansteuervorrichtung 205 durchgeführt werden kann, gezeigt. In 2 B schematically is the sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment, as for example. In the in 2a shown drive device 205 can be performed.

In Schritt 250 werden Messwerte, die vom Sensor 215 am positionierbaren Element 210 gemessen werden, erfasst bzw. empfangen. Bspw. kann es sich hierbei um eine aktuelle Position oder Geschwindigkeit des Elements handeln. In step 250 Measurements are taken from the sensor 215 on the positionable element 210 be measured, recorded or received. For example. This can be a current position or velocity of the element.

In Schritt 260 werden Messwerte, die vom Sensor 225 am Elektromotor 220 gemessen werden, erfasst bzw. empfangen. Bspw. kann es sich hierbei um eine aktuelle Drehzahl oder einen aktuellen Drehwinkel handeln. Anschließend werden diese Messwerte in einem Schritt 261 einem regelungstechnischen Beobachter und/oder einem Streckenmodell zugeführt. In step 260 Measurements are taken from the sensor 225 on the electric motor 220 be measured, recorded or received. For example. This can be a current speed or a current angle of rotation. Subsequently, these measured values are in one step 261 fed to a control-technical observer and / or a route model.

In einem solchen regelungstechnischen Beobachter oder Streckenmodell werden bspw. Kenngrößen bzw. Parameter der hydraulischen Achse 200 berücksichtigt. Hierzu gehören bspw. ein Pumpenfördervolumen der hydraulischen Pumpe 230, Abmessungen von Rohren und Schläuchen im hydraulischen Kreislauf und Abmessungen des hydraulischen Zylinders und des Kolbens bzw. des Elements 110. Weiterhin können bspw. auch eine Kompressibilität des Hydraulikfluids und vor allem auch Leckagen im Hydraulikkreislauf berücksichtigt werden. Weiterhin können Zustandsgrößen wie bspw. Temperatur und Druck der hydraulischen Achse bzw. des Hydraulikfluids berücksichtigt werden, um genauere Vergleichswerte zu erhalten. In such a control-technical observer or route model, for example. Parameters or parameters of the hydraulic axis 200 considered. These include, for example, a pump delivery volume of the hydraulic pump 230 , Dimensions of pipes and hoses in the hydraulic circuit and dimensions of the hydraulic cylinder and the piston or the element 110 , Furthermore, for example, a compressibility of the hydraulic fluid and, above all, leaks in the hydraulic circuit can also be taken into account. Furthermore, state variables such as, for example, the temperature and pressure of the hydraulic axis or the hydraulic fluid can be taken into account in order to obtain more accurate comparison values.

Diese Kenngrößen bzw. Parameter können bspw. in Tabellen hinterlegt werden, mittels derer Ein- und Ausgangswerte des Streckenmodells abgebildet werden. Werte für eine solche Tabelle können bspw. auch in einem oder mehreren Lernzyklen ermittelt und/oder angepasst werden. Ebenso ist eine arithmetische Berechnung denkbar. These parameters or parameters can be stored, for example, in tables by means of which input and output values of the system model are mapped. Values for such a table can, for example, also be determined and / or adapted in one or more learning cycles. Likewise, an arithmetic calculation is conceivable.

Diese gewichteten Messwerte entsprechen dann Vergleichswerten zu den in Schritt 250 bzw. vom Sensor 215 erfassten Messwerten. D.h. es wird bspw. aus einer Drehzahl des Elektromotors 220 eine Geschwindigkeit des positionierbaren Elements 210 ermittelt. Ebenso kann aus einem Drehwinkel des Elektromotors 230 eine Position des Elements 210 ermittelt werden. These weighted measurements then correspond to those in step 250 or from the sensor 215 recorded measured values. That is, it is, for example, from a rotational speed of the electric motor 220 a speed of the positionable element 210 determined. Likewise, from a rotation angle of the electric motor 230 a position of the element 210 be determined.

In den Schritten 252 und 262 können die Messwerte des Sensors 215 bzw. die Vergleichswerte, die durch den regelungstechnischen Beobachter bzw. das Streckenmodell gewonnen wurden, optional noch gegeneinander plausibilisiert werden. Dies kann bspw. als Diagnosefunktion zur Fehleraufdeckung bei der Messwerterfassung verwendet werden. In the steps 252 and 262 can read the readings of the sensor 215 or the comparison values which were obtained by the control-technical observer or the route model are optionally still plausible against each other. This can be used, for example, as a diagnostic function for fault detection during measured value acquisition.

In einem Schritt 255 werden die Messwerte dann einer Überwachung zugeführt bzw. es wird eine Überwachung hinsichtlich der vom Sensor 215 gemessenen Betriebsgröße durchgeführt. In einem Schritt 265 werden die Vergleichswerte ebenfalls einer Überwachung zugeführt. In one step 255 the measured values are then fed to a monitoring or there is a monitoring with respect to the sensor 215 measured operating size carried out. In one step 265 the comparison values are also fed to a monitoring.

Auf diese Weise stehen zwei Überwachungskanäle, 255 und 265, für eine Betriebsgröße des positionierbaren Elements zur Verfügung, wie dies auch schon in Bezug auf die 1a und 1b erläutert wurde. Insbesondere stehen hier auch die gleichen Möglichkeiten mit den genannten Vorteilen hinsichtlich einer sicheren Überwachung zur Verfügung. In this way there are two monitoring channels, 255 and 265 , for an operating size of the positionable element available, as already in relation to the 1a and 1b was explained. In particular, the same possibilities with the mentioned advantages with regard to reliable monitoring are also available here.

In 3a ist schematisch ein als elektrohydraulische Achse 200 ausgebildeter Aktor dargestellt, der im Wesentlichen dem aus 2a entspricht. Dabei ist zusätzlich ein Drucksensor 245 im Hydraulikkreislauf vorgesehen, der dazu in der Lage ist, Druckänderungen, insbesondere Druckpulsationen zu erfassen und der Ansteuervorrichtung 205 zuzuführen. Es versteht sich, dass der Drucksensor auch an einer anderen geeigneten Stelle angeordnet sein kann. In 3a is schematically a electrohydraulic axis 200 formed actuator, which is essentially made of 2a equivalent. There is also a pressure sensor 245 provided in the hydraulic circuit, which is capable of detecting pressure changes, in particular pressure pulsations and the drive device 205 supply. It is understood that the pressure sensor can also be arranged at another suitable location.

In 3b ist schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wie es bspw. in der in 3a gezeigten Ansteuervorrichtung 205 durchgeführt werden kann, gezeigt. Im Wesentlichen entspricht das Verfahren dem in Bezug auf 2b erläuterten Verfahren, jedoch mit dem Unterschied, dass in einem Schritt 270 in der Ansteuervorrichtung der Druck bzw. Druckänderungen, die vom Drucksensor 245 gemessen werden, erfasst werden. In 3b schematically is the sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment, as for example. In the in 3a shown drive device 205 can be performed. Essentially, the process is the same as in 2 B explained method, but with the difference that in one step 270 in the drive device of the pressure or pressure changes, by the pressure sensor 245 be measured.

In einem Schritt 275 werden diese Druckänderungen, insbesondere Druckpulsationen, einer Diagnose zugeführt. Zudem können der Diagnose auch die in Schritt 260 erfassten Messwerte des Sensors 225 zugeführt werden. Insbesondere kann hierbei die Frequenz der Druckpulsation mit der Drehzahl des Elektromotors verglichen bzw. gegeneinander plausibilisiert werden. Bei einem ordnungsgemäßen Betrieb sollten diese Frequenz der Druckpulsation und die Drehzahl des Elektromotors zueinander passen bzw. plausibel sein. Auf diese Weise können auch weitere Überwachungen der elektrohydraulischen Achse vorgenommen werden. Insbesondere können Fehler entdeckt werden, insbesondere in Zusammenhang mit der Pumpe, dem Hydraulikfluid und der davon abhängigen Vergleichswerte, die im Beobachter bzw. Streckenmodell ermittelt werden. Bei Bedarf kann so bspw. die elektrohydraulische Achse abgeschaltet bzw. stillgesetzt werden. In one step 275 These pressure changes, in particular pressure pulsations, are fed to a diagnosis. In addition, the diagnosis can also be made in step 260 recorded measured values of the sensor 225 be supplied. In particular, in this case the frequency of the pressure pulsation can be compared with the speed of the electric motor or made plausible against each other. During proper operation, this frequency of the pressure pulsation and the speed of the electric motor should fit together or be plausible. In this way, further monitoring of the electro-hydraulic axis can be made. In particular, errors can be detected, in particular in connection with the pump, the hydraulic fluid and the dependent thereon comparison values that are determined in the observer or track model. If necessary, so for example. The electro-hydraulic axle can be switched off or stopped.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN EN 61508 [0004]

Claims

Method for determining operating variables of an actuator ( 100 . 200 ) with positionable element ( 110 . 210 ), which by means of an electric motor ( 120 . 220 ) is movable, wherein an operating variable of the electric motor ( 120 . 220 ) and an operating size of the element ( 110 . 210 ), and wherein from the operating size of the electric motor ( 120 . 220 ) one of the operating size of the element ( 110 . 210 ) corresponding comparison size is determined.

Method according to claim 1, wherein the operating variable of the electric motor ( 120 . 220 ) the comparison quantity by means of a control-technical observer ( 261 ), a route model and / or a weighting ( 161 ) is determined.

Method according to Claim 2, in which the control-technical observer ( 261 ), the route model or the weighting ( 161 ) Characteristics of the actuator ( 100 . 200 ).

Method according to one of the preceding claims, wherein the operating size of the element ( 110 . 210 ) is made plausible against the reference value.

Method according to one of the preceding claims, wherein, based on the operating size of the element ( 110 . 210 ) and the comparison variable, a two-channel monitoring of the actuator ( 100 . 200 ) is carried out.

Method according to one of the preceding claims, wherein, based on the operating size of the element ( 110 . 210 ) and the comparison value a safe value for the operating size of the element ( 110 . 210 ) is determined.

Method according to one of the preceding claims, wherein the operating size of the element ( 110 . 210 ) comprises a motion variable, in particular a position, a velocity or an acceleration.

Method according to one of the preceding claims, wherein the operating variable of the electric motor ( 120 . 220 ) comprises a motion variable, in particular a rotational speed or a rotational angle.

Method according to one of the preceding claims, wherein as actuator ( 200 ) an electro-hydraulic axle is used, in which by means of the electric motor ( 220 ) and a hydraulic pump ( 230 ) the element ( 210 ) is operated comprehensive hydraulic consumer.

Method according to claim 9, wherein the operating variable of the electric motor ( 220 ) the comparison quantity taking into account at least one state variable of the electrohydraulic axis ( 200 ), in particular a temperature, a pressure, a compressibility and / or a leakage of a hydraulic fluid, is determined.

Method according to claim 9 or 10, wherein furthermore a pressure change of a hydraulic fluid is detected and in particular for a monitoring of the actuator ( 200 ) is used.

Method according to one of claims 1 to 8, wherein as an actuator ( 100 ) an electromechanical axis is used, in which by means of the electric motor ( 120 ) and a transmission ( 130 ) the element ( 110 ) is moved.

Drive device ( 105 . 205 ) for an actor ( 100 . 200 ) with positionable element ( 110 . 210 ), which by means of an electric motor ( 120 . 220 ) is movable, wherein the drive device ( 105 . 205 ) is adapted to perform a method according to any one of the preceding claims.

Actuator ( 100 . 200 ) with positionable element ( 110 . 210 ), which by means of an electric motor ( 120 . 220 ) is movable, with a drive device ( 105 . 205 ) according to claim 13.

Actuator ( 100 . 200 ) according to claim 14, wherein on the element ( 110 . 210 ) a sensor ( 115 . 215 ) for detecting the operating size of the element ( 110 . 210 ) and on the electric motor ( 120 . 220 ) a sensor ( 125 . 225 ) for detecting the operating variable of the electric motor ( 120 . 220 ) is provided.