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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines gebremsten Servomotors oder eines Linearantriebes mit einer Kontrolleinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine bi-direktionale Datenübertragung zwischen einer Kontrolleinheit und einer Motoreinheit ist beispielsweise mit dem Gegenstand der
US 8,135,977 B2 bekannt geworden.
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Stand der Technik bei der Ansteuerung von gebremsten Servomotoren oder entsprechend ausgebildeten Linearantrieben ist, dass auf der Controller-Seite eine Spannungsversorgung angeordnet ist, die beispielsweise eine Spannung von 7-12 Volt Gleichstrom über eine zweiadrige Versorgungsleitung an die auf der Motorseite angeordnete Spannungsversorgung für die dort angeordneten Sensoren überträgt.
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Ferner ist es bekannt, die auf der Controller-Seite angeordnete Datenübertragungseinheit über eine zweite, zweiadrige Übertragungsleitung mit der motorseitigen Datenübertragungseinheit zu verbinden, wobei die beiden Datenübertragungseinheiten über die zweiadrige Verbindungsleitung einen bidirektionalen Datenaustausch ausführen.
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Bei einem mit einer Bremseinrichtung versehenen Servomotor oder einem Linearantrieb ist es ferner bekannt, die auf der Controller-Seite angeordnete Bremsen-Kontrolleinheit über eine weitere zweiadrige Verbindungsleitung mit der motorseitigen Bremsen-Kontrolleinheit zu verbinden. Dabei ist es bekannt, dass die Versorgungsspannung der Bremse für die Steuerung des Bremsenzustandes verwendet wird. Die Bremse ist geschlossen, wenn die Versorgungspannung für die Bremse unterhalb eines Pegels von z.B. 12 Volt gelangt und die Bremse wird geöffnet, wenn die Versorgungsspannung für die Bremse einen Pegel von z.B. 12 Volt überschreitet.
Außerdem wird neben den beschriebenen Leitungen typischerweise noch 4 Leitungen für die Motorbestromung benötigt, die hier nicht weiter betrachtet werden.
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Nachteil des beschriebenen Standes der Technik ist, dass insgesamt sechs Adern, verteilt auf mehreren Leitungen für die Verbindung zwischen der Kontrolleinheit und der Motoreinheit verwendet werden müssen, was als nachteilig angesehen wird.
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Es ist ein weiterer Stand der Technik bekannt, bei dem die Daten der Datenübertragungseinheit über die Stromversorgungsleitung übertragen werden. Dies bedeutet, dass die Daten der Datenübertragungseinheit auf der Controller-Seite auf die Übertragungsleitung für die Versorgung der Sensoreinheit (z.B. Encoder) aufmoduliert und auf der Motorseite wieder demoduliert werden, um so eine von Oberwellen befreite Sensor-Stromversorgung und andererseits davon demodulierte Signale der motorseitigen Datenübertragungseinheit zu gewinnen.
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Bei dieser bekannten Ausführung ist es jedoch nach wie vor vorgesehen, dass die controller-seitige Bremsenkontrolleinheit über eine zweiadrige Übertragungsleitung mit der motorseitigen Bremsen-Kontrolleinheit verbunden ist. Dies bedeutet, dass zwei Versorgungsleitungen mit insgesamt vier Adern notwendig sind.
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Der Erfindung liegt deshalb ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der Adern und die Anzahl der Versorgungsleitungen zwischen der Kontrolleinheit und der Motoreinheit zu reduzieren, um einen vereinfachten Schaltungsaufbau bei geringeren Kosten und bei verringerter Fehleranfälligkeit für die Versorgungsleitungen zu gewährleisten.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch insgesamt drei Lösungsvorschläge gekennzeichnet, die jeweils Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche 1, 3 und 6 sind.
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Nach dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruches 1 besteht die Verbindung zwischen dem Controller und der Motoreinheit ausschließlich aus zwei zweiadrigen Übertragungsleitungen, wobei über die erste Übertragungsleitung lediglich die Daten übertragen werden und über die zweite Übertragungsleitung auf die dort für die Sensoren übertragene Versorgungsspannung die Signale der Bremsen-Kontrolleinheit aufmoduliert werden, um so von der Kontroll-Einheit auf die Motoreinheit übertragen zu werden und dort wieder demoduliert zu werden. Es wird eine AmplitudenModulation bevorzugt, bei welcher untersucht wird, ob eine Ausgangsgröße größer oder kleiner als ein Schwellwert ist, wobei der Schwellwert eine Hysterese aufweisen kann.
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Nach dem Gegenstand des zweiten Erfindungsvorschlages gemäß dem unabhängigen Anspruch 3 ist in einer Weiterbildung dieses 1. Ausführungsbeispiels vorgesehen, dass die einzige Verbindung zwischen dem Controller und der Motoreinheit ausschließlich aus einer zweiadrigen Übertragungsleitung gebildet ist.
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In diesem Fall ist vorgesehen, dass die Signale der controller-seitigen Spannungsversorgung für die Sensoren zusammen mit den Signalen der controller-seitigen Bremsen-Kontrolleinheit auf die einzige zweiadrige Übertragungsleitung zwischen der Controller-Seite und der Motor-Seite aufmoduliert werden, die gleichzeitig auch zur Übertragung der Daten zwischen der Controller-Seite und der Motor-Seite dient.
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Nach dem dritten Erfindungsvorschlag gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 ist in einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Kontrolleinheit mit der Motoreinheit ebenfalls ausschließlich über eine lediglich aus zwei Adern bestehende Übertragungsleitung verbunden ist und dass die Signale der Spannungsversorgung auf die Versorgungsleitung für die Übertragung der Daten zwischen Controller-Einheit und Motoreinheit aufmoduliert werden und dass ferner die Daten der Bremsen-Kontrolleinheit auf der Controller-Seite zur Modulation der übertragenen Daten auf der einzigen Versorgungsleitung verwendet werden.
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Dementsprechend erfolgt die Demodulation auf der Motorseite in der Weise, dass auf der - lediglich aus zwei Adern bestehenden - Übertragungsleitung die motorseitigen Signale der Spannungsversorgung, die motorseitigen Daten und die motorseitigen Signale für die Bremsen-Ansteuerung demoduliert werden und den entsprechenden motorseitigen Funktionsbausteinen zugeleitet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zwischen der Controller-Seite und der Motor-Seite übertragene Versorgungsspannung als mehrfach ansteigende und/oder abfallende Rampenkurve ausgebildet ist.
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Somit handelt es sich um eine amplituden-modulierte Versorgungsspannung, die mit den Signalen für die Ansteuerung der Bremsen-Kontrolleinheit moduliert ist.
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In einer Weiterbildung kann noch zusätzlich vorgesehen sein, dass die mit den Signalen der Bremsen-Kontrolleinheit modulierte Versorgungsspannung noch zusätzlich mit den Signalen der Datenübertragungseinheit moduliert ist.
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Neben einer Amplitudenmodulation der Versorgungsspannung mit den Daten der Bremsen-Kontrolleinheit und/oder den Daten der Datenübertragungseinheit ist es in einer Weiterbildung der Erfindung möglich, dass die Spannungsversorgung frequenz- oder phasen-moduliert ist.
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Ebenso ist es möglich, dass die genannten Daten von Bremsen-Kontrolleinheit und Datenübertragungseinrichtung in Zeitschlitzen der Spannungsversorgung übertragen werden. Neben einer Amplitudenmodulation und/einer Frequenzmodulation ist es deshalb in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine aus Zeitschlitzen bestehende Modulation der Versorgungspannung stattfindet.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
- 1: Die Art und Anordnung von Übertragungsleitungen zwischen einer Kontrolleinheit und einer Motoreinheit nach einer ersten Ausführungsform des Standes der Technik.
- 2: Die Art und Anordnung der Übertragungsleitungen zwischen einer Kontrolleinheit und einer Motoreinheit nach einer zweiten Ausführungsform nach dem Stand der Technik.
- 3: Eine erste Ausgestaltung der Erfindung als Blockschaltbild der Anordnung von Übertragungsleitungen zwischen einer Controller-Einheit und einer Motoreinheit über eine RS485-Schnittstelle als Beispiel für die physikalische Ausgestaltung einer solchen Schnittstelle.
- 4: Eine zweite Ausführung der Erfindung mit der Anordnung lediglich einer einzigen zweiadrigen Übertragungsleitung zwischen einer Controller-Einheit und einer Motoreinheit, wobei der Ansteuerung der Bremse: amplitudenmoduliert erfolgt.
- 5: Eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit der Anordnung einer lediglich aus zwei Adern bestehenden Übertragungsleitung zwischen der Controller-Einheit und der Motoreinheit, wobei die Ansteuerung der Bremse: durch Kommandos erfolgt, die als Daten übertragen und im Motor durch die Bremsenansteuerung ausgeführt werden.
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Bei allen Ausführungsformen wird vorausgesetzt, dass der Servomotor über eine von der Controller-Seite angesteuerte Bremse in seine Position arretierbar ist, um eine genaue Drehlagenposition eines Servomotors in einer bestimmten Drehlage zu erreichen.
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Aus diesem Grund muss die Bremse sehr präzise und ohne Zeitverzögerung ansprechen, um den Servomotor in einer bestimmten, definierten Drehlage zu arretieren.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 5 ist auf der linken Seite eine Kontrolleinheit 1 dargestellt, die auch als „Master“ bezeichnet werden kann, während auf der rechten Seite eine von der Kontrolleinheit 1 angesteuerte Motor-Einheit 10 dargestellt ist, die über eine Anzahl von Versorgungsleitungen von der Controller-Seite 1 hier angesteuert wird.
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Im zum Stand der Technik gehörenden ersten Ausführungsbeispiel nach 1 ist auf der Controller-Seite 1 eine Spannungsversorgung 2 für die Sensoreinheit angeordnet, die eine Gleichspannung im Bereich von etwa 7 bis 12 Volt zur Verfügung stellt und über die zweiadrige Übertragungsleitung 20 überträgt.
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Die Leitung 20 ist demnach die Versorgungsleitung für Sensoreinheit 10. Der Motor bzw. die Motorwicklungen mit den Leistungsadern und der Versorgungsspannung von 400V werden in den Figuren nicht dargestellt.
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Es gehört ebenfalls zum Ausführungsbeispiel nach 1 zum Stand der Technik, dass die Datenübertragungseinheit 3 über eine weitere zweiadrige Übertragungsleitung 21 mit der motorseitigen Datenübertragungseinheit 13 verbunden ist und dabei ein bi-direktionaler Datenaustausch stattfindet.
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Ferner ist es bekannt, die controller-seitige Bremsen-Kontrolleinheit 4 über eine weitere zweiadrige Übertragungsleitung 22 mit der motorseitigen Bremsen-Kontrolleinheit 14 beziehungsweise direkt mit der Bremse 14 zu verbinden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 (Stand der Technik) ist noch anzumerken, dass die Versorgungsleitung 20 lediglich zur Spannungsversorgung 12 der motorseitig angeordneten Sensoren dient und dass die Leistungsversorgung der Motor-Einheit 10 aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt ist, die - wie angegeben - in der Regel aus vier Adern besteht, bei der insgesamt eine Spannung von 400 VDC übertragen wird.
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Nachteil des Ausführungsbeispiels nach 1 ist demnach, dass insgesamt drei Übertragungsleitungen 20, 21, 22 mit jeweils zwei Adern verwendet werden müssen, was zu einer Störanfälligkeit bei der Montage und beim Betrieb und zu einer schwierigen Handhabung führt. Insbesondere besteht auch die Gefahr, dass die Leitungen vertauscht werden oder beschädigt werden, was die Fehlersuche bei insgesamt sechs Adern erschwert.
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Nach dem zum Stand der Technik gehörenden zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist es bekannt, dass die controller-seitig angeordnete Spannungsversorgung 2 für die Versorgung der motorseitig angeordneten Sensoren mit den Daten der controller-seitigen Datenübertragungseinheit über die Abzweigleitung 23 moduliert werden. Auf der Seite der Motor-Einheit 10 findet dann über die Abzweigleitung 24 eine Demodulation statt, so dass die motorseitigen Sensoren von der dortigen Spannungsversorgung 12 mit einer oberwellenfreien Spannung versorgt werden können und davon die Daten der motorseitigen Datenübertragungseinheit 13 abgetrennt sind.
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Allerdings ist in 2 noch eine zweite Übertragungsleitung 22 erforderlich, über welche die controller-seitige Bremsen-Kontrolleinheit 4 die Signale auf die motorseitige Bremsen-Kontrolleinheit 14 überträgt, was insgesamt zu zwei voneinander getrennten Übertragungsleitungen 22, 25 und insgesamt vier Adern führt.
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Erfindungsgemäß ist nun mehr nach dem Gegenstand der 3 vorgesehen, dass zunächst die Daten der controller-seitigen Datenübertragungseinheit 3 über eine aus zwei Adern bestehende erste Übertragungsleitung 21 direkt und unmoduliert oder auch moduliert auf die motorseitige Datenübertragungseinheit 13 über eine zweiadrige Übertragungsleitung 21 übertragen werden, dass aber die controller-seitige Bremsen-Kontrolleinheit 4 über die Steuerleitung 6 ihre Daten auf die der Spannungsversorgung dienende zweiadrige Übertragungsleitung 26 überträgt, die auf der Motorseite wiederum über die Steuerleitung 7 voneinander getrennt werden, um so eine oberwellenfreie Spannungsversorgung 12 für die dort angeordneten Sensoren zu erhalten und davon getrennt die Signale für die motorseitige Bremse 11.
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Insgesamt werden somit zwei zweiadrige Übertragungsleitungen 21, 26 verwendet, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel kennzeichnend ist, dass die controller-seitigen Signale der Bremsen-Kontrolleinheit 4 auf der Spannungsversorgung der Sensoren vorgesehene Übertragungsleitung 26 aufmoduliert werden und auf der Motorseite wieder demoduliert werden.
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Im Ausführungsbeispiel nach 4 ist hingegen ausschließlich eine zwischen der Kontroll-Einheit 1 und der Motor-Einheit 10 vorgesehene, zweiadrige Übertragungsleitung 27 angeordnet, wobei die Daten der controller-seitigen Spannungsversorgung 5 zusammen mit den Daten der controller-seitigen Bremsen-Kontrolleinheit 4 und den Daten der controller-seitigen Datenübertragungseinheit 3 zusammen auf der Übertragungsleitung 27 in Form von Modulationssignalen übertragen werden. Die controller-seitige Steuerleitung 8 dient zur Vereinigung dieser Daten auf der Controller-Seite, während die auf der Motorseite angeordnete Steuerleitung 9 zur Demodulation der Daten dient, die somit den einzelnen Funktionsbausteinen 12, 13, 14 getrennt zugeführt werden.
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In 5 ist schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wo zunächst darauf hingewiesen wird, dass in allen Ausführungsbeispielen die jeweils auf der Motorseite angeordnete Bremse 11 direkt mit der motorseitigen Bremsen-Kontrolleinheit 14 verbunden ist.
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Im Ausführungsbeispiel nach 5 ist dies lediglich nochmals der besseren zeichnerischen Darstellung wegen, getrennt angegeben. Dabei sind die Bremsen-Kontrolleinheit 14 und Bremse 11 dargestellt.
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Im Ausführungsbeispiel nach 5 wird eine einzige, zweiadrige Übertragungsleitung 28 zwischen der Kontrolleinheit 1 und der Motoreinheit 10 verwendet, wobei über eine erste Steuerleitung 16 die Signale der controller-seitigen Spannungsversorgung 5 auf die Signale der Datenübertragungseinheit 3 aufmoduliert werden und ferner die Daten der controller-seitigen Bremsen-Kontrolleinheit über die Steuerleitung 18 aufmoduliert werden.
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Auf der Motorseite erfolgt eine Demodulation über die Steuerleitung 17 in die einzelnen Signale für die Funktionsbausteine 12, 13 und 14.
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Die Begriffe „Steuerleitung 16“ und „Steuerleitung 17“ sind eine Vereinfachung der tatsächlichen Verhältnisse: Es sind jeweils mehr als eine Leitung vorhanden.
Da es sich um zwei Drosseln handelt, würde in diesem Fall z.B. auch der „Steuerelement“ verwendet werden können.
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Kennzeichnend für dieses Ausführungsbeispiel ist, dass von den modulierten Daten der motorseitigen Datenübertragungseinheit 13 eine Steuerleitung 19 direkt auf die motorseitige Bremsen-Kontrolleinheit 14 führt, die ihrerseits über die Steuerleitung 29 die Bremse 11 ansteuert.
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Kennzeichnend für die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele nach den 3 bis 5 ist also die entscheidende Reduzierung der Anzahl der Adern bei der Spannungs- und Datenübertragung zwischen der Kontrolleinheit 1 und der Motoreinheit 10.
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Die 6 zeigt dabei eine mehrfach abgestufte Rampenkurve der Versorgungsspannung, woraus sich ergibt, dass die Versorgungsspannung mit den Signalen der Bremsen-Kontrolleinheit 4 amplituden-moduliert ist und dass auf der Motorseite wieder eine Demodulation stattfindet. Der Einfachheit wurde auf eine Darstellung mit Hysterese, die naturgemäß vorhanden ist, verzichtet. Auf der Ordinate ist der Spannungspegel der Versorgungsspannung der controller-seitigen Spannungsversorgung 5 aufgetragen, während auf der Abszisse der Funktionszustand der jeweils auf der Motorseite angeordneten Funktionsbausteine 12, 13, 14 aufgezeichnet ist.
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Ausgehend von der Nullposition bis zur Position 33 besteht ein Nullpegel der Versorgungsspannung, was bedeutet, dass die auf der Motorseite angeordneten Sensoren abgeschaltet sind, eine Datenkommunikation nicht stattfindet und das ferner die Bremse 11 geschlossen ist.
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Steigt bei Position 33 der Spannungspegel auf den Pegel 30 an, dann wird bei Position 34 die Spannungsversorgung 12 für die Sensoren eingeschaltet und die Datenübertragung zwischen der Kontroll-Einheit 1 und der Motor-Einheit 10 findet statt. In diesem Pegelzustand zwischen Position 34 und 35 ist jedoch die Bremse 11 der Motoreinheit 10 noch geschlossen.
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Steigt die Versorgungsspannung von dem niedrigeren Pegel 30 auf den höheren Pegel 31 an, dann wird zwischen der Position 35 und 36 die Spannungsversorgung der motorseitigen Sensoren beibehalten, die Datenübertragung findet ebenfalls statt, aber jetzt wird die Bremse 11 geöffnet.
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Dieser Betriebszustand wird auf dem höheren Pegel 32 bis zu Position 37 beibehalten.
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Fällt hingegen bei Position 37 die Spannungsversorgung von dem höchsten Pegel 32 auf den mittleren Pegel 31, dann wird bei Position 38 nach Unterschreitung des mittleren Pegels 31 zwar die Spannungsversorgung der motorseitigen Sensoren aufrecht erhalten und auch die Datenübertragung, jedoch wird die Bremse im Bereich zwischen Position 38 und 39 geschlossen.
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Bei weiterem Abfall der Versorgungsspannung unterhalb des Pegels 30 wird die Spannungsversorgung der motorseitigen Sensoren abgeschaltet, ebenso wie die Datenübertragung. Ebenso wird die Bremse geschlossen, bis die Position 40 erreicht ist.
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Bei Position 41 wurde der Ruhezustand wieder erreicht.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei Position 38 eine bestimmte Hysterese 42 vorhanden ist, so dass innerhalb einer bestimmten Schaltschwelle entschieden wird, ob der Kurvenzweig zwischen Position 37 und 38 beibehalten wird, oder in den Kurvenzweig zwischen Position 38 und 39 übergeleitet wird.
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Die 6 zeigt eine einfache Amplitudenmodulation der Versorgungsspannung, mit dem Ziel, die Adern der zwischen Kontrolleinheit 1 und Motoreinheit 10 angeordneten Übertragungsleitungen zu minimieren.
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Statt einer Amplitudenmodulation können jedoch - wie in der allgemeinen Beschreibung angegeben - auch sämtliche anderen bekannten Modulationsverfahren verwendet werden, wie z.B. die Frequenzmodulation oder die Zeitmodulation.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontroll-Einheit
- 2
- Spannungsversorgung
- 3
- Datenübertragungseinheit
- 4
- Bremsen-Kontrolleinheit (Controllerseite)
- 5
- Spannungsversorgung (Controllerseite)
- 6
- Steuerleitung
- 7
- Steuerleitung
- 8
- Steuerleitung
- 9
- Steuerleitung
- 10
- Motor-Einheit
- 11
- Bremse
- 12
- Spannungsversorgung
- 13
- Datenübertragungseinheit (Motorseite)
- 14
- Bremsen-Kontrolieinheit (Motorseite)
- 15
-
- 16
- Steuerleitung
- 17
- Steuerleitung
- 18
- Steuerleitung
- 19
- Steuerleitung
- 20
- Übertragungsleitung
- 21
- Übertragungsleitung
- 22
- Übertragungsleitung
- 23
- Abzweigleitung (Modulation)
- 24
- Abzweigleitung (Demodulation)
- 25
- Übertragungsleitung
- 26
- Übertragungsleitung
- 27
- Übertragungsleitung
- 28
- Übertragungsleitung
- 29
- Steuerleitung
- 30
- Pegel
- 31
- Pegel
- 32
- Pegel
- 33
- Position
- 34
- „‟
- 35
- „‟
- 36
- „‟
- 37
- „‟
- 38
- „‟
- 39
- „‟
- 40
- „„‟
- 41
-
- 42
- Hysterese
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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