DE102018215783A1

DE102018215783A1 - Positionserfassungssystem und Verfahren zur Erfassung einer Bewegung einer Maschine

Info

Publication number: DE102018215783A1
Application number: DE102018215783.9A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Bund; Stephanie Stollberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-03-19
Also published as: CN110906849B; GB2579121A; JP2020046430A; GB201913283D0; GB2579121B; US11499842B2; JP7387348B2; CN110906849A; US20200088548A1

Abstract

Es sind ein Positionserfassungssystem (20; 20A) und ein Verfahren zur Erfassung einer Bewegung einer Maschine (10), beispielsweise auch in deren betriebslosen Zustand, bereitgestellt. Das Positionserfassungssystem (20; 20A) umfasst einen ersten Positionssensor (21) zur Erfassung einer Änderung eines ersten Magnetfelds (H1), welches durch die Bewegung der Maschine (10) erzeugt wird, einen zweiten Positionssensor (22) zur Erfassung einer Änderung eines zweiten Magnetfelds (H2), welches sich von dem ersten Magnetfeld (H1) unterscheidet und durch die Bewegung der Maschine (10) erzeugt wird, wobei ein Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors (22) eine geringere Auflösung einer zu bestimmenden Position eines Elements (11; 13) der Maschine (10) aufweist als ein Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors (21), und eine Auswerteeinrichtung (205) zur Auswertung mindestens eines Erfassungsergebnisses des ersten Positionssensors (21) und/oder mindestens eines Erfassungsergebnisses des zweiten Positionssensors (22) für eine funktionale Bestimmung der Position eines Elements (11; 13) der Maschine (10) und für eine Bestimmung der Position des Elements (11; 13) gemäß vorgegebenen Sicherheitskriterien, wobei jeder der beiden Positionssensoren (21, 22) über eine separate Kommunikationsverbindung (217; 227) mit der Auswerteeinrichtung (205) verbunden ist, um sein Erfassungsergebnis an die Auswerteeinrichtung (205) auszugeben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Positionserfassungssystem und ein Verfahren zur Erfassung einer Bewegung einer Maschine, beispielsweise einer Rotationsmaschine, insbesondere für einen Synchronmotor.
Maschinen, wie beispielsweise elektrische Maschinen, Motoren, Generatoren, Rotationsmaschinen, Linearmaschinen usw., werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, um beispielsweise Gegenstände in Bewegung zu versetzen, elektrische Energie zu erzeugen, usw. Je nach Anwendungsfall ist es während des Betriebs der Maschine und/oder für die Inbetriebnahme der Maschine wichtig zu wissen, in welcher Stellung sich die Maschine befindet, um im Betrieb eine definierte Bewegung mit Hilfe der Maschine ausführen zu können.
Solche Maschinen, insbesondere Synchronmotoren, benötigen die ermittelte Position um die Lage eines von der Maschine angetriebenen Elements zu regeln und um den optimalen Kommutierungswinkel für die Ansteuerung der Leistungselektronik zu ermöglichen. Damit dies nach dem Einschalten ohne weitere Aktivitäten möglich ist, muss die Position innerhalb einer Umdrehung der Maschine eindeutig sein.
Problematisch ist, dass für das Positionserfassungssystem wenig Platz in der Maschine vorhanden ist, dass das Positionserfassungssystem robust gegenüber mechanischen Belastungen und Umwelteinflüssen sein soll, günstig in der Herstellung sein soll, eine hohe Güte und hohe Auflösung bieten soll und für einen Personenschutz zur sicheren Bildung der Position in der Lage sein soll.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Positionserfassungssystem und ein Verfahren zur Erfassung einer Bewegung einer Maschine bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen ein Positionserfassungssystem und ein Verfahren zur Erfassung einer Bewegung einer Maschine bereitgestellt werden, mit welchen ein robustes und kompaktes sowie in der Herstellung günstiges Positionserfassungssystem für die Maschine realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Positionserfassungssystem zur Erfassung einer Bewegung einer Maschine nach Anspruch 1 gelöst. Das Positionserfassungssystem umfasst einen ersten Positionssensor zur Erfassung einer Änderung eines ersten Magnetfelds, welches durch die Bewegung der Maschine erzeugt wird, einen zweiten Positionssensor zur Erfassung einer Änderung eines zweiten Magnetfelds, welches sich von dem ersten Magnetfeld unterscheidet und durch die Bewegung der Maschine erzeugt wird, wobei ein Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors eine geringere Auflösung einer zu bestimmenden Position eines Elements der Maschine aufweist als ein Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors, und einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung mindestens eine Erfassungsergebnisses des ersten Positionssensors und/oder mindestens eines Erfassungsergebnisses des zweiten Positionssensors für eine funktionale Bestimmung der Position eines Elements der Maschine und für eine Bestimmung der Position des Elements gemäß vorgegebenen Sicherheitskriterien, wobei jeder der beiden Positionssensoren über eine separate Kommunikationsverbindung mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist, um sein Erfassungsergebnis an die Auswerteeinrichtung auszugeben.
Das Positionserfassungssystem ist ein sehr kompaktes magnetisches Erfassungssystem, welches sowohl Positionen unterschiedlicher Güte und Auflösung für unterschiedliche Funktionen liefert und damit zudem einen hohen Sicherheitslevel erreicht. Hierbei ist das Positionserfassungssystem sehr robust gegenüber mechanischen Belastungen und Umwelteinflüssen. Außerdem ist das Positionserfassungssystem platzsparend und günstig in der Herstellung.
Das Positionserfassungssystem bietet den großen Vorteil, dass die Stellung bzw. Position der Welle der Maschine und/oder die Stellung bzw. Position eines Rotors der Maschine immer mit großer Sicherheit erfasst werden kann. Hierbei bieten zwei Sensoren, welche eine Bewegung der Welle der Maschine bzw. die Stellung eines Rotors der Maschine erfassen, nicht nur eine sichere inkrementelle Position sondern auch eine sichere absolute Position. Dabei kann die damit vorhandene Redundanz, welche für die Bildung der sicheren inkrementellen Position erforderlich ist, für eine Fehlererkennung bei der sicheren absoluten Position genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil des Positionserfassungssystems besteht in seiner hohen Zuverlässigkeit. Dadurch ist das Positionserfassungssystem insbesondere für Rotationsmaschinen einsetzbar, bei denen eine sichere Bestimmung der Position gefordert wird.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Positionserfassungssystems sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In einer Ausgestaltung hat das Positionserfassungssystem zudem mindestens zwei erste Magnete, an welchen der erste Positionssensor das erste Magnetfeld erfasst, und einen zweiten Magneten, an welchem der zweite Positionssensor das zweite Magnetfeld erfasst, wobei die mindestens zwei ersten Magnete und der zweite Magnet in einer vorbestimmten festen Anordnung zueinander angeordnet sind. Hierbei weisen die mindestens zwei ersten Magnete in einer Reihe angeordnete Magnetpolpaare auf, wobei jeweils Magnetpole unterschiedlicher Polarität nebeneinander angeordnet sind, wobei der zweite Magnet in einem Zentrum der mindestens zwei ersten Magnete und beabstandet von der Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Magnetpolpaaren angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die Auswerteeinrichtung eine Steuereinheit zur Auswertung von mindestens einem Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors und mindestens einem Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel hat die Auswerteeinrichtung eine erste Steuereinheit zur Auswertung mindestens eines Erfassungsergebnisses des ersten Positionssensors und eine zweite Steuereinheit zur Auswertung mindestens eines Erfassungsergebnisses des zweiten Positionssensors, wobei die erste und zweite Steuereinheit miteinander verbunden sind, um die Erfassungsergebnisse oder Auswerteergebnisse als Daten zwischen den Steuereinheiten zu übertragen.
Möglicherweise ist die Auswerteeinrichtung ausgestaltet, zur Bestimmung der Position innerhalb einer elektrischen Umdrehung des Elements der Maschine das Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors zu verwenden. Außerdem ist die Auswerteeinrichtung möglicherweise ausgestaltet, zur Bestimmung der Position in Bezug auf eine mechanische Umdrehung des Elements der Maschine das Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors zu verwenden. Hierbei wird verwendet, dass der zweite Positionssensor nach dem Einschalten der Maschine eine eindeutige Position innerhalb einer mechanischen Umdrehung hat, der erste Positionssensor jedoch nicht. Durch die beschriebene Plausibilisierung der beiden Erfassungsergebnisse der Sensoren kann jedoch ein Fehler des zweiten Positionssensors aufgedeckt werden und somit eine sichere Position innerhalb einer Umdrehung nach dem Einschalten gewährleistet werden.
Die Auswerteeinrichtung kann ausgestaltet sein, das mindestens eine Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors und das mindestens eine Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors für eine Fehlererkennung in einer Auswertung der Erfassungsergebnisse der Positionssensoren heranzuziehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist an einer Vielzahl von ersten Magneten mehr als ein erster Positionssensor vorgesehen, um eine Änderung des ersten Magnetfelds zu erfassen.
Es ist denkbar, dass der erste Positionssensor und der zweite Positionssensor jeweils ein TMR-Sensor ist, oder der erste Positionssensor ein TMR-Sensor ist und der zweite Positionssensor ein parametrierbarer Hall-Sensor ist.
Mindestens ein zuvor beschriebenes Positionserfassungssystem kann Teil einer Maschine sein, die zudem mindestens ein bewegbares Element aufweist, das mit der Maschine in eine Drehbewegung antreibbar ist, wobei das mindestens eine Positionserfassungssystem zur Erfassung einer Bewegung des mindestens einen bewegbaren Elements vorgesehen ist. Hierbei ist das mindestens eine Element der Maschine der Rotor oder die Welle der Maschine. Zusätzlich oder alternativ ist die Maschine ein Synchronmotor.
Mindestens ein zuvor beschriebenes Positionserfassungssystem kann Teil einer Anlage sein, die zudem mindestens ein anzutreibendes Anlagenelement und mindestens eine Maschine zum Antrieb des mindestens einen anzutreibenden Anlagenelements in eine Drehbewegung aufweist. Hierbei ist das mindestens eine Positionserfassungssystem zur Erfassung einer Bewegung mindestens eines Elements einer Maschine vorgesehen.
Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Erfassung einer Bewegung einer Maschine mit einem Positionserfassungssystem nach Anspruch 13 gelöst. Das Positionserfassungssystem hat einen ersten Positionssensor, einen zweiten Positionssensor, und eine Auswerteeinrichtung, wobei das Verfahren die Schritte aufweist Erfassen, mit dem ersten Positionssensor, einer Änderung eines ersten Magnetfelds, welches durch die Bewegung der Maschine erzeugt wird, und Ausgeben des Erfassungsergebnisses über eine erste Kommunikationsverbindung an die Auswerteeinrichtung, Erfassen, mit dem zweiten Positionssensor, einer Änderung eines zweiten Magnetfelds, welches sich von dem ersten Magnetfeld unterscheidet und durch die Bewegung der Maschine erzeugt wird, und Ausgeben des Erfassungsergebnisses über eine zweite Kommunikationsverbindung an die Auswerteeinrichtung, wobei ein Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors eine geringere Auflösung einer zu bestimmenden Position eines Elements der Maschine aufweist als ein Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors, und Auswerten, mit einer Auswerteeinrichtung, mindestens eines Erfassungsergebnisses des ersten Positionssensors und/oder mindestens eines Erfassungsergebnisses des zweiten Positionssensors für eine funktionale Bestimmung der Position eines Elements der Maschine und für eine Bestimmung der Position des Elements gemäß vorgegebenen Sicherheitskriterien.
Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf das Positionserfassungssystem genannt sind.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich des Ausführungsbeispiels beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Anlage mit einer Maschine, die in Teilschnittansicht dargestellt ist und an die ein Positionserfassungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel angebaut ist;
2 eine dreidimensionale Ansicht des Positionserfassungssystems zusammen mit dessen elektrischen Aufbau in einem Blockschaltbild gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und
3 eine dreidimensionale Ansicht des Positionserfassungssystems zusammen mit dessen elektrischen Aufbau in einem Blockschaltbild gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Anlage 1 mit einer Maschine 10, einem Positionserfassungssystem 20, einem Wicklungstemperatursensor 30 und einem von der Maschine 10 bewegbaren Anlagenelement 40.
Die Anlage 1 kann eine Transporteinrichtung zum Transport eines Gegenstands sein oder aufweisen, wie beispielsweise ein Roboter, der mehr als eine Maschine 10 aufweist, ein Transportband, bei welchem eine Rotationsmaschine und/oder eine Linearmaschine zum Einsatz kommt, usw.. Insbesondere ist oder hat die Anlage 1 als Maschine 10 eine Pumpe und/oder eine Schaltuhr. Die Anlage 1 kann alternativ eine Maschine 10 für ein Mischwerk aufweisen. Weiter alternativ kann die Anlage 1 eine Maschine 10 für einen Drehtellerantrieb aufweisen. Weiter alternativ kann die Anlage 1 ein Fahrzeug sein, in welchem als Maschine 10 beispielsweise eine Lichtmaschine oder ein sonstiger Antrieb vorgesehen ist. Es sind beliebige andere Anwendungsmöglichkeiten für die Anlage 1 denkbar.
Werden bei der Maschine 10 entsprechende Magnetfelder erzeugt, ist ein Rotor 11 relativ zu einem Stator 12 um eine Maschinenachse bzw. Welle 13 drehbar, an welcher der Rotor 11 montiert ist. Die Welle 13 ist mit Lagern 15 an einem Gehäuse 16 der Maschine 10 drehbar gelagert. Mit dem Wicklungstemperatursensor 30 ist die Temperatur von Spulenwicklungen des Stators 12 erfassbar. Zudem sind optional weitere Sensoren vorhanden, wie beispielsweise eine Sensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur und/oder Beschleunigungssensoren, usw.
Das Positionserfassungssystem 20 ist an der Maschine 10 von 1 zur Erfassung der Drehung der Welle 13 und damit auch des Rotors 11 vorgesehen und angeordnet. Hierfür hat das Positionserfassungssystem 20 zwei Positionssensoren 21, 22, welche die Bewegung von Magneten an einem Polrad 200 erkennen können. Das Polrad 200 ist an einer magnetischen Entkopplungseinheit 135 fest mit der Welle 13 mechanisch gekoppelt. Die magnetische Entkopplungseinheit 135 ist aus nicht-ferromagnetischem Material hergestellt. Dadurch bewirkt die Entkopplungseinheit 135 eine magnetische Entkopplung, auch wenn eine mechanische Kopplung mit der Welle 13 vorhanden ist. Die Positionssensoren 21, 22 sind an einer Elektronikbaugruppe 203 des Positionserfassungssystems 20 montiert. Neben den nachfolgend beschriebenen Funktionen ist die Elektronikbaugruppe 203 noch zur Verarbeitung der Erfassungsergebnisse des Wicklungstemperatursensors 30 ausgestaltet.
Die Maschine 10 ist insbesondere eine der nachfolgend genannten Maschinen, nämlich ein Motor, ein Generator, eine Wechselstrommaschine, eine Drehstrommaschine, eine Hydraulikmaschine, pneumatische Maschine, usw. Die Maschine 10 muss jedoch keine Rotationsmaschine sein, sondern kann alternativ eine Linearmaschine sein, bei welcher sich ein Rotor linear über einen Stator bewegt. Insbesondere ist die Maschine 10 ein Synchronmotor oder Asynchronmotor.
2 zeigt den Aufbau des Positionserfassungssystems 20 gemäß einem speziellen Beispiel genauer. Hierbei ist auf der linken Seite von 2 der mechanische Aufbau des Positionserfassungssystems 20 gezeigt. Das Positionserfassungssystem 20 hat das Polrad 200, das an der Welle 13 angeordnet ist.
Die Welle 13 ist um eine Drehachse 130 drehbar. Die Drehachse 130 der Welle 13 ist bei dem Beispiel von 2 gleich der Drehachse des Polrads 200. Eine derartige Anordnung ist in Bezug auf den geringsten Platzbedarf optimiert. Steht mehr Platz zur Verfügung oder verlangt es die Anwendung, kann die Bewegung der Drehachse 130 alternativ von einer anderen Welle abgegriffen werden, die hier nicht gezeigt ist und mit der Drehachse 130 gekoppelt ist, insbesondere über ein Getriebe.
Auf der rechten Seite von 2 ist der elektrische Aufbau der Elektronikbaugruppe 203 in einem schematischen Blockschaltbild veranschaulicht. Zusätzlich zu dem ersten Positionssensor 21 und dem zweiten Positionssensor 22 hat das Positionserfassungssystem 20 bei der Elektronikbaugruppe 203 eine Auswerteeinrichtung 205 mit einer ersten und zweiten Steuereinheit 210, 220.
Der erste Positionssensor 21 ist als inkrementeller Sensor mit einer Vielzahl von Magneten 211, 212 mit ersten Magnetpolen 211 und zweiten Magnetpolen 212 ausgestaltet, die sich gegenseitig abstoßen bzw. unterschiedliche Polarität haben. Die Magnete 211, 212 des ersten Positionssensors 21, genauer gesagt deren erste und zweite Magnetpole 211, 212 sind in 2 abwechselnd entlang des Umfangs des Polrads 200 an einer Innenwand des Polrads 200 angeordnet. Alternativ ist es jedoch möglich, die ersten und zweiten Magnetpole 211, 212 abwechselnd entlang des Umfangs des Polrads 200 an einer Außenwand des Polrads 200 anzuordnen. In 2 sind der Übersicht halber nicht alle Magnetpole 211, 212 mit einem Bezugszeichen versehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Positionssensor 21 ein Winkelsensor. Beispielsweise hat ein Winkelsensor zwei magnetische Sensoren, die um etwa 90° versetzt in einem Chip montiert sind. Alternativ hat ein Winkelsensor zwei magnetische Sensoren, die um etwa 90° versetzt auf einer Leiterkarte montiert sind. Es sind jedoch alle anderen Ausführungen für einen Winkelsensor denkbar, die einen Winkel erfassen können.
Der erste Positionssensor 21 kann als Magnetfelddetektor ausgestaltet sein, der insbesondere ein TMR-Sensor (TMR = tunnel magnetoresistance = magnetischer Tunnelwiderstand) ist.
Die Anzahl der Paare von ersten und zweiten Magnetpolen 211, 212 des ersten Positionssensors 21 bestimmt die Auflösung, mit welcher die Erfassung der Position der Welle 13 bei ihrer Drehung um die Drehachse 130 möglich ist. Bei dem vorliegenden Beispiel sind 11 Paare von ersten und zweiten Magnetpolen 211, 212 vorgesehen. Je mehr Paare von ersten und zweiten Magnetpolen 211, 212 vorhanden sind, desto größer ist die Auflösung der Erfassung. Zudem gilt, je mehr Paare von ersten und zweiten Magnetpolen 211, 212 vorhanden sind, desto höhere Güte und höhere Auflösung ist erzielbar, mit anderen Worten desto besser ist eine inkrementelle Positionsauswertung mit der ersten Steuereinheit 210 durchführbar.
Erfasst der erste Positionssensor 21 eine Änderung eines Magnetfelds H1 an dem Magnet 221, 222, gibt der erste Positionssensor 21 seine Erfassungsergebnisse bzw. sein Signal 215 an die erste Steuereinheit 210 aus. Die Erfassungsergebnisse bzw. das Signal 215 werden/wird von dem ersten Positionssensor 21 mit einem vorbestimmten Takt bzw. in vorbestimmten zeitlichen Abständen erfasst und an die erste Steuereinheit 210 gesendet. Der Sensor 21 ist möglicherweise als Sensor ausgestaltet, der ein analoges Signal als Erfassungsergebnisse 215 ausgibt. Alternativ kann der Sensor 21 als Sensor ausgestaltet sein, der ein digitales Signal als Erfassungsergebnisse 215 ausgibt.
Ein Magnet 221, 222 des zweiten Positionssensors 22 ist im Zentrum des Polrads 200 angeordnet. Der Magnet 221, 222 hat einen ersten Magnetpol 221 und einem zweiten Magnetpol 222, die sich gegenseitig abstoßen bzw. unterschiedliche Polarität haben. Der Magnet 221, 222 ist bei dem Beispiel von 2 ein Rundmagnet. Der Magnet 221, 222 des zweiten Positionssensors 22 ist auch im Zentrum der Magnete 211, 212 des ersten Positionssensors 21 angeordnet. Das Zentrum des Magneten 221, 222 und das Zentrum der Welle 13 ist bei dem Beispiel von 2 gleich. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der zweite Positionssensor 22 ein Winkelsensor, der ausgestaltet sein kann, wie zuvor für den ersten Positionssensor 21 beschrieben. Der zweite Positionssensor 22 kann als Magnetfelddetektor ausgestaltet sein, der insbesondere ein TMR-Sensor (TMR = tunnel magnetoresistance = magnetischer Tunnelwiderstand) ist.
Erfasst der zweite Positionssensor 22 eine Änderung eines Magnetfelds H2 an dem Magnet 221, 222, gibt der zweite Positionssensor 22 seine Erfassungsergebnisse bzw. sein Signal 225 über eine Kommunikationsleitung 227 an die zweite Steuereinheit 220 aus. Hierbei werden die Erfassungsergebnisse bzw. das Signal 225 von dem zweiten Positionssensor 22 mit einem vorbestimmten Takt bzw. in vorbestimmten zeitlichen Abständen erfasst und an die zweite Steuereinheit 220 gesendet. Der Sensor 22 ist möglicherweise als Sensor ausgestaltet, der ein analoges Signal als Erfassungsergebnisse 225 ausgibt. Alternativ kann der Sensor 22 als Sensor ausgestaltet sein, der ein digitales Signal als Erfassungsergebnisse 225 ausgibt.
Bei einer Linearmaschine kann anstelle eines Polrads 200 eine Vielzahl von Magneten 211, 212 Verwendung finden, die entlang der Länge eines Stators der Linearmaschine in einer Reihe aneinander aufgereiht sind. In einem solchen Fall sind der erste und zweite Positionssensor 21, 22 Längenerfassungssensoren. Hier werden möglichst viele Teilungsperioden pro Längeneinheit benötigt.
Die erste Steuereinheit 210 ist insbesondere ein Mikrocontroller mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 213 und mindestens einer Speichereinheit 214. Außerdem ist die zweite Steuereinheit 220 insbesondere ein Mikrocontroller mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 223 und mindestens einer Speichereinheit 224.
Die Auswerteeinrichtung 205 weist die Steuereinheiten 210, 220 auf. Die erste Steuereinheit 210 bildet einen ersten Kanal eines zweikanaligen Prozessorsystems. Die zweite Steuereinheit 220 bildet einen zweiten Kanal eines zweikanaligen Prozessorsystems. Die Steuereinheiten 210, 220 sind miteinander verbunden, so dass Daten 230 zwischen den Steuereinheiten 210, 220 übertragbar sind. Dadurch kann jede der Steuereinheiten 210, 220 die Erfassungsergebnisse bzw. Signale 215, 225 beider Sensoren 21, 22 bei ihrer Auswertung verwenden. Außerdem kann das Auswerteergebnis der Steuereinheiten 210, 220 als Daten 230 zwischen den Steuereinheiten 210, 220 übertragen werden, so dass auch jede Steuereinheit 210, 220 darauf zugreifen kann.
Die Auswerteeinrichtung 205 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Teil der Maschine 10. Alternativ kann zumindest eine der Steuereinheiten 210, 220 extern von der Maschine 10 vorgesehen sein. Zudem ist die Auswerteeinrichtung 205 mit einer externen Vorrichtung 50 verbunden, die beispielsweise eine Steuerzentrale (Host) ist. Die Auswerteeinrichtung 205 ist ausgestaltet, die zuvor genannten Auswerteergebnisse in Daten 240 an die externe Vorrichtung 50 zu senden. Die Auswerteergebnisse, und somit die Daten 240, umfassen die absolute Position oder die sichere absolute Position, je nach Ergebnis der Auswertung.
Somit stellt das Positionserfassungssystem 20 eine Erfassung der absoluten Position der Welle 13 bzw. des Rotors 11 mit dem zweiten Positionssensor 22 und der Auswertung der absoluten Position der Welle 13 bzw. des Rotors 11 mit der zweiten Steuereinheit 220 bereit. Nur die zweite Steuereinheit 220 kann mit dem zweiten Positionssensor 22 eine absolute Position innerhalb einer Umdrehung bereitstellen. Die erste Steuereinheit 210 bekommt zwar die absolute Position von der zweite Steuereinheit 220 kann die absolute Position aber nicht selbst ermitteln. In jeder der Steuereinheiten 210, 220 ist das empfangene Erfassungsergebnis bzw. das Signal 215, 225 zudem verwendbar, um die Richtung zu erkennen, in welcher sich die Welle 13 als Element der Maschine 10 bewegt.
Zum anderen stellt das Positionserfassungssystem 20 auch eine inkrementelle Positionserfassung mittels des ersten Positionssensors 21 sowie eine inkrementelle Positionsauswertung mittels der ersten Steuereinheit 210 bereit, welche für die hochauflösende Position benötigt wird. Hierbei bilden die Absolutpositionserfassung, die bei der vorliegenden Anmeldung im Sinne einer Einzelumdrehung (Singleturn) verstanden wird, mittels des zweiten Positionssensors 22 und die hochauflösende Positionserfassung mittels des ersten Positionssensors 21 ein Gesamtsystem. In dem Gesamtsystem sind die Absolutpositionserfassung und hochauflösende Positionserfassung voneinander abhängige Systeme.
Für insbesondere einen Synchronmotor kann die ermittelte Position des zweiten Positionssensors 22 verwendet werden, um die Lage des Elements 11, 13 zu regeln und um den optimalen Kommutierungswinkel für die Ansteuerung der Leistungselektronik der Elektronikbaugruppe 203 zu ermöglichen. Die Leistungselektronik kann Bestandteil der Elektronikbaugruppe 203 sein oder extern von der Elektronikbaugruppe 203 vorgesehen sein. Mit dem zweiten Positionssensor 22 und der Steuereinheit 220 kann die Position der Welle 13 innerhalb einer elektrischen Umdrehung der Maschine 10 eindeutig bestimmt werden. Die ermittelte Position ist für eine Lageregelung eines Synchronmotors völlig ausreichend. Hierbei entspricht eine elektrische Umdrehung von 360° einer mechanischen Umdrehung über einen Pol eines Polpaares des Stators der elektrischen Maschine 10. Sind beispielsweise bei der Maschine 10 am Stator zwei Polpaare vorgesehen, ergibt sich pro 180° mechanischer Umdrehung eine elektrische Umdrehung von 360°. Sind drei Polpaare vorgesehen, ergibt sich pro 120° mechanischer Umdrehung eine elektrische Umdrehung von 360°, usw.
Daher wird die mit zweiten Positionssensor 22 gebildete Position verwendet, um ohne weitere Aktivitäten nach dem Einschalten eindeutig die Position innerhalb einer elektrischen Umdrehung der Maschine 10 verfügbar zu haben.
Für eine hohe Güte und Auflösung der Position ist der erste Positionssensor 21 derart ausgestaltet, dass möglichst viele Teilungsperioden pro mechanischer Umdrehung bereitstehen. Hierfür hat der erste Positionssensor 21 die benötigte Anzahl von Magneten 211, 212. Bei linearen Positionserfassungssystemen werden möglichst viele Teilungsperioden pro Längeneinheit bereitgestellt.
Der Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, dass sowohl die Einzelumdrehungsposition (Singleturn-Information) wie auch eine hochauflösende Position gebildet werden können.
In der Sicherheitstechnik ist jedoch eine hohe Auflösung der Position nicht notwendig. Die Auflösung, die mit dem zweiten Positionssensor 22 erzielt wird, reicht für eine Positionsbestimmung aus.
Somit steht mit den beiden Positionssensoren 21, 22 eine redundante Position zur Verfügung, die für die sichere Überwachung der Geschwindigkeit/Position benötigt wird. Je nach Bedarf ist die sichere Position oder Geschwindigkeit bei der Regelung der Lage für eine Maschine 10, insbesondere einen Synchronmotor, verwendbar.
Da bei dem Beispiel von 2 zwei Steuereinheiten 210, 220 vorhanden sind, die konfiguriert sind, wie zuvor beschrieben, ist ein hoher Sicherheitslevel erreichbar. Gemäß einem Sicherheitslevel sind gemäß technischen Vorschriften zum Betrieb von technischen Anlagen vorgegebene Sicherheitskriterien einzuhalten.
Es ist somit ohne zusätzliche Hardware ein sicheres zweikanaliges und somit redundantes Erfassen bzw. Bestimmen der Position möglich. Diese Redundanz kann für eine Fehlererkennung bei der sicheren absoluten Position genutzt werden, die mit dem zweiten Positionssensor 22 erfasst wird. Hierbei können die beiden Erfassungsergebnisse bzw. Signale 215, 225 der beiden Sensoren 21, 22 mit einer vorbestimmten Vergleichsvorschrift miteinander verglichen werden. Liefern die Erfassungsergebnisse bzw. Signale 215, 225 voneinander abweichende Ergebnisse für die Position, erkennt die Auswerteeinrichtung 205 das Positionsergebnis als Fehler. Wird ein Fehler erkannt, kann die Auswerteeinrichtung 205 eine Fehlermeldung ausgeben. Zum Erkennen des Fehlers kann über die zuvor beschriebene Überwachung ein Toleranzfenster gelegt werden, das die durch Rauschen entstehenden Unterschiede berücksichtigt. Ein Fehler kann beispielsweise durch Ablösen eines Magneten 211, 212 oder des Magneten 221, 222 vom Polrad 200 auftreten.
Somit kann die Auswerteeinrichtung 205 eine Auswertung von mindestens einem Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors 21 und mindestens einem Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors 21 für eine funktionale Bestimmung der Position eines Elements 11, 13 der Maschine 10 durchführen. Eine Funktion ist beispielsweise, dass die Position innerhalb einer elektrischen Umdrehung des Elements 11, 13 der Maschine 10 zu bestimmen ist, wie zuvor beschrieben. Hierfür verwendet die Auswerteeinrichtung 205 vorzugsweise das Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors 22, das die Singleturn Information enthält und das die geringere Auflösung bietet. Zudem wird das Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors 21 verwendet, das die hohe bzw. höhere Auflösung bietet. Beide Positionen werden zusammen gefügt und ergeben dann eine Information.
Die beschriebene Art der Positionsbestimmung ergibt, dass beide Sensoren 21, 22 ein zweikanaliges System bilden (Redundanz). Wird eine unzulässige Abweichung festgestellt, wird die Übertragung der sicheren Position gestoppt und eine Fehlermeldung ausgegeben.
Der Vorteil einer solchen Konstruktion und Konfiguration des Positionserfassungssystems 20 liegt darin, dass die Bauteile, wie der zweite Positionssensor 22 und die Steuereinheit 220, die für die Bildung einer sicheren absoluten Position der Welle 13 bzw. des Rotors 11 verwendet werden, auch für die Bildung einer sicheren inkrementellen Position verwendbar sind.
3 zeigt ein Positionserfassungssystem 20A gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Hier ist im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel an einer Elektronikbaugruppe 204 nur eine Steuereinheit, nämlich beispielsweise die erste Steuereinheit 210, vorhanden. In diesem Fall senden beide Positionssensoren 21, 22 ihre Erfassungsergebnisse an die eine Steuereinheit, hier also die erste Steuereinheit 210. Zudem führt die eine Steuereinheit 210 die notwendigen Auswertungen der Erfassungsergebnisse bzw. Signale 215, 225 aus, wie zuvor in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben.
Da somit kein komplett zweikanaliges System vorliegt, ist der erreichbare Sicherheitslevel niedriger als bei dem Positionserfassungssystem 20 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel können anstelle des einen ersten Positionssensors 21 mehrere Positionssensoren vorhanden sein, um das Magnetfeld H1 der Magnete 211, 212 des Polrads 200 bzw. eine Änderung des Magnetfelds H1 zu erfassen und ein Erfassungsergebnis bzw. Signal 215 für die Auswerteeinrichtung 205 zu Verfügung zu stellen. Damit kann die Auflösung und Güte der Positionsbestimmung der Welle 13 noch weiter erhöht werden.
Je nach gefordertem Sicherheitslevel können die Erfassungsergebnisse bzw. das Signal 215 der verschiedenen ersten Positionssensoren 21 separat an die Auswerteeinrichtung 205 gesendet werden. Außerdem kann die Auswerteeinrichtung 205 je nach gefordertem Sicherheitslevel verschiedene Steuereinheiten 210 aufweisen, um die Erfassungsergebnisse bzw. das Signal 215 der ersten Positionssensoren 21 separat auszuwerten. Zusätzlich kann eine Kommunikationsverbindung zur Übertragung von Daten 230 zwischen den einzelnen Steuereinheiten 210vorhanden sein.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Anlage 1, des Positionserfassungssystems 20, 20A und des von diesem ausgeführten Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
Mindestens eine der Kommunikationsleitungen 217, 227 ist möglicherweise als serieller Bus, insbesondere als I²C-Bus, ausgestaltet.
Der mindestens eine erste Positionssensor 21 kann zusätzlich oder alternativ ein parametrierbarer Hall-Sensor sein. Dadurch ist der erste Positionssensor 21 an verschiedenste Anwendungsfälle anpassbar.

Claims

Positionserfassungssystem (20; 20A) zur Erfassung einer Bewegung einer Maschine (10), mit einem ersten Positionssensor (21) zur Erfassung einer Änderung eines ersten Magnetfelds (H1), welches durch die Bewegung der Maschine (10) erzeugt wird, einem zweiten Positionssensor (22) zur Erfassung einer Änderung eines zweiten Magnetfelds (H2), welches sich von dem ersten Magnetfeld (H1) unterscheidet und durch die Bewegung der Maschine (10) erzeugt wird, wobei ein Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors (22) eine geringere Auflösung einer zu bestimmenden Position eines Elements (11; 13) der Maschine (10) aufweist als ein Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors (21), und einer Auswerteeinrichtung (205) zur Auswertung mindestens eines Erfassungsergebnisses des ersten Positionssensors (21) und/oder mindestens eines Erfassungsergebnisses des zweiten Positionssensors (22) für eine funktionale Bestimmung der Position eines Elements (11; 13) der Maschine (10) und für eine Bestimmung der Position des Elements (11; 13) gemäß vorgegebenen Sicherheitskriterien, wobei jeder der beiden Positionssensoren (21, 22) über eine separate Kommunikationsverbindung (217; 227) mit der Auswerteeinrichtung (205) verbunden ist, um sein Erfassungsergebnis an die Auswerteeinrichtung (205) auszugeben.
Positionserfassungssystem (20; 20A) nach Anspruch 1, zudem mit mindestens zwei ersten Magneten (211, 212), an welchen der erste Positionssensor (21) das erste Magnetfeld (H1) erfasst, und einem zweiten Magneten (221, 222), an welchem der zweite Positionssensor das zweite Magnetfeld (H2) erfasst, wobei die mindestens zwei ersten Magnete (211, 212) und der zweite Magnet (221, 222) in einer vorbestimmten festen Anordnung zueinander angeordnet sind.
Positionserfassungssystem (20; 20A) nach Anspruch 2, wobei die mindestens zwei ersten Magnete (211, 212) in einer Reihe angeordnete Magnetpolpaare (211, 212) aufweisen, wobei jeweils Magnetpole (211, 212) unterschiedlicher Polarität nebeneinander angeordnet sind, wobei der zweite Magnet (221, 222) in einem Zentrum der mindestens zwei ersten Magnete (211, 212) und beabstandet von der Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Magnetpolpaaren (211, 212) angeordnet ist.
Positionserfassungssystem (20; 20A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auswerteeinrichtung (205) eine Steuereinheit (210) zur Auswertung von mindestens einem Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors (21) und mindestens einem Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors (22) aufweist.
Positionserfassungssystem (20; 20A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auswerteeinrichtung (205) aufweist eine erste Steuereinheit (210) zur Auswertung mindestens eines Erfassungsergebnisses (215) des ersten Positionssensors (21) und eine zweite Steuereinheit (220) zur Auswertung mindestens eines Erfassungsergebnisses (225) des zweiten Positionssensors (22), wobei die erste und zweite Steuereinheit (210, 220) miteinander verbunden sind, um die Erfassungsergebnisse (215, 225) oder Auswerteergebnisse als Daten (230) zwischen den Steuereinheiten (210, 220) zu übertragen.
Positionserfassungssystem (20; 20A) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (205) ausgestaltet ist, zur Bestimmung der Position innerhalb einer elektrischen Umdrehung der Magnetteilung des ersten Positionssensors (21) das Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors (21) zu verwenden, und wobei die Auswerteeinrichtung (205) ausgestaltet ist, zur Bestimmung der Position in Bezug auf eine mechanische Umdrehung des Elements (11; 13) der Maschine (10) das Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors (22) zu verwenden.
Positionserfassungssystem (20; 20A) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (205) ausgestaltet ist, das mindestens eine Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors (21) und das mindestens eine Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors (22) für eine Fehlererkennung in einer Auswertung der Erfassungsergebnisse der Positionssensoren (21, 22) heranzuziehen.
Positionserfassungssystem (20; 20A) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an einer Vielzahl von ersten Magneten (211, 212) mehr als ein erster Positionssensor (21) vorgesehen ist, um eine Änderung des ersten Magnetfelds (H1) zu erfassen.
Positionserfassungssystem (20; 20A) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Positionssensor (21) und der zweite Positionssensor (22) jeweils ein TMR-Sensor ist, oder wobei der erste Positionssensor (21) ein TMR-Sensor ist und der zweite Positionssensor (22) ein parametrierbarer Hall-Sensor ist.
Maschine (10), mit mindestens einem bewegbaren Element (11; 13), das mit der Maschine (10) in eine Bewegung antreibbar ist, und mindestens einem Positionserfassungssystem (20; 20A) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erfassung einer Bewegung des mindestens einen bewegbaren Elements (11; 13).
Maschine (10) nach Anspruch 10, wobei das mindestens eine Element (11; 13) der Maschine (10) der Rotor (11) oder die Welle (13) der Maschine (10) ist, und/oder wobei die Maschine (10) ein Synchronmotor ist.
Anlage (1), mit mindestens einem anzutreibenden Anlagenelement (40), mindestens einer Maschine (10) zum Antrieb des mindestens einen anzutreibenden Anlagenelements (40) in eine Drehbewegung oder eine lineare Bewegung, und mindestens einem Positionserfassungssystem (20; 20A) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Erfassung einer Bewegung mindestens eines Elements (11; 13) einer Maschine (10).
Verfahren zur Erfassung einer Bewegung einer Maschine (10) mit einem Positionserfassungssystem (20; 20A), das einen ersten Positionssensor (21), einen zweiten Positionssensor (22), und eine Auswerteeinrichtung (205) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist Erfassen, mit dem ersten Positionssensor (21), einer Änderung eines ersten Magnetfelds (H1), welches durch die Bewegung der Maschine (10) erzeugt wird, und Ausgeben des Erfassungsergebnisses über eine erste Kommunikationsverbindung (217) an die Auswerteeinrichtung (205), Erfassen, mit dem zweiten Positionssensor (22), einer Änderung eines zweiten Magnetfelds (H2), welches sich von dem ersten Magnetfeld (H1) unterscheidet und durch die Bewegung der Maschine (10) erzeugt wird, und Ausgeben des Erfassungsergebnisses über eine zweite Kommunikationsverbindung (227) an die Auswerteeinrichtung (205), wobei ein Erfassungsergebnis des zweiten Positionssensors (22) eine geringere Auflösung einer zu bestimmenden Position eines Elements (11; 13) der Maschine (10) aufweist als ein Erfassungsergebnis des ersten Positionssensors (21), und Auswerten, mit einer Auswerteeinrichtung (205), mindestens eines Erfassungsergebnisses des ersten Positionssensors (21) und/oder mindestens eines Erfassungsergebnisses des zweiten Positionssensors (22) für eine funktionale Bestimmung der Position eines Elements (11; 13) der Maschine (10) und für eine Bestimmung der Position des Elements (11; 13) gemäß vorgegebenen Sicherheitskriterien.