DE102021215019A1

DE102021215019A1 - Konfigurierbarer Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102021215019A1
Application number: DE102021215019.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Dück; Ewgeni Hoffmann
Original assignee: Lenze SE
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-29
Also published as: WO2023118495A1

Abstract

Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100), aufweisend:- einen Prozessor (1) mit n Prozessorkernen (1a, 1b), mit n > 1,- wobei der Frequenzumrichter (100) in einer ersten Konfiguration aufweist:- m Leistungselektroniken (2a, 2b), mit m > 1 und m ≤ n, wobei eine jeweilige der m Leistungselektroniken (2a, 2b) dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor (3a, 3b) anzutreiben, wobei in der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters (100) jeder der m Leistungselektroniken (2a, 2b) mindestens einer der n Prozessorkerne (1a, 1b) zugeordnet ist, wobei der mindestens eine der n Prozessorkerne (1a, 1b) dazu ausgebildet ist, einen Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor (3a, 3b) auszuführen.

Description

Die Erfindung betrifft einen konfigurierbaren Frequenzumrichter, der möglichst flexibel verwendbar ist.
Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter ist konfigurierbar, d.h. kann beispielsweise in unterschiedlichen Konfigurationen hergestellt werden.
Der Frequenzumrichter weist einen herkömmlichen (Micro-) Prozessor mit n Prozessorkernen auf, mit n > 1. Mit anderen Worten weist der Prozessor mindestens zwei Prozessorkerne auf.
In einer ersten (Hardware-) Konfiguration weist der Frequenzumrichter m Leistungselektroniken auf, mit m > 1 und m ≤ n. Eine jeweilige Leistungselektronik ist dazu ausgebildet, einen zugeordneten Elektromotor anzutreiben, beispielsweise indem sie herkömmlich für einen dreiphasigen Elektromotor drei Phasenspannungen erzeugt, die in ihrer Frequenz und/oder ihrer Amplitude veränderlich sind. In der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters ist jeder Leistungselektronik mindestens einer der n Prozessorkerne zugeordnet, wobei der mindestens eine Prozessorkern dazu ausgebildet ist, einen Satz von notwendigen Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor auszuführen.
In einer Ausführungsform ist in der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters jeder Leistungselektronik genau ein Prozessorkern zugeordnet.
In einer Ausführungsform gilt m = n = 2.
In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter in einer zweiten Konfiguration auf: den Prozessor mit den n Prozessorkernen, mit n > 1, und eine einzelne Leistungselektronik, wobei die Leistungselektronik dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor anzutreiben. In der zweiten Konfiguration ist mindestens ein Prozessorkern dazu ausgebildet, den Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor auszuführen.
In einer Ausführungsform weist der Satz von Steuerungsfunktionen mindestens eine der folgenden Funktionen auf: Funktionen zum Fehlermanagement des Frequenzumrichters und/oder dessen Peripherie, Funktionen, die ein CAN in Automation (CiA) 301 Anwendungsprotokoll realisieren, Funktionen, die einen EtherCAT-Stack implementieren, Funktionen, die eine Überwachung des zugeordneten Elektromotors implementieren, und Funktionen, die eine Regelung, beispielsweise eine Vektor-Regelung, des Antriebs des zugeordneten Elektromotors implementieren.
In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter ein FPGA auf, das in der ersten Konfiguration zwischen den Prozessor und die Mehrzahl n von Leistungselektroniken geschaltet ist und in der zweiten Konfiguration zwischen den Prozessor und die Leistungselektronik geschaltet ist und das bevorzugt hardwarenahe Funktionen ausführt, beispielsweise eine Pulsweitenmodulation zur Erzeugung von Motoransteuer-Signalen, usw.
In einer Ausführungsform weist die bzw. eine jeweilige Leistungselektronik einen Wechselrichter auf, beispielsweise mit einer B6-Brücke.
In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter m Anschlüsse für Sicherheitsmodule auf, die - sofern angeschlossen - ein bestimmtes normiertes Maß an funktionaler Sicherheit bereitstellen, beispielsweise eine Safe Torque Off STO-Funktion, usw. Entsprechende Normen zur funktionalen Sicherheit sind beispielsweise die EN ISO 13849 und die EN / IEC 62061.
In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter in der ersten Konfiguration und in der zweiten Konfiguration einen Feldbusanschluss auf.
Frequenzumrichter werden typisch danach unterschieden, ob sie eine Einzelachse, d.h. einen einzelnen Elektromotor, oder eine Multiachse, d.h. mehrere Elektromotoren, ansteuern können. Eine einzelne Achse eines Multiachs-Umrichters wird hierbei anders angesteuert/parametriert als die einzelne Achse eines Einzelachs-Umrichters.
Die Erfindung stellt nun einen konfigurierbaren Frequenzumrichter zur Verfügung, der in einer Einzelachsenkonfiguration konfigurierbar ist und der in einer Multiachsenkonfiguration konfigurierbar ist, wobei jede Achse unabhängig von der verfügbaren Anzahl der Achsen des Frequenzumrichters auf die gleiche Art und Weise parametriert und angesteuert werden kann. Mit anderen Worten wird die einzelne Achse eines Einzelachsenumrichters auf die gleiche Art und Weise angesteuert und parametriert wie eine jeweilige einzelne Achse eines Multiachsenumrichters. Mit anderen Worten stellt die Erfindung einen Multiachsenumrichter in einem einzelnen Gerät bzw. Gehäuse zur Verfügung, dessen äußeres Verhalten, insbesondere bezüglich der Adressierung/Parametrierung auf einem Feldbus, dem Verhalten der entsprechenden Anzahl von Einzelachsen entspricht.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Einsatz eines Multicore- bzw. Mehrkern-Prozessors, bei dem beispielsweise jeder Prozessorkern die Ansteuerung/Berechnung für eine einzelne zugehörige Achse übernimmt. Der Einsatz von Prozessoren mit mehreren Prozessorkernen ermöglicht eine klare Strukturierung und Trennung von Rechenprozessen zwischen mehreren Achsen eines (Doppel-/ x-fach) - Frequenzumrichters.
Jeder Prozessorkern kann dabei soweit möglich unabhängig die Aufgaben für eine einzelne zugehörige Achse übernehmen. Dabei verhält sich jede Achse des Frequenzumrichters so wie ein eigenständiges Gerät. Von außen ist physikalisch jedoch nur ein einzelnes Gerät sichtbar und auch nur ein einzelnes Gerät muss angeschlossen werden.
In einem Doppelachs-Frequenzumrichter werden beispielsweise zwei unabhängige Leistungselektroniken mit einem gemeinsamen FPGA-Steuerteil und einer gemeinsamen FPGA-Ansteuerung genutzt.
In der Einzelachsenkonfiguration kann der Prozessor dann als Multicore-Prozessor mit mehr Performance für die einzelne Achse fungieren.
Ein Multiachsenumrichter wird somit für Benutzer auf die gleiche Art und Weise handhabbar, wie ein Einzelachsenumrichter, wobei zusätzlich der Verdrahtungsaufwand auf der Netz- und Steuerseite geringer ist, da nur ein einzelner Frequenzumrichter angeschlossen werden muss.
Ein Safety-Knoten bzw. Sicherheitsmodul muss in bzw. für die gesamte Anzahl von Konfigurationen bzw. die gesamte Geräte-Baureihe nur einmalig verifiziert werden, d.h. die Safety-Zulassung vereinfacht sich. Bei der Doppelachse können beispielsweise die Sicherheitsmodule einfach dupliziert werden, da der Doppelachsen-Frequenzumrichter sich wie zwei Einzelachsen-Frequenzumrichter verhält.
Durch das Splitting des Prozessors in seine Prozessorkerne gibt es im Bereich Safety bzw. funktionale Sicherheit weitere Vorteile. Beispielsweise kann eine Achse stoppen und parametriert werden, während die zweite Achse normal weiter betrieben werden kann. Das ist nur mit aufgeteilten Prozessorkernen sicher möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

1 einen konfigurierbaren Frequenzumrichter in einer ersten Konfiguration und
2 den konfigurierbaren Frequenzumrichter in einer zweiten Konfiguration.

1 zeigt einen konfigurierbaren Frequenzumrichter 100 in einer ersten Konfiguration, aufweisend: einen Prozessor 1 mit exemplarisch zwei Prozessorkernen 1a, 1b, zwei Leistungselektroniken 2a, 2b, wobei eine jeweilige Leistungselektronik 2a, 2b dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor 3a bzw. 3b anzutreiben bzw. anzusteuern, wobei der Leistungselektronik 2a der Prozessorkern 1a zugeordnet ist und der Leistungselektronik 2b der Prozessorkern 1b zugeordnet ist. Der Prozessorkern 1a führt einen Satz von Steuerungsfunktionen für den Elektromotor 3a aus und der Prozessorkern 1b führt einen entsprechenden Satz von Steuerungsfunktionen für den Elektromotor 3b aus.
Die Leistungselektroniken 2a und 2b weisen jeweils einen herkömmlichen dreiphasigen Wechselrichter 5 auf.
Der Satz von Steuerungsfunktionen weist mindestens eine der folgenden Funktionen auf: Funktionen zum Fehlermanagement, Funktionen, die ein CAN in Automation (CiA) 301 Anwendungsprotokoll realisieren, Funktionen, die einen EtherCAT-Stack implementieren, Funktionen, die eine Überwachung des zugeordneten Elektromotors 3a bzw. 3b implementieren, und Funktionen, die eine Regelung des Antriebs des zugeordneten Elektromotors 3a bzw. 3b implementieren.
Der Frequenzumrichter 100 weist ein Field Programmable Gate Array FPGA 4 auf, das zwischen den Prozessor 1 und die Leistungselektroniken 2a und 2b geschaltet ist. Das FPGA 4 übernimmt hierbei typische hardwarenahe Funktionalitäten bei der Ansteuerung der Elektromotoren 3a und 3b.
Ein jeweiliger Prozessorkern 1a bzw. 1b greift über das FPGA 4 auf die zugehörige Leistungselektronik 2a bzw. 2b zu und steuert auf diese Weise den zugehörigen Elektromotor 3a bzw. 3b in einer gewünschten Weise, beispielsweise mit einer vorgegebenen Drehzahl, einer vorgegebenen Drehwinkelstellung, einem vorgegebenen Drehmoment, etc. Hierzu kann beispielsweise der jeweilige Wechselrichter 5 pulsweitenmodulierte Ansteuerspannungen für den zugehörigen Elektromotor 3a bzw. 3b erzeugen, die eine gewünschte Frequenz und/oder eine gewünschte Amplitude aufweisen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Frequenzumrichter 100 weist zwei Anschlüsse 6a, 6b für Sicherheitsmodule auf. Wenn die Sicherheitsmodule angeschlossen sind, kann eine entsprechende normativ definierte Stufe von funktionaler Sicherheit garantiert werden.
2 zeigt den konfigurierbaren Frequenzumrichter 100 in einer zweiten Konfiguration. In der zweiten Konfiguration weist der Frequenzumrichter 100 nur eine einzelne Leistungselektronik 2a auf. In der zweiten Konfiguration führen beide Prozessorkerne 1a und 1b den Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor 3a gemeinsam bzw. parallel aus. Im Übrigen sei auf die obigen Ausführungen zu 1 verwiesen.
Es versteht sich, dass die erste Konfiguration des Frequenzumrichters mit zwei Prozessorkernen 1a, 1b und zwei zugehörigen Leistungselektroniken 2a, 2b lediglich exemplarisch ist. Selbstverständlich kann der Prozessor 1 auch mehr als zwei Prozessorkerne aufweisen und der Frequenzumrichter 100 kann mehr als zwei Leistungselektroniken aufweisen.
Der Frequenzumrichter weist sowohl in der ersten Konfiguration als auch in der zweiten Konfiguration einen Feldbusanschluss 7 auf, über den die Funktionen des Frequenzumrichters steuerbar sind.

Claims

Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100), aufweisend: - einen Prozessor (1) mit n Prozessorkernen (1a, 1b), mit n > 1, - wobei der Frequenzumrichter (100) in einer ersten Konfiguration aufweist: - m Leistungselektroniken (2a, 2b), mit m > 1 und m ≤ n, wobei eine jeweilige der m Leistungselektroniken (2a, 2b) dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor (3a, 3b) anzutreiben, wobei in der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters (100) jeder der m Leistungselektroniken (2a, 2b) mindestens einer der n Prozessorkerne (1a, 1b) zugeordnet ist, wobei der mindestens eine der n Prozessorkerne (1a, 1b) dazu ausgebildet ist, einen Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor (3a, 3b) auszuführen.
Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - in der ersten Konfiguration des Frequenzumrichters (100) jeder der m Leistungselektroniken (2a, 2b) genau einer der n Prozessorkerne (1a, 1b) zugeordnet ist.
Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - m = n = 2 ist.
Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (100) in einer zweiten Konfiguration aufweist: - den Prozessor (1) mit den n Prozessorkernen (1a, 1b), mit n > 1, und - eine einzelne Leistungselektronik (2a), wobei die Leistungselektronik (2a) dazu ausgebildet ist, einen zugeordneten Elektromotor (3a) anzutreiben, wobei in der zweiten Konfiguration mindestens einer der n Prozessorkerne (1a, 1b) dazu ausgebildet ist, den Satz von Steuerungsfunktionen für den zugeordneten Elektromotor (3a) auszuführen.
Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Satz von Steuerungsfunktionen mindestens eine der folgenden Funktionen aufweist: - Funktionen zum Fehlermanagement, - Funktionen, die ein CAN in Automation (CiA) 301 Anwendungsprotokoll realisieren, - Funktionen, die einen EtherCAT-Stack implementieren, - Funktionen, die eine Überwachung des zugeordneten Elektromotors (3a, 3b) implementieren, - Funktionen, die eine Regelung des Antriebs des zugeordneten Elektromotors (3a, 3b) implementieren.
Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (100) ein FPGA (4) aufweist, das zwischen den Prozessor (1) und die Leistungselektronik (2a) bzw. die Mehrzahl n von Leistungselektroniken (2a, 2b) geschaltet ist.
Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Leistungselektronik (2a) bzw. eine jeweilige Leistungselektronik (2a, 2b) einen Wechselrichter (5) aufweist.
Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (100) m Anschlüsse (6a, 6b) für Sicherheitsmodule aufweist.
Konfigurierbarer Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter in der ersten Konfiguration und in der zweiten Konfiguration einen Feldbusanschluss (7) aufweist.