DE102022123082A1

DE102022123082A1 - Drehwinkelerfassungssystem für eine Drehwinkelerfassung eines rotatorischen Bremsantriebs für ein Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102022123082A1
Application number: DE102022123082.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Jung; Ulf Friesen; Cheng Liu; Richard Grundwürmer
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024056349A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') für eine Drehwinkelerfassung eines rotatorischen Bremsantriebs für ein Schienenfahrzeug, aufweisend:zumindest eine Sensoreinheit (30, 30') zur Erfassung eines Drehwinkels, die operativ mit dem rotatorischen Bremsantrieb verbindbar ist, sowiezumindest einen Elektronik-Hauptpfad (10, 10') und zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') pro Sensoreinheit (30, 30'), wobei der zumindest eine Elektronik-Hauptpfad (10, 10') und der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') jeweils als Einzelpfad operativ mit der zumindest einen Sensoreinheit (30, 30') verbindbar ist,wobei der zumindest eine Elektronik-Hauptpfad (10, 10') und der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') jeweils zumindest eine Signalaufbereitungseinheit (14, 15, 16, 18, 24, 25, 16, 28) aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehwinkelerfassungssystem für eine Drehwinkelerfassung eines rotatorischen Bremsantriebs für ein Schienenfahrzeug sowie ein Bremssystem für eine Schienenfahrzeug und ein Schienenfahrzeug mit einem solchen Drehwinkelerfassungssystem.
Bei Schienenfahrzeugen sind beispielsweise elektromechanische Bremsaktuatoren, wie Bremszylinder, derart gestaltet, dass mithilfe eines Elektromotors elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Bei der Betätigung des Bremsaktuators bzw. Bremszylinders wird der Rotor des Elektromotors in eine rotatorische Bewegung versetzt. Diese Rotation bzw. das damit verbundene Antriebsmoment wird über eine Welle auf eine in oder an dieser eingebaute Spindelmutter übertragen. Durch eine axiale Fixierung der Spindelmutter resultiert eine Vorschubbewegung der Spindel als Beispiel eines Wandlers von einer rotatorischen Bewegung in eine lineare Bewegung. In einem weiteren Schritt kommt es mittels einer mechanischen Übersetzungsstufe zu einer Bewegung der Zangenhebel, was zu einem Anlegen der Bremsbeläge an einer Bremsscheibe und zum Aufbau einer Anpresskraft der Beläge führt. Zum Lösen der Bremse dreht der Motor in der umgekehrten Richtung und stellt damit den Gewindetrieb zurück.
Für die Ansteuerung des Elektromotors, beispielsweise eine permanentmagneterregte Synchronmaschine oder auch kurz PMSM, wird ein Drehwinkelgeber zur Erfassung der Rotorlage eingesetzt. Zur Erreichung einer hohen Ausfallsicherheit des Antriebssystems, wie bei einem Sicherheitsintegritätslevel 4 (SIL4 („Safety Integrity Level') werden daher häufig mindestens zwei Gebersystem verwendet, da im Falle des Ausfalls eines Gebersystems somit eine Redundanz besteht.
Aufgrund der beengten Raumverhältnisse für eine entsprechende Installation und auch unter Kostengesichtspunkten sind jedoch zwei oder mehr Sensoren und Komponenten nur sehr schwer oder gar nicht realisierbar. Dies trifft insbesondere auf ein Bremsaktuatorgehäuse eines Schienenfahrzeugs zu, welches aufgrund der Platzverhältnisse im Drehgestell in seinen maximalen Abmessungen limitiert ist.
In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen ist es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere im Hinblick auf den erforderlichen Bauraum, verbessertes Drehwinkelerfassungssystem zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß weist ein Drehwinkelerfassungssystem für eine Drehwinkelerfassung eines rotatorischen Bremsantriebs für ein Schienenfahrzeug, zumindest eine Sensoreinheit zur Erfassung eines Drehwinkels, die operativ mit dem rotatorischen Bremsantrieb verbindbar ist, sowie zumindest einen Elektronik-Hauptpfad und zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfad pro Sensoreinheit, wobei der zumindest eine Elektronik-Hauptpfad und der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad jeweils als Einzelpfad operativ mit der zumindest einen Sensoreinheit verbindbar ist, auf, wobei der zumindest eine Elektronik-Hauptpfad und der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad jeweils zumindest eine Signalaufbereitungseinheit aufweisen.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung basiert somit darauf, dass anstatt zwei oder mehr vollständigen Sensorpfaden, die sowohl die Sensoreinheit an sich als auch eine Signalaufbereitungseinheit, beispielsweise eine entsprechende Signalverarbeitungselektronik, aufweisen, eine Sensoreinheit mit zwei oder mehr Signalaufbereitungseinheiten verwendet wird, um eine Redundanz zu erreichen, wobei jeweils zumindest eine der Signalaufbereitungseinheiten einem Elektronik-Hauptpfad und jeweils zumindest eine der Signalaufbereitungseinheiten einem Elektronik-Sicherheitspfad zugeordnet ist.
Der Elektronik-Hauptpfad und der Elektronik-Sicherheitspfad sind voneinander getrennte Einzelpfade, die parallel zueinander geschaltet sind oder auch grundsätzlich getrennt verlaufen. Der Elektronik-Hauptpfad kann dabei als der Elektronikpfad verstanden werden, der im störungsfreien Betrieb mit der Sensoreinheit operativ verbunden ist, um hierüber Sensorsignale oder auch weitere andere Signale, wie Ansteuerungssignale oder dergleichen, unidirektional oder bidirektional leiten zu können. Entsprechend kann der Elektronik-Sicherheitspfad nur dann mit der Sensoreinheit operativ verbunden sein bzw. werden, wenn eine Störung eine Übertragung über den Elektronik-Hauptpfad unterbindet oder anderweitig stört. Alternativ können der Elektronik-Hauptpfad und der Elektronik-Sicherheitspfad dauerhaft oder zumindest zeitweise gleichzeitig operativ mit der Sensoreinheit verbunden sein, so dass eine Plausibilitätsprüfung der übertragenen Signale ermöglicht wird oder aber auch bei Ausfall des Elektronik-Hauptpfads die Signale ohne Verzögerung über den Elektronik-Sicherheitspfad übertragbar sind. Die operative Verbindbarkeit des Elektronik-Hauptpfads und des Elektronik-Sicherheitspfads betrifft sowohl eine direkte als auch indirekte Verbindung der Einzelpfade zur Signalübertragung. Zudem kann sich die operative Verbindung auch auf eine tatsächliche Aktivierung der Einzelpfade bzw. der jeweiligen Signalaufbereitungseinheit beziehen. Mit anderen Worten kann zumindest eine der Signalaufbereitungseinheiten beispielsweise konstant physisch mit der Sensoreinheit verbunden sein, wobei eine operative Verbindung streng genommen erst mit Aktivierung der entsprechenden Signalaufbereitungseinheit erfolgt.
Die operative Verbindungbarkeit der Sensoreinheit mit dem rotatorischen Bremsantrieb kann gleichermaßen eine direkte wie indirekte Verbindung umfassen. Die Verbindung kann mechanisch und/oder signaltechnisch erfolgen. Die Sensoreinheit kann somit sowohl im direkten Kontakt als auch über optische, akustische und/oder elektrische bzw. elektromagnetische Signale in Interaktion mit dem rotatorischen Bremsantrieb zumindest ein einen Drehwinkel repräsentierendes Signal generieren, das über den Elektronik-Hauptpfad und/oder Elektronik-Sicherheitspfad an die jeweilige Signalaufbereitungseinheit weitergeleitet werden kann.
Durch die Ausgestaltung des Drehwinkelerfassungssystems mit einer Sensoreinheit mit redundanten Einzelpfaden kann eine Reduzierung des erforderlichen Bauraums insbesondere dadurch unterstützt werden, dass die jeweiligen Signalaufbereitungseinheiten durch kleine mikroelektronische und/oder hochintegrierte Bauteile realisiert werden können, die selbst bei redundanter Ausführung der Einzelpfade einen vergleichsweisen geringen Platzbedarf aufweisen. Die redundante Ausführung der Einzelpfade, also des Elektronik-Sicherheitspfads im Hinblick auf den Elektronik-Hauptpfad bzw. jeweiliger Signalaufbereitungseinheiten, kann sich auf eine identische Funktionsausführung oder aber auch auf eine Redundanz vorbestimmter, insbesondere sicherheitsrelevanter Funktionen beziehen.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Sensoreinheit mit einer höheren Ausfallsicherheit ausgestattet als der zumindest eine Elektronik Hauptpfad und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad. Insbesondere weist die Sensoreinheit in Bezug auf die höhere Ausfallsicherheit unverlierbare Eigenschaften auf.
Demnach wird die Sensoreinheit, wie beispielsweise ein einzelnes Sensorelement, entsprechend einfach, zuverlässig und ausfallsicher ausgeführt, um eine möglichst hohe Ausfallsicherheit zu erreichen. Dies kann zum Beispiel durch geeignete Maßnahmen, wie eine dauerfeste mechanische Auslegung, eine verstärkte Isolation, größere Leitungsquerschnitte und/oder die Verwendung alterungsresistenter Materialien, erfolgen. Insbesondere wird die Sensoreinheit so ausgeführt, dass ihre Eigenschaften über einen definierten Einsatzzeitraum oder auch über ihre gesamte Lebensdauer „unverlierbar“ sind. Der Begriff der „unverlierbaren Eigenschaften“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf einen nicht anzunehmenden Ausfall. Da die Signalaufbereitungseinheiten bzw. damit in Verbindung stehenden Einzelpfade zumindest in vordefinierten Funktionalitäten redundant ausgeführt sind, können Funktionalitäten mit geringerer Ausfallsicherheit auf diese Einzelpfade verlegt werden. Gerade im Hinblick auf eine Signalaufbereitungseinheit mit entsprechenden Komponenten in meist vergleichsweise höherer Komplexität, die eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit aufweisen, kann die höhere Ausfallwahrscheinlichkeit durch die Redundanz zumindest teilweise kompensiert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Signalaufbereitungseinheit des zumindest einen Elektronik Hauptpfads und/oder des zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfads zumindest einen Signalwandler auf.
Über den zumindest einen Signalwandler können beispielsweise von der Sensoreinheit übermittelte Sensorsignale in durch weitere Signalaufbereitungskomponenten verarbeitbare Signale umgewandelt werden. Der Signalwandler kann zum Beispiel ein A/D-Wandler sein, der ein analoges Signal der Sensoreinheit in ein digitales Format umwandelt.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Signalaufbereitungseinheit des zumindest einen Elektronik Hauptpfads und/oder des zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfads zumindest eine Signalverarbeitungseinheit auf.
Beispielsweise wird durch Signalverarbeitungseinheit das optional zuvor über den Signalwandler konvertierte Signal der Sensoreinheit weiter verarbeitet. Die weitere Verarbeitung kann unter anderem eine Berechnung in eine andere Größe unter Berücksichtigung weiterer Signaleingänge sein und/oder eine andere Form der Signalverarbeitung, um auf Basis des Signals der Sensoreinheit einen Drehwinkel des rotatorischen Bremsantriebs zu bestimmen.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Signalaufbereitungseinheit des zumindest einen Elektronik Hauptpfads und/oder des zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfads zumindest eine Signalausgabeeinheit auf.
Die Signalausgabeeinheit gibt den basierend auf dem Signal der Sensoreinheit ermittelten Drehwinkel des rotatorischen Bremsantriebs aus. Die Signalausgabeeinheit kann eine separate Einheit der Signalausbereitungseinheit sein oder aber auch in der vorstehenden Signalverarbeitungseinheit integriert sein. Umgekehrt kann die Signalausgabeeinheit auch Signalverarbeitungsfunktionen umfassen.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen oder weist der zumindest eine Elektronik Hauptpfad und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad zumindest einen Signalschalter auf, über den die zumindest eine Signalaufbereitungseinheit operativ mit der zumindest einen Sensoreinheit verbindbar ist.
Über einen solchen Signalschalter können oder kann der zumindest eine Elektronik Hauptpfad und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad somit wahlweise mit der Sensoreinheit verbunden und wieder getrennt werden. Sofern ein Fehler in dem zumindest einen Elektronik Hauptpfad und/oder dem zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfad auf die Sensoreinheit übertragbar wäre bzw. sich anderweitig negativ auf die Sensoreinheit auswirken könnte, wird dies durch eine Trennung des fehlerbehafteten Einzelpfads unterbunden. Zudem kann über den Signalschalter auch die gezielte Verbindung mit der Sensoreinheit erfolgen. So kann beispielsweise zunächst nur ein Einzelpfad mit der Sensoreinheit verbunden werden, wobei dann bei entsprechendem Ausfall dieses Einzelpfads oder aus anderen Gründen der andere Einzelpfad über den Signalschalter zugeschaltet oder auf diesen umgeschaltet wird. Der Begriff des Zuschaltens bezieht sich auf die Verbindung beider Einzelpfade, während bei einem Umschalten der vorherige Einzelpfad getrennt wird.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen oder weist der zumindest eine Elektronik Hauptpfad und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad zumindest eine Energieversorgungseinheit auf, die operativ mit der zumindest einen Sensoreinheit verbindbar ist.
Die Sensoreinheit benötigt somit nicht zwangsweise eine eigene Energieversorgung, sondern kann über den zumindest einen Elektronik Hauptpfad und/oder den zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfad mit Energie versorgt werden. Wenn sowohl der zumindest eine Elektronik Hauptpfad und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad zumindest eine Energieversorgungseinheit oder eine entsprechende Anbindung an eine Energieversorgungseinheit aufweisen, so kann die Ausfallsicherheit weiter erhöht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen oder weist der zumindest eine Elektronik Hauptpfad und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad zumindest einen Energieversorgungsschalter auf, über den die zumindest eine Energieversorgungseinheit operativ mit der zumindest einen Sensoreinheit verbindbar ist.
Vergleichbar zum Signalschalter kann somit auch hier eine gezielte Verbindung und Trennung der jeweiligen Energieversorgungseinheit erfolgen.
Insbesondere ist/sind der zumindest eine Elektronik Hauptpfad und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad und/oder der zumindest eine Signalschalter und/oder der zumindest eine Energieversorgungsschalter über ein Ansteuerungssignal einer Ansteuerungseinheit ansteuerbar.
Eine solche Ansteuerungseinheit umfasst bevorzugt eine Überwachungsfunktion oder ist zumindest signaltechnisch mit einer entsprechenden Überwachungseinheit verbunden, um im Falle eines Ausfalls oder Fehlers eines Einzelpfades bzw. einer Signalaufbereitungseinheit oder Energieversorgungseinheit den zumindest einen Signalschalter und/oder den zumindest einen Energieversorgungsschalter über ein Ansteuerungssignal anzusteuern. Die Ansteuerung kann derart ausgebildet sein, dass zunächst der zumindest eine Elektronik-Hauptpfad angesteuert wird, und erst bei ausbleibender Rückmeldung oder gemäß einem anderweitig detektierten Fehler der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad angesteuert wird. Hierzu korrespondierend kann die Ansteuerungseinheit dann auch den zumindest einen Signalschalter und/oder den zumindest einen Energieversorgungsschalter ansteuern. Die Ansteuerung des zumindest einen Signalschalters und/oder des zumindest einen Energieversorgungsschalters kann auch über den jeweiligen zumindest einen Elektronik Hauptpfad und/oder der zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfad erfolgen. Die Ansteuerungseinheit kann Teil des Drehwinkelerfassungssystems, beispielsweise Teil des zumindest einen Elektronik Hauptpfads und/oder des zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfads sein, oder aber auch eine externe Ansteuerungseinheit.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Sensoreinheit ein Resolver oder weist zumindest einen Resolver auf.
Ein Resolver ist ein Drehwinkelsensor, wobei dieser, ähnlich wie ein Elektromotor, einen Rotor und einen Stator aufweist. Der Rotor des Resolvers kann aus einem magnetisch gut leitfähigen Material ausgebildet sein und den magnetischen Rückschluss für das vom Stator erzeugte magnetische Feld bilden. Betrachtet man die Wicklung im Stator des Resolvers, so können zwei unterschiedliche Bereiche unterschieden werden. Der erste Bereich entspricht einem Drehtransformator, wobei die Wicklung hier konzentrisch um den Rotor angeordnet ist. Im zweiten Bereich entspricht der Wicklungsaufbau dem Aufbau einer Motorwicklung mit zwei Phasen, die jedoch miteinander nicht verbunden sind. Die beiden Wicklungsbereiche sind räumlich voneinander getrennt und magnetisch nur durch den Rotor und den Statorrückschluss gekoppelt. Beispielsweise wird die Erregerwicklung des Resolvers mit einer Sinus- oder rechteckförmigen, hochfrequenten Spannung angeregt, typischerweise im Bereich von 2 kHz bis 10 kHz. Das magnetische Wechselfeld wird dabei durch den Rotor ausschließlich auf die Messwicklungen übertragen und in seiner Amplitude moduliert. Als Auswertegrößen können die Spannungen in den Messwicklungen herangezogen werden. Als Ausgangssignale werden dann eine Sinusschwingung und eine Cosinusschwingung angegeben. Da die magnetische Erregung des Rotors mit einer Wechselspannung konstanter Amplitude erfolgt, induziert sie in den Messwicklungen eine Spannung, deren Amplitude unabhängig von der Drehzahl der Welle des Bremsantriebs ist. Die Amplituden der Spannungen in den Messwicklungen hängen somit nur von dem Rotorwinkel bzw. der Position des Rotors oder der Welle ab.
Aufgrund des Aufbaus des Resolvers, bei dem keine mechanischen Komponenten mit Verschleißverhalten, wie zum Beispiel Kugellager, sowie keine elektronischen Bestandteile, wie beispielsweise Mikroprozessoren, Halbleiter oder Kondensatoren mit Festelektrolyt, zum Einsatz kommen, bietet der Resolver selbst eine sehr hohe Ausfallsicherheit.
Insbesondere weisen oder weist der zumindest eine Elektronik Hauptpfad und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad zumindest einen Resolver-Digital-Wandler auf.
Durch die Verwendung zumindest eines Resolver-Digital-Wandlers kann der Resolver als Sensoreinheit in einfacher Weise betrieben werden. Da es sich bei einem Resolver-Digital-Wandler um eine mikroprozessorähnliche Elektronikkomponente handelt, die einen komplexen Aufbau aufweist und/oder mit geringerer Ausfallsicherheit belegt ist, ist zumindest jeweils ein Resolver-Digital-Wandler sowohl in dem zumindest einen Elektronik Hauptpfad als auch in dem zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfad vorgesehen.
Gemäß einer Weiterbildung ist der zumindest eine Resolver-Digital-Wandler dazu ausgebildet, einen Rotor des Resolvers magnetisch, insbesondere mit einer Wechselspannung mit konstanter Amplitude, anzuregen und Sinus- und Cosinussignale eines Stators des Resolvers zu empfangen.
Gemäß der vorstehend angeführten Funktionsweise des Resolvers können somit die Ansteuerungs- bzw. Erregungssignale für den Resolver durch den Resolver-Digital-Wandler übertragen und umgekehrt von dem Resolver den Drehwinkel repräsentierende Ausgangssignale empfangen werden. Entsprechend kann der zumindest eine Resolver-Digital-Wandler für die Erzeugung des passenden Erregungssignals für den Resolver ausgelegt sein. Zudem kann der zumindest eine Resolver-Digital-Wandler dazu ausgelegt sein, die beiden Ausgangssignale des Resolvers, also die Sinus- und Cosinussignale, nicht nur zu empfangen, sondern auch weiterzuverarbeiten und einen Drehwinkel des rotatorischen Bremsantriebs oder ein diesen Drehwinkel repräsentierendes Ausgangssignal als Messgröße zum Beispiel über eine digitale Schnittstelle an ein übergeordnetes System weiterzugeben.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der zumindest eine Resolver-Digital-Wandler oder eine weitere Signalaufbereitungseinheit dazu ausgebildet, aus den Sinus- und Cosinussignalen des Stators des Resolvers, insbesondere unter Berücksichtigung einer Polpaarzahl des Resolvers, die Drehwinkelposition zu bestimmen.
Die Auswertung der Resolversignale, also der Sinus- und Cosinussignale, erfolgt beispielweise über die Bildung des Arcustangens, wodurch die elektrische Drehwinkelposition ausgegeben werden kann. Durch Einbeziehung der Polpaarzahl des Resolvers ist auch die Ausgabe als mechanische Drehwinkelposition möglich. Weiterhin ist eine Diagnose des Resolvers durch die beiden Ausgangssignale und die Anwendung von trigonometrischen Berechnungen möglich.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Bremssystem für ein Schienenfahrzeug, das zumindest einen Bremsaktuator zur Aufbringung einer Bremskraft, zumindest einen rotatorischen Bremsantrieb zur Betätigung des Bremsaktuators sowie zumindest ein vorstehend beschriebenes Drehwinkelerfassungssystem aufweist.
Die bei vorstehender Beschreibung des Drehwinkelerfassungssystems beschriebenen Merkmale betreffen gleichermaßen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bremssystems und umgekehrt.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Schienenfahrzeug mit zumindest einem vorstehend beschriebenen Drehwinkelerfassungssystem und/oder einem vorstehend beschriebenen Bremssystem, wobei zumindest die Sensoreinheit in einem Drehgestell des Schienenfahrzeugs angeordnet ist.
Die bei vorstehender Beschreibung des Drehwinkelerfassungssystems beschriebenen Merkmale betreffen gleichermaßen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs und umgekehrt.
Die vorstehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind nicht begrenzend auf den Gegenstand der Erfindung anzusehen. Vielmehr können weitere erfindungsgemäße Gegenstände durch Ergänzen, Weglassen oder Vertauschen einzelner Merkmale erhalten werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Im Einzelnen zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Drehwinkelerfassungssystems für ein Schienenfahrzeug gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform; und
2 eine schematische Darstellung eines Drehwinkelerfassungssystems für ein Schienenfahrzeug gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Drehwinkelerfassungssystems 1 für ein Schienenfahrzeug gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform. Das Drehwinkelerfassungssystem 1 weist eine Sensoreinheit 30 auf, die den Drehwinkel eines rotatorischen Bremsantriebs (nicht gezeigt) eines Schienenfahrzeugs erfassen kann. Das Drehwinkelerfassungssystem ist hierzu in einem Drehgestell angeordnet, hier beispielsweise in einer elektromechanischen Bremszange enthalten, die in einem Drehgestell des Schienenfahrzeugs angeordnet ist. In alternativen Ausführungsformen kann das Drehwinkelerfassungssystem 1 auch nur teilweise in dem in der Bremszange oder auch im Drehgestell angeordnet sein.
Zudem weist das Drehwinkelerfassungssystem 1 einen Elektronik-Hauptpfad 10 sowie einen Elektronik-Sicherheitspfad 20 auf, die jeweils als Einzelpfade mit der Sensoreinheit 30 verbunden sind. Der Elektronik-Hauptpfad 10 und der Elektronik-Sicherheitspfad 20 weisen jeweils einen Signalwandler 14, 24, eine Signalverarbeitungseinheit 15, 25 und eine Signalausgabeeinheit 16, 26 als Teile einer Signalaufbereitungseinheit, die aus diesen Komponenten gebildet wird, auf, die das Sensorsignal der Sensoreinheit aufbereiten. Des Weiteren weisen der Elektronik-Hauptpfad 10 und der Elektronik-Sicherheitspfad 20 jeweils eine Energieversorgungseinheit 11, 21 auf, um die Sensoreinheit jeweils mit Energie versorgen zu können. Die Verbindung der Sensoreinheit 30 zur Energieversorgung durch die jeweilige Energieversorgungseinheit 11, 21 erfolgt über einen jeweiligen Energieversorgungsschalter 12, 22. Vergleichbar erfolgt die Verbindung der Sensoreinheit zur Signalaufbereitung über die jeweiligen Signalwandler 14, 24, die jeweiligen Signalverarbeitungseinheiten 15, 25 und die jeweiligen Signalausgabeeinheiten 16, 26 über einen jeweiligen Signalschalter 13, 23. Die Signalschalter 13, 23 und die Energieversorgungsschalter 12, 22 werden durch ein jeweiliges Ansteuerungssignal 17, 27, das von einer Steuerungseinheit 40 bereitgestellt wird, angesteuert. Das Ansteuerungssignal 17 dient dabei der Ansteuerung des Signalschalters 13 und des Energieversorgungsschalters 12 des Elektronik-Hauptpfads 10, während über das Ansteuerungssignal 27 der Signalschalter 23 und der Energieversorgungsschalter 22 des Elektronik-Sicherheitspfads 20 angesteuert werden. Wird die Drehwinkelerfassung und Energieversorgung beispielsweise über den Elektronik-Hauptpfad ausgeführt und bei der Ausführung ein Fehler oder Ausfall detektiert, gibt die Steuerungseinheit 40 ein Ansteuerungssignal 17 aus, um den Signalschalter 13 und den Energieversorgungsschalter 12 zu öffnen und damit eine jeweilige Verbindung zu der Sensoreinheit 30 zu trennen. Zudem gibt die Steuerungseinheit 40 diesbezüglich ein Ansteuerungssignal 27 an den Elektronik-Sicherheitspfad 20 aus, um den Signalschalter 23 und den Energieversorgungsschalter 22 zu schließen, so dass die Sensoreinheit 30 mit dem Elektronik-Sicherheitspfad 20 verbunden wird. Sofern ein Ausfall oder Fehler nur die Energieversorgung betrifft, können auch nur die entsprechenden Energieversorgungsschalter 12, 22 umgeschaltet werden. Ebenso können nur die Signalschalter 13, 23 umgeschaltet werden, wenn die jeweils aktive Energieversorgungseinheit 11, 21 von dem Fehler oder Ausfall nicht betroffen ist.
Der Elektronik-Hauptpfad 10 und der Elektronik-Sicherheitspfad 20 weisen hier identische Funktionsumfänge auf, um eine vollständige Redundanz des Elektronik-Hauptpfads 10 und des Elektronik-Sicherheitspfads 20 zu realisieren. In alternativen Ausführungsformen können der Elektronik-Hauptpfad 10 und der Elektronik-Sicherheitspfad 20 aber auch nur teilweise identische Funktionsumfänge aufweisen, um beispielsweise lediglich sicherheitsrelevante Funktionen redundant auszubilden.
Gemäß den vorstehenden Ausführungen weist das Drehwinkelerfassungssystem 1 somit keine redundanten Sensoreinheiten mit jeweiligen Elektronikpfaden zur Signalaufbereitung auf, sondern die Redundanz verlagert sich auf die Signalaufbereitung durch die durch den Elektronik-Hauptpfad 10 und den Elektronik-Sicherheitspfad 20 zumindest teilweise redundant ausgebildeten Einzelpfade, die jeweils mit der nicht redundant ausgeführten Sensoreinheit 30 verbindbar sind.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Drehwinkelerfassungssystems 1' für ein Schienenfahrzeug gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform. Das Drehwinkelerfassungssystem 1' der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Drehwinkelerfassungssystem 1 der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Sensoreinheit in der zweiten Ausführungsform durch einen Resolver 30' ausgebildet wird. Zudem erfolgt in dem Drehwinkelerfassungssystem 1' die Energieversorgung in Form eines Erregungssignals für den Resolver 30' sowie die Signalaufbereitung gemäß von dem Resolver 30' empfangener Sinussignale und Cosinussignale in dem jeweils mit dem Resolver 30' verbundenen Elektronik- Hauptpfad 10' und Elektronik-Sicherheitspfad 20' über einen jeweils in dem Elektronik- Hauptpfad 10' und dem Elektronik-Sicherheitspfad 20' vorgesehenen Resolver-Digital-Wandler 18, 28. Das Erregungssignal ist entweder von dem Resolver-Digital-Wandler 18 im Elektronik-Hauptpfad 10' oder dem Resolver-Digital-Wandler 28 im Elektronik-Sicherheitspfad 20' je nach Schaltung eines jeweiligen Erregungssignalschalters 13a', 23a' an den Resolver 30' übertragbar. Korrespondierend zum Erregungssignal in Verbindung mit dem aktuellen Drehwinkel des rotatorischen Bremsantriebs gibt der Resolver 30' Sinussignale und Cosinussignale aus. Die Sinussignale werden je nach Schalterstellung eines sowohl im Elektronik- Hauptpfad 10' als auch im Elektronik-Sicherheitspfad 20' angeordneten Sinussignalschalters 13b', 23b' wahlweise an den Resolver-Digital-Wandler 18 im Elektronik-Hauptpfad 10' oder den Resolver-Digital-Wandler 28 im Elektronik-Sicherheitspfad 20' übertragen. In alternativen Ausführungsformen kann beispielsweise aus Kontrollgründen auch vorgesehen sein, die Sinussignale sowohl an den Resolver-Digital-Wandler 18 im Elektronik-Hauptpfad 10' als auch an den Resolver-Digital-Wandler 28 im Elektronik-Sicherheitspfad 20' zu übermitteln. Zur Übertragung der Sinussignale vergleichbar werden die Cosinussignale je nach Schalterstellung eines sowohl im Elektronik- Hauptpfad 10' als auch im Elektronik-Sicherheitspfad 20' angeordneten Cosinussignalschalters 13c', 23c' wahlweise an den Resolver-Digital-Wandler 18 im Elektronik-Hauptpfad 10' oder den Resolver-Digital-Wandler 28 im Elektronik-Sicherheitspfad 20' übertragen. In alternativen Ausführungsformend kann ebenfalls beispielsweise aus Kontrollgründen auch vorgesehen sein, die Cosinussignale sowohl an den Resolver-Digital-Wandler 18 im Elektronik-Hauptpfad 10' oder den Resolver-Digital-Wandler 28 im Elektronik-Sicherheitspfad 20' zu übermitteln.
Der jeweilige Resolver-Digital-Wandler 18, 28 ist jeweils derart ausgebildet, dass der Resolver-Digital-Wandler 18, 28 aus den übertragenen Sinus- und Cosinussignalen durch Bildung des Arcustangens einen Drehwinkel des rotatorischen Bremsantriebs bestimmt und ausgibt, beispielsweise eine übergeordnete Steuereinheit, wie die Steuereinheit 40.
BEZUGSZEICHENLISTE

1, 1': Drehwinkelerfassungssystem
10, 10': Elektronik-Hauptpfad
11: Energieversorgungseinheit (Elektronik-Hauptpfad)
12: Energieversorgungsschalter (Elektronik-Hauptpfad)
13: Signalschalter (Elektronik-Hauptpfad)
13a': Erregungssignalschalter (Elektronik-Hauptpfad)
13b': Sinussignalschalter (Elektronik-Hauptpfad)
13c': Cosinussignalschalter (Elektronik-Hauptpfad)
14: Signalwandler (Elektronik-Hauptpfad)
15: Signalverarbeitungseinheit (Elektronik-Hauptpfad)
16: Signalausgabeeinheit (Elektronik-Hauptpfad)
17: Ansteuerungssignal (Elektronik-Hauptpfad)
18: Resolver-Digital-Wandler (Elektronik-Hauptpfad)
20, 20': Elektronik-Sicherheitspfad
21: Energieversorgungseinheit (Elektronik-Sicherheitspfad)
22: Energieversorgungsschalter (Elektronik-Sicherheitspfad)
23: Signalschalter (Elektronik-Sicherheitspfad)
23a': Erregungssignalschalter (Elektronik-Sicherheitspfad)
23b': Sinussignalschalter (Elektronik-Sicherheitspfad)
23c': Cosinussignalschalter (Elektronik-Sicherheitspfad)
24: Signalwandler (Elektronik-Sicherheitspfad)
25: Signalverarbeitungseinheit (Elektronik-Sicherheitspfad)
26: Signalausgabeeinheit (Elektronik-Sicherheitspfad)
27: Ansteuerungssignal (Elektronik-Sicherheitspfad)
28: Resolver-Digital-Wandler (Elektronik-Sicherheitspfad)
30: Sensoreinheit
30': Resolver
40: Steuerungseinheit

Claims

Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') für eine Drehwinkelerfassung eines rotatorischen Bremsantriebs für ein Schienenfahrzeug, aufweisend: zumindest eine Sensoreinheit (30, 30') zur Erfassung eines Drehwinkels, die operativ mit dem rotatorischen Bremsantrieb verbindbar ist, sowie zumindest einen Elektronik-Hauptpfad (10, 10') und zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') pro Sensoreinheit (30, 30'), wobei der zumindest eine Elektronik-Hauptpfad (10, 10') und der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') jeweils als Einzelpfad operativ mit der zumindest einen Sensoreinheit (30, 30') verbindbar ist, wobei der zumindest eine Elektronik-Hauptpfad (10, 10') und der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') jeweils zumindest eine Signalaufbereitungseinheit (14, 15, 16, 18, 24, 25, 16, 28) aufweisen.
Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinheit (30, 30') mit einer höheren Ausfallsicherheit ausgestattet ist, insbesondere unverlierbare Eigenschaften aufweist, als der zumindest eine Elektronik Hauptpfad (10, 10') und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20').
Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalaufbereitungseinheit des zumindest einen Elektronik Hauptpfads (10, 10') und/oder des zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfads (20, 20') zumindest einen Signalwandler (14, 18, 24, 28) aufweist.
Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Signalaufbereitungseinheit des zumindest einen Elektronik Hauptpfads (10, 10') und/oder des zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfads (20, 20') zumindest eine Signalverarbeitungseinheit (15, 18, 25, 28) aufweist.
Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Signalaufbereitungseinheit des zumindest einen Elektronik Hauptpfads (10, 10') und/oder des zumindest einen Elektronik-Sicherheitspfads (20, 20') zumindest eine Signalausgabeeinheit (16, 18, 26, 28) aufweist.
Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zumindest eine Elektronik Hauptpfad (10, 10') und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') zumindest einen Signalschalter (13, 13a', 13b', 13c', 23, 23a', 23b', 23c') aufweisen oder aufweist, über den die zumindest eine Signalaufbereitungseinheit (14, 15, 16, 18, 24, 25, 16, 28) operativ mit der zumindest einen Sensoreinheit (30, 30') verbindbar ist.
Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zumindest eine Elektronik Hauptpfad (10, 10') und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') zumindest eine Energieversorgungseinheit (11, 21) aufweisen oder aufweist, die operativ mit der zumindest einen Sensoreinheit (30, 30') verbindbar ist.
Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zumindest eine Elektronik Hauptpfad (10, 10') und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') zumindest einen Energieversorgungsschalter (12, 22) aufweisen oder aufweist, über den die zumindest eine Energieversorgungseinheit (11, 21) operativ mit der zumindest einen Sensoreinheit (30, 30') verbindbar ist.
Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach Anspruch 6 oder 8, wobei der zumindest eine Elektronik Hauptpfad (10, 10') und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') und/oder der zumindest eine Signalschalter (13, 13a', 13b', 13c', 23, 23a', 23b', 23c') und/oder der zumindest eine Energieversorgungsschalter (12, 22) über ein Ansteuerungssignal (17, 27) einer Ansteuerungseinheit (18, 40) ansteuerbar ist/sind.
Drehwinkelerfassungssystem (1') nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (30') ein Resolver (30') ist oder zumindest einen Resolver (30') aufweist.
Drehwinkelerfassungssystem (1') nach Anspruch 10, wobei der zumindest eine Elektronik Hauptpfad (10, 10') und/oder der zumindest eine Elektronik-Sicherheitspfad (20, 20') zumindest einen Resolver-Digital-Wandler (18, 28) aufweisen oder aufweist.
Drehwinkelerfassungssystem (1') nach Anspruch 11, wobei der zumindest eine Resolver-Digital-Wandler (18, 28) dazu ausgebildet ist, einen Rotor des Resolvers (30') magnetisch, insbesondere mit einer Wechselspannung mit konstanter Amplitude, anzuregen und Sinus- und Cosinussignale eines Stators des Resolvers (30') zu empfangen.
Drehwinkelerfassungssystem (1') nach Anspruch 12, wobei der zumindest eine Resolver-Digital-Wandler (18, 28) oder eine weitere Signalaufbereitungseinheit (14, 15, 16, 24, 25, 16) dazu ausgebildet ist, aus den Sinus- und Cosinussignalen des Stators des Resolvers (30'), insbesondere unter Berücksichtigung einer Polpaarzahl des Resolvers (30'), die Drehwinkelposition zu bestimmen.
Bremssystem für ein Schienenfahrzeug, aufweisend: zumindest einen Bremsaktuator zur Aufbringung einer Bremskraft, zumindest einen rotatorischen Bremsantrieb zur Betätigung des Bremsaktuators sowie zumindest ein Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Schienenfahrzeug mit zumindest einem Drehwinkelerfassungssystem (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder einem Bremssystem nach Anspruch 14, wobei zumindest die Sensoreinheit (30, 30') in einem Drehgestell des Schienenfahrzeugs angeordnet ist.