DE19937737C2 - Vorrichtung zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle (12). Die Vorrichtung (60) beinhaltet dabei Meßmittel (22) zum Aufnehmen eines ersten und eines zweiten Signals (24, 26), wobei das erste Signal (24) den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines ersten Referenzpunktes der Welle (12) repräsentiert und wobei das zweite Signal (26) den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines zweiten Referenzpunktes der Welle (12) repräsentiert. Dabei liegen die beiden genannten Referenzpunkte um einen Drehwinkel der Welle (12) voneinander entfernt. Die Vorrichtung (60) besitzt des weiteren Auswertemittel (62) mit einem Vergleicher, mit dem Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals (24, 26) anhand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung miteinander vergleichbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum siche­ ren Überwachen der Drehbewegung einer Welle, mit Meßmitteln zum Aufnehmen eines ersten und eines zweiten Signals, wobei das er­ ste Signal den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines ersten Referenzpunktes der Welle repräsentiert und wobei das zweite Signal den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition ei­ nes zweiten Referenzpunktes der Welle repräsentiert, wobei fer­ ner der erste und der zweite Referenzpunkt um einen Drehwinkel der Welle voneinander entfernt liegen, ferner mit Auswertemit­ teln, denen das erste und das zweite Signal zugeführt sind, wo­ bei die Auswertemittel zumindest einen Vergleicher beinhalten, mit dem Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals anhand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung miteinander ver­ gleichbar sind.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 43 36 767 A1 bekannt.

Ein Drehbewegungssensor, der bereits von sich aus die beiden genannten Signale liefert, ist insbesondere ein Resolver. Re­ solver sind im Stand der Technik zur Aufnahme von Drehbewegun­ gen bereits seit langem bekannt. Es handelt sich dabei um einen Drehtransformator, dessen Rotor mit der zu überwachenden Welle verbunden ist und dessen Stator zwei voneinander getrennte Wicklungen aufweist, die um einen Drehwinkel von 90° zueinander versetzt am Außenumfang der Welle angeordnet sind. Die beiden Statorwicklungen erhalten mittels der transformatorischen Kopp­ lung ein Signal, das über die Rotorwicklung eingespeist wird. Die Signale am Ausgang der Statorwicklungen sind dann das be­ schriebene erste und zweite Signal. Die Funktionsweise eines Resolvers ist nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher erläu­ tert.

Zur Auswertung der Signale eines Resolvers sind komplette Schaltungen bekannt und als integrierte Schaltkreise (IC) er­ hältlich, wie bspw. der integrierte Schaltkreis mit der Typen­ bezeichnung AD2S80A der Firma Analog Devices. Bei diesem IC handelt es sich um einen sogenannten Resolver-Digital-Wandler, der aus den Resolversignalen den Drehwinkel der Welle berechnet und als digitales Zahlenwort an seinen Ausgängen bereitstellt. An einem weiteren Ausgang wird ein Signal bereitgestellt, das proportional zur Drehgeschwindigkeit der Welle ist. Mit diesem Baustein ist daher prinzipiell die Überwachung der Drehbewegung einer Welle möglich. Diese Überwachung ist jedoch nicht sicher in dem Sinne, daß bspw. ein Wicklungsschluß in einer der Sta­ torwicklungen nicht zuverlässig erkannt werden kann. Auch in­ terne Funktionsfehler des integrierten Schaltkreises können nicht mit Sicherheit entdeckt werden. So ist es bspw. denkbar, daß der gesamte integrierte Schaltkreis aufgrund eines Fehlers ausfällt und infolge dessen ein Signal liefert, das einen Stillstand der zu überwachenden Welle andeutet, obwohl sich die Welle tatsächlich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht.

Eine sichere Überwachung von Drehbewegungen einer Welle wird bspw. dann benötigt, wenn von der drehenden Welle eine Gefahr für Menschen oder auch andere Maschinenteile ausgeht. Dies ist insbesondere, dann der Fall, wenn beim Einrichtbetrieb einer Ma­ schine im unmittelbaren Gefahrenbereich einer drehenden Welle gearbeitet werden muß. Um in einem solchen Fall eine sichere Überwachung zu gewährleisten, ist es bekannt, zusätzlich zu dem Resolver mindestens einen weiteren Drehbewegungssensor im Be­ reich der Welle anzuordnen. Üblicherweise werden dabei heut­ zutage sogar zwei voneinander getrennte Drehbewegungssensoren, bspw. Inkrementalgeber, verwendet. Diese dienen in der Regel allein der sicheren Überwachung der Drehbewegung der Welle. Ein Resolver wird häufig in Ergänzung dazu als dritter Sensor ver­ wendet, um die Drehbewegung der Welle im Normalbetrieb zu re­ geln. Ein Beispiel für eine solche bekannte Anordnung ist nach­ folgend anhand der Fig. 1 erläutert. Als Auswertegerät für die sichere Überwachung des Stillstands der Welle oder einer kon­ trollierten, langsamen Drehbewegung kann bspw. der Drehzahl- und Stillstandswächter PDZ der Firma Pilz GmbH & Co. in Ostfil­ dern, Deutschland, verwendet werden, der in einer Betriebs­ anleitung Nr. 19 161 beschrieben ist.

Ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung zum sicheren Überwachen einer Drehzahl, bei der zwei getrennte Sensoren in Form von in­ duktiven Näherungsgebern verwendet sind, ist in der DE 38 19 994 A1 beschrieben.

Die Verwendung mehrerer, zusätzlicher Sensoren zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle ist aufwendig und wirkt sich nachteilig auf die Kosten einer zu überwachenden Anlage aus.

In der eingangs genannten DE 43 36 767 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung zweier Signale im Sinne der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei dem anhand der zeitlichen Änderung des resul­ tierenden Signalvektors der beiden Signale das Vorzeichen der Steigung einer zwei Meßwertpunkte verbindenden Geraden ermit­ telt wird, woraus anschließend ein ggf. vorhandener Fehler­ zustand festgestellt wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es grundsätzlich möglich, bestimmte auftretende Fehlfunktionen festzustellen. Ein einerseits flexibles und andererseits ko­ stengünstiges Konzept, das eine Serienproduktion der gattungs­ gemäßen Vorrichtung erlaubt, ist dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

In der DE 43 31 151 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Abso­ lutposition einer Welle beschrieben, bei dem die Meßsignale zur Korrektur ihrer Auswertung mit einem Parametervektor mathema­ tisch verknüpft werden. Ein flexibles und gleichzeitig kosten­ günstiges Konzept für eine gattungsgemäße Vorrichtung ist die­ ser Druckschrift jedoch ebenfalls nicht zu entnehmen.

Eine weitere Vorrichtung zur Lageerkennung einer Welle ist aus der DE 195 20 299 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung kommen zwei getrennte Sensorsysteme zum Einsatz, die nach unterschied­ lichen physikalischen Prinzipien arbeiten. Ein kostengünstiges Konzept für eine fehlersichere Drehbewegungsüberwachung einer Welle mit nur einem Sensorsystem ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine alternative Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine fehlersichere und trotzdem flexible und ko­ stengünstige Drehbewegungsüberwachung einer Welle ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genann­ ten Art gelöst, bei der die Auswertemittel als modulares Zu­ satzgerät für eine Antriebssteuerung für die Welle ausgebildet sind, bei der die Auswertemittel die Antriebssteuerung über zwei Abschaltwege abschalten können und bei der das erste und das zweite Signal der Antriebssteuerung parallel zugeführt sind.

Es werden hier also die Momentanwerte des ersten und des zwei­ ten Signals miteinander verglichen. Aufgrund der Tatsache, daß die Signale an unterschiedlichen Referenzpunkten derselben Wel­ le aufgenommen werden, besteht zwischen ihnen ein determinier­ ter Zusammenhang. Bei einem fehlerfreien Betrieb der Überwa­ chungsvorrichtung muß ein Vergleich unter Berücksichtigung die­ ses Zusammenhangs stets zu einem vorhersagbaren Ergebnis füh­ ren. Sobald der Vergleich der beiden Signale miteinander ein anderes Ergebnis liefert als erwartet, liegt ein Fehler in der Überwachungsvorrichtung vor.

Unter einer geometrischen Beziehung wird dabei ganz allgemein der determinierte Zusammenhang zwischen den Momentanwerten der beiden Signale verstanden, der anhand der räumlichen Lage der Referenzpunkte zueinander bestimmbar ist. Dieser Zusammenhang läßt sich graphisch als Verlauf einer Ortskurve in einer Ebene veranschaulichen, deren Koordinaten die Momentanwerte der bei­ den Signale sind. Weicht der tatsächliche Verlauf der Ortskurve der aufgenommenen Momentanwerte von dem an sich zu erwartenden Verlauf der Ortskurve ab, liegt ein Fehler der Überwachungs­ vorrichtung vor.

Es sei bemerkt, daß die Vorrichtung grundsätzlich auch zur si­ cheren Überwachung verwendet werden kann, wenn mehrere, vonein­ ander getrennte Sensoren zur Aufnahme des ersten und zweiten Signals verwendet werden. Dem steht jedoch nicht entgegen, daß sie statt dessen auch nur mit einem einzelnen Resolver zum Auf­ nehmen der Drehbewegung verwendet werden kann, da der Resolver bereits von sich aus die beschriebenen ersten und zweiten Signale liefert. Jeder erdenkliche Fehler, wie bspw. ein Win­ dungsschluß in einer der Statorwicklungen des Resolvers oder der Ausfall einer Komponente der nachfolgend beschriebenen Aus­ wertemittel, hat zur Folge, daß der Vergleich der Momentanwerte zu einem anderen Ergebnis führt, als aufgrund des determinier­ ten Zusammenhangs der beiden Signale zueinander zu erwarten ist. Infolge dessen kann die Vorrichtung bereits in Kombination mit nur einem Drehbewegungssensor, nämlich einem Resolver, zur sicheren Überwachung der Drehbewegung einer Welle verwendet werden. Der bisher übliche, zusätzliche Einsatz von weiteren Sensoren wie bspw. Inkrementalgebern ist nicht mehr erforder­ lich.

Die Ausbildung als modulares Zusatzgerät besitzt zudem den Vor­ teil, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in bestehenden Anlagen auf einfache und kostengünstige Weise nachgerüstet wer­ den kann. Darüber hinaus kann die Vorrichtung auch bei der Neu­ erstellung von Anlagen in Kombination insbesondere mit Standardbausteinen verwendet werden. Hierdurch läßt sich ein insgesamt kostengünstiger Einsatz erreichen.

Die genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mit dem Vergleicher zeitgleiche Momentanwerte des ersten und des zwei­ ten Signals vergleichbar.

Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß der determinierte Zu­ sammenhang zwischen den Momentanwerten des ersten und des zwei­ ten Signals einfacher ist, so daß auch der Vergleich der Mo­ mentanwerte miteinander einfacher realisiert werden kann. In­ folge dessen reduziert sich der Aufwand sowohl bei der Entwick­ lung als auch bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung. Das entsprechende Verfahren kann hierdurch schneller ausgeführt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen der erste und der zweite Referenzpunkt um einen Drehwinkel von 90° von­ einander entfernt.

Auch diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß der determinierte Zusammenhang der Momentanwerte der beiden genannten Signale vereinfacht ist. Infolge dessen sind auch aufgrund dieser Maß­ nahme der Aufwand und die Kosten der Vorrichtung reduziert. Das entsprechende Verfahren kann einfacher und schneller durchge­ führt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Signal­ wege zum Aufnehmen des ersten und zweiten Signals signaltech­ nisch gleich aufgebaut.

Signaltechnisch gleich bedeutet, daß die genannten Signalwege jeweils das gleiche Ausgangssignal liefern, wenn in ihnen ein gleiches Eingangssignal eingespeist wird. Die Signalwege können dabei durchaus mit unterschiedlichen Bauelementen, bspw. ver­ schiedener Hersteller realisiert sein. Wichtig ist allein, daß das erste und das zweite Signal in jeweils gleicher Weise be­ einflußt werden. Die Maßnahme trägt ebenfalls dazu bei, daß der Vergleich der beiden genannten Signale einfacher und schneller durchgeführt werden kann. In Kombination mit der zuvor genann­ ten Maßnahme führt diese Ausgestaltung der Erfindung dazu, daß die geometrische Beziehung eine Kreisfunktion ist, die sich, wie nachfolgend gezeigt, sowohl analytisch als auch arithme­ tisch besonders einfach auswerten läßt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beinhalten die Meßmittel einen Resolver, dessen Statorsignale das erste und das zweite Signal bilden.

Diese Maßnahme knüpft an den bereits zuvor erwähnten Vorteil an, nach dem bei der Verwendung eines Resolvers nur ein einzi­ ger Sensor zum sicheren Überwachen der Drehbewegung der Welle benötigt wird. Dementsprechend wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau erreicht. Es sei jedoch nochmals darauf hingewiesen, daß das Verfahren grundsätzlich auch mit voneinander getrennten Sensoren zum Aufnehmen des ersten und zweiten Signals durch­ führbar ist. Darüber hinaus können anstelle eines Resolvers auch andere Sinus-Cosinus-Signalgeber zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Ein Resolver be­ sitzt gegenüber derartigen Gebern jedoch den Vorteil, daß er sehr robust ist und somit bereits von sich aus eine großer Feh­ lerresistenz aufweist. Darüber hinaus sind Resolver bereits bei vielen Anlagen als Sensoren für die Antriebssteuerung oder -regelung vorhanden. Die Verwendung der bereits vorhandenen Re­ solversignale ermöglicht daher nochmals eine Kosteneinsparung bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Ver­ gleicher eine digitale Recheneinheit auf, in der die geometri­ sche Beziehung als Rechenvorschrift unter Verwendung der Mo­ mentanwerte als Eingangsgrößen abgespeichert ist.

Eine digitale Recheneinheit dieser Art ist insbesondere ein di­ gitaler Signalprozessor. Ein solcher Prozessor ist speziell zur Durchführung von Rechenoperationen optimiert. Da der determi­ nierte Zusammenhang zwischen den Momentanwerten des ersten und des zweiten Signals sich grundsätzlich in Form einer mathemati­ schen Beziehung formulieren läßt, kann mit Hilfe eines derarti­ gen Prozessors bzw. allgemeiner mit Hilfe einer digitalen Re­ cheneinheit der Vergleich der Momentanwerte besonders exakt durchgeführt werden. In dem Fall, daß die geometrische Bezie­ hung eine Kreisfunktion ist, muß bspw. die Summe der Quadrate der Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals stets ei­ nen konstanten Wert ergeben, wenn kein Fehler in der Überwa­ chungsvorrichtung vorliegt. Mit Hilfe einer digitalen Recheneinheit, insbesondere in Form eines digitalen Signalprozessors, kann auch eine sehr geringe Abweichung der Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals von ihren Sollwerten festge­ stellt werden.

In einer alternativen Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnah­ me weist der Vergleicher einen Speicher auf, in dem mögliche Kombinationen von Momentanwerten entsprechend der geometrischen Beziehung derart abgespeichert sind, daß fehlerbehaftete Kombi­ nationen von aufgenommenen Momentanwerten erkennbar sind.

Diese Maßnahme kann bspw. dadurch realisiert sein, daß die feh­ lerfreien und somit zulässigen Kombinationen von Momentanwerten der beiden genannten Signale in einer Zuordnungstabelle abge­ speichert sind. Jede Kombination von aufgenommenen Momentanwer­ ten, die nicht in dieser Tabelle enthalten ist, wird automa­ tisch als fehlerbehaftet erkannt, so daß ein entsprechendes Fehlersignal generiert werden kann. Die genannte Maßnahme be­ sitzt den Vorteil, daß sie sehr einfach und besonders kosten­ günstig realisierbar ist. So können insbesondere die Kosten für einen vergleichsweise teuren digitalen Signalprozessor entfal­ len. Darüber hinaus besitzt die Maßnahme den Vorteil, daß zu­ mindest dann, wenn die Anzahl der abgespeicherten zulässigen Kombinationen von Momentanwerten nicht zu groß ist, die Auswer­ tung sehr schnell durchgeführt werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme definieren die abgespeicherten Kombinationen von Momentanwerten zweidimensionale, zulässige Intervallfelder, die jeweils an zu­ lässige Nachbar-Intervallfelder angrenzen.

Diese Maßnahme bedeutet anschaulich gesprochen, daß durch die abgespeicherten Kombinationen von zulässigen Momentanwerten In­ tervallflächen definiert werden, in denen die Ortskurve der aus den aufgenommenen Momentanwerten gebildeten Funktion bei einem fehlerfreien Betrieb der Vorrichtung verlaufen muß. Liegt ein Ortspunkt, der durch zwei aufgenommene Momentanwerte bestimmt wird, außerhalb der zulässigen Intervallfelder, liegt ein Feh­ ler der Überwachungsvorrichtung vor. Das Angrenzen kann dabei auch ein Überlappen der benachbarten Intervallfelder im Grenz­ bereich beinhalten. Die Maßnahme besitzt den Vorteil, daß hier­ durch eine lückenlose Überprüfung des Verlaufs der aufgenomme­ nen Ortskurve möglich ist.

Besonderes vorteilhaft ist es, wenn an jedem Punkt der Soll- Ortskurve maximal zwei Intervallfelder aneinander angrenzen. In diesem Fall sind die zweidimensionalen Intervallfelder in bezug auf den erwarteten Verlauf der Ortskurve derart definiert, daß ein Ortspunkt der Ortskurve allenfalls an der Grenzfläche zwei­ er Intervallfelder liegen kann. Ein Grenzpunkt, an dem drei oder noch mehr Intervallfelder aneinander stoßen, ist hierbei ausgeschlossen. Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß bei ei­ ner Kombination von aufgenommenen Momentanwerten allenfalls ei­ ne Zweideutigkeit hinsichtlich der Zuordnung zu einem zulässi­ gen Intervallfeld bestehen kann, jedoch keinesfalls eine Drei- oder Mehrdeutigkeit. Hierdurch wird der Aufwand und infolge dessen die Geschwindigkeit bei der Durchführung des Vergleichs reduziert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vor­ richtung Mittel auf, mit denen zumindest die Drehgeschwindig­ keit der Welle bestimmbar ist.

Darüber hinaus können die genannten Mittel auch geeignet sein, die jeweilige Winkelposition der Welle und/oder deren Drehrich­ tung zu bestimmen. Die Bestimmung kann mit Hilfe an sich be­ kannter Verfahren anhand der Auswertung des ersten und zweiten Signals erfolgen. Die Maßnahme besitzt den Vorteil, daß anhand der bestimmten Werte eine weitere Fehlerüberprüfung durch einen Vergleich mit entsprechenden Werten eines Drehzahl-Steuer­ gerätes möglich ist. Alternativ kann aufgrund der genannten Maßnahme auch die Verwendung eines weiteren Drehzahl-Steuer­ gerätes vermieden werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Meß­ mittel für das erste und das zweite Signal jeweils einen eigen­ ständigen Aufnahmekanal auf.

Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die Signalwege für die beiden genannten Signale vollständig voneinander getrennt sind, wodurch die Fehlersicherheit der Vorrichtung nochmals verbes­ sert wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden getrenn­ ten Aufnahmekanäle diversitär, d. h. mit unterschiedlichen Bau­ elementen aufgebaut sind. In diesem Fall ist die Wahrschein­ lichkeit, daß ein Fehler die aufgenommenen Momentanwerte des ersten und zweiten Signals zu einem Zeitpunkt in ein und der­ selben Weise verändert, nochmals reduziert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vor­ richtung zwei zueinander redundante Vergleicher auf, deren Ver­ gleichsergebnisse einer Überwachungseinheit zugeführt sind.

Auch durch diese Maßnahme wird die Fehlersicherheit der Vor­ richtung nochmals verbessert, da hierdurch auch ein Fehler in­ nerhalb der Vergleicher zuverlässig erkannt werden kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn die zueinander redundanten Verglei­ cher diversitär aufgebaut sind. Die Überwachungseinheit ist be­ vorzugt ebenfalls zweikanalig aufgebaut, wobei jeder der beiden Kanäle einem der beiden zueinander redundanten Vergleicher zu­ geordnet ist.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum sicheren Überwachen der Drehbe­ wegung einer Welle nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 das Funktionsschaltbild eines Resolvers,

Fig. 3 das Ein- und die Ausgangssignale des Resolvers gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 das Blockschaltbild der Meß- und Auswertemittel des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4,

Fig. 6 die geometrische Beziehung, anhand der aufgenommene Momentanwerte des erste und zweiten Signals bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 miteinander vergli­ chen werden,

Fig. 7 eine Definition zulässiger Intervallfelder, anhand der aufgenommene Momentanwerte des ersten und zwei­ ten Signals bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 miteinander verglichen werden und

Fig. 8 ein weiteres Beispiel einer Definition zulässiger Intervallfelder für den Fall, daß die geometrische Beziehung einen Vollkreis beschreibt.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle nach dem Stand der Technik in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.

Die zu überwachende Welle 12 wird von einem Motor 14 in Rich­ tung des Pfeils 16 angetrieben. Bei dem Motor 14 handelt es sich beispielhaft um einen Drehstrom-Motor, dessen Stator 18 und Rotor 20 hier nur schematisch dargestellt sind.

Mit der Bezugsziffer 22 ist ein Resolver bezeichnet, dessen Funktion nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert ist. Die Statorsignale 24 und 26 des Resolvers 22 sind einer Antriebssteuerung 28 zugeführt. In umgekehrter Richtung ver­ sorgt die Antriebssteuerung 28 den Rotor des Resolvers 22 mit dem Rotorsignal 30.

Mit der Bezugsziffer 32 sind zwei voneinander unabhängige In­ krementalgeber bezeichnet, die die Bewegung von Nocken 34 auf­ nehmen, die auf der Welle 12 angeordnet sind. Die Ausgangs­ signale der beiden Inkrementalgeber 32 sind einem sicheren Aus­ wertegerät 36 zugeführt, das in an sich bekannter Weise mit Hilfe der Inkrementalgeber 32 einen Stillstand oder eine limi­ tierte Drehbewegung der Welle 12 überwacht. Das Auswertegerät 36 weist ein Auslöseelement 38 auf, das seinerseits auf Schal­ ter 40 einwirkt, mit denen die Stromversorgung der Antriebs­ steuerung 28 bzw. des Motors 14 unterbrochen werden kann. So­ bald von dem sicheren Auswertegerät 36 ein Fehler oder eine un­ zulässig hohe Drehzahl der Welle 12 festgestellt wird, wird der Antrieb der Welle 12 abgeschaltet.

Die Vorrichtung 10 ist in der hier beschriebenen Art und Weise aufgrund ihrer Verwendung bei der Überwachung von Drehbewegun­ gen einer Welle 12 bekannt. Sie besitzt jedoch die bereits ein­ gangs genannten Nachteile hinsichtlich des Aufwandes und der Kosten aufgrund der mehrfach benötigten Sensoren, die im vorliegenden Fall der Resolver 22 bzw. die Inkrementalgeber 32 sind.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der weiteren Figuren be­ zeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente, die bereits anhand Fig. 1 erläutert wurden.

Der an sich bekannte Aufbau und die Funktion des Resolvers 22 ist zur vollständigen Darstellung der vorliegenden Erfindung anhand des Funktionsschaltbildes in Fig. 2 sowie der Resolver­ signale in Fig. 3 nochmals erläutert. Der Resolver 22 weist ei­ nen Rotor 50 auf, der drehfest auf der Welle 12 angeordnet ist. Infolge dessen folgt der Rotor 50 der Drehbewegung der Welle 12. Der Rotor 50 besitzt zwei elektrisch miteinander verbundene Spulenwicklungen, von denen eine ausgangsseitig mit zwei Sta­ torwicklungen 52, 54 eines konzentrisch zu dem Rotor angeordne­ ten Stators transformatorisch gekoppelt ist. Über die andere der beiden Rotorwicklungen wird der Rotor ebenfalls transforma­ torisch mit dem Rotorsignal 30 versorgt, das in Fig. 3 mit U_R bezeichnet ist. Die Statorwicklungen 52, 54 des Resolvers 22 sind im Regelfall um einen Drehwinkel α der Welle 12 von 90° zueinander versetzt angeordnet. Dies hat zur Folge, daß die Statorsignale 24, 26 des Resolvers 22 zeitlich versetzt zuein­ ander amplitudenmoduliert sind, wie dies in Fig. 3 anhand der beiden Signale U_S und U_C dargestellt ist. Die Hüllkurven der beiden Statorsignale U_S bzw. U_C verlaufen sinus- bzw. cosinus­ förmig. Aus den beiden Statorsignalen U_S und U_C können in an sich bekannter Weise der Drehwinkel der Welle 12 und unter Zu­ hilfenahme des Rotorsignals U_R auch die Drehrichtung der Welle 12 bestimmt werden.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 60 be­ zeichnet.

Die Vorrichtung 60 unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 im wesentlichen durch das sichere Auswertegerät 62, dem hier parallel zu der Antriebssteuerung 28 die Statorsi­ gnale 24, 26 des Resolvers 22 zugeführt sind. Optional kann dem Auswertegerät 62 auch das Rotorsignal 30 des Resolvers 22 zuge­ führt sein, wodurch das Auswertegerät 62 zumindest grundsätz­ lich in die Lage versetzt wird, zusätzlich zu der Überwachung der Drehbewegung der Welle 12 auch sämtliche Bewegungsparameter der Drehbewegung zu bestimmen. Zur Überwachung und Feststel­ lung, ob eine sicherheitskritische Drehbewegung vorliegt, ge­ nügt jedoch in der Regel der nachfolgend beschriebene Vergleich der beiden Statorsignale 24, 26.

Eine weitere Besonderheit der Vorrichtung 60 ist, daß das Aus­ wertegerät 62 die Antriebssteuerung 28 hier auch über einen zweiten Abschaltweg 63 abschalten kann, indem es über diesen Weg die Reglerfreigabe der Antriebssteuerung 28 sperrt.

In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 5 sind die wesentlichen Funk­ tionseinheiten des Auswertegerätes 62 aus Fig. 4 dargestellt. Das Auswertegerät 62 ist durchgehend zweikanalig aufgebaut, d. h. die Statorsignale 24, 26 des Resolvers 22 (U_S, U_C) werden in voneinander getrennten, eigenständigen Signalkanälen verar­ beitet. Die Kanäle sind mit z. T. unterschiedlichen Bauelementen diversitär aufgebaut, was jedoch zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt erforderlich ist.

Die Eingangsstufe des Auswertegerätes 62 wird in jedem Kanal von einem Differenzverstärker 64a, 64b gebildet, der eine Impe­ danzwandlung und Pegelanpassung der vom Resolver 22 gelieferten Statorsignale 24, 26 durchführt. Am Ausgang der Differenzver­ stärker 64a, 64b stehen die Statorsignale U_S, U_C in der in Fig. 3 dargestellten Form an. Diese Signale werden in jedem der bei­ den Kanäle anschließend einer Gleichrichter-Schaltung 66a, 66b zugeführt. Die Gleichrichter-Schaltungen 66a, 66b führen in Verbindung mit den sich anschließenden Tiefpaß-Schaltungen 68a, 68b in an sich bekannter Weise eine Amplituden-Demodulation der Statorsignale 24, 26 durch. Die dabei erhaltenen Zwischensigna­ le sind für jeden der beiden Kanäle schematisch am Ausgang der jeweiligen Stufe angedeutet.

Am Ausgang der Tiefpässe 68a, 68b liegen die gleichgerichteten sinus- bzw. cosinusförmigen Hüllkurvensignale der Statorsignale 24, 26 an. Diese Signale sind jeweils einem Vergleicher 70, 72 zugeführt, der entsprechend der Erfindung die Momentanwerte der aufbereiteten Statorsignale 24, 26 miteinander vergleicht.

Abweichend von der Darstellung in Fig. 5 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich einer der beiden Vergleicher 70, 72 ausreichend. Die Verwendung zweier voneinan­ der getrennter Vergleicher 70, 72 setzt jedoch die zweikanalige Verarbeitung in dem Sinne fort, daß die Vergleichsergebnisse der beiden Vergleicher 70, 72 in einer anschließenden Überwa­ chungseinheit 74 nochmals gegenseitig überprüft werden können. Hierdurch lassen sich auch Fehler, die innerhalb des Verglei­ chers 70, 72 auftreten, erkennen. Das Ausgangssignal der Über­ wachungseinheit 74 löst in dem Fall, daß einer der Vergleicher 70, 72 ein fehlerhaftes Ergebnis liefert, das Auslöseelement 38 zum Abschalten der Antriebsversorgung der Welle 12 aus. Zusätzlich wird über den zweiten Abschaltweg 63 die Reglerfreigabe der Antriebssteuerung 28 gesperrt.

Die beiden Vergleicher 70, 72 sind im vorliegenden Ausführungs­ beispiel unterschiedlich ausgebildet und arbeiten jeweils nach einem der beiden nachfolgend beschriebenen Verfahren. Hierdurch wird eine besonders große Fehlersicherheit erreicht. Abweichend hiervon ist es jedoch auch möglich, die beiden Vergleicher 70, 72 jeweils auf der Basis nur eines der beiden nachfolgend be­ schriebenen Verfahren oder sogar einer Abwandlung davon zu rea­ lisieren. Für die nachfolgende Beschreibung ist angenommen, daß der Vergleicher 70 eine digitale Recheneinheit in Form eines digitalen Signalprozessors 76 aufweist, während der Vergleicher 72 im wesentlichen einen Speicher 78 beinhaltet, in dem mögli­ che Kombinationen von Momentanwerten der Statorsignale 24, 26 derart abgespeichert sind, daß hierdurch zulässige Intervall­ felder definiert werden, in denen die Ortskurve aus den beiden Statorsignalen 24, 26 bei einem fehlerfreien Betrieb der Vor­ richtung verlaufen muß.

Ein Grundgedanke des Verfahrens läßt sich am leichtesten anhand von Fig. 6 erkennen. Darin ist ein zweidimensionales Koordina­ tensystem gezeigt, dessen Achsen jeweils einem der beiden Sta­ torsignale U_S, U_C zugeordnet sind. Das Koordinatensystem spannt somit die U_S-U_C-Ebene auf, in der Kombinationen von Momentan­ werten der beiden Statorsignale Ortspunkte definieren. Bei einem fehlerfreien Betrieb der Überwachungsvorrichtung 60 lie­ gen sämtliche möglichen Ortspunkte aufgrund der beschriebenen Anordnung des Resolvers 22 und der hinsichtlich der Signal­ verarbeitung identischen Kanäle des Auswertegerätes 62 auf einer viertelkreisförmigen Ortskurve 90. Die Ortskurve 90 be­ schreibt die Bahn des Endpunktes eines Zeigers 92, der vom Ursprung des Koordinatensystems ausgeht und dessen Länge und Richtung von den Momentanwerten der Statorsignale bestimmt wer­ den. Mit der Bezugsziffer 94 ist beispielhaft die Cosinus- Komponente des Zeigers 92 und mit der Bezugsziffer 96 die Si­ nus-Komponente des Zeigers 92 dargestellt.

Wie bereits erwähnt, bewegt sich der Endpunkt des Zeigers 92 bei einem fehlerfreien Betrieb des Auswertegerätes 62 stets entlang der viertelkreisförmigen Ortskurve 90. Ein Vergleich der Momentanwerte der beiden Statorsignale im Hinblick darauf, daß ein durch sie definierter Zeiger diese Bedingung erfüllt, läßt somit einen Rückschluß auf einen fehlerfreien Betrieb der Vorrichtung 60 zu.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 5 anhand des Vergleichers 70 dargestellt ist, wird die geome­ trische Beziehung, die die viertelkreisförmige Ortskurve 90 de­ finiert, mit den aufgenommenen Momentanwerten der Statorsignale 24, 26 mit Hilfe des digitalen Signalprozessors 76 berechnet. Die entsprechende Formel hierzu lautet:

Dies bedeutet, daß das Quadrat zweier zeitgleich aufgenommener Momentanwerte stets denselben konstanten Wert ergeben muß. Wel­ chen Wert die Summe ergeben muß, hängt von den tatsächlichen Parametern der Verarbeitungskanäle des Auswertegerätes 62 ab. Mit Hilfe einer in dem digitalen Signalprozessor 76 abgespei­ cherten Rechenvorschrift, die die aufgenommenen Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 als Eingangsgrößen bzw. Variablen ver­ knüpft, kann die Einhaltung der genannten Bedingung exakt überprüft werden. Dieses Vorgehen beim Vergleich der aufgenommenen Momentanwerte anhand der Ortskurve 90 wird nachfolgend als arithmetische Signalauswertung bezeichnet.

Mit Hilfe der Formel:

kann zudem auch der jeweils aktuelle Drehwinkel der Welle 12 bestimmt werden. Wenn die Veränderung dieses Drehwinkels an­ schließend über einem Zeitintervall T bestimmt wird, ist dar­ über hinaus auch die Berechnung der Winkelgeschwindigkeit und damit der Drehzahl der Welle 12 möglich. All diese Operationen können als Rechenvorschrift mit entsprechenden Eingangsgrößen in dem digitalen Signalprozessor 76 abgelegt sein.

Bei dem Vergleicher 72 ist demgegenüber ein anderes Verfahren realisiert, das nachfolgend als analytische Signalauswertung bezeichnet wird. Der Grundgedanke dieses Ausführungsbeispiels wird nun anhand von Fig. 7 erläutert.

In Fig. 7 ist die U_S-U_C-Ebene mit der Ortskurve 90 mit einem Raster 98 unterlegt, das durch eine Einteilung der U_C-Achse bzw. der U_S-Achse gebildet ist. Innerhalb des Rasters 98 sind zulässige Intervallfelder angedeutet, die mit dem Buchstaben a bis g bezeichnet sind. Die zulässigen Intervallfelder defi­ nieren den Bereich, in dem die Ortskurve 90 bei fehlerfreiem Betrieb der Vorrichtung 60 verlaufen muß. Wie zu erkennen ist, ist die Größe und Lage der Intervallfelder a bis g derart ge­ wählt, daß die Punkte der Ortskurve 90 allenfalls im Grenzbereich von zwei benachbarten Intervallfeldern, jedoch niemals im Grenzbereich von drei oder mehr benachbarten Intervallfeldern liegen.

Die Grenzen der Intervallfelder sind bei dem Vergleicher 72 in Form von zwölfstelligen binären Codewörtern definiert, deren erste sechs Stellen den Rasterlinien s0 bis s5 und deren zweite sechs Stellen den Rasterlinien c0 bis c5 entsprechen. So ist bspw. das Intervallfeld d durch das Digitalwort 00x111.00x111 bestimmt. Dabei bedeutet "x", daß hier wahlweise 0 oder 1 ste­ hen kann ("Don't care").

Die demodulierten Statorsignale 24, 26 werden zum Vergleich miteinander im Vergleicher 72 zunächst in einem Datenformat di­ gitalisiert, das dem abgespeicherten Code der zulässigen Inter­ vallfelder a bis g entspricht. Anschließend wird im Speicher 78 des Vergleichers 72 überprüft, ob der auf diese Weise erhaltene Datenwert dem Codewort eines zulässigen Intervallfeldes ent­ spricht. Wenn dies der Fall ist, folgt hieraus, daß die ent­ sprechenden Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 einen Ortspunkt definieren, der innerhalb des entsprechenden Inter­ vallfeldes liegt. Führt hingegen die Digitalisierung der aufge­ nommenen Momentanwerte nicht zu einem Datenwert, der in der Ta­ belle des Speichers 78 abgelegt ist, folgt hieraus, daß die aufgenommenen Momentanwerte einen Ortspunkt definieren, der au­ ßerhalb der zulässigen Intervallfelder a bis g liegt. In diesem Fall liegt ein Fehler innerhalb der Überwachungsvorrichtung 60 vor.

Insgesamt ist der Vergleich der aufgenommenen Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 in dem Vergleicher 72 etwas ungenauer als in dem Vergleicher 70. Beispielsweise würde ein Ortspunkt 100, der in dem Intervallfeld e abseits der Ortskurve liegt, als zu­ lässig angesehen, so daß der Vergleicher 72 in diesem Fall kei­ nen Fehler der Vorrichtung 60 erkennt. Durch eine geeignete Wahl der Intervallgrenzen kann die Toleranz, innerhalb der Kom­ binationen von Momentanwerten von der geometrisch exakten Orts­ kurve 90 abweichen können, jedoch beliebig minimiert werden.

Auch bei dem Vergleicher 72 kann die Drehzahl der Welle 12 aus den aufgenommenen Momentanwerten der Statorsignale 24, 26 be­ stimmt werden, indem mit Hilfe eines hier nicht dargestellten Zählers die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Intervall­ feldübergängen gemessen wird.

Bei einem Auswertegerät 62, mit dem nur eine bestimmte zulässi­ ge Drehzahl der Welle 12 sicher überwacht werden soll, genügt ein Vergleich der Momentanwerte der aufgenommenen Statorsignale 24, 26 entlang der viertelkreisförmigen Ortskurve 90. Wenn dar­ über hinaus jedoch auch die jeweils aktuelle Winkelposition der Welle 12 bzw. deren Drehrichtung überwacht werden sollen, ist es erforderlich, die Ortskurve der Momentanwerte der Statorsi­ gnale 24, 26 entlang eines Vollkreises zu überwachen. Fig. 8 zeigt hierzu eine Definition von Intervallfeldern a bis u, in­ nerhalb derer sich die entsprechende Ortskurve 104 bei einem fehlerfreien Betrieb der Vorrichtung 60 bewegen muß. Der Ver­ gleich der aufgenommenen Momentanwerte im Hinblick auf die Ortskurve 104 erfolgt dabei auf dieselbe Art und Weise, wie zu­ vor beschrieben.

Unabhängig von der gewählten Realisierung, mit der die aufge­ nommenen Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 miteinander verglichen werden, ist das Auswertegerät 62 in dem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 4 als modulares Zusatzgerät für eine standardmäßige Antriebssteuerung 28 ausgebildet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle (12), mit Meßmitteln (22) zum Aufnehmen eines ersten (24) und eines zweiten (26) Signals, wobei das erste Signal (24) den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines ersten Referenzpunktes der Welle (12) repräsentiert und wobei das zweite Signal (26) den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines zweiten Referenzpunktes der Welle (12) repräsentiert, wobei ferner der erste und der zweite Referenzpunkt um einen Drehwinkel (α) der Welle (12) voneinander entfernt liegen, ferner mit Auswerte­ mitteln (62), denen das erste und das zweite Signal (24, 26) zugeführt sind, wobei die Auswertemittel (62) zumin­ dest einen Vergleicher (70, 72) beinhalten, mit dem Momen­ tanwerte des ersten und des zweiten Signals (24, 26) an­ hand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung (90; 104) miteinander vergleichbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertemittel (62) als modulares Zusatzgerät für eine Antriebssteuerung (28) für die Welle (12) ausgebildet sind, daß die Auswertemittel (62) die Antriebssteuerung (28) über zwei Abschaltwege (38, 63) abschalten können, und daß das erste und das zweite Signal (24, 26) der Antriebssteuerung (28) parallel zugeführt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei zueinander redundante Vergleicher (70, 72) auf­ weist, deren Ergebnisse einer Überwachungseinheit (74) zu­ geführt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß einer der Vergleicher (70) eine digitale Rechen­ einheit (76) aufweist, in der die geometrische Beziehung (90; 104) als Rechenvorschrift unter Verwendung der Mo­ mentanwerte als Eingangsgrößen abgespeichert ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einer der Vergleicher (72) einen Spei­ cher (78) aufweist, in dem mögliche Kombinationen von Mo­ mentanwerten entsprechend der geometrischen Beziehung (90; 104) derart abgespeichert sind, daß fehlerbehaftete Kombi­ nationen von aufgenommenen Momentanwerten erkennbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die abgespeicherten Kombinationen von Momentanwerten zwei­ dimensionale, zulässige Intervallfelder (a-g; a-u) de­ finieren, die jeweils an zulässige Nachbar-Intervallfelder (a-g; a-u) angrenzen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie ferner Mittel (76) aufweist, mit de­ nen zumindest die Drehgeschwindigkeit der Welle (12) be­ stimmbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßmittel (22) für das erste und das zweite Signal (24, 26) jeweils einen eigenständigen Auf­ nahmekanal (64a, 64b, 66a, 66b, 68a, 68b) aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalwege (64, 66, 68) zum Aufneh­ men des ersten und des zweiten Signals (24, 26) signal­ technisch gleich aufgebaut sind.