DE4330823C2 - Antriebsvorrichtung mit einer Sicherheitseinrichtung für den Sonderbetrieb - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Antriebsvorrichtung mit einer redundanten Sicherheitseinrichtung. Derartige Antriebsvorrichtungen sind allgemein bekannt. Sie finden breite Verwendung unter anderem in Werkzeugmaschinen und Robotern, wo sie zum Antreiben beweglicher Elemente dienen. Im Normalbetrieb geht sowohl bei Maschinen wie bei Robotern von den Bewegungen beweglicher Elemente eine Betriebsgefahr für einen Benutzer aus. Zur Unfallverhütung weisen derartige Anlagen deshalb in der Regel eine Sicherheitseinrichtung auf, die einen Betrieb der beweglichen Elemente nur gestattet, wenn sichergestellt ist, daß sich kein Benutzer im Aktionsradius der Maschine oder des Roboters befindet. In einfacher Weise geschieht dies z. B. durch Abdeckungen oder Türen, welche als Voraussetzung für einen Normal­ betrieb geschlossen sein müssen. Regelmäßig treten aber Situationen auf, in denen sich ein Benutzer in das Aktionsfeld der Maschine oder des Roboters begeben muß, z. B. um Werkzeuge zu wechseln, um eine Maschine einzurichten oder um einen Roboter einzulernen. Damit dies möglich ist, wird ein Teil der im Normalbetrieb zu erfüllenden Sicherheitsbedingungen außer Kraft gesetzt. Um auch in dieser, nachfolgend als Sonderbetrieb bezeichneten Betriebsart eine ausreichende Betriebssicherheit zu gewährleisten, verlangt z. B. die VDI-Norm 2854, daß für alle beweglichen Achsen die Bewegungsge­ schwindigkeit auf einen Höchstwert von 2 m/Minute begrenzt wird. Die Normvorschrift fordert ferner, daß die Erfassung der Geschwindigkeit für jede Achse redundant, d. h. zumindest zweifach erfolgt. Ein einfacher Weg, insbesondere der letzten Forderung zu genügen, be­ steht darin, am Motor oder dem bewegten Teil zwei Drehzahlmesser anzuordnen, wobei einer üblicherweise ohnehin vorhanden ist, um die Signale der beiden Sensoren auf Überschreitung eines Höchstwertes zu überwachen. Durch die Anordnung eines weiteren Drehzahlsensors am Motor wird allerdings die Baugröße des Motors, vor allem bei kleinen Motoren, unter Umständen erheblich vergrößert. Zudem ergibt sich aus demselben Grund eine Verteuerung des Antriebs.

Aus der DE-OS 40 21 560 ist der Vorschlag bekannt, eine zweifache Geschwindigkeitserfassung mit Hilfe eines ohnehin vorhandenen Ta­ chogenerators sowie einer kostengünstigen Ankerspannungserfas­ sungsschaltung zu realisieren. Die beiden unabhängig voneinander gewonnenen Signale werden miteinander verglichen, wobei das vom Tachogenerator gelieferte Signal darauf geprüft wird, ob es außer­ halb eines Korridors liegt, der durch das aus der Ankerspannung abgeleitete zweite Signal definiert ist. Zutreffendenfalls erfolgt eine Abschaltung des Motors. Eine Wirkung in umgekehrter Richtung, d. h. eine Absicherung der Ankerspannung durch den Tachogenerator ist jedoch nicht vorgesehen. Fällt das aufgrund der Ankerspannung gewonnene Drehzahlsignal z. B. infolge eines Fehlers weg, wird der Motor unabhängig vom tatsächlichen Wert der Drehzahl abgeschaltet.

DE-OS 35 36 483 offenbart eine Antriebsvorrichtung mit elektro­ nisch kommutiertem Motor, die neben einem Inkrementalwertgeber zur Erfassung der Motordrehzahl Stromsensoren zur Erfassung der Augen­ blickswerte der Ständerströme aufweist. Hinweise darauf, aus dem mittels der Stromsensoren gewonnenen Strommeßsignal ein Drehzahl­ signal abzuleiten, und die dann vorliegenden zwei unabhängigen Drehzahlwerte auf Überschreitung eines Höchstwertes zu überprüfen, enthält die Schrift nicht. Sie stellt auch auf eine andere Aufga­ benstellung ab, nämlich einen Antrieb mit hohem Wirkungsgrad bei niedrigem Oberschwingungsgehalt zu realisieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Antriebsvor­ richtung mit elektronisch kommutiertem Motor anzugeben, die ohne wesentlichen Mehraufwand hinsichtlich ihres Aufbaus und hinsichtlich der damit verbundenen Kosten auch im Sonderbetrieb eine hohe Sicher­ heit für einen Benutzer gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Antrieb mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.

Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung benötigt nur einen, ohne­ hin vorhandenen Drehzahlsensor. Ein weiteres Drehzahlsignal zur Ab­ sicherung der redundanten Erfassung wird durch Auswertung wenigstens eines Motorphasenstromes gewonnen. Das Konzept ist mit geringem Mehraufwand realisierbar. In der Regel ist lediglich ein zusätz­ licher Stromsensor in den Motorzuleitungen erforderlich. Es bietet zudem den Vorteil, daß es auf vorhandene Anlagen nachrüstbar ist. Auch erfüllt es ohne weiteres die z. B. in der VDI-Norm 2854 nieder­ gelegten Unfallverhütungsvorschriften.

Vorteilhaft erfolgt die Ermittlung des zweiten Drehzahlsignales in einer zentralen Steuereinheit, welche auch die Steuerung des Motors durchführt. Das von dem Stromsensor erfaßte Signal wird dafür zweck­ mäßig digitalisiert.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Realisierung zur Gewinnung eines zweiten Drehzahlwertes wird aus dem vom Stromsensor gelieferten Signal mittels eines analogen Filters die Grundwelle herausge­ filtert, um aus dieser eine Drehzahlinformation abzuleiten.

Besonders vorteilhaft ist es, neben der Drehzahl an sich zusätzlich wenigstens eines der internen Signale in der das dynamische Ver­ halten des Antriebs steuernden Motorregelung zu überwachen. Dadurch kann vorteilhaft bereits im voraus erkannt werden, ob die Bewegungs­ geschwindigkeit einer Achse einen vorgegebenen Grenzwert über­ schreiten wird. Eine solche Überwachung bietet ebenfalls den Vor­ teil, daß sie auf vorhandene Antriebe nachrüstbar ist. Sie kann im übrigen vorteilhaft in die Maschinen- oder Roboterüberwachung während des Normalbetriebes einbezogen werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Bezeichnung näher erläutert.

Zeichnung

Die Figur zeigt ein Blockschaltbild einer vorgeschlagenen Antriebs­ vorrichtung.

Beschreibung

Hauptbestandteile des in Fig. 1 dargestellten Antriebes sind ein Netzgleichrichter 11 zur Speisung eines Gleichspannungszwischen­ kreises 12, ein an diesen angeschlossener Wechselrichter 13 sowie ein von dem Wechselrichter gespeister Motor 14. Zwischen Gleichrichter 11 und Wechselstromnetz 24 ist ein Schütz oder ein vergleichbarer elektromagnetischer Leistungsschalter 16 geschaltet. An wenigstens einer der Phasenzuleitungen 17 zum Motor 14 befindet sich ein Sensor 18 zum Erfassen des dem Motor 14 zugeführten Phasen­ stroms. Direkt mit dem Motor 14 verbunden ist ein Drehzahlsensor 15 angeordnet. Wesentliche Bestandteile von Gleichrichter 11 und Wechselrichter 13 sind jeweils Leistungshalbleiter. Deren An­ steuerung erfolgt durch eine Steuerung 10, welche auch den Leistungsschalter 16 steuert. Sie ist zu diesem Zweck mit den Ele­ menten Gleichrichter 11, Wechselrichter 13 und Leistungsschalter 16 bidirektional verbunden. Über in der Regel unidirektional ausge­ führte Verbindungen werden der Steuerung ferner das Signal des Drehzahlsensor 15 sowie das von dem Sensor 18, 18′ erfaßte Strom­ signal zugeführt.

Hauptbestandteile der Steuerung 10 - die dargestellte Struktur wurde zur Erläuterung der hier beschriebenen Erfindung gewählt, sie ist nicht verbindlich und kann in der Praxis von der dargestellten ab­ weichen - sind eine zentrale Steuereinheit 20, die vor allem die Steuerung des Motors 14, das heißt die Regelung von Drehzahl n, Rotorlage L und Strom I durchführt, ein Speicher 23, ein anwender­ spezifischer integrierter Schaltkreis 19 (ASIC), welcher die Signale des in der Regel hochauflösenden Drehzahlsensor 15 auswertet und daraus der zentralen Steuereinheit 20 Informationen über Rotorlage L und Drehzahl n des Antriebs 14 in Form binärer Daten zur Verfügung stellt, sowie eine Eingangs-/Ausgangsbaugruppe 22. Die zentrale Steuereinheit 20 und der Schaltkreis 19 bilden ferner die Hauptbe­ standteile einer Sicherheitseinrichtung, deren Funktion nachfolgend erläutert wird. Alle genannten Elemente sind über einen Datenbus 24 miteinander verbunden. Zur Digitalisierung der von dem Sen­ sor 18, 18′ kommenden Meßwerte dient ferner ein der zentralen Steuereinheit 20 vorgeschalteter Analog/Digitalwandler 21.

Die dargestellte Anordnung weist folgende Funktionsweise auf. Be­ findet sich der Antrieb 14 in der Betriebsart Sonderbetrieb, über­ wacht die Steuerung 10 das durch den Antrieb 14 bewegte Element auf Einhalten eines vorgegebenen Bewegungsgeschwindigkeitshöchstwertes. Er ist zweckmäßig als Drehzahlsignal - dieses ist proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des bewegten Elements - in einem speziellen Bereich des Speichers 23 abgelegt. Die Überwachung erfolgt zweifach. Zum einen überwacht die Steuerung 10 das von dem Drehzahlsensor 15 gelieferte Drehzahlsignal n auf Überschreitung des vorgegebenen Grenzwertes. Dies geschieht zweckmäßig mit Hilfe des anwenderspezi­ fischen integrierten Schaltkreises (ASIC) 19, welchem der Meßwert des Drehzahlmessers 15 unmittelbar zugeführt wird. Der Schaltkreis 19 arbeitet bezüglich dieser Drehzahlüberwachung unabhängig vom Prozessor der zentralen Steuereinheit 20. Einen zweiten Drehzahlwert ermittelt die Steuerung 10 aus dem von Sensor 18, 18′ gelieferten Meßsignal des Phasenstroms zum Motor 14. Dieser weist in der Regel einen sinusförmigen Verlauf auf, die Frequenz der Sinusschwingung ist proportional zur Drehzahl. Die Ermittlung des zweiten Drehzahl­ wertes aus dem Phasenstrom kann, wie in der Figur dargestellt, in der zentralen Steuereinheit 20 nach vorhergehender Umsetzung des analogen Meßsignals in einen digitalen Wert I erfolgen. Eine andere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, eine an sich bekannte Filter­ schaltung vorzusehen, welche aus den analogen Meßwerten des Sen­ sors 18 zunächst ein gleichfalls analoges Drehzahlsignal ermittelt. Eine solche Filterschaltung ist in einfacher Weise ein Tiefpaß-Fil­ ter, dessen Eckfrequenz so gelegt ist, daß er die Grundwelle des Motorstroms herausfiltert. Eine nachgeschaltete Komparatorschaltung liefert durch Erfassen der Null-Durchgänge der Grundwelle ein dreh­ zahlproportionales Signal. Dieses wird zweckmäßig wiederum zum Bei­ spiel durch den Analog-Digitalwandler 21 in einen Digitalwert über­ führt. Zur Unterstützung der Aussagekraft des mit dem Tiefpaßfilter gewonnenen Signals wird die Eckfrequenz zweckmäßig entsprechend dem jeweiligen Drehzahl-Sollwert stets nachgeführt. Das erhaltene zweite Drehzahlsignal vergleicht die Steuereinheit 20 ebenfalls mit dem im Speicher 23 abgelegten Höchstwert. Stellt entweder die zentrale Steuereinheit 20 oder der anwenderspezifische integrierte Schalt­ kreis 19 fest, daß eines der Drehzahlsignale den im Speicher 23 ab­ gelegten Höchstwert überschreitet, sendet die feststellende Einheit ein zum Stillsetzen des Antriebes führendes Signal an die Ein- und Ausgabeeinheit 22. Diese bewirkt das Stillsetzen durch gleich­ zeitiges Freischalten des Leistungsschalters 16 vom Wechselstrom­ netz 24 und Abschalten des Wechselrichters 13. Die zweifache Unter­ brechung sichert wiederum Redundanz; versagt entweder das Frei­ schalten des Leistungsschalters 16 oder das Abschalten des Wechsel­ richters 13, wird der Motor 14 dennoch stillgesetzt. Die vorstehend beschriebene Drehzahlüberwachung ist nicht auf eine Verwendung im Sonderbetrieb begrenzt. Mit entsprechend angepaßtem Drehzahlhöchst­ wert kann sie selbstverständlich ebenso im Normalbetrieb eingesetzt werden.

Zusätzlich oder alternativ zur Drehzahl überwacht die Steuerung 10 bestimmte in den Regelkreisen zur Regelung von Strom I, Drehzahl n und Lage L des Motors 14 auftretende reglerinterne Signale auf Über­ schreitung von vorgegebenen Wertbereichen. Diese entsprechen einem einwandfreien Betrieb des Antriebs unter Einhaltung der vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit in der Betriebsart Sonderbetrieb. Sie sind zweckmäßig in einem gesonderten Bereich des Speichers 23 abgelegt. Üblicherweise weist die Motorregelung eine Kaskadenstruktur auf, wobei dem Stromregler der Drehzahlregler, diesem wiederum der Lage­ regler vorgeschaltet ist. Ein zur Überwachung geeignetes, regler­ internes Signal ist in diesem Fall zum Beispiel das Ausgangssignal des Lagereglers, welches den Sollwert für den nachgeschalteten Drehzahlregler darstellt. Ein weiteres geeignetes Signal bildet das Stellverhalten des Drehzahlreglers, das bei entsprechenden Ab­ weichungen zwischen Soll- und Istdrehzahl vorgebbare Reglergrenz­ werte überschreitet. Aus der Überschreitung der vorgegebenen internen Grenzwerte schließt die Steuerung 10 auf eine Über­ schreitung der vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit oder eine Störung des Antriebs. Sie übermittelt in diesem Fall wiederum ein zum Still­ setzen von Leistungsschalter 16 und Wechselrichter 13 führendes Signal an die Ein- und Ausgabeinheit 22. Vorteil der Überwachung der reglerinternen Signale gegenüber der einfachen Überwachung der ge­ messenen Ist-Drehzahl ist, daß Überschreitungen der vorgegebenen Achsgrenzgeschwindigkeit oder Fehler des Antriebs vielfach bereits erkannt werden können, bevor die Überschreitung bzw. der Fehler vom Motor 14 tatsächlich ausgeführt wird. Die Überwachung der regler­ internen Signale ist nicht nur in der Betriebsart Sonderbetrieb sinnvoll, sondern auch im Normalbetrieb. Sie kann hier insbesondere zur Früherkennung von Fehlern im Antrieb herangezogen werden.

Unter Beibehaltung des grundlegenden Gedankens, unter Verwendung möglichst vieler ohnehin vorhandener Signale einen Antrieb redundant auf Einhalten einer vorgegebenen Drehzahl zu überwachen, sind viel­ fältige Abwandlungen der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung möglich. Dies gilt insbesondere für Aufbau und Struktur der Steuerung 10.

Claims (5)

1. Antriebsvorrichtung mit einem elektronisch kommutierten Motor (14), einem Netzgleichrichter (11), einem Gleichspan­ nungszwischenkreis (12), einem daran angeschlossenen Wech­ selrichter (13) zur Steuerung des Motors sowie mit einer redundanten Sicherheitseinrichtung, welche in einer Sonder­ betriebsart die Drehzahl des Motors auf Einhaltung eines vorgegebenen Höchstwertes überwacht und die Energiezufuhr zum Motor unterbricht, wenn die Drehzahl größer ist als der vorgegebene Höchstwert, wobei zur Bestimmung der Drehzahl zwei verschiedene Signale in der Weise erfaßt werden, daß das erste Signal von einem Drehzahlsensor (15) gewonnen wird, daß das zweite Signal aus dem zeitlichen Verlauf des hierfür mittels eines weiteren Sensors (18, 18′) erfaßten Stromes in wenigstens einer der Phasenzuleitungen (17) zum Motor (14) abgeleitet wird, wobei weiter die Überwachung der Drehzahl auf Einhaltung des vorgegebenen Höchstwertes in voneinander unabhängigen Einrichtungen (19, 20) erfolgt, und die Unterbrechung der Energiezufuhr zum Motor (14) durch Schalten eines dem Netzgleichrichters (11) vorgeschalteten Leistungsschalters (16) sowie zusätzlich durch Abschalten des Wechselrichters (13) erfolgt.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sicherheitseinrichtung zur Bestimmung des zwei­ ten Signals eine digitale Signale verarbeitende, zentrale Steuereinrichtung (20) aufweist, der die in einem A/D-Wandler (21) digitalisierten Meßwerte des Stromsensors (18, 18′) zuführbar sind.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bestimmung des zweiten Drehzahlsignales durch analoge Filterung der Grundwelle des von dem Stromsensor (18, 18′) erfaßten zeitlichen Verlaufs des Motorstroms er­ folgt.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerung des Motors (14) wenigstens die Rege­ lung von Strom und Drehzahl einschließt, und daß die Sicher­ heitseinrichtung wenigstens ein bei der Regelung auftreten­ des, regelungsinternes Signal erfaßt, dieses darauf prüft, ob es innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegt, und die Energiezufuhr unterbricht, wenn es außerhalb des vorge­ gebenen Wertebereiches liegt.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Regelung des Motors (14) Kaskadenstruktur auf­ weist, wobei einem Stromregler ein Drehzahlregler, diesem ein Lageregler vorgelagert ist, und daß das regelungsinterne Signal das Ausgangssignal des Lagereglers ist.