EP1320924A1 - Antriebssteuerung für einen elektrischen antrieb mit sicherer elektrischer trennung von leistungsteil und regelungseinheit - Google Patents

Antriebssteuerung für einen elektrischen antrieb mit sicherer elektrischer trennung von leistungsteil und regelungseinheit

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Publication number
EP1320924A1
EP1320924A1 EP01982120A EP01982120A EP1320924A1 EP 1320924 A1 EP1320924 A1 EP 1320924A1 EP 01982120 A EP01982120 A EP 01982120A EP 01982120 A EP01982120 A EP 01982120A EP 1320924 A1 EP1320924 A1 EP 1320924A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control
electric drive
clock signal
data
drive control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01982120A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Susanne Gaksch
Kurt GÖPFRICH
Peter Heidrich
Franz Imrich
Peter Jänicke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1320924A1 publication Critical patent/EP1320924A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/689—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H03K17/691—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using transformer coupling

Definitions

  • the invention relates to a drive control for an electric drive with a power section that is at a comparatively high electrical potential, with control electronics that supply control signals to the power section and receive actual phase current values therefrom, and with a control unit that operates on a comparatively high level low electrical potential and is connected to the control electronics via a digital communication interface, there being a galvanic separation between the power unit and the control unit.
  • the high-voltage side of the power section (up to 720 volts) must be safely electrically isolated from the low-voltage side of the control unit (generally approx. 5 volts) for safety reasons.
  • galvanic isolation is required at one point, with relevant standards an air and creepage distance of e.g. Require 8 mm.
  • the electrical components used must meet the requirements of these special standards.
  • the power unit LT draws its energy from an intermediate circuit ZK of a converter (not shown) and supplies the three phase voltages for controlling a motor M.
  • the control electronics A supplies six control signals Ux via six respective optocouplers OK (for the sake of clarity, only one such optocoupler is an example overall shows), which are used to control current valves arranged in the power section, in particular a bridge circuit of IGBT transistors.
  • another such path Ubr may be required to control a brake chopper.
  • the respective actual phase current values IistR, IistS, IistT are measured and passed to the control electronics via respective isolating amplifiers TV.
  • respective isolating amplifiers TV In individual cases, only two isolating amplifiers are provided, since the current in the third phase can be obtained from the two phase current values measured.
  • an isolation amplifier TV is required for the detection of the intermediate circuit voltage Uzk.
  • the control electronics are connected to the control unit R via a communication interface K.
  • the six or seven (with brake chopper) optocouplers OK and the isolation amplifier TV must meet the requirements for safe electrical isolation.
  • Such components are comparatively expensive, which is why the fact that a large number of these components is required is very cost-intensive.
  • this object is achieved in that a drive control of the type described at the outset is further developed in that only a suitable electrical transmitter is connected in the communication interface between the control unit and the control electronics for electrical isolation.
  • the transformer is preferably designed so that the electrical isolation guaranteed by the electrical transformer meets the requirements for safe electrical isolation.
  • a bidirectional transmission is often also to be made possible.
  • a solution with components according to the Ethernet standard, which is widely used in office communication technology, is proposed, in that the digital communication interface is based on Ethernet physics, the transmitter galvanically isolating both communication links provided for Ethernet physics.
  • Ethernet With Ethernet, bidirectional transmission over one channel cannot be realized; two separate channels are required, which requires more effort.
  • Another limitation is that the transformer for Ethernet does not guarantee sufficient interference immunity to high voltage changes over time (du / dt) as standard, but in particular no safe separation for voltages above 720V. For this reason, according to the invention, a suitable transformer is created which fulfills these requirements.
  • a further advantageous embodiment of the drive control for an electric drive according to the invention is characterized in that a coder is provided for coding a binary data stream on the transmission side without a component, whereby the coded data stream can be transmitted to the electrical transmitter via the digital communication interface, and with a decoder for decoding the data stream on the receiving side.
  • a coder is provided for coding a binary data stream on the transmission side without a component, whereby the coded data stream can be transmitted to the electrical transmitter via the digital communication interface, and with a decoder for decoding the data stream on the receiving side.
  • the encoder on the transmission side can generate artificial signal changes by transmitting binary values of the data stream as a defined sequence of signal changes and the decoder can assign the original binary values of the data stream by assigning the associated binary values to those on the The incoming signal sequences can be recovered.
  • a serial communication interface for transmission can be implemented on the basis of the invention with particularly little effort, a transmission being able to be carried out in half-duplex mode.
  • the encoder serves to logically link the data signal and the clock signal on the transmission side in such a way that a coded data signal free of DC components results, which can be transmitted via a first communication link of the communication interface.
  • a second communication link of the communication interface then serves to transmit the clock signal and the electrical transmitter is designed in such a way that it galvanically separates the two communication links, with the decoder the original data signal can be recovered on the receiving side by a new logical combination of the coded data signal and the clock signal.
  • the means for coding and decoding the clock signal serve the same logical combination with a constant binary value and that the coded clock signal can be transmitted via the second communication link.
  • Value in particular with the value zero, are used on the transmission side, the clock signal coded in this way being transmissible via the second communication link, with the decoder re-exclusive-ORing the coded clock signal and the same constant binary value, in particular with the value zero, can be carried out on the receiving side.
  • a transformer with a low coupling capacity is provided between its primary circuit and secondary circuit, in particular with a coupling capacity less than 1 pF.
  • a transformer with low attenuation should advantageously be provided, in particular in order to process the high data transmission rates that can be achieved on the basis of Ethernet physics.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a drive control with simple and safe electrical isolation according to the invention
  • FIG. 2 shows a block diagram of a drive control according to
  • FIG based on an Ethernet physics and FIG 3 is a block diagram of a drive control with safe electrical isolation according to the prior art
  • FIG. 1 shows a block diagram of a drive control with simple and safe electrical isolation according to the invention.
  • the arrangement essentially corresponds to that which has already been introduced according to the prior art according to FIG. 3.
  • the decisive difference according to the invention is that the communication interface K has a transmitter U which takes over the safe electrical separation SET.
  • the communication methods explained below enable electrical isolation of the data lines of the communication interface K and thus the possibility of shifting the safe electrical separation SET to the communication interface K.
  • the data stream is first suitably processed and then transmitted via the transformer U.
  • This transformer should have a very low coupling capacitance between the primary and secondary side (typically ⁇ lpF) in order to avoid problems with the high voltage-time changes du / dt. In addition, this should have a low attenuation in order to be able to transmit high data rates and to be suitable for a safe separation SET.
  • One possibility for communication via a communication interface K secured by such a transmitter U is the use of communication components according to the widespread Ethernet standard, in that the digital communication interface is based on Ethernet physics, the transmitter both with Ethernet physics galvanically isolate the intended communication lines.
  • control electronics A and the control unit R have line drivers PL based on the Ethernet physical layer, which are operated with a suitable transmission protocol.
  • the actual transmission takes place via the transformer U, which galvanically isolates the two communication links.
  • An example of a suitable synchronous transmission system is a communication network based on Ethernet physics, which is upgraded to a deterministic transmission system using a suitable digital transmission protocol.
  • the standardized transmission layer 2 (telegram frame and access method) of the (Fast) Ethernet, for example, is used does not meet these requirements, has been completely redefined by a new data protocol and a new access control and thus uses the Ethernet physics as the basis for real-time communication between, for example, drive components. 'In order that the communication between the control unit and the power unit R LT can be realized.
  • slave units e.g. several power units LT of a decentralized drive system
  • Slave unit is clocked with a predetermined total cycle time via a respective time counter, which is set cyclically by the receipt of a respective slave-specific synchronization information determined by the master unit.
  • a master-slave communication architecture can thus be used. For a cyclical data exchange with To be able to implement the same sampling times, a common time base is created for the master and all slaves. The slaves are synchronized with the master using specially marked, time-defined telegrams from the master to the slaves and individually parameterized time counters in the slaves.
  • User data telegrams and special synchronization telegrams containing the respective synchronization information can be transmitted.
  • the special synchronization telegrams containing the respective synchronization information can be transmitted.
  • Synchronization information can also be integrated in an excellent user data telegram.
  • the stability of the communication system can be further increased if each time counter of a slave unit starts a new cycle automatically even after the respective synchronization information has not been received after the predetermined total cycle time has expired.
  • a time slot access method for example, is used for the send and receive operation in the cyclic data transmission, which is initialized by the master in the network and permits data transmission that is optimal in terms of dead time. This means that the telegrams can be disrupted, premature or late transmission can be precisely monitored.
  • the master unit For the initialization, only the master unit has transmission authorization on the communication link and shares each slave unit, which only has response authorization, with a corresponding slave-specific one
  • Telegram in addition to the total cycle time, in which time slots within the total cycle time the respective slave unit receives which telegrams from the master unit and in which time slots it should send its telegrams. It has proven to be advantageous if each slave unit is informed of the respective synchronization time in the initialization phase.
  • each slave unit namely the respective power unit LT with its control electronics A
  • instantaneous values e.g. actual phase current values of a connected motor M etc.
  • simultaneous and equidistant sampling can be performed for the control unit R reach.
  • control information can be provided in each telegram transmitted from the master unit to a slave unit, with which safety-related functions provided directly in the slave unit can be activated.
  • the user data can be transported in a telegram frame which, in addition to the slave addressing and telegram length information, provides data integrity protection by means of, for example, a CRC checksum and other security-relevant data areas.
  • the data in the telegram frame can be evaluated not only by an application processor, but also by a communication module KOM.
  • each slave unit sends a signal to the master unit with every telegram. If this signal is absent, the master unit then stops the corresponding slave unit in a controlled manner.
  • each communication interface K is then safely electrically separated from the high-voltage side of the power section LT by means of a suitable transformer U.
  • respective encoder / decoder EC_DC are provided in the drive control shown in FIG. 1 both in the control unit R and the control electronics A, that is to say at the two ends of the communication path.
  • the data coded equally eg manchester coded, and are available as coded data.
  • a further exemplary embodiment enables the transmission of synchronous data, with the signals being suitably encoded in order to avoid the occurrence of equal components by means of an EXOR combination of clock signal and data.
  • two data streams have to be transmitted, namely a data signal and the clock signal required for synchronous transmission. Therefore, two communication links are provided, which are protected by a transformer similar to that shown in FIG. 2 with safe electrical isolation.
  • the data signal is initially not free of DC components. In order to be able to transmit it with a transmitter, it is first linked with the clock signal Exclusive-OR or EXOR. The result is an encoded data signal. To avoid different sound times, the clock signal can be EXOR-linked with a constant binary value such as 'zero'.
  • the logical combination of the data signal and the clock signal thus ensures that a coded data signal free of DC components can be transmitted via the transmitter U.
  • the clock signal itself is always DC-free.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc Digital Transmission (AREA)

Abstract

Um Aufwand bezüglich Optokopplern und Trennverstärkern zwischen Leistungsteil und einer Ansteuerelektronik zu vermeiden, wird zu sicheren elektrischen Trennung nur ein geeigneter elektrischer Übertrager (U) in eine digitale Kommunikationsschnittstelle (K) zwischen der Regelungseinheit (R) und der Ansteuerelektronik (A) geschaltet. Um einen Übertrager (U) einsetzen zu können, wird eine gleichanteilsfreie Codierung durchgeführt. Hier bietet sich eine Manchestercodierung an. Eine Alternative besteht in der Verwendung einer Ethernet-Physik zur Realisierung einer geeigneten Kommunikationsschnittstelle, wobei der Übertrager beide bei einer Ethernet-Physik vorgesehenen Kommunikationsstrecken galvanisch trennt und vorzugsweise eine geringe Koppelkapazität und Dämpfung aufweist.

Description

Beschreibung
AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb mit sicherer elektrischer Trennung von Leistungsteil und Regelungseinheit
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb mit einem Leistungsteil, das auf einem vergleichsweise hohen elektrischen Potential liegt, mit einer Ansteuerelektronik, die dem Leistungsteil Ansteuersig- nale liefert und von diesem Phasenstromistwerte erhält, und mit einer Regelungseinheit, die auf einem vergleichsweise niedrigen elektrischen Potential liegt und mit der Ansteuerelektronik über eine digitale Kommunikationsschnittstelle verbunden ist, wobei zwischen dem Leistungsteil und der Rege- lungseinheit eine galvanische Trennung besteht.
Bei einer solchen Antriebssteuerung muss aus Sicherheitsgründen die Hochvoltseite des Leistungsteils (bis zu 720 Volt) von der Niedervoltseite der Regelungseinheit (in der Regel ca. 5 Volt) sicher elektrisch getrennt sein. Dazu ist an einer Stelle eine galvanische Trennung erforderlich, wobei einschlägige Normen eine Luft- und Kriechstrecke von z.B. 8 mm erfordern. Dazu müssen die verwendeten elektrischen Bauteile die Anforderungen dieser speziellen Normen erfüllen.
Heutige Lösungen zu einer solchen sicheren elektrischen Trennung nehmen diese Trennung zwischen einer Ansteuerelektronik und dem Leistungsteil vor. Eine solche bekannte Anordnung einer AntriebsSteuerung ist in Form eines Blockschaltbildes in FIG 3 dargestellt.
Das Leistungsteil LT bezieht seine Energie aus einem Zwischenkreis ZK eines Umrichters (nicht gezeigt) und liefert die drei Phasenspannungen zur Ansteuerung eines Motors M. Die Ansteuerelektronik A liefert sechs AnsteuerSignale Ux über sechs jeweilige Optokoppler OK (der besseren Übersichtlichkeit halber ist exemplarisch nur ein solcher Optokoppler ge- zeigt) , die zur Ansteuerung von in dem Leistungsteil angeordneten Stromventilen, insbesondere einer Brückenschaltung von IGBT-Transistoren, dienen. Zusätzlich ist eventuell ein weiterer solcher Pfad Ubr für die Ansteuerung eines Brems- choppers erforderlich.
In den drei Phasen R, S, T des Motors M werden die jeweiligen Phasenstromistwerte IistR, IistS, IistT gemessen und über je- weilge Trennverstärker TV an die Ansteuerelektronik geführt. In einzelnen Fällen sind auch nur zwei Trennverstärker vorgesehen, da der Strom in der dritten Phase aus den beiden er- fassten Phasenstro istwerten gewonnen werden kann. Zusätzlich ist ein Trennverstärker TV für die Erfassung der Zwischen- kreisspannung Uzk erforderlich. Die Ansteuerelektronik ist über eine Kommunikationsschnittstelle K mit der Regelungseinheit R verbunden.
Damit müssen nach dem Stand der Technik die sechs oder sieben (mit Bremschopper) Optokoppler OK und die Trennverstärker TV die Anforderungen an eine sichere elektrische Trennung erfüllen. Solche Bauelemente sind vergleichsweise teuer, weshalb die Tatsache, dass eine Vielzahl dieser genannten Bauelemente benötigt wird, sehr kostenintensiv ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfachere und damit kostengünstigere Antriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb mit sicherer elektrischer Trennung von Leistungsteil und Regelungseinheit zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Antriebssteuerung der eingangs geschilderten Art dadurch weitergebildet wird, dass zur galvanischen Trennung ausschließlich ein geeigneter elektrischer Übertrager in die Kommunikationsschnittstelle zwischen der Rege- lungseinheit und der Ansteuerelektronik geschaltet ist. Der Übertrager wird dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass die durch den elektrischen Übertrager gewährleistete galvanische Trennung die Anforderungen an eine sichere elektrische Trennung erfüllt.
Häufig ist auch eine bidirektionale Übertragung zu ermöglichen. Dazu wird eine Lösung mit Bauteilen nach dem aus der Bürokommunikationstechnik weit verbreiteten Ethernet-Standard vorgeschlagen, indem die digitale Kommunikationsschnittstelle auf Basis einer Ethernet-Physik ausgeführt ist, wobei der Übertrager beide bei einer Ethernet-Physik vorgesehenen Kommunikationsstrecken galvanisch trennt.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Übertra- ger in die Ansteuerelektronik integriert ist.
Bei Ethernet kann somit eine bidirektionale Übertragung über einen Kanal nicht realisiert werden, man braucht zwei getrennte Kanäle, verbunden mit erhöhtem Aufwand. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass der Übertrager für Ethernet standardmäßig keine ausreichende Störfestigkeit gegenüber hohen Spannungsanderungen über die Zeit (du/dt) gewährleistet, insbesondere aber keine sichere Trennung für Spannungen über 720V. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß extra ein geeig- neter Übertrager geschaffen, welcher diese Anforderungen erfüllt .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Codierer zur gleichanteilsfreien Codierung eines binären Datenstroms auf der Sendeseite vorgesehen ist, wodurch der codierte Datenstrom über die digitale Kommunikationsschnittstelle mit dem elektrischen Übertrager übertragbar ist, und mit einem Decoder zur Decodierung des Datenstroms auf der Empfangsseite. Dadurch wird eine Übertragung von binären Informationen zwischen der Regelungseinheit und der Ansteuerelektronik ermöglicht, wobei auftretende Gleichanteile im Datenstrom über die Kommunikationsschnittstelle, die der Übertrager nicht verar- beiten könnte, vermieden werden.
Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn durch den Codierer auf der Sendeseite Erzeugung von künstlichen Signalwechseln durch Übertragung von Binärwerten des Datenstroms als definierte Folge von Signalwechseln durchführbar ist und durch den Decoder die ursprünglichen Binärwerte des Datenstroms durch Zuordnung der zugehörigen Binärwerte zu den auf der Empfangsseite eintreffenden Folgen von Signalwechseln rückgewinnbar sind.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Codierer und der Decoder eine Manchestercodierung durchführen, weil dafür eine Vielzahl von günstigen Standardkomponenten zur Verfügung steht .
Mit besonders geringem Aufwand lässt sich auf der Grundlage der Erfindung eine serielle Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung realisieren, wobei eine Übertragung im Halb- duplex-Betrieb durchführbar ist.
Um eine synchrone digitale Kommunikation zwischen der Regelungseinheit und der Ansteuerelektronik mit einem Datensignal und einem Taktsignal durchzuführen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Codierer zur logischen Verknüpfung von Datensignal und Taktsignal auf der Sendeseite derart dient, dass ein gleichanteilsfreies codiertes Datensignal resultiert, welches über eine erste Kommunikationsstrecke der Kommunikationsschnittstelle übertragbar ist. Eine zweite Kommunikationsstrecke der Kommunikationsschnittstelle dient dann zur Übertragung des Taktsignals und der elektrische Übertrager ist derart ausgestaltet, dass er beide Kommunikations- strecken galvanisch trennt, wobei durch den Decodierer auf der Empfangsseite durch erneute logische Verknüpfung von codiertem Datensignal und Taktsignal das ursprüngliche Datensignal wiedergewinnbar ist.
Um LaufZeitdifferenzen zwischen Datensignal und Taktsignal zu vermeiden, empfiehlt es sich, dass die Mittel zur Codierung und Decodierung des Taktsignals mit derselben logischen Verknüpfung mit einem konstanten Binärwert dienen und das codierte Taktsignal über die zweite Kommunikationsstrecke bertragbar ist.
Besonders einfach und damit kostengünstig lässt sich dies realisieren, wenn der Codierer zur Exklusiv-Oder-Verknüpfung von Datensignal und Taktsignal auf der Sendeseite dient, und der Decoder auf der Empfangsseite zur erneuten Exklusiv-Oder- Verknüpfung von codiertem Datensignal und Taktsignal dient.
Für das Taktsignal und zur Vermeidung' unterschiedlicher Laufzeiten kann dann erfindungsgemäß der Codierer zur Exklusiv- Oder-Verknüpfung des Taktsignals mit einem konstanten binären
Wert, insbesondere mit dem Wert Null, auf der Sendeseite dienen, wobei das so codierte Taktsignal über die zweite Kommunikationsstrecke übertragbar ist, wobei durch den Decoder eine erneute Exklusiv-Oder-Verknüpfung von codiertem Taktsig- nal und dem gleichen konstanten binären Wert, insbesondere mit dem Wert Null, auf der Empfangsseite durchführbar ist.
Für alle diese Maßnahmen hat es sich als günstig erwiesen, wenn ein Übertrager mit einer geringen Koppelkapazität zwi- sehen dessen Primärkreis und Sekundärkreis, insbesondere mit einer Koppelkapazität kleiner als 1 pF, vorgesehen ist.
Außerdem sollte vorteilhafterweise ein Übertrager mit einer geringen Dämpfung vorgesehen sein, insbesondere um die hohen Datenübertragungsraten zu verarbeiten, die auf Basis einer Ethernet-Physik erreichbar sind. Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich anhand des im folgenden dargestellten Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren. Dabei sind Elemente mit gleicher Funktionalität mit den gleichen Bezugszei- chen gekennzeichnet . Es zeigt:
FIG 1 ein Blockschaltbild einer Antriebssteuerung mit einfacher und sicherer elektrischer Trennung nach der Erfindung, FIG 2 ein Blockschaltbild einer Antriebssteuerung nach
FIG auf Basis einer Ethernet-Physik und FIG 3 ein Blockschaltbild einer Antriebssteuerung mit sicherer elektrischer Trennung nach dem Stand der
Technik.
In der Darstellung nach FIG 1 ist ein Blockschaltbild einer Antriebssteuerung mit einfacher und sicherer elektrischer Trennung nach der Erfindung gezeigt . Die Anordnung entspricht im wesentlichen der bereits einleitend dargestellten nach dem Stand der Technik gemäß FIG 3. Der entscheidende erfindungsgemäße Unterschied besteht darin, dass die Kommunikationsschnittstelle K einen Übertrager U aufweist, der die sichere elektrische Trennung SET übernimmt.
Die im folgenden erläuterten Kommunikationsverfahren ermöglichen eine galvanische Trennung der Datenleitungen der Kommunikationsschnittstelle K und damit die Möglichkeit, die sichere elektrische Trennung SET auf die Kommunikationsschnittstelle K zu verschieben.
Dadurch wird es ermöglicht, auf die Mehrzahl an teueren Optokopplern OK und Trennverstärkern TV zu verzichten, wie sie nach dem Stand der Technik in FIG 3 benötigt werden. Da nur noch eine Funktionale Trennung von Hochvoltseite und Nieder- voltseite notwendig ist, ist nur noch eine Luft- und Kriechstrecke von z.B. 4 mm erforderlich. Dadurch lässt sich eine beträchtliche Kostenersparnis erreichen. Nach der Erfindung wird der Datenstrom zunächst geeignet aufbereitet und dann über den Übertrager U übertragen. Dieser Übertrager sollte eine sehr geringe Koppelkapazität zwischen Primär- und Sekundärseite besitzen (typischerweise <lpF) , um Probleme mit dem hohen Spannungs-Zeit-Änderungen du/dt zu vermeiden. Außerdem sollte dieser eine geringe Dämpfung besitzen, um hohe Datenraten übertragen zu können und für eine sichere Trennung SET geeignet zu sein.
Eine Möglichkeit zur Kommunikation über eine durch einen solchen Übertrager U abgesicherte Kommunikationsschnittstelle K besteht in der Verwendung von Kommunikationskomponenten nach dem weit verbreiteten Ethernet-Standard, indem die digitale Kommunikationsschnittstelle auf Basis einer Ethernet-Physik ausgeführt ist, wobei der Übertrager beide bei einer Ethernet-Physik vorgesehenen Kommunikationsstrecken galvanisch trenn .
Eine solche Möglichkeit ist ausschnittsweise in der Darstel- lung nach FIG 2 gezeigt. Dazu weisen die Ansteuerelektronik A und die Regelungseinheit R Leitungstreiber PL auf Basis des Ethernet-Physical-Layer auf, die mit einem geeigneten Übertragungsprotokoll betrieben werden. Die eigentliche Übertragung erfolgt über den Übertrager U, der die beiden Kommunika- tionsstrecken galvanisch trennt.
Da, wie bereits weiter oben erwähnt, bei Ethernet keine bidirektionale Übertragung über einen Kanal realisiert werden kann, braucht man zwei getrennte Kanäle RXl und TX1. Daher wird ein Übertrager für Ethernet, der standardmäßig keine ausreichende Störfestigkeit gegenüber hohen Spannungsände- rungen über die Zeit (du/dt) gewährleistet, insbesondere aber keine sichere Trennung für Spannungen über 720V, durch einen erfindungsgemäßen Übertrager ersetzt. Dieser wird so ausge- führt, dass er für beide Kommunikationsstrecken bzw. Kanäle eine sichere galvanische Trennung gewährleistet. Bei Einsatz der geschilderten Ethernet-Physik stellt sich kein Problem mit Gleichanteilen bei der Übertragung von binären Daten über den Übertrager, da nach dem Ethernet-Standard mit den darin realisierten drei Spannungszuständen mit einer positiven und negativen Spannung sowie Null Volt keine Sätti- gungszustände im Übertrager zu befürchten sind.
Ein Beispiel für ein geeignetes synchrones ÜbertragungsSystem stellt ein Kommunikationsnetzwerk auf Basis einer Ethernet- Physik dar, welches über ein geeignetes digitales Übertragungsprotokoll zu einem deterministischen Übertragungssystem ertüchtigt wird.
Da es bei der in FIG 1 gezeigten Anwendung in der Regel so- wohl auf eine hochgenaue Einhaltung der Echtzeitbedingung als auch auf eine hohe Sicherheit der Übertragung ankommt, wird beispielsweise die genormte ÜbertragungsSchicht 2 (Telegrammrahmen und Zugriffsverfahren) des (Fast) -Ethernet, die diese Anforderungen nicht erfüllt, durch ein neues Daten-Protokoll und eine neue ZugriffSteuerung vollständig neu definiert und damit die Ethernet-Physik als Basis für eine Echtzeitkommuni- kation zwischen beispielsweise Antriebskomponenten genutzt.' Damit kann die Kommunikation zwischen der Regelungseinheit R und dem Leistungsteil LT realisiert werden.
Bezüglich einer Synchronisation zwischen einem Master, z.B. der Regelungseinheit R, und Slaveeinheiten, z.B. mehreren Leistungsteilen LT eines dezentralen Antriebsverbandes, erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine Synchronisierung der Slaveeinheiten auf die Mastereinheit erfolgt, indem jede
Slaveeinheit über einen jeweiligen Zeitzähler mit einer vorgegebenen Gesamtzykluszeit getaktet wird, der zyklisch durch den Empfang einer jeweiligen von der Mastereinheit bestimmten Slave-spezifischen Synchronisationsinformation gesetzt wird.
Es kann somit eine Master-Slave-Kommunikationsarchitektur zum Einsatz kommen. Um einen zyklischen Datenaustausch mit gleichen Abtastzeitpunkten realisieren zu können, wird eine gemeinsame Zeitbasis für den Master und alle Slaves hergestellt. Die Synchronisierung der Slaves auf den Master erfolgt durch speziell ausgezeichnete, zeitlich definierten Te- legramme des Masters an die Slaves und individuell para et- rierte Zeitzähler in den Slaves .
Dabei können Nutzdatentelegramme und spezielle Synchronisationstelegramme, die die jeweiligen Synchronisationsinfor a- tionen beinhalten, übertragen werden. Alternativ kann die
Synchronisationsinformation auch in ein ausgezeichnetes Nutzdatentelegramm integriert sein.
Dabei lässt sich die Stabilität des Kommunikationssystems weiter steigern, wenn jeder Zeitzähler einer Slaveeinheit auch bei Ausbleiben der jeweiligen Synchronisationsinformation nach Ablauf der vorgegebenen Gesamtzykluszeit selbsttätig einen neuen Zyklus startet.
Für den Sende- und Empfangsbetrieb bei der zyklischen Datenübertragung kommt beispielsweise ein Zeitschlitz-Zugriffsverfahren zum Einsatz, das vom Master im Netzwerk initialisiert wird und eine totzeit-optimale Datenübertragung erlaubt. Dadurch können die Telegramme bzgl . gestörter, verfrühter oder verspäteter Übertragung präzise überwacht werden.
Dazu besitzt zur Initialisierung ausschließlich die Mastereinheit Sendeberechtigung auf der Kommunikationsstrecke und teilt jeder Slaveeinheit, die ausschließlich Antwortberech- tigung besitzt, über ein entsprechendes Slave-spezifisches
Telegramm neben der Gesamtzykluszeit mit, in welchen Zeitschlitzen innerhalb der GesamtZykluszeit die jeweilige Slaveeinheit welche Telegramme von der Mastereinheit empfangen wird und in welchen Zeitschlitzen sie ihre Telegramme senden soll. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn jeder Slaveeinheit in der Initialisierungsphase der jeweilige Synchronisationszeitpunkt mitgeteilt wird.
Wenn in jeder Slaveeinheit, eben dem jeweiligen Leistungsteil LT mit dessen Ansteuerelektronik A, zu einem gemeinsamen Zeitpunkt, insbesondere zu einem Zyklusbeginn, jeweilige Augenblickswerte (z.B. Phasenstromistwerte eines angeschlossenen Motors M etc.) gespeichert werden, lässt sich eine gleichzeitige und äquidistante Abtastung für die Regelungseinheit R erreichen.
Außerdem lassen sich in jedem von der Mastereinheit an eine Slaveeinheit übermittelten Telegramm Kontrollinformationen vorsehen, mit denen sich direkt in der Slaveeinheit vorgesehene sicherheitsgerichtete Funktionen aktivieren lassen.
Die Nutzdaten können in einem Telegrammrahmen transportiert werden, der neben der Slave-Adressierung und Telegrammlängen- Information die Absicherung der Datenintegrität mittels beispielsweise einer CRC-Prüfsumme und weitere sicherheitsrelevante Datenbereiche zur Verfügung stellt . Die Daten im Telegrammrahmen können nicht nur von einem Applikationsprozessor, sondern auch von einem Kommunikationsbaustein KOM ausgewertet werden.
Dazu sendet jede Slaveeinheit mit jedem Telegramm ein Signal an die Mastereinheit aus. Die Mastereinheit setzt dann bei Ausbleiben dieses Signals die entsprechende Slaveeinheit kon- trolliert still.
Obwohl die zur Anwendung kommende Übertragungstechnik nach dem Ethernet-Standard prinzipiell nur Punk -zu- unkt-Verbindungen erlaubt, kann wie bei (Fast) Ethernet Netzen auch durch die Verwendung von Netzknoten (sogenannte HUBs) die
Bildung von Netzwerken ermöglicht werden, indem mehrere oder jeder Kommunikationsteilnehmer über einen Schaltungsteil zur Bildung von Netzknpten verfügt, der zur Weiterleitung der Telegramme in Richtung einer anderen Mastereinheit oder weiterer Slaveeinheiten dient, wobei eine Kommunikation zwischen Kommunikationsteilnehmern über Netzknoten ebenfalls nach der vorangehend beschriebenen Vorgehensweise erfolgt. Erfindungsgemäß wird dann jede Kommunikationsschnittstelle K mittels eines geeigneten Übertragers U sicher elektrisch von der Hochvoltseite des Leistungsteils LT getrennt.
Mit Hilfe der im vorangehenden beschriebenen Vorgehensweise lässt sich auf Basis eines Kommunikationssystems mit Ethernet-Physik eine Echtzeitkommunikation erreichen. Dabei können auch hierarchische Netzwerke mit über Netzknoten verbundenen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Ethernet-Physik zur Durchfüh- rung einer Echtzeitkommunikation in größeren Netztopologien erstellt werden.
Selbstverständlich lassen sich zur Realisierung der erfindungsgemäßen sicheren elektrischen Trennung SET von Leis- tungsteilen LT und deren Vernetzung mit einer Regelungseinheit R auch andere Kommunikationsnetzwerke als das vorangehend beispielhaft beschriebene verwenden, vorausgesetzt, dass die Bandbreite der Übertragung die Kommunikation im Stromregelungstakt gewährleistet.
Dabei ist zu beachten, dass für den Einsatz eines Übertragers auch bei anderen digitalen Kommunikationsverfahren zunächst eine gleichanteilsfreie Codierung durchgeführt wird, wobei sich hier beispielsweise die Manchestercodierung anbietet. Dadurch kann vermieden werden, dass aufgrund einer Folge mehrerer gleicher Binärwerte quasi ein Gleichspannung am Übertrager U anliegt, welche dieser nicht verarbeiten kann.
Dazu sind in der nach FIG 1 dargestellten Antriebssteuerung sowohl in der Regelungseinheit R und der Ansteuerelektronik A, also an den beiden Ende der Kommunikationsstrecke, jeweilige Encoder/Decoder EC_DC vorgesehen. Damit werden die Daten gleichanteilsfrei codiert, z.B. manchestercodiert, und stehen als codierte Daten zur Verfügung.
Selbstverständlich sind eine Vielzahl anderer Codierungsmög- lichkeiten ebenfalls einsetzbar, sofern eine gleichanteils- freie Signalübertragung ermöglicht wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Übertragung von synchronen Daten, wobei eine geeignete Codierung der Sig- nale zur Vermeidung der Entstehung von Gleichanteilen durch eine EXOR-Verknüpfung von Taktsignal und Daten erfolgt.
Dafür müssen zwei Datenströme übertragen werden, nämlich ein Datensignal und das zur synchronen Übertragung erforderliche Taktsignal. Daher werden zwei Kommunikationsstrecken vorgesehen, welche durch einen Übertrager ähnlich dem in FIG 2 gezeigten mit sicherer galvanischer Trennung geschützt sind.
Das Datensignal ist zunächst nicht gleichanteilsfrei. Um es dennoch mit einem Übertrager übertragen zu können, wird es zunächst mit dem Taktsignal Exklusiv-Oder- bzw. EXOR-ver- knüpft. Es resultiert ein codiertes Datensignal . Das Taktsignal kann zur Vermeidung unterschiedlicher Lautzeiten mit einem konstanten binären Wert wie etwa ,Null' EXOR-verknüpft .
Durch die logische Verknüpfung von Datensignal und Taktsignal ist somit gewährleistet, dass ein gleichanteilsfreies codiertes Datensignal über den Übertrager U übertragen werden kann. Das Taktsignal selbst ist stets gleichanteilsfrei.
Danach erfolgt die Übertragung beider codierter Signale über die jeweilige Kommunikationsstrecke sowie die Rückgewinnung des Originaldatenstromes durch nochmalige EXOR-Verknüpfung beider codierter Signale. Zur Rückgewinnung des ursprüngli- chen Taktsignals wird dieses erneut mit dem konstanten Binärwert EXOR-verknüpft . Selbstverständlich sind weitere Möglichkeiten zur logischen Verknüpfung von Datensignal und Taktsignal möglich, die eine gleichanteilsfreie Übertragung des Datensignals ermöglichen. Die vorangehend erläuterte EXOR-Verknüpfung zeichnet sich für die Erfindung durch deren besonders einfache und effektive Realisierung aus.

Claims

Patentansprüche
1. AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb mit einem Leistungsteil (LT) , das auf einem vergleichsweise hohen elektrischen Potential liegt, mit einer Ansteuerelektronik (A) , die dem Leistungsteil (LT) Ansteuersignale (Ux) liefert und von diesem Phasenstromistwerte (IistR, IistS, IistT) erhält, und mit einer Regelungseinheit (R) , die auf einem vergleichsweise niedrigen elektrischen Potential liegt und mit der Ansteuerelektronik (A) über eine digitale Kommunikations- schnittstelle (K) verbunden ist, wobei zwischen dem Leistungsteil (LT) und der Regelungseinheit (R) eine galvanische Trennung (GT) besteht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur galvanischen Trennung (GT) ausschließlich ein geeigneter elektrischer Übertrager (U) in die Kommunikationsschnittstelle (K) zwischen der Regelungseinheit (R) und der Ansteuerelektronik (A) geschaltet ist.
2. Antriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die durch den elektrischen Übertrager (U) gewährleistete galvanische Trennung die Anforderungen an eine sichere elektri- sehe Trennung (SET) erfüllt.
3. AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die digitale Kommunikationsschnittstelle (K) auf Basis einer
Ethernet-Physik ausgeführt ist, wobei der Übertrager (U) beide bei einer Ethernet-Physik vorgesehenen Kommunikations- strecken (RX1, TX1) galvanisch trennt.
4. AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Übertrager (U) in die Ansteuerelektronik (A) integriert ist.
5. Antriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb nach An- spruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Codierer zur gleichanteilsfreien Codierung (EC_DC) eines binären Datenstroms auf der Sendeseite vorgesehen ist, wodurch der codierte Datenstrom über die digitale Kommunikati- onsschnittstelle (K) mit dem elektrischen Übertrager (U) übertragbar ist, und mit einem Decoder (EC_DC) zur Decodie- rung des Datenstroms auf der Empfangsseite.
6. AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb nach An- spruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass durch den Codierer (EC_DC) auf der Sendeseite eine Erzeugung von künstlichen Signalwechseln durch Übertragung von Binärwerten des Datenstroms als definierte Folge von Signalwech- sein durchführbar ist und durch den Decoder (EC_DC) die ursprünglichen Binärwerte des Datenstroms durch Zuordnung der zugehörigen Binärwerte zu den auf der Empfangsseite eintreffenden Folgen von Signalwechseln rückgewinnbar sind.
7. AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Codierer und der Decoder (EC_DC) zu einer Manchestercodierung dienen.
8. Antriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine serielle Kommunikationsschnittstelle (K) zur Übertragung vorgesehen ist.
9. Antriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass wobei eine Übertragung im Halbduplex-Betrieb durchführbar ist.
10. Antriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 5, mit einer synchronen digitalen Kommunikation zwischen der Regelungseinheit (R) und der Ansteuerelektronik (A) mit einem Datensignal (DATA) und einem Taktsignal (CLK) d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Codierer zur logischen Verknüpfung von Datensignal (DATA) und Taktsignal (CLK) auf der Sendeseite derart dient, dass ein gleichanteilsfreies codiertes Datensignal (DATA' ) resul- tiert, welches über eine erste Kommunikationsstrecke der Kommunikationsschnittstelle (K) übertragbar ist, wobei eine zweite Kommunikationsstrecke der Kommunikationsschnittstelle (K) zur Übertragung des Taktsignals (CLK) vorgesehen ist und der elektrische Übertrager (U) derart ausgestaltet ist, dass er beide Kommunikationsstrecken galvanisch trennt, wobei durch den Decodierer auf der Empfangsseite durch erneute logische Verknüpfung von codiertem Datensignal (DATA') und Taktsignal (CLK) das ursprüngliche Datensignal (DATA) wiedergewinnbar ist.
11. Antriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 10, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t, dass Mittel zur Codierung und Decodierung des Taktsignals (CLK) mit derselben logischen Verknüpfung mit einem konstanten Binärwert (M) vorgesehen sind und das codierte Taktsignal (CLK') über die zweite Kommunikationsstrecke (K2) übertragbar ist.
12. AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 10 oder 11, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Codierer (EC_DC) zur Exklusiv-Oder-Verknüpfung von Datensignal und Taktsignal auf der Sendeseite dient, und der Decoder (EC_DC) auf der Empfangsseite zur erneuten Exklusiv-Oder- Verknüpfung von codiertem Datensignal und Taktsignal dient.
13. Antriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 12 , d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Codierer (EC_DC) zur Exklusiv-Oder-Verknüpfung des Takt- signals mit einem konstanten binären Wert, insbesondere mit dem Wert Null, auf der Sendeseite dient, wobei das so codierte Taktsignal über die zweite Kommunikationsstrecke übertragbar ist, wobei durch den Decoder (EC_DC) eine erneute Exklusiv-Oder-Verknüpfung von codiertem Taktsignal und dem glei- chen konstanten binären Wert, insbesondere mit dem Wert Null, auf der Empfangsseite durchführbar ist.
14. AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Übertrager (U) mit einer geringen Koppelkapazität zwischen dessen Primärkreis und Sekundärkreis, insbesondere mit einer Koppelkapazität kleiner als 1 pF, vorgesehen ist.
15. AntriebsSteuerung für einen elektrischen Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Übertrager (U) mit einer geringen Dämpfung vorgesehen ist.
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