EP3129793A1 - Diagnose eines antriebssystems sowie antriebssystem - Google Patents

Diagnose eines antriebssystems sowie antriebssystem

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EP3129793A1
EP3129793A1 EP15733398.0A EP15733398A EP3129793A1 EP 3129793 A1 EP3129793 A1 EP 3129793A1 EP 15733398 A EP15733398 A EP 15733398A EP 3129793 A1 EP3129793 A1 EP 3129793A1
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EP
European Patent Office
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sensor
rotor
drive system
rotation
angle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15733398.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Nolte
Uwe BRAATZ
Michael Krause
Uwe Krause
Heinz Ludwig
Michael Wittkowski
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
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Publication date
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    • G01D2218/10—Testing of sensors or measuring arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for the diagnosis of a drive system, a method for operating a Antriebssys ⁇ tems and a drive system, wherein the drive system comprises an electric motor with a stator with phase windings and with a permanent magnetically excited rotor and a sensor for Determining the position of the rotor has.
  • the drive system comprises an electric motor with a stator with phase windings and with a permanent magnetically excited rotor and a sensor for Determining the position of the rotor has.
  • the on ⁇ operating system is in particular a door drive system ⁇ .
  • Electric motors with a stator with phase windings and with a permanent-magnetically excited rotor are used in a variety of drive systems.
  • PMSM synchronous motor
  • they are often referred to as "PMSM" motors, for example, use in door drive systems for moving doors, especially sliding doors, elevator cars, train platforms, buildings, or machine tools.
  • magnetic angle sensors are often used to determine the position of the rotor. These produce a ⁇ unambiguous angle information for a full mechanical Flip Cellphone ⁇ hung the rotor.
  • this win- Information derived from the rotor position and generated therefrom a control signal for the motor.
  • the angle information has a fixed and known angle to the stator winding. Depending on the manufacturing process and given tolerances, this angle may vary, or even be completely unknown. In practice, therefore, an adjustment value for this angle is determined in production, stored in a data memory and taken into account in the control and / or regulation of the motor. However, the data storage may fail and thus the adjustment value may be lost.
  • the trim information may not be lost, but the trim may not be repeated if the mechanical conditions change (e.g., when loosening sensor board mounting screws).
  • the inventive method for the diagnosis of a drive ⁇ system comprising an electric motor, especially a synchronous motor having a stator with phase windings and a permanent-magnet-excited rotor and a sensor for determining the position of the rotor, comprising the steps of: a) rotating the rotor without feeding the phase windings with current, preferably rotating the rotor manually or rotating the rotor by coasting after a previous acceleration,
  • the invention is based on the consideration that a rotation of the permanent magnetically excited rotor is a magnetic Rotary field generated, which induces a voltage in the phase windings.
  • the induced voltage has a phase position between the terminals which is fixed via the geo ⁇ metric arrangement of the phase winding.
  • this voltage can be measured and from this a space vector angle of the induced voltages can be determined.
  • signals generated by the rotor position sensor are simultaneously measured and from this a rotor position angle is determined.
  • a diagnosis of the drive ⁇ system in compliance with the requirements explained above can be done very easily by comparing the space vector angle with the rotor position angle and determining a difference in a value, a direction and / or a rotational speed of the two angles.
  • Particularly advantageous diagnostic ⁇ possibilities are explained in connection with the subclaims.
  • the rotation of the Ro ⁇ tors can therefore manually by an operator, such as a mechanic, carried.
  • the diagnosis can also take place under difficult installation conditions of the engine, as are frequently the case, for example, in the case of door drive systems.
  • a manual movement of a motor coupled to the engine load in the case of a door drive system ⁇ eg manually moving the door or Mosflü- gels.
  • a small motor movement and steps a) to d) are used when the motor coasting after separation of the phase windings of a power supply or a shutdown of the power supply.
  • an evaluable induced voltage in the phase windings is already given at a few single-digit percent of rated speed.
  • the sensor is a magnetic sensor with a high linearity, fractions of a sufficient electrical rotation for the diagnosis and beispielswe for the determination of a calibration value.
  • the inventive method provides that the phases ⁇ windings are not energized, it can also be applied in production for the diagnosis of the engine where a power supply is often not available. It can also be used to complete the assembly and wiring of the drive system as a test step before the actual electrical ⁇ rule to check the correctness of the cable connections between the engine, a drive control and the sensor for determining the position of the rotor. It is particularly advantageous that the diagnosis can be made by a purely passive method without controlling any power elements (eg power output stages) of a power supply. Furthermore, only one voltage measurement is provided on the phase windings. A current measurement on the phase windings, however, is not necessary and not pre ⁇ see. The diagnosis can thus be very flexible, simple and inexpensive.
  • the drive system is operated in normal operation for driving the motor and in a diagnostic operation for diagnosing the drive system, wherein in normal operation, the rotor is powered by a supply of the phase windings and wherein in the diagnostic operation the above-described steps a) to d) are performed.
  • the drive system thus has in addition to the normal operation even a diagnostic mode in which the effects and advantages described in connection with the above-described ⁇ nen steps a) to d) can also be obtained.
  • a transition from normal operation into the diagnostic mode, and possibly also automatically back to the normal operating mode can automatically take place. drifted, done.
  • the rotation of the rotor in the diagnostic mode in step a) can for example be done manually by a person.
  • the rotation of the rotor is automated by accelerating and then tumbling of the rotor.
  • a condition monitoring system Conditon Monitoring System
  • an error in the rotor position angle to be compensated or eliminated beneficial in step c) by measurement of the induced voltages.
  • Errors caused by the measurement of the induced voltages are often generated by a frequency-dependent behavior of the measuring device. This frequency-dependent behavior manifests itself above all in the case of a movement of the rotor with changing rotational speed, as is the case, for example, when the rotor is rotated manually or when the rotor wobbles.
  • a dead time compensation of the sensor signals and / or a run time compensation or a frequency response correction of the value of the space vector angle preferably take place here.
  • dead time compensation dead times of the sensor or in the subsequent signal processing, eg due to calculation cycles, can be compensated.
  • runtime compensation or frequency response correction speed-dependent phase rotations of the measured induced voltages, which in practice result from low-pass filtering, can be compensated.
  • the determination of the space vector angle can be independent of the speed.
  • Based on the determined difference in the value of the rich ⁇ processing and / or the rotational speed of the two angles may be for an open, short circuit, faulty connection to a Ka ⁇ belitati between a drive controller and the motor, a faulty connection of cable connection between the drive controller and the sensor, an error or measurement inaccuracies in the sensor and / or a faulty
  • a message may then be output when the detected difference in the value, the direction and / or the rotational speed of the two angles exceeds a predetermined limit.
  • From a difference in the direction of rotation of the two angles is preferably closed to an opposite permutation of individual engine or sensor phases. From a difference in the rotational speed of the two angles can in turn be concluded on a fault or a measurement inaccuracy of the sensor.
  • an adjustment value for the rotor position angle determined by the sensor is derived from the difference in the value, the direction and / or the rotational speed of the two angles. This is preferably done in the manufacture of the engine. The equivalent value can then be stored in a drive control and used in the control and / or regulation of the motor for a correction of the rotor position angle determined by the sensor.
  • ⁇ from a over a period (ie, a complete electrical or mechanical rotation of the rotor)
  • the space vector angle can be calculated particularly simply by a Clarke transformation and subsequent polar transformation of the voltages induced in the phase windings.
  • the Clarke transformation is well known to those skilled in the vector control of three-phase machines and serves to convert three-phase quantities with the axes u, v, w into a simpler two-axis coordinate system with the axes a, b.
  • the polar transformation is likewise well known to the person skilled in the art and is used to convert the Cartesian coordinates obtained by the Clarke transformation into polar coordinates.
  • a drive system in particular a door drive system, has an electric motor, in particular a synchronous motor, with a stator with phase windings and with a permanent magnetically excited rotor and a motor Sensor for determining a position of the rotor. It also has:
  • a measuring device which is designed to gleichzeiti ⁇ gen measuring by a rotation in the phase windings and the induced voltages signals produced by the sensor
  • a computing device which is configured to determine a space vector angle of the induced voltages and ei ⁇ nes rotor position angle from the signals generated by the sensor ⁇ Sig nal and
  • comparing means for comparing the angle of the space vector with rotor angle position and determining a Un ⁇ ter Kunststoffes in a value of a direction and / or a rotational speed of the two angles on the diagnosis of the on ⁇ drive system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a synchronous motor with a permanent magnetically excited rotor
  • FIG 3-7 exemplary installation situations for fiction, ⁇ contemporary door drive systems
  • FIGS. 9-11 show examples of a diagnosis of the drive system of FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 shows a basic structure of an electric motor 2, which is used in a drive system 1 according to the invention shown in FIG 2.
  • the motor 2 is preferably designed as a synchronous motor and has, in the illustrated exemplary example a stator 3 with three ver at 120 ° ⁇ next phase windings 4, 5, 6.
  • the rotor 7 of the motor 2 has a permanent magnet 8.
  • the motor 2 has a rotor position sensor 9, for example a magnetic sensor, for determining the position of the rotor 7. If the rotor position sensor 9 is a magnetic sensor or a magnetic transmitter, then it is typically located directly above the axis of rotation of the rotor 7.
  • Such a motor 2 is known in principle to a person skilled in the art and can be present in many embodiments.
  • the rotor 7 may also have a plurality of magnets or a magnet with a plurality of poles.
  • FIG 2 shows a schematic representation of a drive system according to the invention, which - as is explained in FIG 3 - FIG 7, preferably as a door drive system is used.
  • the drive system 1 comprises an engine explained in conjunction with FIG 1 2 and a drive control unit 10, the egg ⁇ ne power supply 11 and a motor control unit 13 comprises.
  • the power supply 11 comprises a power converter 12, shown in simplified form in FIG. 2, which if necessary is connected to a power supply via an upstream transformer (not shown) and / or a rectifier.
  • the sensor 9 is used to determine the position of the rotor of the motor 2, not shown, and is preferably formed before ⁇ as a magnetic absolute encoder with high linearity.
  • a separator 14 for example in the form of a three-phase switch, the phase windings 4, 5, 6 can be separated from the power supply 11.
  • the drive system 1 is a door drive system.
  • the motor 2 is then used to open or Closing doors or door wings, for example in an elevator, on a platform or on a machine tool.
  • FIG. 3 to FIG. 7 show exemplary installation situations for an elevator door drive system.
  • FIG 3 shows an elevator car 21 at its front ⁇ page 22 a door opening 23rd
  • a door opening 23rd On the front ⁇ side 22 two equal, opposite movable door wings 24, 25 are arranged.
  • the opening and closing direction of the door wings 24, 25 is denoted by 26.
  • a in FIG 4 in a front view and in FIG 5, shown in a view from below of first door drive system 27 includes a drive control unit 10, a motor 2 and the engine 2 on the output side downstream miter gear 29.
  • the rotation ⁇ axis of the engine 2 runs in the opening - and
  • Closing direction 26 and the output side free end of the shaft of the bevel gear 29 is perpendicular to the opening and closing direction 26.
  • a drive pinion attached to ⁇ drive wheel or pulley 30 or the like.
  • the pulley 30 performs a tough elastic toothed belt 32, which transmits the driving force of the motor 2 to the door 24, 25.
  • a rack or a fla ⁇ ches cable for use instead of the toothed belt 32nd
  • a drive control device 10 and a motor 2 which are perpendicular to the direction of movement 26 of the door leaves 24, 25 one behind the other the head carrier 28 are attached.
  • the axis of rotation of the motor 2 is perpendicular to the opening and closing direction 26 of the door leaf 24, 25 and is also perpendicular to the front side 22 of the elevator car 21.
  • the pulley 30 is attached on the output side of the motor 2, the pulley 30 is attached.
  • the engine control unit 13 comprises according to FIG 2 for the Bestim ⁇ mung the rotor position angle signal acquisition 40 for the Ro ⁇ torlagesensor 9 and an angle determination 41 for determining the rotor position angle yel from the signals of the encoder 9.
  • ⁇ is preferably to increase the accuracy of the angular Determined ⁇ ment 41 is still a TotZeitkompensation 42 for the compensation of dead times in the detection of the sensor signals in the signal detection 40 available.
  • the drive control unit 10 furthermore has voltage taps 44 at the ends of the phase windings 4, 5, 6 for detecting the voltages Uu, Uv, Uw of the phase windings 4, 5, 6, each having a low-pass filter 45 connected therein.
  • the low-pass filters 45 are connected on the output side to an analog / digital converter 46 of the motor control unit 13 and supply it with the low-pass filtered voltage signals Utp_u, Utp_v, Utp_w.
  • the motor control unit 13 has a component 47 for Clarke transformation. The resulting from the digitized
  • Voltage signals Utp_u, Utp_v, Utp_w determined by the transformation into a two-axis Cartesian coordinate system voltages Ua, Ub are supplied to a component 48 for polar transformation and determined by converting the Cartesian coordinates in polar coordinates, an amplitude Uab and an angle yab of a space vector.
  • the determination of the amplitude Uab and the space vector angle is to increase the accuracy Yab another Frequenzgangkom ⁇ pensation 49 for compensating for phase shifts and thus depends on the speed of different running times of the signals Utp_u, Utp_v, Utp_w due to the low-pass filters 45 present.
  • the engine control unit 13 furthermore has a comparison device 50 for comparing the space vector angle yab with the rotor position angle yel and for determining a difference in a value, a direction and / or a rotational speed of the two angles and for generating a diagnostic information D for the drive system 1.
  • a comparison device 50 for comparing the space vector angle yab with the rotor position angle yel and for determining a difference in a value, a direction and / or a rotational speed of the two angles and for generating a diagnostic information D for the drive system 1.
  • Diagnoseda ⁇ th (such as the diagnostic information D) may be transmitted 51 to a superior condition monitoring system (Conditon Monitoring System).
  • a component 52 for determining an average difference between the value and / or the rotational speed of the two angles e.g.
  • a switching device 53 is used to switch the drive control of a normal operation for driving the Mo ⁇ sector 2 in a diagnostic operation for diagnosing the Antriebssys ⁇ tems 1 and back, wherein in the normal operation of the rotor 7 by feeding the phase windings 4, 5, 6 with power the power supply 11 is driven and wherein in the diagnostic operation explained in connection with FIG 8 Diag ⁇ nose is performed.
  • the switching can be carried out automatically by the switching device 53 when it fulfills predetermined criteria stored in the switching device 53, in particular after a predetermined number of operating hours of the drive system 1 have elapsed.
  • the switching ⁇ device 53 may also be connected to an operating element 54 of the drive control unit 10, such as a button, via the manually by an operator, such as a fitter, a switching command is detected.
  • the taps 44, low-pass filters 45 and the analog / digital converter 46 and the signal detection 40 thus form a measuring device, which is designed for the simultaneous measurement of induced by rotation of the rotor 7 in the phase windings 4, 5, 6 voltages and the sensor 9 generated signals.
  • FIG. 8 shows schematically a flow chart of a method sequence 60 according to the invention for the diagnosis of the drive system 1.
  • step 61 can be skipped.
  • the rotor 7 is rotated without supplying the phase windings 4, 5, 6 with power of the power supply 11.
  • it is manually rotated by an operator. This can be achieved, for example, by a movement of one of the door leaves 24, 25 in the opening / closing direction 26 (see FIG. 3).
  • a third step 63 the measured by the magnets 8 in the Pha ⁇ senwicklept 4, 5, 6 induced voltages Uu, Uv, Uw and the signals S generated by the sensor 9 during rotation of the rotor 7 at the same time.
  • a fourth step 64 the space vector angle yab from the voltages Uu, Uv, Uw induced during the rotation and the rotor position angle yel are determined from the sensor signals S generated by the sensor 9 during the rotation.
  • the engine control unit 13 For this purpose, are detected by the engine control unit 13 by means of Sig ⁇ acquisition time 40, the sensor signals S, through the dead Time compensation 42 compensated for a dead time and in the angular determination 41 of the rotor position angle yel ermit ⁇ determined.
  • the voltages Uu, Uv, Uw induced in the phase windings 4, 5, 6 are detected by the motor control unit 13 via the voltage taps 44, filtered by the low-pass filters 45 and the low-pass filtered voltages Utp_u, Utp_v, Utp_w are fed to the analog / digital converter 46 where they are digitized.
  • the amplitude Uab and the space vector angle yab are then determined by the component 47 for Clarke transformation and the component 48 for polar transformation.
  • Fre ⁇ quenzgangkompensation 49 a compensation of phases takes place sendrehungen and thus depends on the speed of different
  • a fifth step 65 the space vector angle determined during rotation at a certain time is yab
  • the space vector angle yab and the rotor position angle yel are supplied to the comparator 50 and from this a diagnostic information D is generated on the basis of the determined difference.
  • the space vector 70 of the induced voltage with the associated space vector angle yab and the rotor position 71 with the associated rotor position angle yel are shown by way of example in FIG.
  • a motor constant may also determined from the amplitude of the space vector Uab 70 and its Drehge ⁇ speed, with a predetermined value and closed in a deviation on a reduced engine power or a damaged engine.
  • a balance ⁇ for the rotor position angle yel determined by the sensor 9 are derived .
  • This adjustment value is then stored in the normal operation of the engine 2 the drive control unit 10 and used in the control and / or regulation of the motor 2 for a correction of the determined by the sensor 9 rotor position angle Yel.
  • the derivation of the adjustment value ⁇ is carried out as in ⁇ using the component 52 for determining an average difference from a over a period (ie, a complete electrical or mechanical rotation of the rotor) determined average difference between the angle values.
  • the amplitude Uab of the space vector 70 can be supplied and serve to enable the comparison of the angle yel, yab or to enable the determination of the time average in the component 52. In this way it can be ensured that a minimum value of the phase voltages is present for this purpose.
  • the method sequence shown in FIG. 8 can also be used in the context of the operation of the drive system 1 in a diagnostic mode for the diagnosis of the drive system.
  • ⁇ means of the switching device 53 is the Antriebssteu ⁇ tion of a normal operation for driving the motor 2, in which the rotor 7 by a supply of the phase windings 4, 5, 6 is driven with power of the power supply 11, in a diagnostic operation for diagnosing the drive system 1, and also switched back again.
  • the diagnosis explained in connection with FIG. 8 is carried out.
  • the impetus for switching occurs either automatically ⁇ by the switching device 53 or manually by an operator by means of the control element 54th
  • a display unit 58 eg, a display
  • diagnostic data is then transmitted to the state monitoring system 51 and can be analyzed there for further purposes.
  • the result of the diagnosis shown on the display unit 58 at ⁇ or to the condition monitoring system 51 übermit- telt be.
  • the result of the diagnosis such as a determined adjustment value can also be used in the drive control device 10 for operating the on ⁇ drive system first
  • a message is output by the motor control 13 (eg visually, acoustically or by an information to the condition monitoring system 51) if the determined difference in the value, the direction and / or the rotational speed of the two angles exceeds a predetermined limit and thus, an urgent need (Fehlerbesei ⁇ actuation, maintenance, installation correction, ect.) consists.

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Abstract

Eine Diagnose eines Antriebssystems (1), insbesondere eines Türantriebssystems, das einen elektrischen Motor (2), vorzugsweise einen Synchronmotor, mit einem Stator (3) mit Phasenwicklungen (4, 5, 6) und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor (7) sowie einen Sensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Rotors (7) aufweist, erfolgt erfindungsgemäß einfach und aufwandsarm mit folgenden Schritten: a) Drehen des Rotors (7) ohne Speisung der Phasenwicklungen (4, 5, 6) mit Strom, vorzugsweise manuelles Drehen des Rotors (7) oder Drehen des Rotors (7) durch ein Austrudeln nach einem vorherigen Beschleunigen, b) während des Drehens gleichzeitiges Messen von durch die Drehung in den Phasenwicklungen (4, 5, 6) induzierten Spannungen und von dem Sensor (9) erzeugten Signalen, c) Ermitteln eines Raumzeigerwinkels (γab) der während des Drehens induzierten Spannungen und Ermitteln eines Rotorlagewinkels (γel) aus den während des Drehens von dem Sensor (9) erzeugten Signalen, d) Vergleichen des während des Drehens ermittelten Raumzeigerwinkels (γab) mit dem während des Drehens ermittelten Rotorlagewinkel (γel) und Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems (1)·

Description

Beschreibung
Diagnose eines Antriebssystems sowie Antriebssystem Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Antriebssystems, ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssys¬ tems sowie ein Antriebssystem, wobei das Antriebssystem einen elektrischen Motor mit einem Stator mit Phasenwicklungen und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor sowie einen Sen- sor zur Bestimmung der Lage des Rotors aufweist. Bei dem An¬ triebssystem handelt es sich insbesondere um ein Türantriebs¬ system.
Elektrische Motoren mit einem Stator mit Phasenwicklungen und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor kommen in einer Vielzahl von Antriebssystemen zur Anwendung. In einer Ausbildung des Motors als Synchronmotor werden sie häufig auch als „PMSM"-Motoren bezeichnet. Ein Beispiel ist die Verwendung in Türantriebssystemen zur Bewegung von Türen, insbesondere Schiebetüren, von Aufzugfahrkörben, an Bahnsteigen, in Gebäuden oder an Werkzeugmaschinen.
Es besteht dabei die Anforderung nach einer einfachen und aufwandsarmen Diagnosemöglichkeit eines derartigen Antriebs- Systems in der Fertigung, bei der Inbetriebnahme, im Betrieb, bei der Wartung oder Inspektion sowie zur Fehlersuche im Fall eines Fehlverhaltens des Antriebssystems.
Beispielsweise besteht dabei die Anforderung nach einer Über- prüfung der Korrektheit der Kabelverbindungen zwischen dem
Motor, einer Antriebssteuerung und dem Sensor zur Bestimmung der Lage des Rotors.
Weiterhin werden oft magnetische Winkelsensoren zur Bestim- mung der Lage des Rotors verwendet. Diese erzeugen eine ein¬ deutige Winkelinformation für eine volle mechanische Umdre¬ hung des Rotors. Speziell bei elektronisch kommutierten Motoren (auch als „EC-Motoren" bezeichnet) wird aus dieser Win- kelinformation die Rotorlage abgeleitet und daraus ein An- steuersignal für den Motor generiert. Wichtig für eine genaue Regelung des Motors ist dann, dass die Winkelinformation einen festen und bekannten Winkel zur Statorwicklung hat. Je nach Fertigungsverfahren und gegebenen Toleranzen kann dieser Winkel aber schwanken oder sogar gänzlich unbekannt sein. In der Praxis wird deshalb in der Fertigung ein Abgleichwert für diesen Winkel ermittelt, in einem Datenspeicher abgelegt und bei der Steuerung und/oder Regelung des Motors berücksich- tigt. Allerdings kann der Datenspeicher versagen und somit der Abgleichwert verloren gehen.
Zwar ist es bereits bekannt, auf einen Abgleich zu verzich¬ ten, in dem speziell geformte Magnete, die hochgradig repro- duzierbar genau magnetisiert und mit geringen Toleranzen be¬ haftet sind, verwendet werden und gleichzeitig die Sensorpo¬ sition exakt geplant und mit nur geringen Toleranzen versehen wird. Allerdings ist dies mit sehr großem Aufwand verbunden. Bei Einsatz eines zusätzlichen Referenzsignals (z.B. ein einzelner Hallgeber, der mit definierter Phasenlage mit dem Magnetfeld des Rotors gekoppelt ist), kann der Abgleich jeder¬ zeit durch Auswertung der Schaltflanke des Hallsensors wie¬ derholt werden, allerdings ist ein zusätzlicher Sensor erfor- derlieh.
Bei Verwendung eines OTP-Speichers für die Abgleichwerte kann die Abgleichinformation zwar nicht verloren gehen, der Abgleich kann aber auch nicht widerholt werden, wenn sich die mechanischen Gegebenheiten ändern (z.B. beim Lösen von Befestigungsschrauben einer Sensorplatine) .
Aus der US 2010/321006 A ist bereits ein Verfahren bekannt, mit dem alle Toleranzen kompensiert werden können und welches wiederholt angewendet werden kann. Für seine Durchführung sind allerdings genau definierte spezielle Betriebsbedingun¬ gen (z.B. eine konstante Drehgeschwindigkeit der Motorwelle) notwendig . Es besteht deshalb im Rahmen einer Diagnose des Motors auch die Anforderung nach einer einfachen und aufwandsarmen Ermittlung des Abgleichwertes.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren sowie ein Antriebssystem anzugeben, mit dem die vorgenannten Anforderungen erfüllt werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Diagnoseverfahren gemäß Patentanspruch 1, ein Betriebsverfahren gemäß Anspruch 2 und ein Antriebssystem gemäß Anspruch 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose eines Antriebs¬ systems, insbesondere eines Türantriebssystems, das einen elektrischen Motor, insbesondere einen Synchronmotor, mit einem Stator mit Phasenwicklungen und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor sowie einen Sensor zur Bestimmung der Lage des Rotors aufweist, umfasst die folgenden Schritte: a) Drehen des Rotors ohne Speisung der Phasenwicklungen mit Strom vorzugsweise manuelles Drehen des Rotors oder Drehen des Rotors durch ein Austrudeln nach einem vorherigen Beschleunigen,
b) während des Drehens gleichzeitiges Messen von durch die Drehung in den Phasenwicklungen induzierten Spannungen und von dem Sensor erzeugten Signalen,
c) Ermitteln eines Raumzeigerwinkels der während des Drehens induzierten Spannungen und Ermitteln eines Rotorlagewinkels aus den der während des Drehens von dem Sensor er¬ zeugten Signalen,
d) Vergleichen des während des Drehens ermittelten Raumzei¬ gerwinkels mit dem während des Drehens ermittelten Rotor¬ lagewinkel und Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Drehen des permanentmagnetisch erregten Rotors ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das eine Spannung in den Phasenwicklungen induziert. Die induzierte Spannung besitzt eine über die geo¬ metrische Anordnung der Phasenwicklung festgelegte Phasenlage zwischen den Anschlüssen. Bei einer Drehung des Rotors ohne Speisung der Phasenwicklungen mit Strom einer Stromversorgung, d.h. einem stromlosen Drehen des Motors, kann diese Spannung gemessen werden und daraus ein Raumzeigerwinkel der induzierten Spannungen ermittelt werden. Beim Drehen des Rotors werden gleichzeitig von dem Rotorlagesensor erzeugte Signale gemessen und daraus ein Rotorlagewinkel ermittelt.
Wie sich herausgestellt hat, kann eine Diagnose des Antriebs¬ systems unter Erfüllung der eingangs erläuterten Anforderungen sehr einfach durch einen Vergleich des Raumzeigerwinkels mit dem Rotorlagewinkel und Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel erfolgen. Besonders vorteilhafte Diagnose¬ möglichkeiten werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erläutert . Es bestehen dabei an sich keine besonderen Anforderungen an die Drehbewegung. Es ist z.B. keine definierte (z.B. konstante) Geschwindigkeit des Rotors notwendig. Die Drehung des Ro¬ tors kann deshalb auch manuell durch eine Bedienperson, z.B. einen Monteur, erfolgen. Hierdurch kann die Diagnose auch un- ter schwierigen Einbaubedingungen des Motors erfolgen, wie sie beispielsweise häufig im Fall von Türantriebssystemen vorliegen. Es reicht dabei eine manuelle Bewegung einer mit dem Motor gekoppelten Motorlast, im Falle eines Türantriebs¬ systems z.B. ein manuelles Bewegen der Tür bzw. des Türflü- gels. Es kann aber auch auf einem anderen Weg eine geringe Motorbewegung verursacht werden und die Schritte a) bis d) beim Austrudeln des Motors nach Trennung der Phasenwicklungen von einer Stromversorgung oder einer Abschaltung der Stromversorgung genutzt werden. Wie sich herausgestellt hat, ist eine auswertbare induzierte Spannung in den Phasenwicklungen bereits bei wenigen einstelligen Prozent der Nenndrehzahl gegeben. Wenn überdies der Sensor ein magnetischer Sensor mit einer hohen Linearität ist, reichen bereits Bruchteile einer elektrischen Umdrehung für die Diagnose und beispielswe für die Ermittlung eines Abgleichwertes aus.
Da das erfindungsgemäße Verfahren vorsieht, dass die Phasen¬ wicklungen nicht mit Strom beaufschlagt werden, kann es auch in der Fertigung zur Diagnose des Motors angewendet werden, wo eine Stromversorgung oft noch nicht zur Verfügung steht. Es kann auch zum Abschluss der Montage und Verkabelung des Antriebssystems als Prüfschritt vor dem eigentlichen elektri¬ schen Einschalten zur Überprüfung der Korrektheit der Kabelverbindungen zwischen dem Motor, einer Antriebssteuerung und dem Sensor zur Bestimmung der Lage des Rotors genutzt werden. Von besonderem Vorteil ist, dass die Diagnose durch ein rein passives Verfahren ohne Ansteuerung irgendwelcher Leistungselemente (z.B. Leistungsendstufen) einer Stromversorgung erfolgen kann. Weiterhin ist nur eine Spannungsmessung an den Phasenwicklungen vorgesehen. Eine Strommessung an den Phasenwicklungen ist dagegen nicht notwendig und auch nicht vorge¬ sehen. Die Diagnose kann somit sehr flexibel, einfach und aufwandsarm erfolgen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines vorstehend erläuterten Antriebssystems wird das Antriebssystem in einem Normalbetrieb zum Antrieb des Motors und in einem Diagnosebetrieb zur Diagnose des Antriebssystems betrieben, wobei in dem Normalbetrieb der Rotor durch eine Speisung der Phasenwicklungen mit Strom angetrieben wird und wobei in dem Diagnosebetrieb die vorstehend beschriebenen Schritte a) bis d) durchgeführt werden. Das Antriebssystem weist somit neben dem Normalbetrieb auch noch einen Diagnosebetrieb auf, in dem ebenfalls die im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebe¬ nen Schritten a) bis d) erläuterten Wirkungen und Vorteile erzielt werden können.
Bei Erfüllung vorgegebener Kriterien, insbesondere nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden, kann automatisch ein Übergang vom Normalbetrieb in den Diagnosebetrieb, ggf. auch automatisch wieder zurück in den Normalbe- trieb, erfolgen. Vorzugsweise kann bei Bedarf zwischen diesen beiden Betriebszuständen umgeschaltet werden. Das Drehen des Rotors im Diagnosebetrieb im Schritt a) kann beispielsweise manuell durch eine Person erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Drehen des Rotors automatisiert durch ein Beschleunigen und anschließendes Austrudeln des Rotors. Im Diagnosebetrieb kön¬ nen dann Diagnosedaten an ein Zustandsüberwachungssystem (Conditon Monitoring System) übermittelt werden. Für eine hohe Genauigkeit bei der Diagnose des Antriebssys¬ tems werden von Vorteil im Schritt c) durch die Messung der induzierten Spannungen hervorgerufene Fehler in dem Raumzeigerwinkel und/oder durch die Messung der Sensorsignale hervorgerufene Fehler in dem Rotorlagewinkel kompensiert bzw. herausgerechnet. Durch die Messung der induzierten Spannungen hervorgerufene Fehler werden oft durch ein frequenzabhängiges Verhalten der Messeinrichtung erzeugt. Dieses frequenzabhängige Verhalten äußert sich vor allem bei einer Bewegung des Rotors mit sich ändernder Drehzahl, wie es beispielsweise bei einem manuellen Drehen des Rotors oder einem Austrudeln des Rotors vorliegt. Durch eine Kompensation bzw. einem Heraus¬ rechnen des frequenzabhängigen Verhaltens kann auch bei sich ändernden Drehzahlen des Rotors eine hohe Genauigkeit bei der Diagnose ermöglicht werden.
Bevorzugt erfolgt dabei eine TotZeitkompensation der Sensorsignale und/oder eine LaufZeitkompensation oder eine Frequenzgangkorrektur des Wertes des Raumzeigerwinkels. Mit der TotZeitkompensation können Totzeiten des Sensors bzw. in der nachfolgenden Signalverarbeitung, z.B. aufgrund von Rechenzyklen, kompensiert werden. Mit der LaufZeitkompensation oder Frequenzgangkorrektur können drehzahlabhängige Phasendrehungen der gemessenen induzierten Spannungen, die in der Praxis durch Tiefpassfilterung entstehen, kompensiert werden. Damit kann die Ermittlung des Raumzeigerwinkels unabhängig von der Drehzahl erfolgen. Anhand des ermittelten Unterschiedes in dem Wert, der Rich¬ tung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel kann auf eine Unterbrechung, Kurzschluss, Fehlanschluss einer Ka¬ belverbindung zwischen einer Antriebssteuerung und dem Motor, einen Fehlanschluss einer Kabelverbindung zwischen der Antriebssteuerung und dem Sensor, einen Fehler oder Messunge- nauigkeiten in dem Sensor und/oder auf eine fehlerhafte
Justage des Sensors geschlossen werden.
Es kann dann eine Meldung ausgegeben werden, wenn der ermit telte Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Bei einer vollständigen Drehung des Rotors und keiner gleichzeitig vollständigen Umdrehung des Raumzeigerwinkel oder des von dem Sensor ermittelten Rotorlagewinkels wird von Vorteil auf eine Unterbrechung oder Kurzschluss der Phasenwicklungen bzw. von Leitungen zu dem Sensor geschlossen.
Aus einem Unterschied zwischen den Werten der beiden Winkel kann auf eine gleichsinnige Vertauschung von Motor- oder Sen- sorphasen oder eine fehlerhafte Justage des Sensors geschlos- sen werden.
Aus einem Unterschied in der Drehrichtung der beiden Winkel wird bevorzugt auf eine gegensinnige Vertauschung einzelner Motor- oder Sensorphasen geschlossen. Aus einem Unterschied in der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel kann wiederum auf einen Fehler oder eine Messungenau- igkeit des Sensors geschlossen werden.
Aus einer Amplitude des dem Raumzeigerwmkel zugeordneten Raumzeigers und dessen Drehgeschwindigkeit kann eine Motor¬ konstante bestimmt, mit einem vorgegebenen Wert verglichen und bei einer Abweichung auf eine verminderte Motorleistung oder einen beschädigten Motor geschlossen werden. Gemäß einer besonderes vorteilhaften Ausgestaltung wird aus dem Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel ein Abgleichwert für den vom dem Sensor ermittelten Rotorlagewinkel abgeleitet. Dies erfolgt vorzugsweise bei der Fertigung des Motors. Der Ab¬ gleichwert kann dann in einer Antriebssteuerung abgespeichert und bei der Steuerung und/oder Regelung des Motors für eine Korrektur des von dem Sensor ermittelten Rotorlagewinkels verwendet werden. Im Labor konnten exemplarisch schon ab ei- ner Drehzahl von 2% der Nenndrehzahl und bei 10° elektrischem Winkelmessbereich Abgleichwerte mit einer Genauigkeit von 2°el und besser abgeleitet werden. Für volle Umdrehungen mit einer Drehzahl ab 5% der Nenndrehzahl stieg die Genauigkeit auf 0 , 5 °el .
Zur Erhöhung der Genauigkeit wird der Abgleichwert vorzugs¬ weise aus einem über eine Periode (d.h. eine vollständige elektrische oder mechanische Drehung des Rotors) bestimmten mittleren Unterschiedes zwischen deren Winkelwerten abgelei- tet.
Der Raumzeigerwinkel kann besonders einfach durch eine Clar- ke-Transformation und anschließende Polartransformation der in den Phasenwicklungen induzierten Spannungen berechnet wer- den. Die Clarke-Transformation ist dem Fachmann aus der Vektorregelung von Drehstrommaschinen hinreichend bekannt und dient dazu, dreiphasige Größen mit den Achsen u, v, w in ein einfacheres zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen a, b zu überführen. Die Polartransformation ist dem Fachmann ebenfalls hinreichend bekannt und dient der Umwandlung der durch die Clarke-Transformation erhaltenen kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten.
Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem, insbesondere Türan- triebssystem, weist einen elektrischen Motor, insbesondere einen Synchronmotor, mit einem Stator mit Phasenwicklungen und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor sowie einen Sensor zur Bestimmung einer Lage des Rotors auf. Weiterhin weist es auf:
eine Messeinrichtung, die ausgebildet ist zum gleichzeiti¬ gen Messen von durch eine Drehung in den Phasenwicklungen induzierten Spannungen und von dem Sensor erzeugten Signalen,
eine Recheneinrichtung, die ausgebildet ist zum Ermitteln eines Raumzeigerwinkels der induzierten Spannungen und ei¬ nes Rotorlagewinkels aus den von dem Sensor erzeugten Sig¬ nalen und
eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Raumzeigerwinkels mit dem Rotorlagewinkel und Ermittlung eines Un¬ terschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des An¬ triebssystems auf.
Die für die erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Antriebssystem.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
FIG 1 eine Prinzipdarstellung eines Synchronmotors mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor,
FIG 2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen
AntriebsSystems ,
FIG 3 - 7 beispielhafte Anbausituationen für erfindungs¬ gemäße Türantriebssysteme,
FIG 8 ein Ablaufdiagramm für einen erfindungsgemäßen
Verfahrensablauf,
FIG 9 - 11 Beispiele für eine Diagnose des Antriebssystems von FIG 1 und 2.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die FIG 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines elektrischen Motors 2, der in einem erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 gemäß FIG 2 zum Einsatz kommt. Der Motor 2 ist vorzugsweise als ein Synchronmotor ausgebildet und weist in dem gezeigten Aus- führungsbeispiel einen Stator 3 mit drei um jeweils 120° ver¬ setzten Phasenwicklungen 4, 5, 6 auf. Der Rotor 7 des Motors 2 weist einen Permanentmagnet 8 auf. Weiterhin weist der Mo¬ tor 2 einen Rotorlagesensor 9, z.B. einen magnetischen Sensor, zur Bestimmung der Lage des Rotors 7 auf. Wenn es sich bei dem Rotorlagesensor 9 um einen magnetischen Sensor bzw. einen Magnetgeber handelt, dann sitzt dieser typischerweise direkt über der Drehachse des Rotors 7. Ein derartiger Motor 2 ist dem Fachmann prinzipiell bekannt und kann in vielerlei Ausführungsformen vorliegen. Beispielsweise kann der Rotor 7 anstatt nur eines einzigen Magneten 8 auch mehrere Magnete oder einen Magneten mit mehreren Polen aufweisen.
FIG 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems, das - wie in FIG 3 - FIG 7 erläutert wird, vorzugsweise als Türantriebssystem, verwendet wird.
Das Antriebssystem 1 umfasst einen in Zusammenhang mit FIG 1 erläuterten Motor 2 sowie ein Antriebssteuergerät 10, das ei¬ ne Stromversorgung 11 sowie eine Motorsteuereinheit 13 um- fasst. Die Stromversorgung 11 umfasst einen in FIG 2 vereinfacht dargestellten Stromrichter 12, der ggf. über einen nicht näher dargestellten vorgeschalteten Transformator und/oder einen Gleichrichter mit einer Spannungsversorgung verbunden ist. Der Sensor 9 dient zur Bestimmung der Lage des nicht näher dargestellten Rotors des Motors 2 und ist vor¬ zugsweise als ein magnetischer Absolutwertgeber mit hoher Li- nearität ausgebildet. Mittels einer Trenneinrichtung 14, z.B. in Form eines dreiphasigen Schalters, können die Phasenwicklungen 4, 5, 6 von der Stromversorgung 11 getrennt werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Antriebssystem 1 um ein Türantriebssystem. Der Motor 2 dient dann zum Öffnen bzw. Schließen von Türen oder Türflügeln z.B. in einem Aufzug, an einem Bahnsteig oder an einer Werkzeugmaschine.
FIG 3 bis FIG 7 zeigen hierzu beispielhafte Anbausituationen für ein Aufzugstürantriebssystem.
FIG 3 zeigt dabei einen Aufzugfahrkorb 21, an dessen Vorder¬ seite 22 eine Türöffnung 23 ausgebildet ist. An der Vorder¬ seite 22 sind zwei gleich große, gegenläufig bewegbare Tür- flügel 24, 25 angeordnet. Die Öffnungs- und Schließrichtung der Türflügel 24, 25 ist mit 26 bezeichnet. Ein mit 27 be¬ zeichnetes Türantriebssystem dient zum Bewegen der Türflügel 24, 25 und ist an einem Kopfträger 28 befestigt, der wiederum an der Vorderseite 22 des Aufzugfahrkorbs 21 oberhalb der Türöffnung 23 befestigt ist. Beispiele für das Türantriebs¬ system 27 sind in den FIG 4 bis 7 dargestellt.
Ein in FIG 4 in einer Frontsicht und in FIG 5 in einer Sicht von unten gezeigtes erstes Türantriebssystem 27 umfasst ein Antriebssteuergerät 10, einen Motor 2 und ein dem Motor 2 abtriebsseitig nachgeschaltetes Winkelgetriebe 29. Die Dreh¬ achse des Motors 2 verläuft dabei in der Öffnungs- und
Schließrichtung 26 und das abtriebsseitige freie Ende der Welle des Winkelgetriebes 29 verläuft senkrecht zur Öffnungs- und Schließrichtung 26. An dem abtriebsseitigen freien Ende der Welle des Winkelgetriebes 29 ist ein Antriebsritzel, An¬ triebsrad oder Riemenrad 30 oder dergleichen befestigt. Zu¬ sammen mit einer am gegenüberliegenden Ende des Kopfträgers 28 angebrachten Umlenkrolle 31 führt das Riemenrad 30 einen zähelastischen Zahnriemen 32, der die Antriebskraft des Motors 2 auf die Türflügel 24, 25 überträgt. Alternativ kann anstatt des Zahnriemens 32 auch eine Zahnstange oder ein fla¬ ches Seil zum Einsatz kommen. Ein in FIG 6 in einer Frontsicht und in FIG 7 in einer Sicht von unten gezeigtes zweites Türantriebssystem 27 umfasst ein Antriebssteuergerät 10 und einen Motor 2, die senkrecht zur Bewegungsrichtung 26 der Türflügel 24, 25 hintereinander an dem Kopfträger 28 befestigt sind. Die Drehachse des Motors 2 verläuft senkrecht zur Öffnungs- und Schließrichtung 26 der Türflügel 24, 25 und ist auch senkrecht zur Vorderseite 22 des Aufzugfahrkorbs 21. An dem Motor 2 ist abtriebsseitig das Riemenrad 30 befestigt.
Die Motorsteuereinheit 13 umfasst gemäß FIG 2 für die Bestim¬ mung des Rotorlagewinkels eine Signalerfassung 40 für den Ro¬ torlagesensor 9 und eine Winkelermittlung 41 zur Bestimmung des Rotorlagewinkels yel aus den Signalen des Gebers 9. Vor¬ zugsweise ist zur Erhöhung der Genauigkeit der Winkelermitt¬ lung 41 noch eine TotZeitkompensation 42 zur Kompensation von Totzeiten bei der Erfassung der Sensorsignale in der Signalerfassung 40 vorhanden.
Das Antriebssteuergerät 10 weist weiterhin Spannungsabgriffe 44 an den Enden der Phasenwicklungen 4, 5, 6 zur Erfassung der Spannungen Uu, Uv, Uw der Phasenwicklungen 4, 5, 6 mit jeweils einem darin geschalteten Tiefpass 45 auf. Die Tief- pässe 45 sind ausgangsseitige mit einem Analog/Digital-Wand- ler 46 der Motorsteuereinheit 13 verbunden und führen diesem die tiefpassgefilterten Spannungssignale Utp_u, Utp_v, Utp_w zu. Zur Weiterverarbeitung der digitalisierten Signale weist die Motorsteuereinheit 13 eine Komponente 47 zur Clarke- Transformation auf. Die hierdurch aus den digitalisierten
Spannungssignalen Utp_u, Utp_v, Utp_w durch die Transformation in ein zweiachsiges kartesisches Koordinaten-System ermittelten Spannungen Ua, Ub werden einer Komponente 48 zur Polartransformation zugeführt und durch Umwandlung der karte- sischen Koordinaten in Polarkoordinaten eine Amplitude Uab und ein Winkel yab eines Raumzeigers ermittelt. Vorzugsweise ist zur Erhöhung der Genauigkeit der Ermittlung der Amplitude Uab und des Raumzeigerwinkels yab noch eine Frequenzgangkom¬ pensation 49 zur Kompensation von Phasendrehungen und somit drehzahlabhängig unterschiedlicher Laufzeiten der Signale Utp_u, Utp_v, Utp_w aufgrund der Tiefpässe 45 vorhanden. Die Motorsteuereinheit 13 weist weiterhin eine Vergleichsein¬ richtung 50 zum Vergleichen des Raumzeigerwinkels yab mit dem Rotorlagewinkel yel und zur Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel und zur Erzeugung einer Diagnoseinformation D für das Antriebssystems 1 auf. Dabei ermittelte Diagnoseda¬ ten (z.B. die Diagnoseinformationen D) können dabei an ein übergeordnetes Zustandsüberwachungssystem (Conditon Monitoring System) 51 übermittelt werden.
Zur Erhöhung der Genauigkeit kann noch eine Komponente 52 zur Ermittlung eines mittleren Unterschiedes zwischen dem Wert und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel (z.B.
durch eine Integration über eine Periode) vorhanden sein.
Eine Umschalteinrichtung 53 dient zur Umschaltung der Antriebssteuerung von einem Normalbetrieb zum Antrieb des Mo¬ tors 2 in einem Diagnosebetrieb zur Diagnose des Antriebssys¬ tems 1 und zurück, wobei in dem Normalbetrieb der Rotor 7 durch eine Speisung der Phasenwicklungen 4, 5, 6 mit Strom der Stromversorgung 11 angetrieben wird und wobei in dem Diagnosebetrieb eine im Zusammenhang mit FIG 8 erläuterte Diag¬ nose durchgeführt wird. Die Umschaltung kann automatisch durch die Umschalteinrichtung 53 bei Erfüllung in der Um- schalteinrichtung 53 abgespeicherter vorgegebener Kriterien, insbesondere nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden des Antriebssystems 1, erfolgen. Die Umschalt¬ einrichtung 53 kann aber auch mit einem Bedienelement 54 des Antriebssteuergerätes 10, z.B. einem Taster, verbunden sein, über den manuell von einer Bedienperson, z.B. einem Monteur, ein Umschaltbefehl erfassbar ist.
Die Abgriffe 44, Tiefpässe 45 und der Analog/Digital-Wandler 46 sowie die Signalerfassung 40 bilden somit eine Messein- richtung, die ausgebildet ist zum gleichzeitigen Messen von durch eine Drehung des Rotors 7 in den Phasenwicklungen 4, 5, 6 induzierten Spannungen und von dem Sensor 9 erzeugten Signalen . Die Winkelermittlung 41 sowie die Komponente 47 zur Clarke- Transformation und die Komponente 48 zur Polartransformation bilden eine Recheneinrichtung, die ausgebildet ist zum Ermit¬ teln eines Raumzeigerwinkels der induzierten Spannungen und eines Rotorlagewinkels aus den von dem Sensor erzeugten Sig¬ nalen .
FIG 8 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes 60 zur Diagnose des Antriebssys- tems 1.
Falls der Motor 2 mit der Stromversorgung 11 verbunden ist, wird in einem ersten Schritt 61 der Motor 2 mittels der
Trenneinrichtung 14 von der Stromversorgung 11 getrennt.
Falls der Motor 2 bereits oder noch von der Stromversorgung 11 getrennt ist oder, z.B. in der Motorfertigung, noch gar keine Stromversorgung 11 vorhanden ist, kann dieser Schritt 61 übersprungen werden. In einem zweiten Schritt 62 wird der Rotor 7 ohne Speisung der Phasenwicklungen 4, 5, 6 mit Strom der Stromversorgung 11 gedreht. Vorzugsweise wird er manuell durch eine Bedienperson gedreht. Dies kann beispielsweise durch eine Bewegung eines der Türflügel 24, 25 in der Öffnungs-/Schließrichtung 26 er- folgen (siehe FIG 3) .
In einem dritten Schritt 63 werden während des Drehens des Rotors 7 gleichzeitig die durch dessen Magneten 8 in den Pha¬ senwicklungen 4, 5, 6 induzierten Spannungen Uu, Uv, Uw und die von dem Sensor 9 erzeugten Signale S gemessen.
In einem vierten Schritt 64 werden der Raumzeigerwinkel yab aus den während des Drehens induzierten Spannungen Uu, Uv, Uw und der Rotorlagewinkel yel aus den während des Drehens von dem Sensor 9 erzeugten Sensorsignalen S ermittelt.
Hierzu werden von der Motorsteuereinheit 13 mittels der Sig¬ nalerfassung 40 die Sensorsignale S erfasst, durch die Tot- Zeitkompensation 42 hinsichtlich einer Totzeit kompensiert und in der Winkelermittlung 41 der Rotorlagewinkel yel ermit¬ telt . Gleichzeitig werden von der Motorsteuereinheit 13 über die Spannungsabgriffe 44 die in den Phasenwicklungen 4, 5, 6 induzierten Spannungen Uu, Uv, Uw erfasst, durch die Tiefpässe 45 gefiltert und die tiefpassgefilterten Spannungen Utp_u, Utp_v, Utp_w dem Analog/Digital-Wandler 46 zugeführt, wo sie digitalisiert werden. Aus den digitalisierten Spannungen werden dann durch die Komponente 47 zur Clarke-Transformation und die Komponente 48 zur Polartransformation die Amplitude Uab und der Raumzeigerwinkel yab ermittelt. Durch die Fre¬ quenzgangkompensation 49 erfolgt eine Kompensation von Pha- sendrehungen und somit drehzahlabhängig unterschiedlicher
Laufzeiten der Signale Utp_u, Utp_v, Utp_w aufgrund der Tiefpässe 45.
In einem fünften Schritt 65 wird der während des Drehens zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelte Raumzeigerwinkel yab
(oder ein zeitlicher Mittelwert dieses Raumzeigerwinkels yab) mit dem zu diesem Zeitpunkt ermittelten Rotorlagewinkel yel verglichen und ein Unterschied in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Di- agnose des Antriebssystems 1 ermittelt. Hierzu werden der Raumzeigerwinkel yab und der Rotorlagewinkel yel der Ver¬ gleichseinrichtung 50 zugeführt und von dieser anhand des ermittelten Unterschiedes eine Diagnoseinformation D erzeugt. Zur Illustration sind in FIG 9 beispielhaft der Raumzeiger 70 der induzierten Spannung mit dem zugehörigen Raumzeigerwinkel yab und die Rotorlage 71 mit dem zugehörigen Rotorlagewinkel yel dargestellt.
Anhand des ermittelten Unterschiedes wird auf eine Unterbre- chung, Kurzschluss, Fehlanschluss einer Kabelverbindung 57 zwischen dem Antriebssteuergerät 10 und dem Motor 2, einen Fehlanschluss einer Kabelverbindung 56 zwischen dem Antriebssteuergerät 10 und dem Sensor 9, einen Fehler oder Messunge- nauigkeiten in dem Sensor 9 und/oder auf eine fehlerhafte Justage des Sensors 9 geschlossen und eine entsprechende Di¬ agnoseinformation D erzeugt. Im Rahmen der Diagnose wird von der Vergleichseinrichtung 50 bei einer vollständigen Drehung des Rotors 7 und keiner gleichzeitig vollständigen Umdrehung des Raumzeigerwinkels Yab oder des von dem Sensor 9 ermittelten Rotorlagewinkels yel auf eine Unterbrechung oder einen Kurzschluss der Phasen- Wicklungen 4, 5, 6 bzw. der Sensorleitung (en) 56 geschlossen. Durch eine weitere Analyse der Motor- oder Sensorsignale kann dann eine fehlerhafte Verbindung diagnostiziert werden. Zum Beispiel kann auf eine Verbindungsunterbrechung geschlossen werden, wenn keine Signaländerung vorliegt oder auf einen Verbindungskurzschluss , wenn eine gleichphasige Änderung zwi¬ schen zwei oder mehr Signalen vorliegt.
Wie in FIG 9 dargestellt ist, wird bei einem größer als ein vorgegebener Grenzwert vorliegendem Unterschied zwischen dem Wert der beiden Winkel yel, yab auf eine gleichsinnige Ver¬ tauschung der Motor- oder Sensorphasen oder eine fehlerhafte Justage des Sensors geschlossen.
Wie in FIG 10 dargestellt ist, wird in der Vergleichseinrich- tung 50 aus einem größer als ein vorgegebener Grenzwert vorliegendem Unterschied in der Drehrichtung der beiden Winkel Yel, yab (symbolisiert durch die Drehrichtungspfeile 72 und 73) auf eine gegensinnige Vertauschung beim Anschluss einzel¬ ner Phasenwicklungen 4, 5, 6 oder einzelner Phasen der Sen- sorleitung (en) 56 geschlossen.
Aus einem größer als ein vorgegebener Grenzwert vorliegendem Unterschied in der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel yel, yab wird in der Vergleichseinrichtung 50 auf einen Fehler oder eine Messungenauigkeit des Sensors 9 geschlossen.
Aus der Amplitude Uab des Raumzeigers 70 und dessen Drehge¬ schwindigkeit kann zudem eine Motorkonstante bestimmt, mit einem vorgegebenen Wert verglichen und bei einer Abweichung auf eine verminderte Motorleistung oder einen beschädigten Motor geschlossen werden. Die Motorkonstante ergibt sich dabei beispielsweise aus dem Quotienten Uab/ω (aus U*I = Μ*ω folgt U/ω = M/I als Motorkonstante, wobei U die Spannung, I der Strom, M das Drehmoment und ω die Kreisfrequenz darstel¬ len) .
Wie in FIG 11 dargestellt ist, kann beispielsweise bei der Motorfertigung von der Vergleichseinrichtung 50 aus dem Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel yel, yab ein Abgleichwert Δγ für den vom dem Sensor 9 ermittelten Rotorlagewinkel yel abgeleitet werden. Dieser Abgleichwert wird dann in im Normal- betrieb des Motors 2 dem Antriebssteuergerät 10 abgespeichert und bei der Steuerung und/oder Regelung des Motors 2 für eine Korrektur des von dem Sensor 9 ermittelten Rotorlagewinkels Yel verwendet. Die Ableitung des Abgleichwerts Δγ erfolgt da¬ bei mit Hilfe der Komponente 52 zur Ermittlung eines mittle- ren Unterschiedes aus einem über eine Periode (d.h. eine vollständige elektrische oder mechanische Drehung des Rotors) bestimmten mittleren Unterschiedes zwischen deren Winkelwerten . Zur Verbesserung der Genauigkeit kann der Vergleichseinrichtung 50 auch die Amplitude Uab des Raumzeigers 70 zugeführt werden und zur Freischaltung des Vergleichs der Winkel yel, yab oder zur Freischaltung der Ermittlung des zeitlichen Mittelwertes in der Komponente 52 dienen. Hierdurch kann sicher- gestellt werden, dass hierfür ein Mindestwert der Phasenspannungen vorliegt.
Der in FIG 8 dargestellte Verfahrensablauf kann auch im Rah¬ men des Betriebes des Antriebssystems 1 in einem Diagnosebe- trieb zur Diagnose des Antriebssystems genutzt werden. Mit¬ tels der Umschalteinrichtung 53 wird hierzu die Antriebssteu¬ erung von einem Normalbetrieb zum Antrieb des Motors 2, in dem der Rotor 7 durch eine Speisung der Phasenwicklungen 4, 5, 6 mit Strom der Stromversorgung 11 angetrieben wird, in einen Diagnosebetrieb zur Diagnose des Antriebssystems 1, und auch wieder zurück geschaltet. In dem Diagnosebetrieb wird die im Zusammenhang mit FIG 8 erläuterte Diagnose durchge- führt. Der Anstoß für die Umschaltung erfolgt entweder auto¬ matisch durch die Umschalteinrichtung 53 oder manuell durch eine Bedienperson mittels des Bedienelementes 54.
Zu Beginn des Diagnosebetriebs kann eine Bedienperson, bei- spielsweise auf einer Anzeigeeinheit 58 (z.B. einem Display) des Antriebssteuergerätes, zu einem manuellen Drehen des Ro¬ tors aufgefordert werden.
Im Diagnosebetrieb werden dann Diagnosedaten an das Zustands- Überwachungs-System 51 übermittelt und können dort für weite¬ re Zwecke analysiert werden.
Das Ergebnis der Diagnose kann auf der Anzeigeeinheit 58 an¬ gezeigt oder an das Zustandsüberwachungs-System 51 übermit- telt werden.
Das Ergebnis der Diagnose, z.B. ein ermittelter Abgleichwert, kann auch in dem Antriebssteuergerät 10 zum Betrieb des An¬ triebssystems 1 verwendet werden.
Von der Motorsteuerung 13 wird eine Meldung ausgegeben (z.B. optisch, akustisch oder durch eine Information an das Zustandsüberwachungs-System 51), wenn der ermittelte Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwin- digkeit der beiden Winkel einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet und somit dringender Handlungsbedarf (Fehlerbesei¬ tigung, Wartung, Montagekorrektur, ect.) besteht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Diagnose eines Antriebssystems (1), insbe¬ sondere eines Türantriebssystems, das einen elektrischen Mo¬ tor (2), vorzugsweise einen Synchronmotor, mit einem Stator (3) mit Phasenwicklungen (4, 5, 6) und mit einem permanent¬ magnetisch erregten Rotor (7) sowie einen Sensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Rotors (7) aufweist, mit folgenden Schritten :
a) Drehen des Rotors (7) ohne Speisung der Phasenwicklungen (4, 5, 6) mit Strom, vorzugsweise manuelles Drehen des Ro¬ tors (7) oder Drehen des Rotors (7) durch ein Austrudeln nach einem vorherigen Beschleunigen,
b) während des Drehens gleichzeitiges Messen von durch die Drehung in den Phasenwicklungen (4, 5, 6) induzierten Spannungen und von dem Sensor (9) erzeugten Signalen, c) Ermitteln eines Raumzeigerwinkels (yab) der während des Drehens induzierten Spannungen und Ermitteln eines Rotorlagewinkels (yel) aus den während des Drehens von dem Sen¬ sor (9) erzeugten Signalen,
d) Vergleichen des während des Drehens ermittelten Raumzei¬ gerwinkels (yab) mit dem während des Drehens ermittelten Rotorlagewinkel (yel) und Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems (1) ·
2. Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems (1), insbeson¬ dere eines Türantriebssystems, das einen elektrischen Motor (2), vorzugsweise einen Synchronmotor, mit einem Stator (3) mit Phasenwicklungen (4, 5, 6) und mit einem permanentmagne¬ tisch erregten Rotor (7) sowie einen Sensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Rotors (7) aufweist, wobei das Antriebs¬ system (1) in einem Normalbetrieb zum Antrieb des Motors (2) und in einem Diagnosebetrieb zur Diagnose des Antriebssystems (1) betrieben werden kann, wobei in dem Normalbetrieb der Rotor (7) durch eine Speisung der Phasenwicklungen (4, 5, 6) mit Strom einer Stromversorgung (11) angetrieben wird und wo- bei in dem Diagnosebetrieb die Schritte a) bis d) nach An¬ spruch 1 durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erfüllung vorgegebener Kriterien, insbesondere nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden, automatisch ein Übergang vom Normalbetrieb in den Diagnosebetrieb erfolgt .
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Diagnosebetrieb Diagnosedaten an ein Zustandsüberwa- chungs-System (51) übermittelt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) durch die Messung der in¬ duzierten Spannungen hervorgerufene drehzahlabhängige Fehler in dem Raumzeigerwinkel (yab) und/oder durch die Messung der Sensorsignale hervorgerufene drehzahlabhängige Fehler in dem Rotorlagewinkel (yel) kompensiert werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tot Zeitkompensation der Sensorsig¬ nale (S) und/oder eine LaufZeitkompensation oder eine Frequenzgangkorrektur des Wertes des Raumzeigerwinkels (yab) er- folgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des ermittelten Unterschiedes auf eine Unterbrechung, Kurzschluss, Fehlanschluss einer Kabel- Verbindung (57) zwischen einer Antriebssteuerung (10) und dem Motor (2), einen Fehlanschluss einer Kabelverbindung (56) zwischen der Antriebssteuerung (10) und dem Sensor (9), einen Fehler oder Messungenauigkeiten in dem Sensor (9) und/oder auf eine fehlerhafte Justage des Sensors (9) geschlossen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Meldung ausgegeben wird, wenn der ermittelte Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vollständigen Drehung des Ro¬ tors (7) und keiner gleichzeitig vollständigen Umdrehung des Raumzeigerwinkels (yab) oder des von dem Sensor ermittelten Rotorlagewinkels (yel) auf eine Unterbrechung oder einen Kurzschluss der Phasenwicklungen (4, 5, 6) bzw. von Leitungen (56) zu dem Sensor (9) geschlossen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Unterschied zwischen den Werten der beiden Winkel auf eine gleichsinnige Vertauschung von Motor- oder Sensorphasen oder eine fehlerhafte Justage des Sensors (9) geschlossen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Unterschied in der Dreh- richtung der beiden Winkel auf eine gegensinnige Vertauschung einzelner Motor- oder Sensorphasen geschlossen wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Unterschied in der Dreh- geschwindigkeit der beiden Winkel auf einen Fehler oder eine Messungenauigkeit des Sensors (9) geschlossen wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Amplitude des dem Raum- zeigerwinkel (yab) zugeordneten Raumzeigers (70) und dessen Drehgeschwindigkeit eine Motorkonstante bestimmt, mit einem vorgegebenen Wert verglichen und bei einer Abweichung auf eine verminderte Motorleistung oder einen beschädigten Motor geschlossen wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Unterschied ein Abgleich- wert (Δγ) für den vom dem Sensor (9) ermittelten Rotorlagewinkel (yel) abgeleitet wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Abgleichwert (Δγ) aus einem über eine Periode bestimmten mittleren Unterschiedes zwischen deren Winkelwerten abgeleitet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Raumzeigerwinkel (yab) durch eine Clarke-Transformation und anschließende Polartransforma¬ tion der in den Phasenwicklungen (4, 5, 6) induzierten Spannungen berechnet wird.
17. Antriebssystem (1), insbesondere Türantriebssystems, das einen elektrischen Motor (2), vorzugsweise einen Synchronmotor, mit einem Stator (3) mit Phasenwicklungen (4, 5, 6) und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor (7) sowie einen Sensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Rotors (7) aufweist, gekennzeichnet durch
eine Messeinrichtung (44, 45, 46; 9, 40, 56) die ausgebil¬ det ist zum gleichzeitigen Messen von durch eine Drehung in den Phasenwicklungen (4, 5, 6) induzierten Spannungen und von dem Sensor (9) erzeugten Signalen (S) ,
- eine Recheneinrichtung (47, 48; 41), die ausgebildet ist zum Ermitteln eines Raumzeigerwinkels (yab) der induzier¬ ten Spannungen und eines Rotorlagewinkels (yel) aus den von dem Sensor (9) erzeugten Signalen (S) ,
eine Vergleichseinrichtung (50) zum Vergleichen des Raum- zeigerwinkels (yab) mit dem Rotorlagewinkel (yel) und Er¬ mitteln eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems (1).
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