ES2910663T3

ES2910663T3 - Disposición de circuitos

Info

Publication number: ES2910663T3
Application number: ES16172174T
Authority: ES
Inventors: Markus Schönlinner; Le Suire Christian Von
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2036-05-31
Also published as: TW201725848A; EP3142247B1; KR20170026117A; US9847741B2; JP6681301B2; JP2017046576A; DE102015216496A1; KR102520791B1; CN106487282B; CN106487282A; TWI717359B; EP3142247A1; US20170063259A1

Abstract

Disposición de circuitos para alimentar un freno de retención electromagnético (B) de un motor eléctrico (M) con una tensión de servicio (UB) para liberar el freno de retención (B), así como una tensión de retención que se reduce con respecto a la tensión de servicio para mantener el freno de retención liberado (B), en donde la disposición de circuito contiene un regulador de tensión que está configurado para regular la tensión reducida a un valor fijo después de la liberación del freno de retención (B) independientemente de la tensión de servicio (UB), en donde la disposición de circuitos comprende un comparador (U1) que compara una tensión de referencia (v2) con una tensión (v3) tomada en el freno de retención (B) y puesta a disposición a través de un divisor de tensión (R4, R12), y que está preparado para generar a su salida una señal modulada por ancho de pulso (v4) que puede utilizarse para controlar un elemento de conmutación (M1) a través del cual la tensión de servicio (UB) se aplica en forma sincronizada al freno de retención (B), como resultado de la cual se ajusta la tensión de retención en promedio, caracterizada porque el comparador (U1) está conectado a un condensador de arranque (C8) en la entrada para la tensión de toma (v3) de tal manera que recién se emite una señal modulada por ancho de pulso (v4) en la salida del comparador (U1) cuando este condensador de arranque (C8) está suficientemente cargado, y porque, como resultado, el freno de retención (B) es alimentado inicialmente con toda la tensión de servicio (UB) después de que la tensión de servicio (UB) haya sido aplicada a la disposición de circuitos, en donde el condensador de arranque (C8) está dimensionado de tal manera que el tiempo hasta que esté suficientemente cargado es suficiente para liberar el freno de retención (B), y en donde la tensión de servicio (UB) es suministrada por un controlador de nivel superior (S) dispuesto por separado del motor (M) y del freno de retención (B), y en donde la disposición de circuitos está dispuesta en o sobre el motor (M) o en o sobre el freno de retención (B).

Description

DESCRIPCIÓN

Disposición de circuitos

Campo técnico

La presente invención se refiere a una disposición de circuitos para alimentar un freno de retención electromagnético de un motor eléctrico con una tensión de servicio para liberar el freno de retención, así como una tensión que se reduce con respecto a la tensión de servicio para mantener el freno de retención liberado.

Estado de la técnica

Los frenos electromagnéticos de retención se utilizan para mantener el eje de un motor fuera de servicio y no permitir que se mueva, incluso bajo un par aplicado externamente. El estado de seguridad de dicho freno de retención es el estado en el que el freno de retención está activado y el eje está retenido. Por lo tanto, los frenos de retención electromagnéticos están diseñados para ser liberados mediante un electroimán al que se aplica una tensión de servicio para liberar las zapatas. Si se desconecta esta tensión de servicio, o si la tensión de servicio falla por otros motivos, las zapatas de freno vuelven a ser presionadas contra el eje por resortes mecánicos.

Los frenos de retención electromagnéticos también se utilizan en relación con los motores lineales. Allí, fijan el rotor al estator en estado desenergizado.

Se sabe del documento US 3614565 que se utiliza una tensión de servicio más alta para liberar un freno de retención que para mantener el freno en estado liberado. Por un lado, esto permite liberar el freno más rápidamente y, por otro, el calor generado en el electroimán durante el funcionamiento del motor se reduce considerablemente. En el documento EP 2503682 B1, se describe una disposición de circuitos en la que las diferentes tensiones para liberar el freno o mantener el freno ya liberado se establecen mediante la modulación de la anchura de los impulsos. La tensión en el electroimán del freno de retención corresponde al valor medio temporal de los impulsos de tensión aplicados. En el presente documento, se ha revelado que, en la tecnología de accionamiento descentralizada, es ventajoso que el controlador del accionamiento y la disposición del circuito para controlar el freno de retención estén dispuestos directamente en el motor o sobre él. En esta configuración, el controlador del accionamiento puede generar las señales para la alimentación modulada por impulsos del freno de retención in situ. Sin embargo, en algunas áreas de la tecnología, se requiere más bien un control de accionamiento central, por ejemplo, mediante un control numérico en una máquina herramienta multieje. Según el documento EP 2503682 B1, además de la línea de alimentación para transmitir la tensión del freno, se requiere una línea de sensores para medir la tensión o la corriente directamente en el freno de retención y transmitirla al controlador central del accionamiento. De este modo, por ejemplo, se puede detectar una caída de tensión en la línea de alimentación y compensarla mediante un ciclo de trabajo de modulación de anchura de pulso adaptado. Sin embargo, esa línea de sensores adicional supone un mayor esfuerzo en el cableado de una solución de accionamiento, y también una fuente de error adicional.

El documento DE 102007062779 A1 describe una disposición de circuitos para alimentar un freno de retención electromagnético de un motor eléctrico con una tensión de servicio para liberar el freno de retención, así como con una tensión de retención que se reduce con respecto a la tensión de servicio para mantener el freno de retención liberado, siendo la tensión de servicio suministrada por un controlador de nivel superior dispuesto por separado del motor y del freno de retención. La disposición de circuitos está dispuesta dentro o sobre el motor y contiene un regulador de tensión que regula la tensión reducida a un valor fijo después de soltar el freno de retención, independientemente de la tensión de servicio.

El documento EP 1445852 A2 divulga un procedimiento y un dispositivo para la corrección del factor de potencia activo. Un comparador y un elemento de conmutación se utilizan para generar señales moduladas por ancho de pulso, por lo que el elemento de conmutación se conmuta en función de la entrada del comparador.

El documento US 2008/116828 A1 da a conocer una disposición de circuitos para alimentar un freno de retención electromagnético de un motor eléctrico, que comprende un comparador que compara una tensión de referencia con una tensión tomada en el freno de retención y puesta a disposición a través de un divisor de tensión, y que está configurado para generar una señal modulada de ancho de pulso en su salida, con la que se puede controlar un elemento de conmutación, a través del cual el freno de retención es alimentado con la tensión de servicio de manera sincronizada, por lo que la tensión de retención se ajusta en promedio.

Sumario de la invención

Es un objeto de la presente invención proporcionar una disposición de circuito dispuesta en forma descentralizada para suministrar a un freno de retención electromagnético de un motor eléctrico una tensión de servicio para liberar el freno de retención, así como una tensión reducida con respecto a la tensión de servicio para mantener el freno de retención liberado, que solo tiene que recibir la tensión de servicio necesaria para abrir el freno de retención desde un control central.

Esta tarea se resuelve mediante una disposición de circuitos de acuerdo con la reivindicación 1. Los detalles ventajosos de esta disposición de circuitos también resultan de las reivindicaciones dependientes de la reivindicación 1.

Se divulga una disposición de circuito para alimentar un freno de retención electromagnético de un motor eléctrico con una tensión de servicio para liberar el freno de retención, así como una tensión que se reduce en comparación con la tensión de servicio para mantener el freno de retención liberado.

El motor y el freno de retención forman una unidad, y la disposición de circuitos según la invención está dispuesta sobre o en esta unidad. La tensión de servicio para accionar el freno de retención se suministra desde el exterior, desde un control superior o centralizado dispuesto por separado y a distancia. Una sola unidad de control central puede controlar varios motores y sus frenos de retención, por ejemplo, en una máquina herramienta.

La disposición de circuitos dispuesta sobre o en el motor o sobre o en el freno de retención solo necesita ser alimentada con una tensión de servicio por un sistema de control central si el freno de retención debe ser liberado. Si se vuelve a desconectar esta tensión de servicio, se vuelve a aplicar el freno de retención. El control central no tiene que generar una tensión de servicio modulada por impulsos, ni tiene que ser informado de ninguna manera de la caída de tensión en la línea de alimentación para la tensión de servicio del freno de retención. Estas desventajas del estado de la técnica antes mencionado se superan según la invención para el control del accionamiento central. La disposición de circuitos según la invención garantiza en forma descentralizada que el freno de retención se libere rápidamente (es decir, con la tensión de servicio completa) y que el freno se mantenga liberado en el curso posterior con una tensión reducida (tensión de retención) que no depende de la caída de tensión en la línea de alimentación del freno de retención, con el fin de reducir considerablemente el consumo de energía. Además, la disposición del circuito garantiza que el freno de retención se aplique rápidamente tras la desconexión de la tensión de servicio. Gracias a un comparador integrado utilizado como convertidor de histéresis, la disposición de circuitos, que está dispuesta en forma descentralizada en o sobre el motor (o en su carcasa) y, por lo tanto, en la proximidad inmediata del freno de retención, está diseñada para ser tan autosuficiente que el sistema de control central solo tiene que proporcionar la tensión de servicio necesaria para liberar el freno. La disposición de circuitos asegura entonces automáticamente que se aplique primero toda la tensión de servicio al electroimán del freno de retención y, por lo tanto, el freno se libere rápidamente. La disposición de circuitos genera entonces una tensión reducida por medio de la modulación de la anchura de los impulsos para mantener el freno en el estado liberado, aplicando la tensión de servicio en impulsos con un factor de trabajo de impulsos adecuado, de modo que la tensión media a través del freno de retención solo corresponda a la tensión de retención.

Dado que tiene lugar una regulación de la tensión, se pueden conectar a la disposición de circuitos frenos de retención de diferentes tipos, es decir, en particular aquellos con diferente consumo de corriente.

La secuencia de corriente al liberar el freno de retención, es decir, en particular la duración de la primera fase durante la cual el freno de retención se libera con toda la tensión de servicio antes de pasar a la tensión de retención, está predeterminada por el diseño de los componentes individuales de la disposición de circuitos y no requiere ninguna intervención de un sistema de control de nivel superior; la secuencia de tiempo está, por así decirlo, ya determinada en la disposición de circuitos.

Otras ventajas y detalles de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción de un ejemplo de realización basado en las Figuras.

Breve descripción de los dibujos

Aquí,

Figura 1 muestra una primera parte de la disposición de circuitos,

Figura 2 muestra una segunda parte de la disposición de circuitos.

Descripción de las realizaciones

Las Figuras 1 y 2 muestran conjuntamente el diagrama de circuitos completo de una disposición de circuitos según la invención de acuerdo con un primer ejemplo de realización. Para una persona experta en el campo de la tecnología de accionamiento, en particular para los circuitos electrónicos para controlar los componentes de la tecnología de accionamiento, este diagrama de circuitos proporciona por sí solo una revelación completa de la presente invención. En lo que sigue, muchos de estos detalles se explicarán en el texto, pero se reserva expresamente el recurso posterior a otros detalles de la disposición de circuitos que se muestra en las Figuras. El freno de retención B del motor M está conectado a los terminales Vb, -Vb de la disposición de circuitos. El freno de retención B libera el eje del motor M mientras se aplique una tensión suficiente a través de estos terminales.

Así, si se aplica externamente una tensión de servicio UB a los bornes 0V, 24V de la disposición de circuitos, el freno de retención B se conecta a esta tensión de servicio a través de los elementos de conmutación M1 y M4. En la Figura 1, se muestra en forma esquemática un mando central S dispuesto a distancia del motor M y del freno de retención B, que puede conectar la tensión de alimentación UB para liberar el freno B y desconectarla para permitir que el freno B se acople.

El elemento de conmutación M4 se conecta permanentemente en cuanto se aplica la tensión de servicio UB. El elemento de conmutación M1, en cambio, se sincroniza después de soltar el freno para generar la tensión de retención reducida deseada. Dado que tales elementos de conmutación M1 como los MOSFET de canal n son más favorables que aquellos de canal p (el canal n permite una conmutación más rápida con la misma resistencia de conexión), toda la disposición de circuitos está referida al potencial positivo más alto de 24V, y no al potencial de 0V como suele ser el caso.

Un controlador complementario compuesto por los elementos de conmutación Q3 y Q4 se utiliza para controlar el elemento de conmutación M1 que, a su vez, es controlado por el elemento de conmutación Q1. En este caso, el elemento de conmutación Q1 sirve como un desplazador de nivel que transfiere los pulsos de conmutación v4 del comparador U1, que están referenciados a 24 V, a los elementos de conmutación Q3, Q4, que están referenciados a 0 V. Por lo tanto, el elemento de conmutación Q1 debe ser alimentado con impulsos de tensión, que en última instancia se utilizan para abrir y cerrar el elemento de conmutación M1 delante del freno de retención B de tal manera que la tensión requerida está presente en el freno de retención B en todo momento.

Así, durante un tiempo determinado después de la conexión de la tensión de servicio UB, esta tensión debe aplicarse completamente al freno de retención B hasta que se haya liberado de modo fiable. Un intervalo de tiempo de aproximadamente un segundo ha demostrado ser útil para esto. Después, la tensión a través del freno de retención B debe ajustarse a la tensión de retención más baja, que puede corresponder aproximadamente a la mitad de la tensión de servicio UB. Para ello, el elemento de conmutación M1 debe funcionar en modo pulsado con un ciclo de trabajo de, por ejemplo, el 50%. Por lo tanto, se debe proporcionar un patrón de pulsos de este tipo a la entrada del elemento de conmutación Q1.

Para ello se utiliza el comparador U1, al que se le aplica una tensión de referencia v2 en una de sus entradas. Esta tensión de referencia se deriva del potencial superior 24V de la tensión de servicio UB a través de un diodo Zener D6 y una resistencia R15. Gracias al diodo Zener D6, esta tensión de referencia v2 es independiente de las posibles caídas de tensión en la línea de alimentación de la tensión de servicio UB. Esto significa que incluso una ligera caída de la tensión de servicio UB en la entrada del circuito no conduce a una reducción de la tensión de referencia v2.

En la segunda entrada del comparador U1, hay una tensión v3 tomada del freno de retención B. Como la disposición de circuitos está referenciada al potencial superior 24V, esta tensión v3 se toma del terminal negativo -Vb y se ajusta para que coincida con la tensión de referencia v2 mediante un divisor de tensión formado por las resistencias R4 y R12. Una señal de onda cuadrada se toma directamente en el terminal -Vb, pero esta se convierte en una tensión triangular en la entrada del comparador U1 por medio de un condensador de protección contra sobretensiones C1.

Si la tensión suavizada v3 que se toma en el freno de retención B cae ahora por debajo de la tensión de referencia v2, el comparador U1 emite una tensión v4 que bloquea el elemento de conmutación Q1. El elemento de conmutación M1 se bloquea entonces a través del controlador complementario Q3, Q4, y la tensión a través del freno de retención B aumenta. La señal de salida v4 del comparador U1 también se retroalimenta con la tensión de referencia v2 a través de la resistencia R2. Esto desplaza el umbral en el que el comparador U1 se desconecta de nuevo cuando la tensión v3 sube ligeramente, lo que provoca una histéresis de conmutación. La cantidad de esta histéresis y, por lo tanto, la frecuencia de conmutación del comparador U1 pueden verse influidas por la elección de R2. Las frecuencias de conmutación en el rango de 1-10 kHz han demostrado ser útiles en este caso. Debido al funcionamiento por impulsos del elemento de conmutación M1 de esta manera, y gracias a la independencia de la tensión de referencia v2 de las pérdidas de la línea durante el suministro de la tensión de servicio UB, se puede ajustar una tensión de retención en el freno de retención B de manera muy definida y cercana al punto más favorable en el que el freno de retención sigue estando abierto en forma segura, pero en el que no se convierte una pérdida de potencia innecesaria en el electroimán del freno B. Además, el freno B también se aplica de nuevo más rápidamente si la tensión de servicio se desconecta de la tensión de retención inferior.

Sin embargo, dado que la disposición de circuitos también debe garantizar que se aplique inicialmente toda la tensión de servicio UB al freno de retención B para liberarlo, un condensador de arranque C8 garantiza que no se produzca un funcionamiento por impulsos del elemento de conmutación M1 durante un breve período de tiempo tras la aplicación de la tensión de servicio UB. Inmediatamente después de la aplicación de la tensión de servicio, v3 sigue siendo inferior a v2, lo que provoca la conmutación del comparador U1 y la alimentación del freno de retención B con toda la tensión de servicio UB a través del elemento de conmutación M1. Esto también aumenta el potencial de toma en el freno de retención B a -Vb. Una corriente fluye entonces hacia el condensador de arranque C8, cargándolo. Hasta que esta carga se completa después de aproximadamente un segundo, v3 permanece por debajo de la tensión de referencia v2, es decir, todavía no se produce ninguna operación pulsante, el elemento de conmutación M1 queda permanentemente cerrado, el freno de retención B se alimenta con toda la tensión de servicio UB y, por lo tanto, se abre lo más rápidamente posible.

Solo cuando el condensador de arranque C8 está completamente cargado después de este primer segundo, v3 se eleva por encima de v2 y comienza la operación pulsante descrita con anterioridad. La tensión a través del freno de retención B se reduce ahora a la tensión de retención.

Como se ha mencionado, el elemento de conmutación M4 es siempre conductor en cuanto se aplica la tensión de servicio UB. A través de este elemento de conmutación M4, el terminal superior Vb del freno de retención B se conecta al potencial superior de 24V. El funcionamiento por impulsos se fuerza con el elemento de conmutación M1, que conecta el terminal inferior -Vb del freno de retención B con el potencial inferior 0V. El desenganche después de cada desconexión de M1 tiene lugar a través del diodo de desenganche D1.

Tras la desconexión de la tensión de servicio UB, el freno de retención B debe activarse lo más rápidamente posible, en pocos milisegundos. Debido a la inductancia bastante elevada de la bobina del electroimán en el freno de retención B, es ventajoso desconectar activamente la vía de rueda libre. Esto se consigue a través del elemento de conmutación M4, que solo es conductor cuando la tensión de servicio UB está presente y que, por lo tanto, se desconecta cuando la tensión de servicio UB cesa. La energía almacenada en el freno de retención B se destruye entonces térmicamente en el diodo supresor D4, que está conectado en paralelo al elemento de conmutación M4. Por lo tanto, este elemento de conmutación también puede denominarse elemento de conmutación de rueda libre M4.

Cuando el freno de retención B se desconecta mediante la desconexión de la tensión de servicio UB, también se utiliza un diodo de descarga D2. Esto descarga los condensadores C1 y, sobre todo, C8, de modo que la funcionalidad completa de la disposición de circuitos vuelve a estar disponible poco después, cuando se suelta de nuevo el freno de retención B. Para ello es decisivo el tiempo necesario para cargar el condensador de arranque C8 después de conectar la tensión de servicio UB, tal como se ha descrito con anterioridad. Una carga residual del condensador de arranque C8 podría acortar este tiempo y, por lo tanto, el tiempo durante el cual la tensión de servicio completa UB sigue aplicándose al freno de retención B.

En la entrada del circuito, el varistor R21 aumenta la resistencia de la tensión a los impulsos de interferencia. Junto con el condensador C4, estabiliza la tensión de entrada. Una capacitancia tan alta como sea posible sería deseable para C4 debido a la operación de reloj de la disposición de circuitos, pero los condensadores electrolíticos no pueden ser utilizados en este punto -cerca del motor- porque su resistencia a la temperatura es demasiado baja. En su lugar, se utiliza un condensador cerámico.

Como medida adicional para que la disposición de circuitos sea lo más robusta posible, se ha procurado que ninguna conexión de baja impedancia de 24V a 0V afecte al comparador U1. R23 y R16 bloquean las corrientes altas cuando la tensión de alimentación aumenta rápidamente.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Disposición de circuitos para alimentar un freno de retención electromagnético (B) de un motor eléctrico (M) con una tensión de servicio (UB) para liberar el freno de retención (B), así como una tensión de retención que se reduce con respecto a la tensión de servicio para mantener el freno de retención liberado (B), en donde la disposición de circuito contiene un regulador de tensión que está configurado para regular la tensión reducida a un valor fijo después de la liberación del freno de retención (B) independientemente de la tensión de servicio (UB), en donde la disposición de circuitos comprende un comparador (U1) que compara una tensión de referencia (v2) con una tensión (v3) tomada en el freno de retención (B) y puesta a disposición a través de un divisor de tensión (R4, R12), y que está preparado para generar a su salida una señal modulada por ancho de pulso (v4) que puede utilizarse para controlar un elemento de conmutación (M1) a través del cual la tensión de servicio (UB) se aplica en forma sincronizada al freno de retención (B), como resultado de la cual se ajusta la tensión de retención en promedio, caracterizada porque el comparador (U1) está conectado a un condensador de arranque (C8) en la entrada para la tensión de toma (v3) de tal manera que recién se emite una señal modulada por ancho de pulso (v4) en la salida del comparador (U1) cuando este condensador de arranque (C8) está suficientemente cargado, y porque, como resultado, el freno de retención (B) es alimentado inicialmente con toda la tensión de servicio (UB) después de que la tensión de servicio (UB) haya sido aplicada a la disposición de circuitos, en donde el condensador de arranque (C8) está dimensionado de tal manera que el tiempo hasta que esté suficientemente cargado es suficiente para liberar el freno de retención (B), y en donde la tensión de servicio (UB) es suministrada por un controlador de nivel superior (S) dispuesto por separado del motor (M) y del freno de retención (B), y en donde la disposición de circuitos está dispuesta en o sobre el motor (M) o en o sobre el freno de retención (B).

2. Disposición de circuitos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la tensión (v3) tomada en el freno de retención (B) se convierte en una tensión triangular mediante un condensador de protección contra sobretensiones (C1).

3. Disposición de circuitos de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque la salida del comparador (U1) se retroalimenta con la tensión de referencia (V2).

4. Disposición de circuitos de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la tensión de referencia (v2) se deriva de la tensión de servicio (UB) mediante un diodo Zener (D6).

5. Disposición de circuitos de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque un diodo de descarga (D2) descarga el condensador de arranque (C8) si no se aplica ninguna tensión de servicio (UB) a la disposición de circuitos.

6. Disposición de circuitos de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la disposición de circuito utiliza el potencial superior (24V) de la tensión de servicio (UB) como potencial de referencia, y porque el elemento de conmutación (M1) está diseñado como un MOSFET de canal n que conecta un terminal negativo del freno de retención (B) al potencial inferior (0V) de la tensión de servicio (UB).

7. Disposición de circuitos de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque un elemento de conmutación de rueda libre (M4) bloquea una corriente de rueda libre a través del freno de retención (B) cuando no se aplica ninguna tensión de servicio (UB) a la disposición de circuito.

8. Disposición de circuitos de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque un diodo supresor (D4) está conectado en paralelo con el elemento de conmutación de rueda libre (M4).