JP2013511757A - 運動変数のフェールセーフモニタリングのための安全回路およびモニタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可動機械部品の運動変数、特に回転速度のフェールセーフモニタリングのための安全回路（１０）を提供する。
【解決手段】モニタリングするべき運動変数を表すエンコーダ信号（Ａ）を供給する信号入力（１６）と、基準電圧（ＵｒｅｆＡ）を供給する基準電圧路（２０）と、エンコーダ信号（Ａ）に基準電圧（ＵｒｅｆＡ）を重ね合わせることによって重畳信号を提供するために、信号入力（１６）および基準電圧路（２０）に接続されているタップ（Ｍ）と、タップ（Ｍ）に接続されて、重畳信号が少なくとも１つの所定の信号レベルに達するかどうかまたは所定の信号レベル範囲内にあるかどうかを検出するように設計されている測定ユニット（２２）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、可動機械部品の運動変数のフェールセーフモニタリングのため、より具体的には回転速度のフェールセーフモニタリングのための安全回路、該安全回路を備えるモニタリング装置、およびモニタリング方法に関するものである。

本発明は、特に機械ツール、ロボット、コンベヤベルトまたは自動開閉ドアなど、自動運転する設備の危険領域の保護のための回転速度センサのフェールセーフ評価に関する。
当該機械または設備の危険領域は、危険領域への直接の接近を防止する、および／または危険領域に侵入すると設備が停止するように、防護柵、ライトバリアおよび他の装置によって保護されていることが多い。しかし、機械に関する自動運転シーケンスまたは自動ドアをセットアップするときなど、設備の危険領域への接近を完全には防止できない場合がある。人の傷害のリスクを最小限にするために、駆動装置の回転速度および／またはトルク、または設備の可動部品の速度および／または力など、関連する駆動装置の運動変数を所定の値に制限することが周知の慣行である。例として、機械ツールは、防護ドアが開いているときには、このように減速した制限速度で運転できる。こうした状況で人の安全を確保するために、作動中の駆動装置の危険な運動変数をフェールセーフ方式でモニタリングする必要がある。

フェールセーフモニタリングは、通常、関連変数を少なくとも２回モニタリングし、それぞれの結果を互いに比較して実施する。この場合、機械または設備の危険な運動は、危険な運動変数の冗長測定結果が一致する場合かつその間に限り許可される。さらに、フェールセーフモニタリングは、１つ以上の測定変数を評価する相互に独立した測定システムによって達成される。

下記特許文献１は同期電動機または非同期電動機の回転速度をモニタリングするモニタリング装置を開示しており、回転速度は回転速度センサによって検出されて目標回転速度と比較され、さらに電動機の駆動電流を測定して予想される目標値と比較される。測定した回転速度と測定した駆動電流との妥当性比較により、関連する同期または非同期機械の回転速度を冗長的にモニタリングできる。

下記特許文献２は電気駆動装置の速度のフェールセーフモニタリング用回路を開示しており、２つの独立したシステムが電気駆動装置の測定変数をモニタリングする。第１モニタリングユニットは見積回転速度値または測定回転速度値を使用することによってモニタリングを行うのに対して、第２モニタリングユニットは電動機の電流値または再生電圧を読み取って、それから電気駆動装置の速度を判定するための測定変数を確認する。２つの独立したモニタリングユニットは通信線によって互いに接続されて、モニタリング結果の妥当性比較を行う。

下記特許文献３は、２つの独立した制御ユニットが２つの電動機の位相からの電流を同じ電動機の位相からの電圧と比較する回転速度モニタリング装置を開示している。さらに、すべての電動機の位相からの総電流も検出されて、回転速度は検出された信号のリップルから確認される。これによりモニタリングシステムのエラーの検出が可能となる。
以上の周知の方法および装置はすべて、駆動装置の回転速度など、運動を表す利用可能な変数およびセンサに、特定的に向けられている。

しかし、異なる信号を送出することのできる異なるセンサは多数ある。例として、それぞれが複数の方形波パルスを有する２つの異なる方形波信号を送出するインクリメンタルロータリエンコーダがある。互いに対するパルスの数および信号の位相から、回転速度および回転方向を判定することができる。これらの場合には信号のレベルはしばしばＴＴＬレベルである。

しかし、ＨＴＬレベルを有する信号を送出する、つまり、ＴＴＬ信号の場合よりも電圧レベルが実質的に高いインクリメンタルエンコーダもある。また、リゾルバなど、アナログ正弦および／または余弦信号を送出するロータリエンコーダがある。この場合も、使用するセンサによって振幅が変動するおそれがある。また、Hiperface（登録商標）など、さらに別の信号を使用する特殊なセンサインターフェースがある。

独国特許出願公開第１００ ３５ ７８３ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０１ ６３ ０１０ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００５ ０４５ ２８４ Ａ１号明細書

ロータリエンコーダからの信号を評価するモニタリング装置は、それぞれの場合に、使用するロータリエンコーダの種類に基づいて選択され実装されている必要がある。複数の異なるセンサの種類と安価に組み合わせることができ、しかも小型であるモニタリング装置があることが要望されている。
以上の状況に照らして、本発明の目的は、運動変数を捕捉する複数の異なるセンサについて、設備の運動変数のフェールセーフモニタリングが可能な安全回路及びモニタリング方法を提供することである。

本発明の第１の側面によると、この目的は、モニタリングするべき運動変数を表すエンコーダ信号を供給する信号入力と、基準電圧を供給する基準電圧路と、エンコーダ信号に基準電圧を重ね合わせることによって重畳信号を提供するために、信号入力および基準電圧路に接続されているタップと、タップに接続されて、重畳信号が少なくとも１つの所定の信号レベルに達するかどうかまたは所定の信号レベル範囲内にあるかどうかを判定するように設計されている測定ユニットとを備える安全回路によって達成される。

別の側面によると、この目的は、モニタリングするべき運動変数を表すエンコーダ信号を提供するステップと、エンコーダ信号に基準電圧を重ね合わせることによって重畳信号を生成するステップと、重畳信号が少なくとも１つの所定の信号レベルに達するかどうかまたは所定の信号レベル範囲内にあるかどうかをチェックするステップとを含む方法によって達成される。

本発明の安全回路および方法は、エンコーダ信号に所定の個別の基準電圧を重ね合わせて、好ましくは実際の信号評価の前に、これを安全回路の入力に供給するという発想に基づいている。有利なことに、基準電圧はＤＣ電圧であり、つまりエンコーダ信号にＤＣ電圧を重ね合わす。その結果、異なる信号レベルを有するエンコーダ信号は妥当性のために処理してチェックすることができる。エンコーダ信号自体は異なる信号レベルを有してもよく、これは基準電圧により所望のレベル範囲に変換できる。エンコーダ信号がエラーなく存在する場合、エンコーダ信号および基準電圧の和によって形成される重畳信号は、測定されたときに、エラーエンコーダ信号または不在エンコーダ信号とは有意に異なる特定の信号レベルを有する。重畳信号によって達する必要のある信号レベルは、エンコーダ信号単独、エラーエンコーダ信号および基準電圧とは有意に異なる。その結果、本発明の安全回路および方法により、例えば、ケーブル破損によるなど、接続されているエンコーダのエラーおよび信号伝送中のエラーの安全認知が可能になり、その結果エラー信号の生成および機械部品の制御への介入、またはおそらく機械部品の運動の中断が可能になる。

このため、本発明の安全回路および方法は、任意のセンサおよび特に回転速度センサによって捕捉される可動機械部品の運動変数および特に回転速度を処理し、これらを安価にフェールセーフ方式でモニタリングするのに特に適する。
具体的には、本発明はＩＥＣ ６１５０８に従う自己診断率の水準を高めるために使用できる。そのため、上記の目的は完全に達成される。

好ましくは、エンコーダ信号はＡＣ信号成分を有する。
ＡＣ信号成分は、信号線の短絡など、エラーを非常に容易にモニタリングできる信号ダイナミクスをもたらす。エンコーダ信号のＡＣ信号成分は、方形波信号、パルス信号または１つ以上の正弦信号など、あらゆる所望のＡＣ信号であってもよい。本発明の状況において、測定変数は、ＡＣ信号成分、一定もしくはＤＣ信号成分、または異なる信号成分間の関係など、エンコーダ信号のあらゆる成分で伝送できる。

信号レベル範囲は、有利なことに、片側または両側で、すなわち、最高レベルもしくは最低レベルによって、または最高レベルおよび最低レベルによって制限してもよい。
安全回路の好適な改良形態において、信号レベルまたは信号レベル範囲は上限閾値および下限閾値によって定義され、または信号レベル範囲は上限最高レベルおよび下限最低レベルによって定義される。すなわち、重畳信号は、エラーなし信号として受け入れられるには、上限閾値および下限閾値の両方に達しなければならず、または信号レベル範囲内になければならない。エンコーダ信号がＡＣ信号成分を有する場合、２つの閾値を使用して、エンコーダ信号がエラーＡＣ信号成分を有するかどうか、または単に一定信号であるかどうかをチェックでき、これは例えばエンコーダのエラーまたは線破損に起因するであろう。閾値は好ましくは、重畳信号のポジティブエッジが上限閾値に達しまたは上限閾値を通過し、同じ期間内に、重畳信号のネガティブエッジまたは立ち下りエッジが下限閾値に達するまたは通過するように設定される。エンコーダ信号がＤＣ成分だけを有する場合、最高レベルおよび最低レベルを使用して、重畳信号が信号レベル範囲にあるかどうかをチェックできる。

さらに、測定ユニットを、所定の信号レベルに達しない場合、または重畳信号が信号レベル範囲内にない場合に、エラー信号を生成するように設計すると有利である。
この改良形態は、モニタリングされるエンコーダ信号が予想される属性またはエラーなしのエンコーダ信号にとって普通の属性を持たない場合、駆動装置の停止を簡単なことにする。

好ましくは、測定ユニットは、上限および下限の閾値に交互に、好ましくはＡＣ信号成分の所定の期間内に達しない場合にエラー信号を生成するように設計されている。
これにより、エラーなしのエンコーダ信号が供給されているかどうか、正しい振幅を有するかどうかを確実にチェックすることが可能になり、具体的には「スタック・アット・ハイ（stuck-at-high）」または「スタック・アット・ロー（stuck-at-low）」エラーなどのエンコーダのエラーを安全に認知することが可能である。

この場合、生成されるエラー信号は機械部品の運動変数に影響するように設計されていれば好ましい。これによりエラーが認知されると、危険な機械部品の運動への介入および必要な安全の確保を生じさせる。
さらに、測定ユニットがアナログ比較器を有すると好ましい。
アナログ比較器は、例えば、好ましくはアナログ比較器に印加される比較電圧を提供することによって、ほとんど努力せずに、閾値、特に閾値電圧を調整するために使用でき、これで単一の比較器の出力信号を使用して、閾値の一方に達するときをすぐに検出してチェックすることが可能になる。

さらに、閾値をそれぞれ少なくとも１つのアナログ比較器でモニタリングすると好ましい。その結果、閾値は互いに独立して調整することができ、比較器からの信号は互いに独立して評価できる。
さらに、測定ユニットは少なくとも１つのアナログ／デジタル変換器を有すると有利である。これにより、重畳信号をデジタル評価ユニットでチェックすることが可能になる。

さらに、エンコーダ信号は一種のパルス信号であると好ましい。
これにより運動変数を測定するＴＴＬエンコーダ、ＨＴＬエンコーダまたは他のイニシエータをモニタリングすることが可能になる。
あるいは、エンコーダ信号は一種の正弦波信号である。
これにより、正弦／余弦エンコーダを安全回路によってフェールセーフ方式でモニタリングすることが容易に可能になる。

安全回路について、基準電圧および／または閾値もしくは信号レベル範囲のうちの少なくとも１つが制御ユニットによって自動的に調整可能であれば好ましい。
その結果、回路制御に深く介入する必要なく、あらゆる所望のエンコーダを安全回路に接続することが可能である。このことは回路構成をセットアップするときにヒューマンエラーをなくすのにも役立つ。

さらに、基準電圧および／または閾値もしくは信号レベル範囲のうちの少なくとも１つが手動で調整可能であれば好ましい。
これにより、例えば、各エンコーダについて、安全回路の感度または反応速度に関する個々の要件を個別に調整することが可能になる。
ある好適な改良形態では、タップは運動変数を判定する評価ユニットに接続されている。

この改良形態は、安全回路をエンコーダ信号自体のフェールセーフモニタリングのために使用させるだけでなく、エンコーダ信号を定量評価することも可能になり、例として、測定速度または測定回転速度を次のコントローラに利用できるようにできる。
ある好適な改良形態では、評価ユニットは差動増幅器を有する。
差動増幅器の使用により、例えば接続されているコンポーネント、電磁干渉信号またはコモンモード干渉によって引き起こされる重畳信号の干渉信号を抑制または濾波することが可能となる。当該干渉除去を受けた信号はその後確実に評価できる。

別の改良形態では、タップは差動増幅器の入力に接続されており、差動増幅器に別のエンコーダ信号、特に反転エンコーダ信号を供給するために、差動増幅器の別の入力は別の信号線に接続されている。
反転エンコーダ信号は同様に信号トランスミッタによって提供されるため、この改良形態により妥当性比較ができ、そのため別の測定変数を使用してフェールセーフ性をチェックする。さらに、この回路構成により、ＤＣ電圧成分などの信号成分を、測定変数のより単純な評価ができるように濾波することが可能になる。

ある好適な改良形態では、評価ユニットは直交位相評価部を有する。
この改良形態では、様々なエンコーダ信号が供給される異なる差動増幅器からの出力信号は、直交位相評価回路によって評価するのが好ましい。この評価方法の具体的な利点は、高い精度で行うことができ、比較的高い回転速度を測定でき、回転方向の認知が可能であることである。この直交位相評価回路により、運動変数を表すアナログ信号の単純で信頼性のある評価が可能となる。

別の改良形態では、直交位相評価回路は差動増幅器の出力、および少なくとも１つの第２安全回路に接続されており、これに別のエンコーダ信号が供給される。
ある好適な改良形態では、評価ユニットは互いに冗長で、差動増幅器の出力に接続されている２つのチャネルを有する。
この改良形態では、さらなる冗長評価回路が使用されるため、エンコーダ信号の非常に信頼性のある評価が可能である。そのため、この冗長性は本発明の安全回路および本発明の方法のフェールセーフ性の増大に寄与する。

言うまでもなく、上記述べた特徴およびこれから以下説明する特徴は、それぞれ示される組み合わせだけでなく、本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせまたは単独でも使用できる。

エンコーダ信号のフェールセーフモニタリングのための安全回路の第１の実施形態を示す図である。 図１に図示する安全回路の変型例を示す図である。 図１または図２に図示する安全回路を複数使用するモニタリング装置の簡略図を示す図である。 図３に図示するモニタリング装置を備える設備の簡略図を示す図である。

図１では、安全回路の全体を参照符号１０で表す。
安全回路１０は、第１安全回路１２と第２安全回路１４とを有する。この好適な事例では、安全回路１２，１４は同一の設計である。
安全回路１２はエンコーダ信号Ａを安全回路１２に供給するために使用される入力信号線１６を有する。

エンコーダ信号Ａは好ましくは、運動、例えば、シャフトの回転運動を表すＡＣ信号成分１７を含む。しかし、エンコーダ信号Ａは単にＤＣ成分１９を含むだけでもよく、そのレベルは例えば運動を表す。エンコーダ信号Ａは、ＡＣ信号成分１７とＤＣ成分１９とを備える混合信号でもよい。いずれの場合も、入力信号線１６はここでは抵抗器Ｒ１を介してタップＭに接続されている。タップＭは抵抗器Ｒ２を介して基準電圧点１８に接続されている。

基準電圧点１８はそれに印加される基準電圧ＵｒｅｆＡを有する。基準電圧点１８はコンデンサＣ１を介して接地点ＧＮＤに接続（route）されている。基準電圧ＵｒｅｆＡは基準電圧路２０を介して基準電圧点１８に供給される。この基準電圧路２０は基準電圧ＵｒｅｆＡを生成する供給ユニットを有する。
この場合、供給ユニット２１は、演算増幅器に供給されるパルス幅変調信号からの基準電圧ＵｒｅｆＡの平均を出す演算増幅器２１である。例として、前記パルス幅変調信号はデューティ比を有し、この場合これは０％〜１００％に調整可能である。パルス幅変調信号は好ましくは安全回路１０を収容するモニタリング装置の評価・制御ユニットによって生成され、または端子を介して外部から演算増幅器２１に供給される。演算増幅器２１の代わりに、供給ユニットは基準電圧を生成するデジタル／アナログ変換器を有してもよい。

一方、タップＭは測定ユニット２２に接続されている。測定ユニット２２はこの場合アナログ比較器である。代わりにまたは追加で、測定ユニット２２はアナログ／デジタル変換器を有してもよい。測定ユニット２２はエラー信号を評価・制御ユニットに接続するための出力線２４を有する。
タップＭは差動増幅器２８の第１入力２６に接続されている。差動増幅器２８は、安全回路１０から差動増幅器信号を接続するために、信号出力線３０を有する。

安全回路１４は安全回路１２と同じように設計されている。安全回路１４は抵抗器Ｒ３を介してタップ

（以下、Ｍに下線を付けて表示する）に接続されている入力信号線１６'を有する。タップＭは抵抗器Ｒ４を介して基準電圧端子１８'に接続されている。
基準電圧点１８'はそれに印加される基準電圧Ｕｒｅｆ

（以下、Ａに下線を付けて表示する）を有する。基準電圧点１８'は基準電圧線２０'に接続されており、これは基準電圧点１８'に基準電圧ＵｒｅｆＡを印加するために使用される。基準電圧線２０'は供給ユニット２１'を含む。基準電圧点１８'はコンデンサＣ２を介して接地点ＧＮＤに接続されている。
タップＭは測定ユニット２２'に接続されており、これは好ましくはアナログ比較器２２'を含む。測定ユニット２２'は、安全回路からチェック信号を接続するために出力信号線２４'に接続されている。タップＭは差動増幅器２８の第２差動増幅器入力３２に接続されている。好適な実施形態では、基準電圧ＵｒｅｆＡおよびＵｒｅｆＡは互いに別々に調整できる。

入力信号線１６は、ロータリエンコーダまたは別の運動センサから第１エンコーダ信号Ａを安全回路１２に供給するために使用される。入力信号線１６'はこの場合、安全回路１４に第２エンコーダ信号Ａを供給するために使用され、これはエンコーダ信号Ａと比較して反転されてもよい。したがって、エンコーダ信号ＡはＡＣ信号成分１７'を有する。あるいは、エンコーダ信号ＡはＤＣ成分１９'のみを有する。エンコーダ信号ＡはＡＣ信号成分１７'とＤＣ成分１９'とを備える混合信号の形態としてもよい。エンコーダ信号Ａ，Ａは好ましくは運動変数を捕捉するエンコーダからの２つの出力信号である。このようにエンコーダはエンコーダ信号Ａおよび、例として、反転エンコーダ信号Ａ、エンコーダ信号Ａと比較して１８０°の位相差を有する反転エンコーダ信号Ａを供給する。あるいは、安全回路１０には反転エンコーダ信号Ａの代わりにＤＣ電圧を供給することができ、または第２エンコーダ信号はまったく供給しないこともできる。

入力信号線１６のエンコーダ信号Ａは抵抗器Ｒ１を介してタップＭに接続されている。基準電圧ＵｒｅｆＡは抵抗器Ｒ２を介してタップＭに供給される。エンコーダ信号Ａは分圧器を形成する抵抗器Ｒ１およびＲ２を介して基準電圧ＵｒｅｆＡに接続されているため、基準電圧ＵｒｅｆＡはエンコーダ信号Ａに重ね合わされる。この重畳信号はＡＣ信号成分１７および／またはＤＣ成分１９を有し、基準電圧ＵｒｅｆＡのレベルも有する。このように形成される重畳信号はタップＭで引き出すことができる。

測定ユニット２２は、アナログ信号値に関して重畳信号をモニタリングするために、特にアナログ信号値が所定の信号範囲内にあるおよび／または所定の信号挙動を示すかどうかを判定するように、タップＭに接続されている。このため、測定ユニット２２はエラーチェックのために使用される。基準電圧ＵｒｅｆＡがタップＭでエンコーダ信号Ａに重ね合わされているため、異なるエンコーダ信号レベルを安全回路１２ならびに測定ユニット２２および差動増幅器２８にそれぞれ整合させることが可能である。これにより異なるエンコーダの種類を１つの信号入力１６または冗長信号入力１６／１６'でチェックすることが可能となる。

この場合、測定ユニット２２は、重畳信号が実際にＡＣ信号成分１７を有するかどうか、もしそうなら、重畳信号は上限閾値および下限閾値に達するかどうかをチェックするために特に設計されている。閾値は、上限閾値が重畳信号に予想される最大振幅未満になり、下限閾値が重畳信号に予想される最低振幅を上回るように設定される。エラーなし重畳信号の場合、重畳信号の立ち上がりエッジは上限閾値に達し、信号の同じ期間内に、重畳信号の立ち下がりエッジは下限閾値に達する。増強したエラー検出を達成するために、交互に閾値に達するかどうかを判定するためにチェックを行うのが好ましい。

エンコーダ信号ＡがＤＣ成分１９しかもたない場合、測定ユニット２２は重畳信号が所定の値の範囲内にあるかどうかをチェックする。入力１６とエンコーダとの間の接続線にケーブル破損がある場合、測定ユニット２２はタップＭで基準電圧ＵｒｅｆＡを測定するだけである。この基準電圧ＵｒｅｆＡは、１回のアナログ測定によって評価できるように選ばれて、安全回路の他の電圧とは有意に異なることが好ましい。そのため、エンコーダからのＡＣ信号の場合およびＤＣ信号の場合のどちらも、入力信号１６からケーブル破損を認知することが可能である。

さらに、電圧状態は、一般にエンコーダのエラーに関連して２つ発生するであろう。まず、エンコーダはエンコーダ信号Ａの最大値に対応する常に高い電圧を送出でき（スタック・アット・ハイ）、または次に、エンコーダ信号Ａの最低値に対応し、例えばＴＴＬエンコーダの場合は約０ボルトに対応する常に低い電圧（スタック・アット・ロー）を送出できる。そのため、重畳信号はエンコーダでスタック・アット・ハイエラーの場合はちょうど１回だけ上限閾値に達し、エンコーダでスタック・アット・ローエラーの場合はちょうど１回だけ下限閾値に達し、その後は一定になる。エンコーダ信号ＡがＤＣ成分１９だけを有する場合、重畳信号はこれら２つの場合において所定の範囲外になり、エラーとして認知できる。そのため、起こりうるすべてのエラー変型は測定ユニット２２で検出できる。

好ましくは、測定ユニット２２は、重畳信号のレベル値をモニタリングするためにアナログ比較器を有する。有利なことに、アナログ比較器の閾値電圧は、評価・制御ユニットによるエンコーダ信号の信号レベルに合わせて、特に自動的に変動および整合させることができる。重畳信号のレベル値に応じて、アナログ比較器２２（またはアナログ比較器２２'）は、閾値のいずれも所定の期間内に重畳信号によって達しない場合に、出力線２４（または２４'）でエラー信号を生成する。代わりにまたは追加で、測定ユニット２２は、重畳信号のレベル値を判定するためにアナログ／デジタル変換器を有してもよく、これらの場合、アナログ／デジタル変換器および下流の比較ユニットがエラー信号を生成する。

ＵｒｅｆＡおよびＵｒｅｆＡは、得られる２つの重畳信号のＡＣ成分１７が一致するように調整するのが好ましい。さらに、タップＭ，Ｍは差動増幅器の入力２６，３２に接続されている。差動増幅器２８は出力信号線３０を介して差動増幅器の出力信号を送出する。差動増幅器の出力信号は方形波信号（方形波パルスをもつパルス列）であり、この場合は、例えば、エンコーダ信号Ａが反転エンコーダ信号Ａよりも大きい場合、プラスである。そうでなければ、差動増幅器の出力信号はマイナスである。差動増幅器２８はエンコーダ信号Ａ，Ａの干渉を除去できる。前記信号は、以下説明するが、出力信号線３０に接続されている評価ユニットによって評価できる。評価ユニットは有利なことに、シャフトの回転速度および／または位置など、運動変数を判定するために方形波信号の信号変化を使用するために、直交位相デコーダ、周波数計および／またはパルス幅計を有してもよい。

安全回路１２，１４に設けられている測定ユニット２２，２２'は、入力１６，１６'および前記入力に接続されている接続エンコーダの出力信号線を個別にチェックすることを可能にする。
重畳信号は、上限閾値に達するかどうかを判定するためにチェックされ、下限閾値に達するかどうかを判定するためにチェックされ、および／または所定の信号レベル範囲内にあるかどうかを判定するためにチェックされるため、正弦波信号、パルス信号、方形波信号、混合信号など、ＤＣ成分およびＡＣ成分から形成される異なるエンコーダ信号、ならびにＤＣ成分しかもたない純粋なＤＣ信号をモニタリングすることが可能である。

安全回路１２，１４の電磁適合性（electromagnetic compatibility）を高めるために、タップＭ，Ｍは、図示していないＺダイオードを有する直列回路を介して接地点ＧＮＤに接続するのが好ましい。この直列回路は非常に低いキャパシタンスをもたらし、これは高いカットオフ周波数の場合に特に有利な効果を有する。
電磁適合性をさらに高めるために、好ましくはタップＭ，Ｍと差動増幅器入力２６，３２との間に接続されている各抵抗器があってもよい。さらに、差動増幅器入力２６，３２の各々は、範囲の切り替えのために図示していないトランジスタおよび切り替え可能な抵抗器を介して接地点ＧＮＤに接続できる。これにより、比較的低い最高電圧を有する演算増幅器、特に３．３ボルトの演算増幅器の使用が可能となる。

図２は、安全回路１０の変型例を示す。同じ要素は同じ参照符号で表され、相違点のみを以下に述べる。
安全回路１２のタップＭは、抵抗器Ｒ６と抵抗器Ｒ５とを備える直列回路を介して接地点ＧＮＤに接続されている。測定ユニット２２は、抵抗器Ｒ６と抵抗器Ｒ５との間に位置するタップ３４に接続されている。そのため、エンコーダ信号Ａは抵抗器Ｒ５およびＲ６とともにＲ１を備える分圧器を介して接地点ＧＮＤに接続されている。この分圧器により異なるエンコーダ信号Ａと測定ユニット２２とのさらなる整合が可能となる。

安全回路１４は安全回路１２と同一の設計であり、図２に図示する実施形態では、同様に接地点ＧＮＤにつながる抵抗器Ｒ７およびＲ８とともに抵抗器Ｒ３によって形成されている分圧器を有する。抵抗器Ｒ７およびＲ８はその間に形成されて、測定ユニット２２'が接続されているタップまたは電圧点３４'を有する。上記述べる実施形態の抵抗器Ｒ２およびＲ４は高値（high values）を有するように設計されていることが好ましい。

安全性をさらに高めるために、差動増幅器２８の他に、差動増幅器２８と同様に差動増幅器入力２６，３２に接続されている別の差動増幅器を設けてもよい。追加の差動増幅器の出力信号線は、追加の安全性を確保するために別の評価ユニットに接続されている。
図３は、複数のエンコーダ信号のフェールセーフ評価のために複数の安全回路１０を有するモニタリング装置を示す。この場合、モニタリング装置は３つの安全回路１０を有し、全体を参照符号２９で表している。第１安全回路１０'にはエンコーダ信号Ａが供給され、存在すればエンコーダ信号Ａが供給される。第２安全回路１０''にはエンコーダ信号Ｂが供給され、存在すれば別のエンコーダ信号

（以下、Ｂに下線を付けて表示する）が供給される。第３安全回路１０'''にはエンコーダ信号Ｚが供給され、存在すれば別のエンコーダ信号

（以下、Ｚに下線を付けて表示する）が供給される。
安全回路１０'，１０''，１０'''の出力信号線３０'，３０''，３０'''はそれぞれ、第１評価回路３６および第２評価回路３８に接続されている。この場合、エンコーダ信号Ｂはエンコーダ信号Ａと比較して９０°の位相差を有するエンコーダ信号である。好ましくは、エンコーダ信号Ｂはエンコーダ信号Ａと同じエンコーダによって供給される。ある場合には、エンコーダ信号ＡおよびＢ（およびおそらくは反転エンコーダ信号Ａ，Ｂ）は１つのインクリメンタルエンコーダからの２つの「チャネル」である。しかし、エンコーダ信号Ａ，Ｂはリゾルバから、そうでなければ異なるエンコーダから提供されてもよい。

反転エンコーダ信号Ｂは好ましくはエンコーダ信号Ｂと比較して１８０°の位相差を有し、エンコーダ信号Ｂと同じエンコーダによって供給される。エンコーダ信号Ｚは同様にエンコーダ信号ＡおよびＢと同じエンコーダによって提供してもよい。例として、エンコーダ信号Ｚは、エンコーダ信号Ｚをシャフトの基準位置を認知するために使用できるように、モニタリングされるシャフトの基準点を表すインデックス信号であってもよい。

他の場合において、エンコーダ信号Ｚは、第１エンコーダから物理的に離れている運動変数を捕捉する個別のエンコーダによって供給される。例えば、信号Ａ，ＢおよびおそらくＡ，Ｂを送出する第１エンコーダが回転シャフトの第１端部に配置されており、Ｚ信号用の第２エンコーダがシャフトの第２端部に配置されていると有利である。このように、２つのエンコーダからのエンコーダ信号を使用してシャフトの破損または同様な他のものを判定できる。

測定するべき運動変数を、特に直交位相評価、周波数評価および／またはパルス長評価によって判定するために、評価回路３６，３８には、第１安全回路１０'からの出力信号Ａ'および第２安全回路１０''からの出力信号Ｂ'が供給される。この場合、出力信号Ａ'，Ｂ'は有利なことに、安全回路１０'および１０''の差動増幅器２８からの出力信号である。

好適な実施形態では、評価回路３６，３８はさらに各安全回路１０'，１０''，１０'''の測定ユニット２２，２２'からのエラー信号を受信する。そのため、回路構成１０'，１０''，１０'''の出力線２４，２４'は評価回路３６，３８に接続されていてもよい。この接続を安全回路１０''の単なる例として図３に示す。
第３安全回路１０'''の出力信号は評価回路３６，３８に供給されて、有利なことにインデックスとして、またはシャフト破損の認知のいずれかのために使用される。好ましくは、第３安全回路１０'''からの出力信号はモニタリングされるシャフトの回転あたり１つまたは少なくとも１つのパルスを送出する。

さらに、この場合のモニタリング装置２９は、追加の測定変数を捕捉するために、追加のアナログ信号を評価回路３６，３８に接続するために使用できる「Ｓチャネル」４０も有する。好適な事例では、Ｓチャネルは使用されるエンコーダの動作電圧線に接続されているので、評価回路３６，３８は追加の安全モニタリングを提供するために使用されるエンコーダの動作電圧をモニタリングできる。

評価回路３６，３８は、妥当性比較を行うために、通信線４２によって互いに接続されている。評価回路は、評価される運動変数および／または制御信号を外部に接続するために出力信号線４６，４８を有する。通信線４２は２チャネル形態でもよく、２つのＤＣ絶縁バスおよび／または例えばモニタリングされるシャフトの２つの遮断路によって実施してもよい。

直交位相評価は２つの方形波信号Ａ'，Ｂ'に関わり、これらは第１安全回路１０'の出力信号線３０'および第２安全回路１０''の出力信号線３０''に存在し、互いに比較される。出力信号は、対応するエンコーダ信号Ａ，Ｂの位相差の結果として、同様に９０°の位相差を有する方形波信号である。直交位相評価はそれぞれ２つの信号Ａ'，Ｂ'の一方の各検出されるエッジに関わり、それぞれ他方の信号の極性およびそれぞれ他方の信号の絶対値に関するチェックを促す。この情報から、８つの異なる状態または範囲、具体的には、右に移動するシャフトに関して、Ａ'が立ち上がりでＢ'が「低」、Ａ'が立ち下がりでＢ'が「高」、Ｂ'が立ち上がりでＡ'が「高」またはＢ'が立ち下がりでＡ'が「低」、および左に移動するシャフトに関して、Ａ'が立ち上がりでＢ'が「高」、Ａ'が立ち下がりでＢ'が「低」、Ｂ'が立ち上がりでＡ'が「低」またはＢ'が立ち下がりでＡ'が「高」を確認することが可能である。信号間の間隔を使用して、シャフトの回転位置を判定できる。２つの位相差のあるエンコーダ信号Ａ，Ｂの直交位相評価により、回転速度の測定のために４倍の分解能を達成することが可能となる。

ある特定の実施形態では、安全回路１０'，１０''，１０'''は互いに関して冗長である２つの差動増幅器２８を有し、その差動増幅器入力２６はそれぞれタップＭに接続されており、その差動増幅器入力３２はそれぞれタップＭに接続されている。第１差動増幅器２８の出力信号線３０は評価回路３６に接続されており、第２差動増幅器２８の出力信号線３０は評価回路３８に接続されている。これにより、追加のフェールセーフ性がもたらされる。

評価回路３６，３８は好ましくはマイクロコントローラまたは他の論理回路によって実施され、その評価結果を互いに比較する。この比較は通信線４２を介して行われる。通信線４２は双方向インターフェースの形態、バス接続の形態および／またはデュアルポートＲＡＭの形態であってもよい。
さらに、これらの評価回路３６，３８は、第１安全回路１０'の基準電圧ＵｒｅｆＡ，ＵｒｅｆＡ、ならびに第２および第３の安全回路１０''，１０'''の対応する基準電圧を調整するように設計して、安全回路１０'，１０''，１０'''と適切なエンコーダとの自動整合をさせるようにしてもよい。好適な事例では、評価回路３６，３８はエンコーダ信号のレベル値に基づいて基準電圧を調整する。これは例として線４４で示している。抵抗器Ｒ１からＲ８は、異なるエンコーダ信号との精密な自動整合をさせるために、マイクロコントローラによって調整可能であってもよい。

安全回路１０はモニタリング装置２９のためのユニバーサルエンコーダ接続を設けており、前記エンコーダ接続はＴＴＬエンコーダ、ＨＴＬエンコーダ、正弦／余弦エンコーダ、タコメータまたはデュアルタコジェネレータ、リゾルバの接続、およびＨｙｐｅｒｆａｃｅ（登録商標）またはＥｎＤａｔエンコーダからのアナログチャネルの接続も可能にする。この場合、イニシエータ・エンコーダなど、反転エンコーダ信号Ａ，Ｂを提供しないエンコーダを接続することも可能である。反転信号Ａの代わりに、この場合差動増幅器入力３２にＤＣ電圧を印加する、または前記ＤＣ電圧を、特に好ましくはタップＭの信号の平均値に調整することが可能である。この場合、このエンコーダ信号Ａは基準電圧ＵｒｅｆＡを使用して個別にカスタマイズできる。言うまでもなく、この場合、安全回路１４は検出される交流量が存在しない場合エラー信号を生成しないように適切にカスタマイズする必要がある。

いくつかの実施形態では、安全回路１０はスタンドアロン型装置の形態、特にプラグコネクタの形態であってもよい。すなわち、関連エンコーダは入力端子を介して安全回路１０に接続することができ、出力線２４，２４'および出力信号線３０も出力端子でコネクタから接続される。さらに、基準電圧ＵｒｅｆＡ，ＵｒｅｆＡは別の入力端子でコネクタに供給できる。

他の実施形態では、フル回転速度およびゼロ速度モニタを、図３に図示するように、モニタリング装置２９として提供できる。この場合、この装置はエンコーダ信号Ａ，Ａ，Ｂ，Ｂ，Ｚ，ＺおよびＳの端子を備える装置ハウジングを有し、測定した回転速度または運動変数およびエラー信号を出力する。すなわち、安全回路１０'，１０''，１０'''および評価ユニット３６，３８は、装置ハウジングに統合されている。これにより、この回転速度およびゼロ速度モニタを既存の機械および／または設備に特に簡単に統合することが可能になる。

図４は、図３のモニタリング装置のアプリケーションを示す。この場合、装置２９は信号線５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６によってエンコーダ５８，６０，６２に接続されている。エンコーダ５８，６０，６２は、特に回転速度、位置、角度位置など、駆動装置６４の運動変数を捕捉するために、駆動装置６４に関連付けられている。信号線５０から５６はプラグ接点６６を介してモニタリング装置２９に接続されている。出力信号線４６，４８はそれぞれ、プラグコネクタ６７によって装置２９から接続されて、コントローラ６８に接続されている。コントローラ６８は好ましくは、緊急停止ボタン、防護ドア、ライトバリアおよび／またはモニタリング装置２９の接続のために複数の入力を有するフェールセーフコントローラである。この場合、コントローラは出力７０を使用して、１つ以上のコンタクタ７２の制御信号を生成する。コンタクタ７２は好ましくは、駆動装置６４のフェールセーフ停止のために使用される複数の直列接続接点（ここでは図示せず）を有する。したがって、コンタクタ７２は線７４によって駆動装置６４に接続されている。別の実施形態では、コントローラ６８および／またはコンタクタ７２はモニタリング装置２９に統合してもよく、つまり、モニタリング装置２９の評価回路３６，３８が駆動装置の２チャネル停止信号を生成することが可能である。

Claims (15)

1. 可動機械部品の運動変数、特に回転速度のフェールセーフモニタリングのための安全回路（１０）であって、
   モニタリングするべき前記運動変数を表すエンコーダ信号（Ａ）を供給する信号入力（１６）と、
   基準電圧（ＵｒｅｆＡ）を供給する基準電圧路（２０）と、
   前記エンコーダ信号（Ａ）に前記基準電圧（ＵｒｅｆＡ）を重ね合わせることによって重畳信号を提供するために、前記信号入力（１６）および前記基準電圧路（２０）に接続されている第１タップ（Ｍ）と、
   前記第１タップ（Ｍ）に接続されて、前記重畳信号が少なくとも１つの所定の信号レベルに達するかどうかまたは所定の信号レベル範囲内にあるかどうかを判定するように設計されている測定ユニット（２２）と、 を備える安全回路。
2. 前記エンコーダ信号（Ａ）はＡＣ信号成分（１７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の安全回路。
3. 前記所定の信号レベルまたは前記所定の信号レベル範囲は、上限閾値および下限閾値によって定義される、請求項１または請求項２に記載の安全回路。
4. 前記測定ユニット（２２）は、前記上限閾値および下限閾値に交互に達していないときに、エラー信号を生成するように設計されている、請求項３に記載の安全回路。
5. 前記測定ユニット（２２）はアナログ比較器（２２）である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の安全回路。
6. 前記基準電圧（ＵｒｅｆＡ）および／または前記所定の信号レベルもしくは前記所定の信号レベル範囲を自動調整するように設計されている制御ユニット（３６，３８）をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の安全回路。
7. 前記基準電圧（ＵｒｅｆＡ）および／または前記所定の信号レベルもしくは前記所定の信号レベル範囲は手動調整可能である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の安全回路。
8. 前記エンコーダ信号（Ａ）に基づいて前記運動変数を判定する評価ユニット（２８，３６，３８）をさらに備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の安全回路。
9. 前記評価ユニット（２８，３６，３８）は前記タップ（Ｍ）に連結されている、請求項８に記載の安全回路。
10. 前記評価ユニット（２８，３６，３８）は差動増幅器（２８）を備える、請求項８または請求項９に記載の安全回路。
11. モニタリングするべき前記運動変数を表す第２エンコーダ信号（Ａ）を供給する第２信号入力（１７）と、第２基準電圧（ＵｒｅｆＡ）を供給する第２基準電圧路（２０'）と、第２タップ（Ｍ）とをさらに備え、前記第２基準電圧（ＵｒｅｆＡ）は前記第２エンコーダ信号（Ａ）に重ね合わされ、前記差動増幅器（２８）は前記タップ（Ｍ）に接続されている第１入力（２６）と、前記第２タップ（Ｍ）に接続されている別の入力（３２）とを有する、請求項１０に記載の安全回路。
12. 前記評価ユニット（２８，３６，３８）は直交位相評価回路（３６，３８）を有する、請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の安全回路。
13. 前記直交位相評価回路（３６，３８）は前記差動増幅器（２８）の出力（３０）、および少なくとも１つの第２安全回路（１０）に連結されており、それに別のエンコーダ信号（Ｂ，Ｂ）が供給されることを特徴する、請求項１２に記載の安全回路。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか１項の安全回路を複数備える、可動機械部品の運動変数、特に回転速度のフェールセーフモニタリングのためのモニタリング装置。
15. 可動機械部品の運動変数、特に回転速度のフェールセーフモニタリングのための方法であって、
    モニタリングするべき前記運動変数を表すエンコーダ信号（Ａ）を提供するステップと、
    前記エンコーダ信号（Ａ）に基準電圧（ＵｒｅｆＡ）を重ね合わせることによって重畳信号を生成するステップと、
    前記重畳信号が少なくとも１つの所定の信号レベルに達するかどうかまたは所定の信号レベル範囲内にあるかどうかをチェックするステップと、を含む方法。

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