WO2001011375A1 - Vorrichtung und verfahren zur erkennung von fehlern in den signalen einer vorrichtung zur überwachung der drehbewegung einer welle - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erkennung von fehlern in den signalen einer vorrichtung zur überwachung der drehbewegung einer welle Download PDF

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shaft
signal
signals
instantaneous values
another
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PCT/EP2000/006394
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Jürgen BAUR
Richard Veil
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Pilz Gmbh & Co.
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/64—Analogue/digital converters with intermediate conversion to phase of sinusoidal or similar periodical signals
    • H03M1/645—Analogue/digital converters with intermediate conversion to phase of sinusoidal or similar periodical signals for position encoding, e.g. using resolvers or synchros
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
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    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/487—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by rotating magnets

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for reliably monitoring the rotational movement of a shaft, with measuring means for recording a first and a second signal, the first signal representing the temporal profile of the rotational angle position of a first reference point of the shaft and the second signal representing the temporal Represented course of the rotational angle position of a second reference point of the shaft, wherein the first and the second reference point are further apart from each other by an angle of rotation of the shaft, further with evaluation means, to which the first and the second signal are supplied.
  • Such a device and a corresponding method are known due to their use in the industrial field, for example in the monitoring and control of rotary movements of the shaft of an eccentric press.
  • a rotary motion sensor which already supplies the two signals mentioned, is in particular a resolver.
  • Solvers have long been known in the prior art for recording rotary movements. It is a rotary transformer, the rotor of which is connected to the shaft to be monitored and the stator of which has two separate windings which are offset from one another by an angle of rotation of 90 ° on the outer circumference of the shaft. The two stator windings receive a signal by means of the transformer coupling, which is fed in via the rotor winding. The signals at the output of the stator windings are then the first and second signals described.
  • the mode of operation of a resolver is explained in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3.
  • IC integrated circuits
  • AD2S80A Analog Devices
  • This IC is a so-called resolver-digital converter, which calculates the angle of rotation of the shaft from the resolver signals and provides it as a digital numeric word at its outputs.
  • a signal is provided at a further output which is proportional to the rotational speed of the shaft.
  • Reliable monitoring of rotary movements of a shaft is required, for example, if the rotating shaft poses a danger to people or other machine parts. This is particularly the case when a machine must be operated in the immediate danger zone of a rotating shaft when setting up a machine.
  • the previously known evaluation circuits for resolver signals are not suitable for reliable monitoring of the rotary movement of the shaft.
  • the evaluation means contain a comparator with which instantaneous values of the first and the second signal can be compared with one another on the basis of a predetermined geometric relationship.
  • the object is further achieved by a method of the type mentioned in the introduction, in which instantaneous values of the first and second signals are compared with one another on the basis of a predetermined geometric relationship.
  • the instantaneous values of the first and second signals are therefore compared with one another. Due to the fact that the signals are recorded at different reference points of the same wave, there is a determined relationship between them. If the monitoring device operates correctly, a comparison taking this relationship into account must always lead to a predictable result. As soon as the comparison of the two signals with one another delivers a different result than expected, there is an error in the monitoring device.
  • a geometric relationship is generally understood to mean the determined relationship between the instantaneous values of the two signals, which can be determined from one another on the basis of the spatial position of the reference points. This relationship can be illustrated graphically as the course of a locus curve in a plane, the coordinates of which are the instantaneous values of the two signals. If the actual course of the locus of the recorded instantaneous values deviates from the course of the locus to be expected, there is an error in the monitoring device.
  • the method according to the invention can in principle also be used for safe monitoring if a plurality of sensors which are separate from one another are used to record the first and second signals.
  • the method can instead also be used with only a single resolver for recording the rotary movement, since the resolver already delivers the first and second signals described.
  • Any conceivable error such as a short circuit in one of the stator windings of the resolver or the failure of a component of the
  • the evaluation means described below has the result that the comparison of the instantaneous values leads to a different result than is to be expected on the basis of the determined relationship of the two signals to one another.
  • the method according to the invention can already be used in combination with only one rotary motion sensor, namely a resolver, for reliably monitoring the rotary motion of a shaft.
  • the usual additional use of additional sensors such as incremental encoders is no longer necessary.
  • simultaneous instantaneous values of the first and second signals can be compared with the comparator.
  • This measure has the advantage that the determined relationship between the instantaneous values of the first and the second signal is simpler, so that the instantaneous values can also be compared more easily with one another. As a result, the effort is reduced both in the development and in the manufacture of the device according to the invention. As a result, the corresponding method can be carried out more quickly.
  • first and the second reference point are separated from one another by an angle of rotation of 90 °.
  • This measure also has the advantage that the determined relationship of the instantaneous values of the two signals mentioned is simplified. As a result, the effort and costs of the device are also reduced due to this measure. The corresponding procedure can be carried out more easily and quickly.
  • the signal paths for receiving the first and second signals have the same signal technology.
  • the same in terms of signal technology means that the signal paths mentioned each deliver the same output signal if an identical input signal is fed into them.
  • the signal paths can be implemented with different components, for example from different manufacturers. It is only important that the first and the second signal are influenced in the same way.
  • the measure also contributes to making the comparison of the two signals mentioned easier and faster. In combination with the measure mentioned above, this embodiment of the invention leads to the geometric relationship being a circular function which, as shown below, can be evaluated particularly simply, both analytically and arithmetically.
  • the measuring means include a resolver whose stator signals form the first and the second signal.
  • the comparator has a digital computing unit in which the geometric relationship is stored as a calculation rule using the instantaneous values as input variables.
  • a digital arithmetic unit of this type is in particular a digital signal processor.
  • a digital signal processor is specially optimized for performing arithmetic operations. Since the determined relationship between the instantaneous values of the first and the second signal can in principle be formulated in the form of a mathematical relationship, the comparison of the instantaneous values can be carried out particularly precisely with the aid of such a processor or more generally with the aid of a digital computing unit. In the event that the geometric relationship is a circular function, for example the sum of the squares of the instantaneous values of the first and the second signal must always result in a constant value if there is no error in the monitoring device. With the help of a digital computing unit, in particular in the form of a digital signal processor, a very slight deviation of the instantaneous values of the first and second signals from their target values can also be determined.
  • the comparator has a memory in which possible combinations of instantaneous values are stored in accordance with the geometric relationship in such a way that faulty combinations of instantaneous values recorded can be identified.
  • This measure can be implemented, for example, in that the error-free and thus permissible combinations of instantaneous values of the two signals mentioned are stored in an assignment table. Any combination of recorded instantaneous values that is not included in this table is automatically recognized as being defective, so that a corresponding error signal can be generated.
  • the measure mentioned has the advantage that it can be implemented very simply and particularly cost-effectively. In particular, the costs for a comparatively expensive digital signal processor can be eliminated.
  • the measure has the advantage that the evaluation can be carried out very quickly, at least when the number of stored permissible combinations of instantaneous values is not too large.
  • the stored combinations of instantaneous values define two-dimensional, permissible interval fields, each of which adjoins the permissible neighboring interval fields.
  • interval areas are defined by the stored combinations of permissible instantaneous values, in which the locus of the function formed from the instantaneous values recorded must run if the device is operating correctly. If a location point, which is determined by two recorded instantaneous values, lies outside the permissible interval fields, there is an error in the monitoring device.
  • the bordering can also include an overlap of the adjacent interval fields in the border area.
  • the two-dimensional interval fields are defined in relation to the expected course of the location curve in such a way that a location point of the location curve can at most lie at the interface of two interval fields.
  • a limit point at which three or more interval fields meet is excluded.
  • the device has means with which at least the rotational speed of the shaft can be determined.
  • the means mentioned can also be suitable for determining the respective angular position of the shaft and / or its direction of rotation. The determination can be carried out using methods known per se based on the evaluation of the first and second signals.
  • the measure has the advantage that, on the basis of the specific values, a further error check is possible by comparing it with corresponding values of a speed control device. Alternatively, the use of a further speed control unit can also be avoided on the basis of the measure mentioned.
  • the measuring means for the first and the second signal each have an independent recording channel.
  • This measure has the advantage that the signal paths for the two signals mentioned are completely separated from one another, which further improves the reliability of the device. It is particularly preferred if the two separate recording channels are diverse, i.e. are constructed with different components. In this case, the probability that an error changes the instantaneous values of the first and second signals at one point in time in one and the same way is further reduced.
  • the device has two comparators which are redundant to one another and whose comparison results are fed to a monitoring unit.
  • the monitoring unit is preferably also constructed with two channels, each of the two channels being assigned to one of the two redundant comparators.
  • the device is designed as a modular additional device for a further rotary motion evaluation device.
  • the device according to the invention can be retrofitted in existing systems in a simple and inexpensive manner.
  • the device according to the invention can also be used in the creation of new systems in combination with the same and / or different rotary motion detection devices, in particular standard components. In this way, an overall cost-effective use of the device according to the invention can be achieved.
  • FIG. 3 shows the input and output signals of the resolver according to FIG. 2,
  • FIG. 5 shows the block diagram of the measuring and evaluation means of the embodiment according to FIG. 4,
  • FIG. 6 shows the geometric relationship on the basis of which instantaneous values of the first and second signals in the exemplary embodiment according to FIG. 4 are compared with one another
  • a device for reliably monitoring the rotational movement of a shaft is designated in its entirety by reference number 10.
  • the shaft 12 to be monitored is driven by a motor 14 in the direction of arrow 16.
  • the motor 14 is, for example, a three-phase motor, the stator 18 and rotor 20 of which are shown only schematically here.
  • Reference number 22 denotes a resolver, the function of which is explained in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the stator signals 24 and 26 of the resolver 22 are fed to a drive control 28.
  • the drive control 28 supplies the rotor of the resolver 22 with the rotor signal 30.
  • the reference number 32 denotes two mutually independent incremental encoders which receive the movement of cams 34 which are arranged on the shaft 12.
  • the output signals of the two incremental encoders 32 are fed to a safe evaluation device 36 which monitors the standstill or a limited rotary movement of the shaft 12 in a manner known per se with the aid of the incremental encoders 32.
  • the evaluation device 36 has a trigger element 38, which in turn acts on switches 40 with which the power supply to the drive control 28 or the motor 14 can be interrupted. As soon as an error or an impermissibly high speed of the shaft 12 is determined by the safe evaluation device 36, the drive of the shaft 12 is switched off.
  • the device 10 is known in the manner described here due to its use in monitoring rotary movements of a shaft 12. However, it has the disadvantages already mentioned at the outset with regard to the outlay and the costs due to the sensors required several times, which are the resolver 22 or the incremental encoder 32.
  • the resolver 22 has a rotor 50 which is arranged on the shaft 12 in a rotationally fixed manner. As a result, the rotor 50 follows the rotary movement of the shaft 12.
  • the rotor 50 has two coil windings which are electrically connected to one another, one of which is transformer-coupled on the output side to two stator windings 52, 54 of a stator arranged concentrically to the rotor. Via the other of the two rotor windings, the rotor is likewise supplied with the rotor signal 30, which is designated U R in FIG. 3.
  • the stator windings 52, 54 of the resolver 22 are generally offset from one another by an angle of rotation ⁇ of the shaft 12 of 90 °.
  • the result of this is that the stator signals 24, 26 of the resolver 22 are amplitude-modulated with respect to one another at different times, as is shown in FIG. 3 on the basis of the two signals U s and U c .
  • the envelopes of the two stator signals U s and U c are sinusoidal or cosine-shaped. From the two stator signals U s and U c , the angle of rotation of the shaft 12 and, with the aid of the rotor signal U R , the direction of rotation of the shaft 12 can be determined in a manner known per se. 4, an exemplary embodiment of the device according to the invention is designated in its entirety by reference number 60.
  • the device 60 differs from the device 10 according to FIG. 1 essentially by the safe evaluation device 62, to which the stator signals 24, 26 of the resolver 22 are fed in parallel to the drive control 28.
  • the evaluation device 62 can also be supplied with the rotor signal 30 of the resolver 22, as a result of which the evaluation device 62 is at least fundamentally able to determine all movement parameters of the rotation movement in addition to monitoring the rotation movement of the shaft 12. To monitor and determine whether there is a safety-critical rotary movement, the comparison of the two stator signals 24, 26 described below is usually sufficient.
  • the evaluation device 62 can also switch off the drive control 28 here via a second switch-off path 63 by blocking the controller enables of the drive control 28 in this way.
  • the essential functional units of the evaluation device 62 from FIG. 4 are shown in the block diagram according to FIG. 5.
  • the evaluation device 62 is constructed in two channels throughout, ie the stator signals 24, 26 of the resolver 22 (U s , U c ) are processed in separate signal channels which are separate from one another.
  • the channels are constructed with diverse components, which is not absolutely necessary to carry out the method according to the invention.
  • the input stage of the evaluation device 62 is formed in each channel by a differential amplifier 64a, 64b, which carries out an impedance conversion and level adjustment of the stator signals 24, 26 supplied by the resolver 22.
  • the stator signals U s , U c in the form shown in FIG. 3 are present at the output of the differential amplifiers 64a, 64b.
  • the rectifier circuits 66a, 66b in conjunction with the subsequent low-pass circuits 68a, 68b, perform amplitude demodulation of the stator signals 24, 26 in a manner known per se.
  • the intermediate signals obtained in this way are indicated schematically for each of the two channels at the output of the respective stage.
  • the rectified sinusoidal or cosine-shaped envelope signals of the stator signals 24, 26 are present at the output of the low-pass filters 68a, 68b. These signals are each fed to a comparator 70, 72 which, according to the invention, compares the instantaneous values of the processed stator signals 24, 26 with one another.
  • one of the two comparators 70, 72 is basically sufficient to carry out the method according to the invention.
  • the use of two separate comparators 70, 72 continues the two-channel processing in the sense that the comparison results of the two comparators 70, 72 can be checked against one another again in a subsequent monitoring unit 74. This also makes it possible to identify errors that occur within the comparator 70, 72.
  • the output signal of the monitoring unit 74 triggers the trigger element 38 to switch off the drive supply for the shaft 12. Additive- The controller enable of the drive control 28 is blocked on the second switch-off path 63.
  • the two comparators 70, 72 are designed differently and each work according to one of the two methods described below. A particularly high level of error security is achieved in this way. Deviating from this, however, it is also possible to implement the two comparators 70, 72 on the basis of only one of the two methods described below or even a modification thereof.
  • the comparator 70 has a digital arithmetic unit in the form of a digital signal processor 76, while the comparator 72 essentially contains a memory 78 in which possible combinations of instantaneous values of the stator signals 24, 26 are stored in such a way that in this way permissible interval fields are defined in which the locus curve from the two stator signals 24, 26 must run if the device is operating correctly.
  • FIG. 6 shows a two-dimensional coordinate system, the axes of which are each assigned to one of the two stator signals U s , U c .
  • the coordinate system thus spans the U s -U c plane in which combinations of instantaneous values of the two stator signals define location points. If the monitoring device 60 operates correctly, all possible location points are due to the arrangement of the resolver 22 described and the channels of the evaluation device 62 which are identical with respect to the signal processing on a quarter-circle location curve 90.
  • the location curve 90 describes the path of the end point of a pointer 92, which is from Origin of the coordinate system and its length and direction are determined by the instantaneous values of the stator signals.
  • the reference number 94 exemplifies the cosine component of the pointer 92 and the reference number 96 the sine component of the pointer 92.
  • the respective current angle of rotation of the shaft 12 can also be determined. If the change in this angle of rotation is subsequently determined over a time interval T, it is also possible to calculate the angular velocity and thus the speed of the shaft 12. All of these operations can be stored in the digital signal processor 76 as a calculation rule with corresponding input variables.
  • the U s -U c plane with the locus 90 is underlaid with a raster 98, which is formed by dividing the U c axis or the U s axis.
  • Permissible interval fields are indicated within the grid 98, which are denoted by the letters a to g.
  • the permissible interval fields define the area in which the locus 90 must run if the device 60 is operating correctly.
  • the size and position of the interval fields a to g is selected such that the points of the locus 90 are at most in the border area. rich of two adjacent interval fields, but never in the border area of three or more adjacent interval fields.
  • interval fields are defined in the comparator 72 in the form of twelve-digit binary code words, the first six digits of which correspond to the grid lines SO to S5 and the second six digits of which correspond to the grid lines CO to C5.
  • the interval field d is determined by the digital word 00x111.00x111.
  • "X" means that either 0 or 1 can be used here ("Don't care")
  • the demodulated stator signals 24, 26 are first digitized in the comparator 72 in a data format which corresponds to the stored code of the permissible interval fields a to g. It is then checked in the memory 78 of the comparator 72 whether the data value obtained in this way corresponds to the code word of a permissible interval field. If this is the case, it follows from this that the corresponding instantaneous values of the stator signals 24, 26 define a location point which lies within the corresponding interval field.
  • the digitization of the recorded instantaneous values does not lead to a data value that is stored in the table of the memory 78, it follows from this that the recorded instantaneous values define a location that lies outside the permissible interval fields a to g. In this case, there is an error within the monitoring device 60.
  • the comparison of the recorded instantaneous values of the stator signals 24, 26 in the comparator 72 is somewhat less precise than in the comparator 70.
  • a location point 100, that lies in the interval field e away from the locus is regarded as permissible, so that the comparator 72 does not detect any error of the device 60 in this case.
  • the tolerance within which combinations of instantaneous values can deviate from the geometrically exact locus 90 can be minimized as desired.
  • the speed of the shaft 12 can be determined from the instantaneous values of the stator signals 24, 26 recorded by measuring the time between two successive interval field transitions with the aid of a counter (not shown here).
  • the evaluation device 62 in the exemplary embodiment according to FIG. 4 is a modular additional device for a standard standard drive control 28 is formed. Deviating from this, the evaluation device 62 can be integrated in the drive control 28 of the motor 14 in another embodiment, not shown here.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einer Vorrichtung zur Messung der Drehbewegung einer Welle (12). Die Vorrichtung (60) beinhaltet dabei Meßmittel (22) zum Aufnehmen eines ersten und eines phasenverschobenen zweiten Signals (24, 26). Die Vorrichtung (60) besitzt des weiteren Auswertemittel (62) mit einem Vergleicher, mit dem Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals (24, 26) anhand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung miteinander vergleichbar sind. Bei korrekter Funktion ist die Summe der Quadrate beider Signale konstant. Alternativ können erlaubte Kombinationen von Signalwerten in einer Tabelle abgespeichert werden.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERKENNUNG VON FEHLERN IN DEN SIGNALEN EINER VORRICHTUNG ZUR ÜBERWACHUNG DER DREHBEWEGUNG EINER WELLE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle, mit Meßmitteln zum Aufnehmen eines ersten und eines zweiten Signals, wobei das erste Signal den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines ersten Referenzpunktes der Welle repräsentiert und wobei das zweite Signal den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines zweiten Referenzpunktes der Welle repräsentiert, wobei ferner der erste und der zweite Referenzpunkt um einen Drehwinkel der Welle voneinander entfernt liegen, ferner mit Auswertemitteln, denen das erste und das zweite Signal zugeführt sind. Eine derartige Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren sind aufgrund ihrer Verwendung im industriellen Bereich bspw. bei der Überwachung und Steuerung von Drehbewegungen der Welle einer Exzenterpresse bekannt.
Ein Drehbewegungssensor, der bereits von sich aus die beiden genannten Signale liefert, ist insbesondere ein Resolver. Re- solver sind im Stand der Technik zur Aufnahme von Drehbewegungen bereits seit langem bekannt. Es handelt sich dabei um einen Drehtransformator, dessen Rotor mit der zu überwachenden Welle verbunden ist und dessen Stator zwei voneinander getrennte Wicklungen aufweist, die um einen Drehwinkel von 90° zueinander versetzt am Außenumfang der Welle angeordnet sind. Die beiden Statorwicklungen erhalten mittels der transformatorischen Kopplung ein Signal, das über die Rotorwicklung eingespeist wird. Die Signale am Ausgang der Statorwicklungen sind dann das beschriebene erste und zweite Signal. Die Funktionsweise eines Resolvers ist nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert .
Zur Auswertung der Signale eines Resolvers sind komplette Schaltungen bekannt und als integrierte Schaltkreise (IC) erhältlich, wie bspw. der integrierte Schaltkreis mit der Typenbezeichnung AD2S80A der Firma Analog Devices. Bei diesem IC handelt es sich um einen sogenannten Resolver-Digital-Wandler , der aus den Resolversignalen den Drehwinkel der Welle berechnet und als digitales Zahlenwort an seinen Ausgängen bereitstellt. An einem weiteren Ausgang wird ein Signal bereitgestellt, das proportional zur Drehgeschwindigkeit der Welle ist. Mit diesem Baustein ist daher prinzipiell die Überwachung der Drehbewegung einer Welle möglich. Diese Überwachung ist jedoch nicht sicher in dem Sinne, daß bspw. ein Wicklungsschluß in einer der Sta- torwicklungen nicht zuverlässig erkannt werden kann. Auch interne Funktionsfehler des integrierten Schaltkreises können nicht mit Sicherheit entdeckt werden. So ist es bspw. denkbar, daß der gesamte integrierte Schaltkreis aufgrund eines Fehlers ausfällt und infolge dessen ein Signal liefert, das einen Stillstand der zu überwachenden Welle andeutet, obwohl sich die Welle tatsächlich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht.
Eine sichere Überwachung von Drehbewegungen einer Welle wird bspw. dann benötigt, wenn von der drehenden Welle eine Gefahr für Menschen oder auch andere Maschinenteile ausgeht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn beim Einrichtbetrieb einer Maschine im unmittelbaren Gefahrenbereich einer drehenden Welle gearbeitet werden muß. Für die sichere Überwachung der Drehbewegung der Welle sind die bisher bekannten Auswerteschaltungen für Resolversignale nicht geeignet.
Um in einem solchen Fall eine sichere Überwachung zu gewährleisten, ist es bekannt, zusätzlich zu dem Resolver mindestens einen weiteren Drehbewegungssensor im Bereich der Welle anzuordnen. Üblicherweise werden dabei heutzutage sogar zwei voneinander getrennte Drehbewegungssensoren, bspw. Inkrementalgeber, verwendet. Diese dienen in der Regel allein der sicheren Überwachung der Drehbewegung der Welle. Ein Resolver wird häufig in Ergänzung dazu als dritter Sensor verwendet, um die Drehbewegung der Welle im Normalbetrieb zu regeln. Ein Beispiel für eine solche bekannte Anordnung ist nachfolgend anhand der Fig. 1 erläutert. Als Auswertegerät für die sichere Überwachung des Stillstands der Welle oder einer kontrollierten, langsamen Drehbewegung kann bspw. der Drehzahl- und Stillstandswächter PDZ der Firma Pilz GmbH & Co. in Ostfildern, Deutschland, ver- wendet werden, der in einer Betriebsanleitung Nr. 19 161 beschrieben ist.
Ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung zum sicheren Überwachen einer Drehzahl, bei der zwei getrennte Sensoren in Form von induktiven Näherungsgebern verwendet sind, ist in der DE-A-38 19 994 beschrieben.
Die Verwendung mehrerer, zusätzlicher Sensoren zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle ist aufwendig und wirkt sich nachteilig auf die Kosten einer zu überwachenden Anlage aus .
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen eine sichere Überwachung der Drehbewegung der Welle auch mit nur einem Drehbewegungssensor, insbesondere mit nur einem Resolver, möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Auswertemittel einen Vergleicher beinhalten, mit dem Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals anhand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung miteinander vergleichbar sind.
Die Aufgabe wird des weiteren durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals anhand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung miteinander verglichen werden. Gemäß der Erfindung werden also die Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals miteinander verglichen. Aufgrund der Tatsache, daß die Signale an unterschiedlichen Referenzpunkten derselben Welle aufgenommen werden, besteht zwischen ihnen ein determinierter Zusammenhang. Bei einem fehlerfreien Betrieb der Überwachungsvorrichtung muß ein Vergleich unter Berücksichtigung dieses Zusammenhangs stets zu einem vorhersagbaren Ergebnis führen. Sobald der Vergleich der beiden Signale miteinander ein anderes Ergebnis liefert, als erwartet, liegt ein Fehler in der Überwachungsvorrichtung vor.
Unter einer geometrischen Beziehung wird dabei ganz allgemein der determinierte Zusammenhang zwischen den Momentanwerten der beiden Signale verstanden, der anhand der räumlichen Lage der Referenzpunkte zueinander bestimmbar ist. Dieser Zusammenhang läßt sich graphisch als Verlauf einer Ortskurve in einer Ebene veranschaulichen, deren Koordinaten die Momentanwerte der beiden Signale sind. Weicht der tatsächliche Verlauf der Ortskurve der aufgenommenen Momentanwerte von dem an sich zu erwartenden Verlauf der Ortskurve ab, liegt ein Fehler der Überwachungsvorrichtung vor.
Es sei bemerkt, daß das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich auch zur sicheren Überwachung verwendet werden kann, wenn mehrere, voneinander getrennte Sensoren zur Aufnahme des ersten und zweiten Signals verwendet werden. Dem steht jedoch nicht entgegen, daß das Verfahren statt dessen auch nur mit einem einzelnen Resolver zum Aufnehmen der Drehbewegung verwendet werden kann, da der Resolver bereits von sich aus die beschriebenen ersten und zweiten Signale liefert. Jeder erdenkliche Fehler, wie bspw. ein Windungsschluß in einer der Statorwicklungen des Resolvers oder der Ausfall einer Komponente der nachfolgend beschriebenen Auswertemittel, hat zur Folge, daß der Vergleich der Momentanwerte zu einem anderen Ergebnis führt, als aufgrund des determinierten Zusammenhangs der beiden Signale zueinander zu erwarten ist. Infolge dessen kann das erfindungsgemäße Verfahren bereits in Kombination mit nur einem Drehbewegungssensor, nämlich einem Resolver, zur sicheren Überwachung der Drehbewegung einer Welle verwendet werden. Der bisher übliche, zusätzliche Einsatz von weiteren Sensoren wie bspw. Inkrementalgebern ist nicht mehr erforderlich.
Die genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mit dem Vergleicher zeitgleiche Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals vergleichbar.
Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß der determinierte Zusammenhang zwischen den Momentanwerten des ersten und des zweiten Signals einfacher ist, so daß auch der Vergleich der Momentanwerte miteinander einfacher realisiert werden kann. Infolge dessen reduziert sich der Aufwand sowohl bei der Entwicklung als auch bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das entsprechende Verfahren kann hierdurch schneller ausgeführt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen der erste und der zweite Referenzpunkt um einen Drehwinkel von 90° voneinander entfernt.
Auch diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß der determinierte Zusammenhang der Momentanwerte der beiden genannten Signale vereinfacht ist. Infolge dessen sind auch aufgrund dieser Maßnahme der Aufwand und die Kosten der Vorrichtung reduziert. Das entsprechende Verfahren kann einfacher und schneller durchgeführt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Signalwege zum Aufnehmen des ersten und zweiten Signals signaltechnisch gleich aufgebaut.
Signaltechnisch gleich bedeutet, daß die genannten Signalwege jeweils das gleiche Ausgangssignal liefern, wenn in ihnen ein gleiches Eingangssignal eingespeist wird. Die Signalwege können dabei durchaus mit unterschiedlichen Bauelementen, bspw. verschiedener Hersteller realisiert sein. Wichtig ist allein, daß das erste und das zweite Signal in jeweils gleicher Weise beeinflußt werden. Die Maßnahme trägt ebenfalls dazu bei, daß der Vergleich der beiden genannten Signale einfacher und schneller durchgeführt werden kann. In Kombination mit der zuvor genannten Maßnahme führt diese Ausgestaltung der Erfindung dazu, daß die geometrische Beziehung eine Kreisfunktion ist, die sich, wie nachfolgend gezeigt, sowohl analytisch als auch arithmetisch besonders einfach auswerten läßt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beinhalten die Meßmittel einen Resolver, dessen Statorsignale das erste und das zweite Signal bilden.
Diese Maßnahme knüpft an den bereits zuvor erwähnten Vorteil an, nach dem bei der Verwendung eines Resolvers nur ein einziger Sensor zum sicheren Überwachen der Drehbewegung der Welle benötigt wird. Dementsprechend wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ein besonders einfacher und kostengünstiger Auf- bau erreicht. Es sei jedoch nochmals darauf hingewiesen, daß das Verfahren grundsätzlich auch mit voneinander getrennten Sensoren zum Aufnehmen des ersten und zweiten Signals durchführbar ist. Darüber hinaus können anstelle eines Resolvers auch andere Sinus-Cosinus-Signalgeber zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Ein Resolver besitzt gegenüber derartigen Gebern jedoch den Vorteil, daß er sehr robust ist und somit bereits von sich aus eine großer Fehlerresistenz aufweist. Darüber hinaus sind Resolver bereits bei vielen Anlagen als Sensoren für die Antriebssteuerung oder -regelung vorhanden. Die Verwendung der bereits vorhandenen Resolversignale ermöglicht daher nochmals eine Kosteneinsparung bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Vergleicher eine digitale Recheneinheit auf, in der die geometrische Beziehung als Rechenvorschrift unter Verwendung der Momentanwerte als Eingangsgrößen abgespeichert ist.
Eine digitale Recheneinheit dieser Art ist insbesondere ein digitaler Signalprozessor. Ein solcher Prozessor ist speziell zur Durchführung von Rechenoperationen optimiert. Da der determinierte Zusammenhang zwischen den Momentanwerten des ersten und des zweiten Signals sich grundsätzlich in Form einer mathematischen Beziehung formulieren läßt, kann mit Hilfe eines derartigen Prozessors bzw. allgemeiner mit Hilfe einer digitalen Recheneinheit der Vergleich der Momentanwerte besonders exakt durchgeführt werden. In dem Fall, daß die geometrische Beziehung eine Kreisfunktion ist, muß bspw. die Summe der Quadrate der Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals stets einen konstanten Wert ergeben, wenn kein Fehler in der Überwachungsvorrichtung vorliegt. Mit Hilfe einer digitalen Rechen- einheit, insbesondere in Form eines digitalen Signalprozessors, kann auch eine sehr geringe Abweichung der Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals von ihren Sollwerten festgestellt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme weist der Vergleicher einen Speicher auf, in dem mögliche Kombinationen von Momentanwerten entsprechend der geometrischen Beziehung derart abgespeichert sind, daß fehlerbehaftete Kombinationen von aufgenommenen Momentanwerten erkennbar sind.
Diese Maßnahme kann bspw. dadurch realisiert sein, daß die fehlerfreien und somit zulässigen Kombinationen von Momentanwerten der beiden genannten Signale in einer Zuordnungstabelle abgespeichert sind. Jede Kombination von aufgenommenen Momentanwerten, die nicht in dieser Tabelle enthalten ist, wird automatisch als fehlerbehaftet erkannt, so daß ein entsprechendes Fehlersignal generiert werden kann. Die genannte Maßnahme besitzt den Vorteil, daß sie sehr einfach und besonders kostengünstig realisierbar ist. So können insbesondere die Kosten für einen vergleichsweise teuren digitalen Signalprozessor entfallen. Darüber hinaus besitzt die Maßnahme den Vorteil, daß zumindest dann, wenn die Anzahl der abgespeicherten zulässigen Kombinationen von Momentanwerten nicht zu groß ist, die Auswertung sehr schnell durchgeführt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme definieren die abgespeicherten Kombinationen von Momentanwerten zweidimensionale, zulässige Intervallfelder, die jeweils an zulässige Nachbar-Intervallfelder angrenzen. Diese Maßnahme bedeutet anschaulich gesprochen, daß durch die abgespeicherten Kombinationen von zulässigen Momentanwerten Intervallflächen definiert werden, in denen die Ortskurve der aus den aufgenommenen Momentanwerten gebildeten Funktion bei einem fehlerfreien Betrieb der Vorrichtung verlaufen muß. Liegt ein Ortspunkt, der durch zwei aufgenommene Momentanwerte bestimmt wird, außerhalb der zulässigen Intervallfelder, liegt ein Fehler der Überwachungsvorrichtung vor. Das Angrenzen kann dabei auch ein Überlappen der benachbarten Intervallfelder im Grenzbereich beinhalten. Die Maßnahme besitzt den Vorteil, daß hierdurch eine lückenlose Überprüfung des Verlaufs der aufgenommenen Ortskurve möglich ist.
Besonderes vorteilhaft ist es, wenn an jedem Punkt der Soll- Ortskurve maximal zwei Intervallfelder aneinander angrenzen. In diesem Fall sind die zweidimensionalen Intervallfelder in bezug auf den erwarteten Verlauf der Ortskurve derart definiert, daß ein Ortspunkt der Ortskurve allenfalls an der Grenzfläche zweier Intervallfelder liegen kann. Ein Grenzpunkt, an dem drei oder noch mehr Intervallfelder aneinander stoßen, ist hierbei ausgeschlossen. Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß bei einer Kombination von aufgenommenen Momentanwerten allenfalls eine Zweideutigkeit hinsichtlich der Zuordnung zu einem zulässigen Intervallfeld bestehen kann, jedoch keinesfalls eine Dreioder Mehrdeutigkeit. Hierdurch wird der Aufwand und infolge dessen die Geschwindigkeit bei der Durchführung des Vergleichs reduziert .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung Mittel auf, mit denen zumindest die Drehgeschwindigkeit der Welle bestimmbar ist. Darüber hinaus können die genannten Mittel auch geeignet sein, die jeweilige Winkelposition der Welle und/oder deren Drehrichtung zu bestimmen. Die Bestimmung kann mit Hilfe an sich bekannter Verfahren anhand der Auswertung des ersten und zweiten Signals erfolgen. Die Maßnahme besitzt den Vorteil, daß anhand der bestimmten Werte eine weitere Fehlerüberprüfung durch einen Vergleich mit entsprechenden Werten eines Drehzahl-Steuergerätes möglich ist. Alternativ kann aufgrund der genannten Maßnahme auch die Verwendung eines weiteren Drehzahl-Steuergerätes vermieden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Meßmittel für das erste und das zweite Signal jeweils einen eigenständigen Aufnahmekanal auf.
Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die Signalwege für die beiden genannten Signale vollständig voneinander getrennt sind, wodurch die Fehlersicherheit der Vorrichtung nochmals verbessert wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden getrennten Aufnahmekanäle diversitär, d.h. mit unterschiedlichen Bauelementen aufgebaut sind. In diesem Fall ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein Fehler die aufgenommenen Momentanwerte des ersten und zweiten Signals zu einem Zeitpunkt in ein und derselben Weise verändert, nochmals reduziert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zwei zueinander redundante Vergleicher auf, deren Vergleichsergebnisse einer Überwachungseinheit zugeführt sind.
Auch durch diese Maßnahme wird die Fehlersicherheit der Vorrichtung nochmals verbessert, da hierdurch auch ein Fehler innerhalb der Vergleicher zuverlässig erkannt werden kann. Beson- ders bevorzugt ist es, wenn die zueinander redundanten Vergleicher diversitär aufgebaut sind. Die Überwachungseinheit ist bevorzugt ebenfalls zweikanalig aufgebaut, wobei jeder der beiden Kanäle einem der beiden zueinander redundanten Vergleicher zugeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung als modulares Zusatzgerät für ein weiteres Drehbewegungs- auswertegerät ausgebildet.
Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in bestehenden Anlagen auf einfache und kostengünstige Weise nachgerüstet werden kann. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei der Neuerstellung von Anlagen in Kombination mit gleichen und/oder anderen Drehbewegungserfassungsgeräten, insbesondere Standardbausteinen, verwendet werden. Hierdurch läßt sich ein insgesamt kostengünstiger Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichen.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 das Funktionsschaltbild eines Resolvers,
Fig. 3 das Ein- und die Ausgangssignale des Resolvers gemäß Fig. 2,
Fig. 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 5 das Blockschaltbild der Meß- und Auswertemittel des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4,
Fig. 6 die geometrische Beziehung, anhand der aufgenommene Momentanwerte des erste und zweiten Signals bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 miteinander verglichen werden,
Fig. 7 eine Definition zulässiger Intervallfelder, anhand der aufgenommene Momentanwerte des ersten und zweiten Signals bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 miteinander verglichen werden und
Fig. 8 ein weiteres Beispiel einer Definition zulässiger Intervallfelder für den Fall, daß die geometrische Beziehung einen Vollkreis beschreibt.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle nach dem Stand der Technik in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die zu überwachende Welle 12 wird von einem Motor 14 in Richtung des Pfeils 16 angetrieben. Bei dem Motor 14 handelt es sich beispielhaft um einen Drehstrom-Motor, dessen Stator 18 und Rotor 20 hier nur schematisch dargestellt sind.
Mit der Bezugsziffer 22 ist ein Resolver bezeichnet, dessen Funktion nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert ist. Die Statorsignale 24 und 26 des Resolvers 22 sind einer Antriebssteuerung 28 zugeführt. In umgekehrter Richtung versorgt die Antriebssteuerung 28 den Rotor des Resolvers 22 mit dem Rotorsignal 30.
Mit der Bezugsziffer 32 sind zwei voneinander unabhängige In- krementalgeber bezeichnet, die die Bewegung von Nocken 34 aufnehmen, die auf der Welle 12 angeordnet sind. Die Ausgangssignale der beiden Inkrementalgeber 32 sind einem sicheren Auswertegerät 36 zugeführt, das in an sich bekannter Weise mit Hilfe der Inkrementalgeber 32 einen Stillstand oder eine limitierte Drehbewegung der Welle 12 überwacht. Das Auswertegerät 36 weist ein Auslöseelement 38 auf, das seinerseits auf Schalter 40 einwirkt, mit denen die Stromversorgung der Antriebssteuerung 28 bzw. des Motors 14 unterbrochen werden kann. Sobald von dem sicheren Auswertegerät 36 ein Fehler oder eine unzulässig hohe Drehzahl der Welle 12 festgestellt wird, wird der Antrieb der Welle 12 abgeschaltet.
Die Vorrichtung 10 ist in der hier beschriebenen Art und Weise aufgrund ihrer Verwendung bei der Überwachung von Drehbewegungen einer Welle 12 bekannt. Sie besitzt jedoch die bereits eingangs genannten Nachteile hinsichtlich des Aufwandes und der Kosten aufgrund der mehrfach benötigten Sensoren, die im vor- liegenden Fall der Resolver 22 bzw. die Inkrementalgeber 32 sind.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der weiteren Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente, die bereits anhand Fig. 1 erläutert wurden.
Der an sich bekannte Aufbau und die Funktion des Resolvers 22 ist zur vollständigen Darstellung der vorliegenden Erfindung anhand des Funktionsschaltbildes in Fig. 2 sowie der Resolver- signale in Fig. 3 nochmals erläutert. Der Resolver 22 weist einen Rotor 50 auf, der drehfest auf der Welle 12 angeordnet ist. Infolge dessen folgt der Rotor 50 der Drehbewegung der Welle 12. Der Rotor 50 besitzt zwei elektrisch miteinander verbundene Spulenwicklungen, von denen eine ausgangsseitig mit zwei Statorwicklungen 52, 54 eines konzentrisch zu dem Rotor angeordneten Stators transformatorisch gekoppelt ist. Über die andere der beiden Rotorwicklungen wird der Rotor ebenfalls transformatorisch mit dem Rotorsignal 30 versorgt, das in Fig. 3 mit UR bezeichnet ist. Die Statorwicklungen 52, 54 des Resolvers 22 sind im Regelfall um einen Drehwinkel a der Welle 12 von 90° zueinander versetzt angeordnet. Dies hat zur Folge, daß die Statorsignale 24, 26 des Resolvers 22 zeitlich versetzt zueinander amplitudenmoduliert sind, wie dies in Fig. 3 anhand der beiden Signale Us und Uc dargestellt ist. Die Hüllkurven der beiden Statorsignale Us bzw. Uc verlaufen sinus- bzw. cosinus- förmig. Aus den beiden Statorsignalen Us und Uc können in an sich bekannter Weise der Drehwinkel der Welle 12 und unter Zuhilfenahme des Rotorsignals UR auch die Drehrichtung der Welle 12 bestimmt werden. In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet .
Die Vorrichtung 60 unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 im wesentlichen durch das sichere Auswertegerät 62, dem hier parallel zu der Antriebssteuerung 28 die Statorsignale 24, 26 des Resolvers 22 zugeführt sind. Optional kann dem Auswertegerät 62 auch das Rotorsignal 30 des Resolvers 22 zugeführt sein, wodurch das Auswertegerät 62 zumindest grundsätzlich in die Lage versetzt wird, zusätzlich zu der Überwachung der Drehbewegung der Welle 12 auch sämtliche Bewegungsparameter der Drehbewegung zu bestimmen. Zur Überwachung und Feststellung, ob eine sicherheitskritische Drehbewegung vorliegt, genügt jedoch in der Regel der nachfolgend beschriebene Vergleich der beiden Statorsignale 24, 26.
Eine weitere Besonderheit der Vorrichtung 60 ist, daß das Auswertegerät 62 die Antriebssteuerung 28 hier auch über einen zweiten Abschaltweg 63 abschalten kann, indem es über diesen Weg die Reglerfreigäbe der Antriebssteuerung 28 sperrt.
In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 5 sind die wesentlichen Funktionseinheiten des Auswertegerätes 62 aus Fig. 4 dargestellt. Das Auswertegerät 62 ist durchgehend zweikanalig aufgebaut, d.h. die Statorsignale 24, 26 des Resolvers 22 (Us, Uc) werden in voneinander getrennten, eigenständigen Signalkanälen verarbeitet. Die Kanäle sind mit z.T. unterschiedlichen Bauelementen diversitär aufgebaut, was jedoch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt erforderlich ist. Die Eingangsstufe des Auswertegerätes 62 wird in jedem Kanal von einem Differenzverstärker 64a, 64b gebildet, der eine Impedanzwandlung und Pegelanpassung der vom Resolver 22 gelieferten Statorsignale 24, 26 durchführt. Am Ausgang der Differenzverstärker 64a, 64b stehen die Statorsignale Us, Uc in der in Fig. 3 dargestellten Form an. Diese Signale werden in jedem der beiden Kanäle anschließend einer Gleichrichter-Schaltung 66a, 66b zugeführt. Die Gleichrichter-Schaltungen 66a, 66b führen in Verbindung mit den sich anschließenden Tiefpaß-Schaltungen 68a, 68b in an sich bekannter Weise eine Amplituden-Demodulation der Statorsignale 24, 26 durch. Die dabei erhaltenen Zwischensignale sind für jeden der beiden Kanäle schematisch am Ausgang der jeweiligen Stufe angedeutet.
Am Ausgang der Tiefpässe 68a, 68b liegen die gleichgerichteten sinus- bzw. cosinusförmigen Hüllkurvensignale der Statorsignale 24, 26 an. Diese Signale sind jeweils einem Vergleicher 70, 72 zugeführt, der entsprechend der Erfindung die Momentanwerte der aufbereiteten Statorsignale 24, 26 miteinander vergleicht.
Abweichend von der Darstellung in Fig. 5 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich einer der beiden Vergleicher 70, 72 ausreichend. Die Verwendung zweier voneinander getrennter Vergleicher 70, 72 setzt jedoch die zweikanalige Verarbeitung in dem Sinne fort, daß die Vergleichsergebnisse der beiden Vergleicher 70, 72 in einer anschließenden Überwachungseinheit 74 nochmals gegenseitig überprüft werden können. Hierdurch lassen sich auch Fehler, die innerhalb des Vergleichers 70, 72 auftreten, erkennen. Das Ausgangssignal der Überwachungseinheit 74 löst in dem Fall, daß einer der Vergleicher 70, 72 ein fehlerhaftes Ergebnis liefert, das Auslöseelement 38 zum Abschalten der Antriebsversorgung der Welle 12 aus. Zusatz- lieh wird über den zweiten Abschaltweg 63 die Reglerfreigabe der Antriebssteuerung 28 gesperrt.
Die beiden Vergleicher 70, 72 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel unterschiedlich ausgebildet und arbeiten jeweils nach einem der beiden nachfolgend beschriebenen Verfahren. Hierdurch wird eine besonders große Fehlersicherheit erreicht. Abweichend hiervon ist es jedoch auch möglich, die beiden Vergleicher 70, 72 jeweils auf der Basis nur eines der beiden nachfolgend beschriebenen Verfahren oder sogar einer Abwandlung davon zu realisieren. Für die nachfolgende Beschreibung ist angenommen, daß der Vergleicher 70 eine digitale Recheneinheit in Form eines digitalen Signalprozessors 76 aufweist, während der Vergleicher 72 im wesentlichen einen Speicher 78 beinhaltet, in dem mögliche Kombinationen von Momentanwerten der Statorsignale 24, 26 derart abgespeichert sind, daß hierdurch zulässige Intervallfelder definiert werden, in denen die Ortskurve aus den beiden Statorsignalen 24, 26 bei einem fehlerfreien Betrieb der Vorrichtung verlaufen muß.
Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich am leichtesten anhand von Fig. 6 erkennen. Darin ist ein zweidi- mensionales Koordinatensystem gezeigt, dessen Achsen jeweils einem der beiden Statorsignale Us, Uc zugeordnet sind. Das Koordinatensystem spannt somit die Us-Uc-Ebene auf, in der Kombinationen von Momentanwerten der beiden Statorsignale Ortspunkte definieren. Bei einem fehlerfreien Betrieb der Überwachungsvorrichtung 60 liegen sämtliche möglichen Ortspunkte aufgrund der beschriebenen Anordnung des Resolvers 22 und der hinsichtlich der Signalverarbeitung identischen Kanäle des Auswertegerätes 62 auf einer viertelkreisförmigen Ortskurve 90. Die Ortskurve 90 beschreibt die Bahn des Endpunktes eines Zeigers 92, der vom Ursprung des Koordinatensystems ausgeht und dessen Länge und Richtung von den Momentanwerten der Statorsignale bestimmt werden. Mit der Bezugsziffer 94 ist beispielhaft die Cosinus- Komponente des Zeigers 92 und mit der Bezugsziffer 96 die Sinus-Komponente des Zeigers 92 dargestellt.
Wie bereits erwähnt, bewegt sich der Endpunkt des Zeigers 92 bei einem fehlerfreien Betrieb des Auswertegerätes 62 stets entlang der viertelkreisförmigen Ortskurve 90. Ein Vergleich der Momentanwerte der beiden Statorsignale im Hinblick darauf, daß ein durch sie definierter Zeiger diese Bedingung erfüllt, läßt somit einen Rückschluß auf einen fehlerfreien Betrieb der Vorrichtung 60 zu.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 5 anhand des Vergleichers 70 dargestellt ist, wird die geometrische Beziehung, die die viertelkreisförmige Ortskurve 90 definiert, mit den aufgenommenen Momentanwerten der Statorsignale 24, 26 mit Hilfe des digitalen Signalprozessors 76 berechnet. Die entsprechende Formel hierzu lautet:
Ug + Uc = Konstante.
Dies bedeutet, daß das Quadrat zweier zeitgleich aufgenommener Momentanwerte stets denselben konstanten Wert ergeben muß. Welchen Wert die Summe ergeben muß, hängt von den tatsächlichen Parametern der Verarbeitungskanäle des Auswertegerätes 62 ab. Mit Hilfe einer in dem digitalen Signalprozessor 76 abgespeicherten Rechenvorschrift, die die aufgenommenen Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 als Eingangsgrößen bzw. Variablen verknüpft, kann die Einhaltung der genannten Bedingung exakt über- prüft werden. Dieses Vorgehen beim Vergleich der aufgenommenen Momentanwerte anhand der Ortskurve 90 wird nachfolgend als arithmetische Signalauswertung bezeichnet.
Mit Hilfe der Formel:
θ = arctan —-
kann zudem auch der jeweils aktuelle Drehwinkel der Welle 12 bestimmt werden. Wenn die Veränderung dieses Drehwinkels anschließend über einem Zeitintervall T bestimmt wird, ist darüber hinaus auch die Berechnung der Winkelgeschwindigkeit und damit der Drehzahl der Welle 12 möglich. All diese Operationen können als Rechenvorschrift mit entsprechenden Eingangsgrößen in dem digitalen Signalprozessor 76 abgelegt sein.
Bei dem Vergleicher 72 ist demgegenüber ein anderes Verfahren realisiert, das nachfolgend als analytische Signalauswertung bezeichnet wird. Der Grundgedanke dieses Ausführungsbeispiels wird nun anhand von Fig. 7 erläutert.
In Fig. 7 ist die Us-Uc-Ebene mit der Ortskurve 90 mit einem Raster 98 unterlegt, das durch eine Einteilung der Uc-Achse bzw. der Us-Achse gebildet ist. Innerhalb des Rasters 98 sind zulässige Intervallfelder angedeutet, die mit dem Buchstaben a bis g bezeichnet sind. Die zulässigen Intervallfelder definieren den Bereich, in dem die Ortskurve 90 bei fehlerfreiem Betrieb der Vorrichtung 60 verlaufen muß. Wie zu erkennen ist, ist die Größe und Lage der Intervallfelder a bis g derart gewählt, daß die Punkte der Ortskurve 90 allenfalls im Grenzbe- reich von zwei benachbarten Intervallfeldern, jedoch niemals im Grenzbereich von drei oder mehr benachbarten Intervallfeldern liegen.
Die Grenzen der Intervallfelder sind bei dem Vergleicher 72 in Form von zwölfstelligen binären Codewörtern definiert, deren erste sechs Stellen den Rasterlinien sO bis s5 und deren zweite sechs Stellen den Rasterlinien cO bis c5 entsprechen. So ist bspw. das Intervallfeld d durch das Digitalwort 00x111.00x111 bestimmt. Dabei bedeutet "x", daß hier wahlweise 0 oder 1 stehen kann ("Don't care")
Die demodulierten Statorsignale 24, 26 werden zum Vergleich miteinander im Vergleicher 72 zunächst in einem Datenformat digitalisiert, das dem abgespeicherten Code der zulässigen Intervallfelder a bis g entspricht. Anschließend wird im Speicher 78 des Vergleichers 72 überprüft, ob der auf diese Weise erhaltene Datenwert dem Codewort eines zulässigen Intervallfeldes entspricht. Wenn dies der Fall ist, folgt hieraus, daß die entsprechenden Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 einen Ortspunkt definieren, der innerhalb des entsprechenden Intervallfeldes liegt. Führt hingegen die Digitalisierung der aufgenommenen Momentanwerte nicht zu einem Datenwert, der in der Tabelle des Speichers 78 abgelegt ist, folgt hieraus, daß die aufgenommenen Momentanwerte einen Ortspunkt definieren, der außerhalb der zulässigen Intervallfelder a bis g liegt. In diesem Fall liegt ein Fehler innerhalb der Überwachungsvorrichtung 60 vor.
Insgesamt ist der Vergleich der aufgenommenen Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 in dem Vergleicher 72 etwas ungenauer als in dem Vergleicher 70. Beispielsweise würde ein Ortspunkt 100, der in dem Intervallfeld e abseits der Ortskurve liegt, als zulässig angesehen, so daß der Vergleicher 72 in diesem Fall keinen Fehler der Vorrichtung 60 erkennt. Durch eine geeignete Wahl der Intervallgrenzen kann die Toleranz, innerhalb der Kombinationen von Momentanwerten von der geometrisch exakten Ortskurve 90 abweichen können, jedoch beliebig minimiert werden.
Auch bei dem Vergleicher 72 kann die Drehzahl der Welle 12 aus den aufgenommenen Momentanwerten der Statorsignale 24, 26 bestimmt werden, indem mit Hilfe eines hier nicht dargestellten Zählers die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Intervallfeldübergängen gemessen wird.
Bei einem Auswertegerät 62, mit dem nur eine bestimmte zulässige Drehzahl der Welle 12 sicher überwacht werden soll, genügt ein Vergleich der Momentanwerte der aufgenommenen Statorsignale 24, 26 entlang der viertelkreisförmigen Ortskurve 90. Wenn darüber hinaus jedoch auch die jeweils aktuelle Winkelposition der Welle 12 bzw. deren Drehrichtung überwacht werden sollen, ist es erforderlich, die Ortskurve der Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 entlang eines Vollkreises zu überwachen. Fig. 8 zeigt hierzu eine Definition von Intervallfeldern a bis u, innerhalb derer sich die entsprechende Ortskurve 104 bei einem fehlerfreien Betrieb der Vorrichtung 60 bewegen muß. Der Vergleich der aufgenommenen Momentanwerte im Hinblick auf die Ortskurve 104 erfolgt dabei auf dieselbe Art und Weise, wie zuvor beschrieben.
Unabhängig von der gewählten Realisierung, mit der die aufgenommenen Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 miteinander verglichen werden, ist das Auswertegerät 62 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 als modulares Zusatzgerät für eine stan- dardmäßige Antriebssteuerung 28 ausgebildet. Abweichend hiervon kann das Auswertegerät 62 in einem anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel in die Antriebssteuerung 28 des Motors 14 integriert sein.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle (12), mit Meßmitteln (22) zum Aufnehmen eines ersten (24) und eines zweiten (26) Signals, wobei das erste Signal (24) den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines ersten Referenzpunktes der Welle (12) repräsentiert und wobei das zweite Signal (26) den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines zweiten Referenzpunktes der Welle (12) repräsentiert, wobei ferner der erste und der zweite Referenzpunkt um einen Drehwinkel (α) der Welle (12) voneinander entfernt liegen, ferner mit Auswertemitteln (62), denen das erste und das zweite Signal (24, 26) zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertemittel (62) einen Vergleicher (70, 72) beinhalten, mit dem Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals (24, 26) anhand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung (90; 104) miteinander vergleichbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Vergleicher (70, 72) zeitgleiche Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals (24, 26) vergleichbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Referenzpunkt um einen Drehwinkel (α) von 90° voneinander entfernt liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwege (64, 66, 68) zum Aufnehmen des ersten und des zweiten Signals (24, 26) signaltechnisch gleich aufgebaut sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , daß die Meßmittel (22) einen Resolver beinhalten, dessen Statorsignale das erste und das zweite Signal (24, 26) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (70) eine digitale Recheneinheit (76) aufweist, in der die geometrische Beziehung (90; 104) als Rechenvorschrift unter Verwendung der Momentanwerte als Eingangsgrößen abgespeichert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (72) einen Speicher (78) aufweist, in dem mögliche Kombinationen von Momentanwerten entsprechend der geometrischen Beziehung (90; 104) derart abgespeichert sind, daß fehlerbehaftete Kombinationen von aufgenommenen Momentanwerten erkennbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die abgespeicherten Kombinationen von Momentanwerten zwei- dimensionale, zulässige Intervallfelder (a - g; a - u) definieren, die jeweils an zulässige Nachbar-Intervallfelder (a - g; a - u) angrenzen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Mittel (76) aufweist, mit denen zumindest die Drehgeschwindigkeit der Welle (12) bestimmbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (22) für das erste und das zweite Signal (24, 26) jeweils einen eigenständigen Aufnahmekanal (64a, 64b, 66a, 66b, 68a, 68b) aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei zueinander redundante Vergleicher (70, 72) aufweist, deren Ergebnisse einer Überwachungseinheit (74) zugeführt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie als modulares Zusatzgerät (62) für ein weiteres Drehbewegungsauswertegerät (28) ausgebildet ist.
13. Verfahren zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle (12), bei dem ein erstes (24) und ein zweites (26) Signal mit Meßmitteln (22) aufgenommen wird, wobei das erste Signal (24) den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines ersten Referenzpunktes der Welle (12) repräsentiert und wobei das zweite Signal (26) den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines zweiten Referenzpunktes der Welle (12) repräsentiert, wobei ferner der erste und der zweite Referenzpunkt um einen Drehwinkel (α) der Welle (12) voneinander entfernt liegen, und bei dem das erste und das zweite Signal (24, 26) mit Auswertemitteln (62) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auswerten die Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals (24, 26) anhand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung (90; 104) miteinander verglichen werden.
PCT/EP2000/006394 1999-08-10 2000-07-06 Vorrichtung und verfahren zur erkennung von fehlern in den signalen einer vorrichtung zur überwachung der drehbewegung einer welle WO2001011375A1 (de)

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