WO2002095926A1 - Method and circuit arrangement for electronic stop recognition in synchronous motors - Google Patents

Method and circuit arrangement for electronic stop recognition in synchronous motors Download PDF

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor

Definitions

  • the invention relates to the design and use of synchronous motors as actuators with an actuating range limited by end stops, e.g. for valves and flaps.
  • end positions are usually recognized with limit switches in a mechanical, inductive or optical way.
  • stop detection results from the monitoring of the level of the voltage across both motor phases, as it is e.g. is described in DE 197 30 576 AI and DE 200 21 290.7 Ul.
  • the voltage of the coil supplied via the capacitor is measured here. If this voltage exceeds or falls below a certain limit value, it is concluded that a stop has been reached and the motor is switched off.
  • the device for torque cut-off according to DE 42 11 495 C2 relates to a capacitor motor with a switchable auxiliary winding.
  • the induced voltage is used to generate torque-dependent signals.
  • the phase position and / or the duty cycle of the voltages over the two motor phases A and B are monitored. If the motor reaches an end stop, the phase position and the duty cycle of the signals change, the end stop is recognized and the motor is switched off.
  • Either permanently stored values or the determined measured values from previous periods are used for comparison and as a basis for evaluation and decision-making.
  • the two decision criteria phase position and duty cycle to be evaluated are defined as follows:
  • the phase position is the temporal shift of both signals in relation to a threshold value,
  • the duty cycle results from the ratio of the time in which a signal exceeds a threshold, based on the period.
  • the new method is suitable for both rotary and linear positioning
  • the main advantage of the invention is that no additional elements such as AD converters, comparators, limit switches etc. are required compared to the previous solutions.
  • Fig. 2 shows a concrete embodiment variant of a circuit for stop detection for synchronous motors in a schematic representation
  • Fig. 3 voltage waveforms for signal evaluation and processing.
  • the circuit diagram shown includes the main assemblies motor 4
  • the measurement values for the phase position and / or the on-time of the voltages across the two motor phases 4.1 are recorded, for example, via measurement points 1 to 3 and evaluated in the evaluation and control electronics 6. If an end stop is reached by the actuator, there is, for example, a significant change in the phase position of the voltage across the motor phases 4.1. As a result of this evaluable change, the evaluation and control electronics 6 control the switching element 7 and the energization of the motor 4 is interrupted.
  • FIG. 2 A specific embodiment variant of a circuit diagram for the shutdown control of synchronous motors, which uses the new principle of electronic stop detection, is shown in FIG. 2.
  • the signals are processed with the help of Dl, Rl and D3 or D2, R2 and D4.
  • the negative half-wave is cut away by D1 and D2, by the Zener diodes D3 and D4 the signals (u la u 2a ) are reduced to the voltage level permissible for the microcontroller 6, see FIG. Fig. 3.2.
  • the signal from the input of the microcontroller 6 is recognized as logic 0 or 1.
  • the program in the micro controller measures the on-time (tt) and the phase position (t ps ) of both signals from the square-wave signals (S1, S2) thus created, see Fig. 3.3. These parameters change on certain values or certain differences, a stop is recognized, the motor is switched off.

Abstract

The invention relates to an embodiment and the use of synchronous motors as actuators inside an actuation range which is defined by end stops, for valves and flap valves for example. According to the invention, the phase position and/or the connection time of the voltage for both motor phases A and B (4.1) is monitored. If the motor (4) reaches an end stop, the phase position and the connection time of the signals are modified, the end stop is recognized and the motor is disconnected. Fixed stored values or determined measuring values from previous periods are used for comparison and as a basis for evaluation and decision. According to the invention, purely digital signals and, for example, simple microcontrollers (6) can be used to monitor synchronous motors and to disconnect said motors when the stops are reached. Unlike mechanical systems, no additional constructive complexity is required and adjustment is dispensed with.The novel method is suitable for rotatory and linearly adjusting synchronous motors. The main advantage of the invention is that no additional elements such as AD converters, comparators, position switches are required in comparison with previous methods.

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur elektronischen Anschlagerkennung bei SynchronmotorenMethod and circuit arrangement for electronic stop detection in synchronous motors
Die Erfindung betrifft Ausführung und Einsatz von Synchronmotoren als Stellantriebe bei durch Endanschlägen begrenztem Stellbereich, z.B. für Ventile und Klappen.The invention relates to the design and use of synchronous motors as actuators with an actuating range limited by end stops, e.g. for valves and flaps.
Bei der Ausführung von Stellaufgaben mit Synchronmotoren werden Endlagen üblicherweise mit Endschaltern auf mechanischem, induktivem oder optischem Wege erkannt.When performing actuating tasks with synchronous motors, end positions are usually recognized with limit switches in a mechanical, inductive or optical way.
So ist beispielsweise der Einsatz mechanischer Lösungen zur Präzisierung der Stellvorgänge ein zweifelhafter Ausweg, da der exakte Stellweg oder Stellwinkel von den Montagetoleranzen abhängt. Bei Systemen, die eine Schließfunktion realisieren, ist eine aufwendige mechanische Lösung erforderlich, da der Motor erst abgeschaltet werden darf, wenn der Schließvorgang wirklich abgeschlossen, also z.B. eine Klappe wirklich geschlossen ist. Dazu kommen Probleme, die mit dem Verschleiß mechanischer Systeme und der notwendigen Justage einhergehen.For example, the use of mechanical solutions to clarify the setting processes is a dubious way out, since the exact setting path or setting angle depends on the installation tolerances. Systems that implement a closing function require a complex mechanical solution, since the motor may only be switched off when the closing process is really completed, e.g. a flap is really closed. There are also problems associated with the wear of mechanical systems and the necessary adjustment.
Eine weitere Möglichkeit der Anschlagerkennung ergibt sich aus der Überwachung der Höhe der Spannung über beiden Motorphasen, wie sie u.a. in DE 197 30 576 AI und DE 200 21 290.7 Ul beschrieben wird.A further possibility of the stop detection results from the monitoring of the level of the voltage across both motor phases, as it is e.g. is described in DE 197 30 576 AI and DE 200 21 290.7 Ul.
Hier wird insbesondere die Spannung der über den Kondensator versorgten Spule gemessen. Über- oder unterschreitet diese Spannung einen bestimmten Grenzwert, so wird daraus gefolgert, dass ein Anschlag erreicht wurde und der Motor wird abgeschaltet.In particular, the voltage of the coil supplied via the capacitor is measured here. If this voltage exceeds or falls below a certain limit value, it is concluded that a stop has been reached and the motor is switched off.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass auch in digitalen Steuersystemen die Möglichkeit zur Ermittlung der Spannungshöhe vorhanden sein muß, wodurch üblicherweise zusätzliche Komparatoren oder AD-Wandler notwendig werden. Außerdem ist eine Anpassung an das konkrete Erzeugnis notwendig. Aus DE 28 44 548 AI ist eine Schaltungsanordnung zur Anzeige des Belastungszustandes eines Wechselstrommotors bekannt, bei der die Phasenlage zwischen Motorspannung und -ström verglichen und ausgewertet wird.A disadvantage of this solution is that the possibility of determining the voltage level must also be present in digital control systems, as a result of which additional comparators or AD converters are usually necessary. In addition, an adaptation to the specific product is necessary. From DE 28 44 548 AI a circuit arrangement for displaying the load state of an AC motor is known, in which the phase relationship between motor voltage and current is compared and evaluated.
Die Vorrichtung zur Drehmomentenabschaltung nach DE 42 11 495 C2 bezieht sich auf einen Kondensatormotor mit abschaltbarer Hilfswicklung. Hier wird die induzierte Spannung zur Bildung drehmomentenabhängiger Signale verwendet.The device for torque cut-off according to DE 42 11 495 C2 relates to a capacitor motor with a switchable auxiliary winding. Here, the induced voltage is used to generate torque-dependent signals.
DE 37 19 956 AI beschreibt eine Einrichtung zur Blockiererkennung von Synchronmotoren. Bei dem hier angewendeten Verfahren wird der Motorstrom gemessen und das Signal gefiltert. Beim Auftreten bestimmter Frequenzanteile wird eine Blockade erkannt.DE 37 19 956 AI describes a device for blocking detection of synchronous motors. In the method used here, the motor current is measured and the signal is filtered. A blockage is detected when certain frequency components occur.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, bei Antriebssystemen mit Synchronmotoren einen Endanschlag - auch bei Verwendung einer rein digitalen Steuerung - ohne zusätzliche Bauelemente zu erkennen.Starting from the prior art, it is an object of the invention to recognize an end stop in drive systems with synchronous motors - even when using a purely digital control - without additional components.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.An inventive solution to this problem is specified in claim 1. Developments of the invention are characterized in the subclaims.
Nach der Konzeption der Erfindung werden die Phasenlage und/oder die Einschaltdauer der Spannungen über den beiden Motorphasen A und B überwacht. Erreicht der Motor einen Endanschlag, so ändern sich die Phasenlage und die Einschaltdauer der Signale, der Endanschlag wird erkannt und der Motor wird abgeschaltet.According to the concept of the invention, the phase position and / or the duty cycle of the voltages over the two motor phases A and B are monitored. If the motor reaches an end stop, the phase position and the duty cycle of the signals change, the end stop is recognized and the motor is switched off.
Zum Vergleich und als Bewertungs- und Entscheidungsgrundlage dienen entweder fest eingespeicherte Werte oder die ermittelten Messwerte aus vorangegangenen Perioden.Either permanently stored values or the determined measured values from previous periods are used for comparison and as a basis for evaluation and decision-making.
Die beiden auszuwertenden Entscheidungskriterien Phasenlage und Einschaltdauer werden dabei wie folgt definiert: • die Phasenlage ist die zeitliche Verschiebung beider Signale bezogen auf einen Schwellwert,The two decision criteria phase position and duty cycle to be evaluated are defined as follows: The phase position is the temporal shift of both signals in relation to a threshold value,
• die Einschaltdauer ergibt sich aus dem Verhältnis aus der Zeit, in welcher ein Signal einen Schwellwert überschreitet, bezogen auf die Periodendauer.• The duty cycle results from the ratio of the time in which a signal exceeds a threshold, based on the period.
Das neue Verfahren eignet sich sowohl für rotatorisch als auch für linear stellendeThe new method is suitable for both rotary and linear positioning
Synchronmotoren.Synchronous motors.
Hauptvorteil der Erfindung ist es, dass gegenüber den bisherigen Lösungen keine zusätzlichen Elemente wie AD-Wandler, Komparatoren, Endschalter usw. benötigt werden.The main advantage of the invention is that no additional elements such as AD converters, comparators, limit switches etc. are required compared to the previous solutions.
Wird der Motor bei Erreichen des Endanschlages abgeschaltet, so werden Geräuschentwicklung und Verschleiß vermindert und Montagetoleranzen ausgeglichen. Systeme können sich selbständig an den Stellbereich anpassen. So ist z.B. eine Steuerung für mehrere Stellbereiche verwendbar ohne dass sie neu konfiguriert werden muss. Weiterhin sind iele Steuerungen heute als digitale Systeme aufgebaut. Diese können Zeiten ohne zusätzlichen Aufwand messen. Um analoge Signale (z.B. Spannungspegel) auszuwerten, bedarf es jedoch zusätzlichen Aufwandes. Mit der vorgestellten Lösung werden auch rein digitale Systeme, wie z.B. einfache Microcontroller, in die Lage versetzt, Synchronmotoren zu überwachen und bei Erreichen von Anschlägen abzuschalten. Anders als bei mechanischen Systemen ist kein zusätzlicher konstruktiver Aufwand notwendig und die Justage entfällt.If the motor is switched off when the end stop is reached, noise and wear are reduced and assembly tolerances compensated. Systems can adapt themselves to the operating range. For example, one controller can be used for several control ranges without having to be reconfigured. Furthermore, many controls are now built as digital systems. These can measure times without additional effort. However, additional effort is required to evaluate analog signals (e.g. voltage level). With the presented solution, purely digital systems, such as simple microcontroller, capable of monitoring synchronous motors and switching off when stops are reached. In contrast to mechanical systems, no additional design effort is necessary and adjustment is not necessary.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung. Es zeigenFurther details, features and advantages of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment with reference to the associated drawing. Show it
Fig. 1 ein Schaltschema zur Grundstruktur der Lösung,1 is a circuit diagram of the basic structure of the solution,
Fig. 2 eine konkrete Ausführungsvariante einer Schaltung zur Anschlagerkennung für Synchronmotoren in schematischer Darstellung, Fig. 3 Spannungsverläufe zur Signalauswertung und -aufbereitung. Den Grundaufbau einer Schaltungsanordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßenFig. 2 shows a concrete embodiment variant of a circuit for stop detection for synchronous motors in a schematic representation, Fig. 3 voltage waveforms for signal evaluation and processing. The basic structure of a circuit arrangement for executing the invention
Verfahrens zeigt Fig. 1.1 shows the method.
Das dargestellte Schaltungsschema umfasst die Hauptbaugruppen Motor 4 mitThe circuit diagram shown includes the main assemblies motor 4
Motorphasen 4.1 (A und B), Motorkondensator Cl, Auswerte- und AnsteuerelektronikMotor phases 4.1 (A and B), motor capacitor Cl, evaluation and control electronics
6 sowie ein Schaltelement 7 zur Abschaltung des Synchronmotors bei Erreichen einer6 and a switching element 7 for switching off the synchronous motor when a
Endlage.End position.
Über die Messpunkte 1 bis 3 werden beispielsweise die Messwerte für die Phasenlage und/oder die Einschaltdauer der Spannungen über den beiden Motorphasen 4.1 erfaßt und in der Auswerte- und Ansteuerelektronik 6 ausgewertet. Wird vom Stellantrieb ein Endanschlag erreicht, so kommt es beispielsweise zu einer signifikanten Änderung der Phasenlage der Spannung über den Motorphasen 4.1. Im Ergebnis dieser auswertbaren Änderung wird von der Auswerte- und Ansteuerelektronik 6 das Schaltelement 7 angesteuert und die Bestromung des Motors 4 wird unterbrochen.The measurement values for the phase position and / or the on-time of the voltages across the two motor phases 4.1 are recorded, for example, via measurement points 1 to 3 and evaluated in the evaluation and control electronics 6. If an end stop is reached by the actuator, there is, for example, a significant change in the phase position of the voltage across the motor phases 4.1. As a result of this evaluable change, the evaluation and control electronics 6 control the switching element 7 and the energization of the motor 4 is interrupted.
Eine konkrete Ausfuhrungsvariante eines Schaltschemas zur Abschaltsteuerung von Synchronmotoren, die das neue Prinzip der elektronischen Anschlagerkennung nutzt, zeigt Fig 2.A specific embodiment variant of a circuit diagram for the shutdown control of synchronous motors, which uses the new principle of electronic stop detection, is shown in FIG. 2.
Die Spannung (m. u2) über den Motorphasen 4.1 wird an den Punkten 1 und 2 abgenommen, s. auch Kurvenverläufe in Fig. 3.1.The voltage (m. U 2 ) over the motor phases 4.1 is removed at points 1 and 2, see. also curves in Fig. 3.1.
Mit Hilfe von Dl, Rl und D3 bzw. D2, R2 und D4 erfolgt die Signalaufbereitung. Die negative Halbwelle wird durch Dl bzw. D2 weggeschnitten, durch die Zenerdioden D3 und D4 werden die Signale (ula u2a) auf die für den Microcontroller 6 zulässige Spannungshöhe reduziert, s. Fig. 3.2.The signals are processed with the help of Dl, Rl and D3 or D2, R2 and D4. The negative half-wave is cut away by D1 and D2, by the Zener diodes D3 and D4 the signals (u la u 2a ) are reduced to the voltage level permissible for the microcontroller 6, see FIG. Fig. 3.2.
Mit Erreichen der pegeltypischen Schaltschwelle wird das Signal vom Eingang des Microcontroller 6 als logisch 0 oder 1 erkannt. Das Programm im Micro Controller misst von den so entstandenen Rechtecksignalen (Sl, S2) die Einschaltdauer (t t ) und die Phasenlage (tps) beider Signale, s. Fig. 3.3. Ändern sich diese Kenngrößen auf bestimmte Werte bzw. um bestimmte Differenzen, so wird ein Anschlag erkannt, der Motor wird abgeschaltet.When the level-typical switching threshold is reached, the signal from the input of the microcontroller 6 is recognized as logic 0 or 1. The program in the micro controller measures the on-time (tt) and the phase position (t ps ) of both signals from the square-wave signals (S1, S2) thus created, see Fig. 3.3. These parameters change on certain values or certain differences, a stop is recognized, the motor is switched off.
LISTE DER BEZUGSZEICHENLIST OF REFERENCES
1 Messpunkt1 measuring point
2 Messpunkt2 measuring point
3 Messpunkt3 measuring point
4 Motor4 engine
4.1 Motorphasen4.1 Motor phases
5 Stränge mit D1/D2, R1/R2, D3/D45 strands with D1 / D2, R1 / R2, D3 / D4
6 Auswerte- und Ansteuerelektronik, Microcontroller6 evaluation and control electronics, microcontroller
7 Schaltelement 7 switching element

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur elektronischen Anschlagerkennung bei Synchronmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage und/oder die Einschaltdauer der Spannungen über den beiden Motorphasen A und B (4.1) gemessen werden und eine Änderung der Einschaltdauer und/oder der Phasenlage als Entscheidungskriterien für das Erkennungen eines Anschlages und damit das Abschalten des Motors (4) dienen.1. A method for electronic stop detection in synchronous motors, characterized in that the phase position and / or the duty cycle of the voltages across the two motor phases A and B (4.1) are measured and a change in the duty cycle and / or the phase shift as decision criteria for the detection of a Stop and thus switch off the motor (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewertungs- und Entscheidungsgrundlage der Vergleich der aktuellen Messwerte von Phasenlage und/oder Einschaltdauer mit fest eingespeicherten Werten oder ermittelten Meßwerten aus vergangenen Perioden herangezogen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the evaluation and decision-making basis is the comparison of the current measured values of phase position and / or duty cycle with permanently stored values or determined measured values from past periods.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Abschaltung des jeweiligen Motors (4) bei erkanntem Endanschlag auch zusätzliche Aktionen, wie eine Umkehr der Drehrichtung u.a.m. ausgelöst werden kann.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in addition to switching off the respective motor (4) when the end stop is detected, additional actions such as reversing the direction of rotation and the like. can be triggered.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung u1; u an den Messpunkten (1, 2) bezogen auf die Masse (3) abgenommen wird und die Signalaufbereitung mit Hilfe der beiden zwischen den Messpunkten (1, 2) und Masse (3) liegenden Stränge (5) mit Gleichrichter Dl, Widerstand Rl, Zenerdiode D3 und/oder Gleichrichter D2, Widerstand R2 und Zenerdiode D4 erfolgt, wobei die negative Halb welle durch die Dioden Dl, D2 weggeschnitten wird und die auszuwertenden Spannungssignale ula, u2a durch die Zenerdioden D3, D4 auf die für die Auswerte- und Ansteuerelektronik (6) zulässige Spannungshöhe beschränkt wird (Fig. 2).4. Arrangement for performing the method according to claim 1 to 3, characterized in that the voltage u 1; u at the measuring points (1, 2) is taken off in relation to the mass (3) and the signal conditioning with the help of the two strands (5) between the measuring points (1, 2) and mass (3) with rectifier Dl, resistor Rl, Zener diode D3 and / or rectifier D2, resistor R2 and Zener diode D4 takes place, the negative half-wave being cut away by the diodes D1, D2 and the The voltage signals u la , u 2a to be evaluated are limited by the zener diodes D3, D4 to the voltage level permissible for the evaluation and control electronics (6) (FIG. 2).
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Auswerte- und Ansteuerelektronik (6) ein Microcontroller MCU vorgesehen ist.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that a microcontroller MCU is provided as the evaluation and control electronics (6).
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Schalter SW1 (7) vorhanden ist. 6. Arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that only one switch SW1 (7) is present.
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