CN1225638C - 传感器系统和以其为基础建立的驱动调节装置 - Google Patents

Abstract

按照本发明，模拟分析电路、数字化电路和换算成物理量的换算器可由上一级调节电路转移到传感器系统中，而调节电路通过一个同步高速传输系统与这个新的传感器系统连接。通过这种串行的实时传感器接口能够实现传输系统的网络能力以及更简单地敷设电缆。

Description

传感器系统和以其为基础建立的驱动调节装置

技术领域

本发明涉及一种用于位置检测和/或速度检测和/或加速度检测的传感器系统、一种以这种传感器系统为基础的驱动调节装置和一种将调节单元与一个或多个这样的传感器系统网状连接的方法。

背景技术

为了对电驱动装置的电流和转数进行数字化调节，在各调节节拍中需要有关电机或换能器的位置、速度以及其它类似的信息。

由于上述调节节拍的频率几乎总是高于1kHz，并且要求在检测实际值与将实际值提供给调节用之间有最小的延误时间，所以传统的传感器系统提供的信息是模拟的原始信号。

这些模拟原始信号在能够被用来进行调节之前，先要通过昂贵的屏蔽电缆输送到调节电路，在那里进行模拟处理，转换成数字化信号并换算成物理量。

这意味着，为了能够使用传感器信号，调节电路不仅要包括对应于传感器系统的模拟分析电路，而且对于传感器的工作原理和类型要有准确认识。

此外，模拟信号的传输十分昂贵并且易受干扰，而且通常不能将干扰信号与有用信号区别开来。而出于其它使用目的已经应用在工业自动化领域(如EnDat、SSI Hyperface或Profibus)中的传感器信号的数字化数据传输技术则不能满足为调节电流和转数在调节节拍速率和延误时间方面的高要求。

发明内容

因此，本发明的目的在于创造一种传感器系统，以用于可靠、灵活并且实时性地传输实际值。

本发明的目的通过一种具有下述特征、用于位置检测和/或速度检测的传感器系统来实现：

-一个信号传感器，尤其是一种以电磁学或光学为基础的信号传感器，用于产生模拟的传感器信号，

-一个用于模拟传感器信号的分析电路，

-模/数转换器，用于将已通过分析的模拟传感器信号转换成数字化的输出值，

-一个运算器，用于转换成数字化的物理输出值，尤其是速度值或加速度值或位置值，和

-输出接口，用于在一些为同步化专门确定的(synchronendeterministischen)时刻，尤其是按上一级处理单元的调节节拍将数字化的物理输出值传输给上一级处理单元。

如果同步的输出接口为串行接口，则传感器系统能够特别价廉且有效地制造并且能够联上一个通信网。

如果由同步的输出接口形成为总线系统，则能够建立特别简单的驱动调节装置，它可以支配多根耦合轴，例如多台数字化控制的操纵机械，如机床和机器人。

此外在按照本发明的传感器系统中，可以使用带有和没有多回转级(Multitumstufe)的信号传感器作为分解器(Resolver)或作为高分辨率的光学传感器。类似地也可以使用任意其它技术。

另外这种信号传感器的工作原理在德国、维尔茨堡的Vogel出版社于1989年出版的P.F.Brosch的专业书籍《现代化的变流器驱动》第一版第184页以下的章节7.3.3中描述过。

本发明的传感器系统能够形成一个相对于传统的对模拟传感器原始信号的分析来说、特别简单且抗干扰的带有调节单元的驱动调节装置，其中，传感器系统和调节单元通过同步的传感器系统接口相互通信连接，传感器系统的数字化的物理输出值可以作为传感器实际值按调节节拍同步地传输给以调节为目的的调节单元。

如果由同步的输出接口形成为带有主从结构的通讯系统，这一点被证实是具有优点的，调节单元为主动单元而传感器系统为从动单元。由此能够特别简单地驱动多个带有调节单元的传感器系统。

因此由传感器系统通过同步的输出接口还可以将驱动装置的温度和/或压力和/或流量值作为数字化的物理输出值传输给调节单元。

本发明的目的还可以根据上面所述通过一种使调节单元与一个或多个传感器系统网状连接的方法来实现，该方法具有下列方法步骤：

-去除各传感器物理量和各求值电路与调节电路的连接并转移到各个传感器系统中并

-通过一般的数字化传输协议在调节单元与各传感器系统之间建立通信。

当按照本发明将模拟分析电路、数字化电路和转换成物理量的转换器从上一级调节电路转移到传感器系统中，并通过一个同步的高速传输系统将调节电路与这个新的传感器系统连接的时候，还能够实现下列优点：

-对于现在所实现的数字化传输能够采用比易受干扰的原始信号的模拟传输明显更便宜的电缆，

-数据传输可靠性明显提高并且可以通过可靠性机构如CRC和数(CRC表示循环冗余检验)进行检验，

-通过去除传感器物理量和必要的分析电路与调节电路的连接并通过一般的数字化传输协议能够相互独立地实现传感器系统和调节系统的技术革新，

-通过在传感器系统中对原始信号进行分析，能够使通过数字化信号处理其它数据如速度、加速度、但是也可以是其它的附加实际值如温度、压力等通过传输协议一起供调节用，

-传输协议允许识别和诊断传感器系统并且因此自动地使调节软件适配于所提供的数据，此外还允许识别传感器错误，

-这样实现的传输系统的网络能力允许通过接连排列实现更简单的电缆敷设。

附图说明

下面借助结合附图对实施例的描述对本发明的其它优点和细节予以详细阐述。在所有附图中相同功能的元件用相同的附图标记表示，附图中：

图1示出带有一个驱动调节装置和三个按照本发明的传感器系统的通信网络；

图2为以一个分解器为基础的一个传感器系统的线路方框图。

具体实施方式

图1借助于一个用于三个电机M1至M3的驱动调节装置示出一个带有两个不同通信系统KOMSYS1和KOMSYS2的通信网络，从属于电机的传感器系统G1至G3通过该通信网络与上一级调节单元R通信连接。电机M1和M3为旋转电机，而电机M2为直线电机。图示的装置例如可以是一个工业加工机械，例如是机床或机器人的三个相互耦合的驱动装置。

按照本发明，通过采用高效同步传输系统KOMSYS1和KOMSYS2，全部对于模拟传感器信号的分析都转移到传感器系统G1至G3中进行，并因此在调节电路中可实现与传感器物理结构无关地支配诸如位置、转数、加速度、温度、压力、流量等物理参数。此外当数据循环时间能够明显小于1ms时，对于远在1kHz之上的调节节拍也能保证提供实时传感器数据。传感器同步数据传输的延误时间明显小于20μs。

这个网络中的每个用户，不管是调节单元R还是传感器系统G1至G3，都具有各自的通信功能块Kom，通过这些通信功能块能将这些用户相互连接起来。在此也可以通过总线结构来实现通信。

当通信用户具有两个或多个这样的通信功能块Kom的时候，就能够实现多个单元之间的网状连接。通信系统(在这里为KOMSYS2)由此继续连接到另一个用户。通讯功能块Kom执行数字化传输协议并且能够按调节节拍将必要的传感器实际值提供给调节单元R。

这种实时性同步传输系统的一个适当示例是一个以以太物理网为基础的通信网络，通过一个适合的数字化传输协议，该通信网络可以被训练成一个在时间上能予以确定的(zeitlich deterministischen)通信传输系统。

由于对于图1所示的应用不仅要求高度精确地保持实时条件而且要求传输的高度可靠性，因而(快速)以太网中不能满足这些要求的标准的传输层2(报文框架和存取方法)就要通过新的数据协议和新的存取控制完全重新定义，并进而利用该以太物理网作为例如驱动单元之间实时通信的基础。由此可以实现调节单元R与传感器G1至G3之间的通信。

关于主动单元、例如调节单元R和从动单元、例如本发明的传感器系统G1至G3之间的同步，已证明特别有利的是，各从动单元通过各自的计时器以给定的总循环时间被赋予工作节拍，这样就能实现从动单元与主动单元的同步化。其中，通过接收分别由主动单元确定的从动专有的同步化信息来周期性地确定总循环时间。

为此使用主从通信结构。为了能够实现以相同的扫描时间点循环地交换数据，要建立一个对于主动单元和所有从动单元的公共时间基点。从动单元与主动单元的同步化通过由主动单元向从动单元发出专门标出的、时间上确定的报文以及在从动单元中分别单独参数化的计时器来实现。

为此，可以传输有效数据报文和特殊的含有各同步化信息的同步化报文。也可以选择将同步化信息组合进一个标记性有效数据报文中。

此外，如果从动单元的每个计时器即便在各自的同步信息消失的情况下在给定的总循环时间过后自动地启动一个新的循环，就能够进一步提高通信系统的稳定性。

对于周期性数据传输期间的发送和接收运行，例如可使用时间缝隙-存取方法，该方法由网络中的主动单元激发并能够实现延误时间最小的数据传输。由此可以精确地监测受干扰的、早到的或延迟传输的报文。

为此，为了引入该方法，仅主动单元具有在通讯系统上的发送权并通过一相应的从动专有报文以及总循环时间通知各个仅具有应答权的从动单元，各从动单元应在总循环时间内部的哪些时间缝隙接收主动单元的哪些报文，以及在哪些时间缝隙主动单元应该发送其报文。

此外，如果在引入时间缝隙-存取方法的阶段将相应的同步时刻通知给每个从动单元，已被证实是十分有利的。

如果在各从动单元，即各传感器系统G1至G3中，对于一个共同的时间点，尤其是对于循环开始点存储各瞬时值(位置实际值或速度实际值等)，则能够为调节单元R实现同时且等距的扫描。

此外可以在由主动单元传输到一个从动单元的每个报文中加设检验信息，通过这些信息能够直接激活在从动单元中已有的针对可靠性的功能。

有效数据可以在报文框架内输送，报文框架除了提供有关从动单元地址和报文长度的信息以外还可以通过例如一个CRC校验和数确保数据的完整性同时还能提供其它与安全性有关的数据区。在报文框架中的数据不仅可以由一个应用处理器分析处理也可以由一个通讯功能块Kom来分析处理。

为此，各从动单元通过各报文将信号传送给主动单元。主动单元之后在检验到这个信号消失时使相应的从动单元停止工作。

尽管所使用的传输技术按照以太网标准原则上只允许点对点的连接，但是也可以如(快速)以太网那样通过使用网络节点(所谓的HUB)形成网络，在这个网络中，多个或每个通讯用户具有用以形成网络节点的连接部分，这个连接部分用于继续向另一个主动单元或其它从动单元方向传送报文，其中，通讯用户之间同样可按照前述工作方式通过网络节点进行通信。

借助于上述工作方式，能够在一个具有以太物理网的通讯系统基础上实现实时通讯。此外，通过网络节点使点对点连接与用于执行实时通信的以太物理网实现结合，还能够建立起更大网络拓扑结构的分等级网络。

这一点也适用于一个分布式驱动系统的网状连接或耦合，在这个分布式驱动系统中，调节单元R作为一个通讯系统KOMSYS1或KOMSYS2的主动单元，而该通讯系统具有至少一个从属的传感器系统G1，G2，G3作为从动单元。

通过利用现有的用于办公室通信的高功率传输系统并借助崭新的传输协议，在诸如调节单元R和传感器系统G1至G3的驱动组件以及诸如功率部件和运动控制部件的其它组件之间建立通信连接，使主一从一同步化和时间缝隙一存取方法具备实时性，从而即便是在时间上要求十分严格的应用场合中也可以采用一个高于1kHz的调节节拍。此外，延误时间最小的特性允许通过串行的通讯系统接通高动态调节回路。

当然为了实现本发明的G1至G3并使其与调节单元R网状连接，也可以采用其它的通讯网络来作为前面示例所述的网络，前提是，传输的带宽要保证能按调节节拍进行通讯传输并且延误时间最小。

图2借助一方框线路图示出本发明的传感器系统的结构。在此发出信号的单元以发射机一分解器RS(Transmitter-Resolvers)为基础。当然也可以使用以其它技术原理为基础的同样好的信号发送器，如高分辫率的光学系统或磁系统。

分解器RS与振荡器OSC电路连接用以产生基准信号REF，并在解调后提供正弦SIN信号和余弦COs信号形式的转子位置数据。另外分解器RS和基准振荡器OSC具有接地端子GND，通过接地端子使两个单元位于相同的基准电位上。

这样产生的模拟传感器信号1，即SIN和COs信号输送给一个分析电路A，例如一个经过适当编程用于正弦评估(Sinusbewertung)的存储功能块。接着已分析的传感器信号2随后在模数转换器AD中转换成数字信号3并输送给一个计算单元。这样得到的以分解器RS为基础的信号图在前面已经提及的由德国维尔茨堡Vogel出版社于1989年出版的P.F.Brosch所著的专业书藉《现代化的变流器驱动》第一版第187页中示出。

控制/计算单元林P用于将数字化传感器信号3转换成数字化的物理输出值4。这个输出值可以是速度值和/或加速度值和/或位置值。这样所确定的数字化数值接着输送给一个同步输出接口Kom用于传输给上一级处理单元(在这里为调节单元R))这个数字化数值描述了一个物理量，该物理量是调节单元R为控制与传感器系统G1相配置的电机M1所必需的。

通过这个通讯接口或通讯功能块Kom对已实现的数字化传输协议进行处理，该传输协议看上去例如就象基于一个以太物理网进行传输。因此必需的物理量能够以数字化数据通过实时传感器接口、如一个通讯系统B传送给调节单元R。为此调节单元R根本不需要了解传感器物理结构或其信号发出元件所进行的分析。由此不同的传感器系统能够通过一个和同一个调节单元R运行，而无需专门为了某一个传感器物理结构而对调节单元进行训练。

Claims (7)

1.一种用于位置检测或速度检测或加速度检测的传感器系统(G1，G2，G3)，它包括：

-一个信号传感器(RS)，用于产生模拟的传感器信号(1)，

-一个用于模拟传感器信号(1)的分析电路(A)，

-模/数转换器(A/D)，用于将已通过分析的模拟传感器信号(2)转换成数字化输出值(3)，

-一个运算器(μP)，用于转换成数字化的物理输出值(4)，和

-一个输出接口(Kom)，用于在一些同步化专门确定的时刻，按上一级处理单元(R)的调节节拍将数字化的物理输出值(4)传输(B)给上一级处理单元。

2.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述的同步的输出接口为串行接口。

3.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，由所述的同步的输出接口形成为通信系统(B，KOMSYS 1，KOMSYS 2)。

4.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述信号传感器为分解器(RS)。

5.一种驱动调节装置，它具有如上述任一项权利要求所述的传感器系统(G1，G2，G3)和一个调节单元(R)，该调节单元(R)和所述传感器系统(G1，G2，G3)通过同步的该传感器系统(G1，G2，G3)的输出接口(Kom)相互通信连接，该传感器系统(G1，G2，G3)的数字化的物理输出值(4)作为传感器实际值按调节节拍在一些为使延误时间最小专门确定的时刻传输给调节单元(R)供调节用。

6.如权利要求5所述的驱动调节装置，其特征在于，由所述的同步的输出接口形成为带有主从结构的通信系统(B，KOMSYS 1，KOMSYS 2)，其中，调节单元(R)为主动单元而传感器系统(G1，G2，G3)为从动单元。

7.如权利要求5或6所述的驱动调节装置，其特征在于，通过传感器系统(G1，G2，G3)并经过同步的输出接口(Kom)将驱动装置的温度或压力或流量实际值作为数字化的物理输出值(4)传输给调节单元(R)。

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