DE102006042038B3

DE102006042038B3 - Verfahren und Vorrichtung zur sicheren Drehmomentbegrenzung

Info

Publication number: DE102006042038B3
Application number: DE200610042038
Authority: DE
Inventors: Günter Schwesig
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: US7737652B2; US20080061721A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Drehmomentbegrenzung eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten Drehstrommotors (6). Erfindungsgemäß werden Phasenstrom-Istwerte (iR, iS, iT) des Drehstrommotors (6) erfasst, aus denen zweikanalig jeweils ein Summenstromsignal berechnet und auf einen Summenwert Null überprüft werden, wird ein Rotorlagewinkel $I1 zweikanalig ermittelt, und werden drehmomentbildende Stromkomponenten $I2 der beiden orthogonalen feldorientierten Stromkomponenten (i1, i2) eines Ständerstrom-Raumzeigers in Abhängigkeit dieser sicher ermittelten Phasenströme (iR, iS, iT) und der sicher erzeugten Rotorlagewinkel $I3 zweikanalig berechnet, wobei bei Summenwert ungleich Null und/oder bei Ungleichheit der zweikanalig berechneten drehmomentbildenden Stromkomponenten $I4 der Drehstrommotor (6) zweikanalig drehmomentfrei geschaltet wird. Somit erhält man eine Sicherheitsfunktion "sichere Momentenbegrenzung", die in handelsübliche Umrichtergeräte integriert werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sicheren Drehmomentbegrenzung eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten Drehstrommotors und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Beim Einsatz von elektrischen Antrieben in der industriellen Automatisierungstechnik, z.B. bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen und Robotern, wird ein möglichst hoher Schutz von Mensch und Maschine angestrebt. Viele Antriebe an Maschinen führen zu Gefahr bringenden Bewegungen, von denen Menschen geschützt werden müssen. Während man bisher Antriebssteuerungen vom Netz getrennt hat, wenn manuelle Eingriffe zur Störungsbeseitigung, zum Einrichten usw. erforderlich waren, gibt es heute Anwendungen, bei denen dies nicht gewünscht oder nicht möglich ist. Vielfach sind zudem Eingriffe bei laufender Maschine notwendig, so dass der Betrieb bei aufgehobener Schutzwirkung von Schutzeinrichtungen erforderlich wird. Hierzu sind Sicherheitsfunktionen wie sicherer Halt, sicher reduzierte Geschwindigkeit und sicheres Stillsetzen definiert worden, die teilweise unter Verwendung von herkömmlichen Frequenzumrichtern realisiert werden können oder die in Frequenzumrichtern integriert sind.
In der Veröffentlichung mit dem Titel "Satety in Bewegung – Sicherheitsfunktionen für Antriebssteuerungen in der Praxis", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "elektrotechnik", Heft 9, 2003, Seiten 34 bis 36, werden die Realisierungen sicherer Schutzmaßnahmen vorgestellt. Zu diesen sicheren Schutzmaßnahmen zählen in dieser Veröffentlichung sichere Impulssperre (sicherer Halt) und die sichere Bewegungssteuerung. Durch die Integration der Sicherheitstechnik in die funktionelle Maschinensteuerung entstehen zweikanalige Rechnerstrukturen. Das Ausschalten eines Antriebs erfolgt ebenfalls zweikanalig über die "sichere Impulssperre". Somit verfügen die beiden Rechner der zweikanaligen Rechnerstruktur jeweils über einen unabhängigen Abschaltpfad. Um Fehler in der Steuerung erkennen zu können, führen die beiden Rechner der zweikanaligen Rechnerstruktur neben Selbsttests u.a. einen kreuzweisen Datenvergleich durch, indem sie sicherheitsrelevante Daten gegenseitig vergleichen.
Mit dem Ausdruck "sicher" soll dabei zum Ausdruck gebracht werden, dass die jeweiligen Anforderungen im Sinne der Berufsgenossenschaft und berufsgenossenschaftlichen Institute für Arbeitssicherheit erfüllt werden.
Mit diesen Funktionen können derzeit nicht alle Gefährdungssituationen beherrscht werden. Anhand eines Beispiels wird dies näher erläutert:
Eine Maschinenkomponente besteht aus angetriebenen Walzen. Ein Gut wird über diese Walzen befördert oder bearbeitet. Zu Wartungszwecken, zur Reparatur, zur Reinigung oder zum Entfernen von verklemmtem Gut muss der Bediener in die Maschinenkomponente hineinlangen. Für diesen Vorgang ist jedoch die Bewegung der Walzen erforderlich. Dazu werden die Walzen mit sicherer reduzierter Geschwindigkeit, beispielsweise gemäß der DE 101 63 010 A1 bzw. der DE 100 59 172 A1 (geberlos) betrieben. Trotz der reduzierten Geschwindigkeit besteht jedoch Gefährdungspotential. Gerät beispielsweise ein Finger zwischen die Walzen, so wird dieser verletzt bzw. es ist nicht mehr möglich, sich bei Gefahr von der Gefahr auslösenden Maschinenkomponente zu entfernen.
Um dieses Gefährdungspotential sicher beherrschen zu können, muss zusätzlich zur sicheren Geschwindigkeitsbegrenzung eine sichere Momentenbegrenzung wirksam sein. Das Drehmoment wird dahingehend begrenzt, dass beim Eindringen des Fingers zwischen die Walzen, die Walzen nur so viel Moment aufbringen, bei dem noch keine Verletzungsgefahr besteht bzw. das Gegenmoment des Fingers die Walzen zum Stillstand bringt.
Derzeit werden zur Drehmomentbegrenzung Rutschkupplungen, Sollbruchstellen oder Drehmomentsensoren eingesetzt. Neben diesen verwendeten Elementen kann der Drehstrommotor mit einer entsprechend hohen Stillstandszeit stillgesetzt werden.
Aus der EP 1 248 342 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer permanent erregten feldorientiert betriebenen Synchronmaschine im Fehlerfall bekannt. Gemäß diesem Verfahren werden im Fehlerfall die in Abhängigkeit eines Momenten-Sollwertes und einer ermittelten Kreisfrequenz erzeugten feldorientierten orthogonalen Stromkomponenten-Sollwerte von einer zweikanaligen Stromregelung getrennt. Anstelle dieser Stromkomponenten-Sollwerte werden Stromkomponenten eines Fehlerprozessors als Sollwerte der zweikanaligen Stromregelung zugeführt. Dabei wird die drehmomentbildende Stromkomponente vom Fehlerprozessor derart vorgegeben, dass jeder positive Wert dieser Stromkomponente auf einen kleinen Wert oder auf einen Wert Null begrenzt wird. Dadurch wird auch ein Motormoment der permanent erregten feldorientiert betriebenen Synchronmaschine begrenzt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Drehmomentbegrenzung sicher auszuführen und in die funktionale Maschinensteuerung zu integrieren.
Diese Aufgabe wird einerseits erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 (Verfahren) oder des Anspruchs 2 (Verfahren) und andererseits erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 8 (Vorrichtung) oder Anspruch 9 (Vorrichtung) gelöst.
Maßgeblich für das Drehmoment eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten Drehstrommotors ist die drehmomentbildende Stromkomponente der beiden orthogonalen feldorientierten Stromkomponenten eines Ständerstrom-Raumzeigers. Diese wird mittels einer zweikanaligen Rechnerstruktur berechnet, mittels eines kreuzweisen Datenvergleichs miteinander verglichen und bei Überschreitung eines vorbestimmten Grenz wertes wird der Drehstrommotor ebenfalls zweikanalig mittels einer sicheren Impulssperre drehmomentenfrei geschaltet.
Die zweikanalige Berechnung der drehmomentbildenden Stromkomponente eines feldorientierten Ständerstrom-Raumzeigers ist nur dann sicher im Sinne der Berufsgenossenschaften und der berufsgenossenschaftlichen Institute für Arbeitssicherheit, wenn ein Ständerstrom-Istraumzeiger sicher ermittelt wird und mittels eines sicher erzeugten Rotorlagewinkels in einem feldorientierten Ständerstrom-Istraumzeiger transformiert wird. Dazu wird der Rotor-Lagewinkel zweikanalig ermittelt. Für die sichere Ermittlung eines Ständerstrom-Istraumzeigers werden die Phasenströme des Drehstrommotors erfasst und zweikanalig jeweils ein Summenstromsignal gebildet und auf einen Summenwert Null überprüft.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird ein Drehmoment eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten Drehstrommotors sicher begrenzt.
Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur sicheren Drehmomentbegrenzung eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten Drehstrommotors unterscheidet sich vom ersten erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, dass ein gebildetes Summenstromsignal einkanalig auf den Summenwert Null überprüft wird und dass ein bei einer zahlenmäßigen Aufbereitung ermittelter Phasenströme auftretender Normierfehler ermittelt wird. Ein derartiges Verfahren ist kostengünstiger zu realisieren, ohne dabei die Kriterien für eine sichere Drehmomentbegrenzung nicht mehr erfüllen zu können.
Eine erste Vorrichtung zur Durchführung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zur sicheren Drehmomentbegrenzung weist zwei Mikroprozessorsysteme auf, denen jeweils ein Rotorlagewinkel und gemessene Phasenströme des Drehstrommotors zugeführt werden. Jedes Mikroprozessorsystem weist eine Koordinatentransformations-Einrichtung, eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung, eine Grenzüberwachung und eine Impuls löscheinrichtung auf. Datentechnisch verbunden sind diese beiden Mikroprozessorsysteme mittels einer Kommunikations-Einrichtung. Somit ist diese erste Vorrichtung durchgehend für die sichere Drehmomentbegrenzung zweikanalig aufgebaut.
Soll aus Kostengründen nur eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung eingesetzt werden oder steht in einem bestehenden Antriebssystem nur eine Sensor-Aufbereitungseinrichtung zur Verfügung, weist die zweite Vorrichtung eine Einrichtung zur Erfassung eines Normierfehlers auf. Dadurch ist diese Vorrichtung gegenüber der ersten Vorrichtung kostengünstiger, ohne die Kriterien für eine sichere Drehmomentbegrenzung zu verletzen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur sicheren Drehmomentbegrenzung schematisch veranschaulicht sind.
1 zeigt ein Funktionsprinzip eines drehzahlveränderbaren Drehstromantriebs, in der
2 ist ein Ersatzschaltbild einer Antriebsregelung eines drehzahlveränderbaren Drehstromantriebs nach 1 dargestellt, die
3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur sicheren Drehmomentbegrenzung, wobei in der
4 ein Ersatzschaltbild einer zweiten Vorrichtung veranschaulicht ist, die
5 zeigt ein Funktionsprinzip einer ersten Ausführungsform einer Einrichtung zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers und in der
6 ist ein Funktionsprinzip einer zweiten Ausführungsform einer Einrichtung zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers dargestellt.
In der Darstellung des Funktionsprinzips eines drehzahlveränderbaren Drehstromantriebs gemäß 1 sind mit 2 ein netzseitiger Stromrichter, mit 4 ein lastseitiger Stromrichter, mit 6 ein Drehstrommotor, mit 8 eine Lageerfassungs-Einrichtung, mit 10, 12, 14 jeweils eine Stromerfassungs-Einrichtung, mit 16 eine Antriebsregelung und mit 18 ein Zwischenkreiskondensator bezeichnet. In diesem Funktionsprinzip sind ebenfalls Stromerfassungs-Einrichtungen 20, 22 und 24 dargestellt, mit denen Netzphasenströme i_L1, i_L2, i_L3 eines speisenden Netzes erfasst werden, und eine Stromerfassungs-Einrichtung 26, mit der ein Zwischenkreisstrom i_ZK erfasst wird. Als netzseitiger Stromrichter 2 kann ein Diodengleichrichter oder ein rückspeisefähiger Stromrichter, beispielsweise ein selbstgeführter Pulsstromrichter, vorgesehen sein.
Wird netzseitig ein selbstgeführter Pulsstromrichter verwendet, der auch als Active-Front-End (AFE) bezeichnet wird, so werden die netzseitigen Stromerfassungs-Einrichtungen 20, 22 und 24 benötigt. Diese entfallen, wenn netzseitig ein Diodengleichrichter verwendet wird. Als lastseitiger Stromrichter 4 wird ein selbstgeführter Pulsstromrichter verwendet, der auch als Wechselrichter bezeichnet wird, da der lastseitige Stromrichter überwiegend Leistung zum Drehstrommotor 6 führt. Diese beiden Stromrichter 2 und 4 sind gleichspannungsseitig mittels des Zwischenkreiskondensators 18 elektrisch leitend verbunden. Für einen dynamischen Antrieb wird eine Lageerfassungs-Einrichtung 8 benötigt, aus dessen Lagewinkel λ_S mittels Differenziation ein Drehzahl-Istwert n erzeugt wird. Damit der lastseitige Stromrichter 4 bzw. unter Umständen auch der netzseitige Stromrichter 2 angesteuert werden können, sind der Antriebsregelung 16 die Motorphasenströmen i_R, i_S und i_T, auch als Umrichterausgangsströme bezeichnet, der Lagewinkel λ_S, eine Zwischenkreisspannung U_ZK und ein Zwischenkreisstrom i_ZK zugeführt. Aus diesen Messwerten und vorbestimmten Sollwerten n^* für die Drehzahl und/oder m^* für das Drehmoment berechnet diese Antriebsregelung 16 in Abhängigkeit von Motorparametern zumindest Ansteuersignale A1, A2 und A3 für den lastseitigen Stromrichter 4. Die Baueinheiten 2, 4, 10, 12, 14, 16 und 18 bilden einen Umrichter, insbesondere einen Spannungszwischenkreis-Um-richter, der im Handel auch als Frequenzumrichter bezeichnet wird.
In der 2 ist beispielhaft eine Ausführungsform der Antriebsregelung 16 des Drehstromantriebs gemäß 1 schematisch dargestellt. Diese Antriebsregelung 16 ist eine feldorientierte Regelung. Diese feldorientierte Regelung weist eine Koordinatentransformations-Einrichtung 28, eine unterlagerte Stromregeleinrichtung 30 und einen Drehzahlregler 32 auf. Außerdem weist diese Antriebsregelung 16 einen Differenzierer 34, einen Vergleicher 36 und einen Modulator 38 auf. Die Ausgänge der Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 sind jeweils mittels eines Normierungsfaktors K1, K2 und K3 mit der Koordinatentransformations-Einrichtung 28 verknüpft.
Diese Koordinatentransformations-Einrichtung 28 ist ebenfalls mit einem Ausgang der Lageerfassungs-Einrichtung 8 verknüpft, der ebenfalls mit einem Eingang des Differenzierers 34 verbunden ist. Ausgangsseitig ist dieser Differenzierer 34 mit einem negativen Eingang des Vergleichers 36 verknüpft. Am positiven Eingang dieses Vergleichers 36 steht ein vorbestimmter Drehzahl-Sollwert n^* an. Ausgangsseitig ist dieser Vergleicher 36 mit dem Drehzahlregler 32 verbunden, dessen Ausgang mittels eines Begrenzers 40 mit einem Eingang der unterlagerten Stromregeleinrichtung 30 verbunden ist.
Die Ausgangsgröße des Drehzahlreglers 32 ist eine feldorientierte Stromkomponente i₂, die dem Drehmoment m des Drehstrommotors 6 proportional ist. Aus diesem Grund wird diese Stromkomponente i₂ auch als drehmomentbildende Stromkomponente i₂ bezeichnet. Eine zweite feldorientierte Stromkomponente i₁ ist einem Fluss in dem Drehstrommotor 6 proportional. Deswegen wird diese Stromkomponente als flussbildende Stromkomponente i₁ bezeichnet. Diese beiden Stromkomponenten i₁ und i₂ sind rechtwinklig zueinander angeordnet. Da diese beiden orthogonalen feldorientierten Stromkomponenten i₁ und i₂ eines feldorientierten Ständerstrom-Raumzeigers der unterlagerten Stromregeleinrichtung 30 zugeführt werden, handelt es sich hier um Sollwerte i * / 1 und i * / 2. Diese unterlagerte Stromregeleinrichtung 30 erhält von der Koordinatentransformations-Einrichtung 28 zwei Stromkomponenten-Istwerte i₁ und i₂. Da zwei Stromkomponenten i₁ und i₂ geregelt werden sollen, weist diese unterlagerte Stromregeleinrichtung 30 zwei Stromregler auf.
An den Ausgängen eines jeden Stromreglers steht eine feldorientierte Ständerspannungs-Komponente an, aus denen mittels einer zweiten Koordinatentransformations-Einrichtung und des Lagewinkels λ_S ständerorientierte Phasenspannungen u * / R, u * / S und u * / T als Stellspannung generiert werden. Aus diesen Phasenspannungen u * / R, u * / S und u * / T werden mittels des Modulators 38 An steuersignale A1, A2 und A3 für den lastseitigen Stromrichter 4 generiert.
Ein Drehzahl-Istwert n für den Drehzahlregler 32 wird durch zeitliche Ableitung des ermittelten Lagewinkels λ_S ermittelt. Diese zeitliche Ableitung wird im Differenzierer 34 ausgeführt.
Als flussbildender Stromkomponenten-Sollwert i * / 1 wird in dieser Ausführungsform der Antriebsregelung 16 der Werte Null der unterlagerten Stromregeleinrichtung 30 zugeführt. Daraus kann geschlossen werden, dass als Drehstrommotor 6 ein permanenterregter Synchronmotor vorgesehen ist. Bei einem Asynchronmotor ist dieser Stromkomponenten-Sollwert i * / 1 entsprechend einem vorbestimmten Flusswert vorgegeben.
Bei im Handel erhältlichen Antriebsregelungen 16 eines Umrichters wird dieser als Mikroprozessorsystem μC1 ausgeführt.
In der 3 ist eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Drehmomentbegrenzung schematisch dargestellt. Diese Vorrichtung weist neben der Antriebsregelung 16 (Mikroprozessorsystem μC1) ein zweites Mikroprozessorsystem μC2 auf. Dieses Mikroprozessorsystem μC2 ist vorteilhafterweise bereits im Umrichter vorhanden. Ein zweites Mikroprozessorsystem μC2 wird bevorzugt für die Kommunikation Mensch – Maschine vorgesehen. Diese beiden Mikroprozessorsysteme μC1 und μC2 sind mittels einer Kommunikations-Einrichtung 42 datentechnisch miteinander verbunden. Mittels dieser Kommunikations-Einrichtung 42, insbesondere einem Bussystem, wird ein kreuzweiser Datenvergleich ausgeführt.
Dieses Mikroprozessorsystem μC1 unterscheidet sich vom Mikroprozessorsystem μC1 der 2 dadurch, dass zusätzlich eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44, eine Grenzüberwachung 46 und eine Impulslöscheinrichtung 48 vorgesehen sind. Das Mikroprozessorsystem μC2 weist neben einer Koordinaten transformations-Einrichtung 50 ebenfalls eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 52, eine Grenzüberwachung 54 und eine Impulslöscheinrichtung 56 auf. Die Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 sind jeweils mittels ihrer Normierungsfaktoren K1, K2 und K3 mit Eingängen der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 des ersten Mikroprozessorsystems μC1 und mit Eingängen der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 52 des zweiten Mikroprozessorsystems μC2 elektrisch leitend verbunden. Diese beiden Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtungen 44 und 52 weisen ebenfalls Normierungsfaktoren V1₁, V2₁, V3₁ und V1₂, V2₂, V3₂ auf. Ausgangsseitig ist jede Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 und 52 mit einer korrespondierenden Koordinatentransformations-Einrichtung 28 und 50 verknüpft. Diese Koordinatentransformations-Einrichtungen 28 und 50 sind jeweils mit einem Ausgang 58 und 60 mit einer korrespondierenden Grenzüberwachung 46 und 54 verbunden. An diesen Ausgängen 58 und 60 steht jeweils ein drehmomentbildende Stromkomponente i μC1 / 2 und i μC2 / 2 an, die mittels der Grenzüberwachung 46 und 54 mit einem vorbestimmten Grenzwert i μC1 / 2G und i μC2 / 2G für diese drehmomentbildende Stromkomponente i μC1 / 2 und i μC2 / 2 verglichen werden. Ausgangsseitig sind diesen beiden Grenzüberwachungen 46 und 54 jeweils mit einer korrespondierenden Impulslöscheinrichtung 48 und 56 verbunden. Sobald eine berechnete drehmomentbildende Stromkomponente i μC1 / 2 bzw. i μC2 / 2 den vorbestimmten Grenzwert i μC1 / 2G bzw. i μC2 / 2G übersteigt, wird ein Impulslöschsignal S_IPL1. bzw. S_IPL2 generiert. Mit diesem Impulslöschsignal S_IPL1 bzw. S_IPL2 wird die Impulslöscheinrichtung 48 bzw. 56 direkt angesteuert und die Impulslöscheinrichtung 56 bzw. 48 mittels der Kommunikations-Einrichtung 42 indirekt angesteuert. Dadurch wird der lastseitige Stromrichter 4 zweikanalig gesperrt. Das heißt, der lastseitige Stromrichter 4 wird mittels der Sicherheitsfunktion "sicherer Halt" gesperrt.
Damit die drehmomentbildende Stromkomponente i₂ sicher berechnet werden kann, wird diese jeweils mittels eines Mikroprozessorsystems μC1 und μC2 unabhängig voneinander berechnet. Dazu werden jedem Mikroprozessorsystem μC1 und μC2 die gemessenen Phasenströme i_R, i_S und i_T des Drehstrommotors 6 zugeführt, die unabhängig voneinander aufbereitet werden. Aus diesen aufbereiteten Phasenströmen berechnet jedes Mikroprozessorsystem μC1 und μC2 in Abhängigkeit eines sicher ermittelten Lagewinkels λ A / S und λ B / S eine drehmomentbildende Stromkomponente i μC1 / 2 und i μC2 / 2 Diese sicheren Lagewinkel λ A / S und λ B / S werden aus zwei Gebersignalen sin α und cos α in Abhängigkeit einer zweikanaligen Auswerteeinrichtung generiert.
Für eine durchgehende echte Zweikanaligkeit müssten an Stelle von drei Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 sechs Stromerfassungs-Einrichtungen vorgesehen sein. Dies ist weder praktikabel noch wirtschaftlich vertretbar.
Damit die Phasenströme i_R, i_S und i_T als zweikanalig erfasst gelten, wird in jedem Mikroprozessorsystem μC1 und μC2 eine Plausibilitätskontrolle durchgeführt. Dazu wird in jedem Mikroprozessorsystem μC1 und μC2 jeweils ein Summenstrom aus den gemessenen Phasenströmen i_R, i_S und i_T berechnet. Jedes Mikroprozessorsystem μC1 und μC2 prüft für sich, ob der Wert des Summenstromes gleich Null ist. Diese Bedingung muss bei ordnungsgemäßem Betrieb immer erfüllt sein (kein Mittelpunktanschluss der Motorenwicklung; kein Erdschluss). Wird diese Bedingung erfüllt, so sind die Phasenströme i_R, i_S und i_T zweikanalig ermittelt. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, wird der lastseitige Stromrichter 4 mittels der Sicherheitsfunktion "sicherer Halt" drehmomentfrei geschaltet. Der lastseitige Stromrichter 4 wird ebenfalls mittels der Sicherheitsfunktion "sicherer Halt" drehmomentfrei geschaltet, wenn der kreuzweise Datenvergleich ergibt, dass die unabhängig voneinander erzeugten drehmomentbildenden Stromkomponenten i μC1 / 2 und i μC2 / 2 der beiden Mikroprozessorsysteme μC1 und μC2 nicht gleich sind. Mittels des kreuzweisen Datenvergleiches werden Fehler in den Elementen 8, 44, 52, 28 und 50 aufgedeckt.
In der 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Drehmomentbegrenzung schematisch dargestellt. Diese Ausfüh rungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der 3 dadurch, dass das Mikroprozessorsystem μC2 keine Sensorsignal-Aufbereitseinrichtung 52 mehr aufweist. Dafür weist das Mikroprozessorsystem μC1 eine Einrichtung zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers auf. Da diese Einrichtung unterschiedlich ausgeführt werden kann, ist in dieser Darstellung auf diese Einrichtung verzichtet worden. In den 5 und 6 sind jeweils eine Ausführungsform einer derartigen Einrichtung schematisch veranschaulicht. Durch die Einsparung einer Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 52 ist die zweite Ausführungsform kostengünstiger. Es gibt jedoch auch Antriebssysteme, in denen nur eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung zur Verfügung steht. Auch derartige Antriebssysteme können mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Drehmomentbegrenzung ausgestattet werden.
Die Normierungsfaktoren K1, K2 und K3 (wie viel Strom ergibt welchen Zahlenwert für das System) ändern sich gleichzeitig um einen gleichen Wert. Dieser Fehler wird als Gleichzeitigkeits-Normierfehler bezeichnet. Die Wahrscheinlichkeit für einen derartigen Gleichzeitigkeits-Normierfehler wird als gering angenommen.
Soll ein Gleichzeitigkeits-Normierfehler der Normierungsfaktoren K1, K2 und K3 der Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 und/oder der Normierungsfaktoren V1₁, V2₁ und V3₁ der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 trotzdem aufgedeckt werden, dessen Wahrscheinlichkeit gegenüber einem Gleichzeitigkeits-Normierfehler der Normierungsfaktoren K1, K2 und K3 der Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 wesentlich höher ist, so sind folgende Schritte vor Beginn eines drehmomentüberwachten Betriebs denkbar:
Wenn die Motordaten, vorzugsweise der Ständerwiderstand des Motors, bekannt ist, kann im geöffneten Strom- und Drehzahlregelkreis eine bestimmte Spannung vorgegeben werden. Dadurch muss sich bei bekanntem Ständerwiderstand ein entsprechender Strom einstellen. Um zu vermeiden, dass bei diesem Vorgang ein Drehmoment erzeugt werden kann, wodurch eine Bewegung einer Motorwelle erfolgen kann, wird die Spannung bzw. der Winkel des Spannungszeigers derart vorgegeben, dass sich nur eine feldbildende Stromkomponente aufbauen kann. Stellt sich dieser nicht ein, liegt ein Gleichzeitigkeits-Normierfehler der Normierungsfaktoren K1, K2 und K3 der Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 und/oder der Normierungsfaktoren V1₁, V2₁ und V3₁ der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 vor. Dieser Fehler kann mit Hilfe von Netzphasenströmen i_L1. i_L2 und i_L3 oder des Zwischenkreisstromes i_ZK verifiziert werden. Gleichzeitigkeits-Normierfehler, die während des drehmomentüberwachten Betriebs auftreten, werden jedoch dadurch nicht erkannt.
In der 5 ist eine erste Ausführungsform einer Einrichtung zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers während des drehmomentüberwachten Betriebes, verursacht durch die Normierungsfaktoren V1₁, V2₁ und V3₁ der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44, schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist diese Einrichtung einen Umschalter 62 und eine Einrichtung 64 zur Erwartungshaltungs-Überprüfung auf. An einem ersten Eingang dieses Umschalters 62 ist beispielsweise die Stromerfassungs-Einrichtung 10, an der der Phasenstrom i_R ansteht, und am zweiten Eingang dieses Umschalters 62 eine Einrichtung zum Generieren eines Testsignals i_Test angeschlossen. Die Einrichtung 64 zur Erwartungshaltungs-Überprüfung ist eingangsseitig mit dem Ausgang der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 verknüpft, an der ein aufbereitetes Testsignal i_TestA ansteht.
Bei der Stromregelung der feldorientierten Regelung der Antriebsregelung 16 werden jeweils abwechselnd alle drei Phasenströme i_R, i_S und i_T bzw. nur zwei Phasenströme i_R, i_S bzw. i_S, i_T bzw. i_T, i_R verwendet. Wann welche Phasenströme verwendet werden, ist dem Mikroprozessorsystem μC1 bekannt. Wenn gerade nur zwei Phasenströme i_S und i_T verwendet werden, so kann der entsprechende Teil der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 der nicht benutzten Phase, hier also die Phase R, mit einem Testsignal i_Test zur Überprüfung des Normierungsfaktors V1₁ beaufschlagt werden. Das heißt, der Umschalter 62 wird betätigt, wodurch nun ein generiertes Testsignal i_Test am Eingang der Phase R der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 ansteht. Da dem Mikroprozessorsystem μC1 der Amplitudenwert des Testsignals i_Test bekannt ist, kennt dieser auch den wahren Wert des aufbereiteten Testsignals i_TestAW (Erwartungshaltung). Mittels der Einrichtung 64 kann diese Erwartungshaltung überprüft werden. Dazu muss lediglich das aufbereitete Testsignal i_TestA mit der Erwartungshaltung i_TestAW verglichen werden. Bei Ungleichheit liegt ein Normierungsfehler des Normierungsfaktors V1₁ vor und ein Impulslöschsignal S_IPL1 wird generiert, um den Drehstrommotor 6 zweikanalig drehmomentfrei schalten zu können. Da die Normierungsfaktoren V1₁, V2₁ und V3₁ gemäß der Definition des Gleichzeitigkeits-Normierfehlers sich gleichzeitig um den gleichen Wert in der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 ändern, kann dieser Gleichzeitigkeits-Normierfehler mit der Überprüfung eines Normierungsfaktors V1₁ bzw. V2₁ bzw. V3₁ ermittelt werden.
In der 6 ist eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers während des drehmomentüberwachten Betriebes, verursacht durch die Normierungsfaktoren V1₁, V2₁ und V3₁ der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44, schematisch veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform wird wieder eine zweite Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 66 benötigt, die jedoch nur einen Phasenstrom aufbereitet. Deshalb ist diese Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 66 gegenüber der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 52 des Mikroprozessorsystems μC2 erheblich einfacher aufgebaut, die auch ohne großen Aufwand nachträglich in einen im Handel erhältlichen Umrichter integriert werden kann. Diese "abgespeckte" Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 66 weist nur einen Normierungsfaktor V1₂ auf. Gemäß dieser Ausführungsform der Einrichtung zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers werden die Ausgänge der Stromerfassungs-Einrichtung 10, 12 und 14, an denen die Phasenströme i_R, i_S und i_T anstehen, der Normierungsfakto ren V1₁, V2₁ und V3₁ der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 des ersten Mikroprozessorsystems μC1 der Antriebsregelung 16 zugeführt. Eine Stromerfassungs-Einrichtung 10 bzw. 12 bzw. 14 ist außerdem mit dem Normierungsfaktor V1₂ der "abgespeckten" Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 66 des zweiten Mikroprozessorsystems μC2 verknüpft. Bei der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um die Phase R. Diese beiden aufbereiteten Phasenströme i_RA1 und i_RA2 werden mittels einer Einrichtung 68 auf Gleichheit überprüft. Liegt keine Gleichheit vor, generiert diese Einrichtung 68 ein Impulslöschsignal i_IPL1, mit dem der Drehstrommotor 6 zweikanalig drehmomentfrei geschaltet wird.
Mittels diesem erfindungsgemäßen Verfahren zur sicheren Drehmomentbegrenzung sind die bekannten Sicherheitsfunktionen um eine weitere Sicherheitsfunktion, nämlich die Funktion "sichere Momentenbegrenzung" erweitert worden, die in handelsübliche Umrichtergeräte integriert werden kann, unabhängig davon, ob die Antriebsregelung des Umrichtergerätes eine oder zwei Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtungen aufweist.

Claims

Verfahren zur sicheren Drehmomentbegrenzung eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten Drehstrommotors (6) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ermittlung eines jeden Phasenstromes (i_R, i_S, i_T) des Drehstrommotors (6), b) zweikanalige Überprüfung jeweils eines aus den ermittelten Phasenströmen (i_R, i_S, i_T) gebildeten Summenstromsignals auf Summenwert Null, c) zweikanalige Ermittlung eines Rotorlagewinkels (λ A / S, λ B / S) des Drehstrommotors (6), d) zweikanalige Berechnung jeweils einer drehmomentbildenden Stromkomponente (i μC1 / 2, i μC2 / 2) der ermittelten Phasenströme (i_R, i_S, i_T) in Abhängigkeit jeweils eines der beiden ermittelten Rotorlagewinkel (λ A / S, λ B / S), e) zweikanalige Überwachung dieser beiden berechneten drehmomentbildenden Stromkomponenten (i μC1 / 2, i μC2 / 2) auf Überschreitung jeweils eines vorbestimmten Stromkomponentengrenzwertes f) kreuzweiser Vergleich der beiden berechneten drehmomentbildenden Stromkomponenten (i μC1 / 2, i μC2 / 2) auf Gleichheit, g) Generierung eines Impulslöschsignals (S_IPL1, S_IPL2), sobald ein Grenzwert (i μC1 / 2, i μC2 / 2) überschritten oder die berechneten drehmomentbildenden Stromkomponenten (i μC1 / 2, i μC2 / 2) ungleich sind.
Verfahren zur sicheren Drehmomentbegrenzung eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten Drehstrommotors (6) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ermittlung eines jeden Phasenstromes (i_R, i_S, i_T) des Drehstrommotors (6), b) einkanalige Überprüfung eines aus den ermittelten Phasenströmen (i_R, i_S, i_T) gebildeten Summenstromsignals auf Summenwert Null, c) Ermittlung eines bei einer zahlenmäßigen Aufbereitung der ermittelten Phasenströme (i_R, i_S, i_T) auftretenden Normierfehlers, d) zweikanalige Ermittlung eines Rotorlagewinkels (λ A / S, λ B / S) des Drehstrommotors (6), e) zweikanalige Berechnung jeweils einer drehmomentbildenden Stromkomponente (i μC1 / 2, i μC2 / 2) der ermittelten Phasenströme (i_R, i_S, i_T) in Abhängigkeit jeweils eines der beiden ermittelten Rotorlagewinkel (λ A / S, λ B / S) f) zweikanalige Überwachung dieser beiden berechneten drehmomentbildenden Stromkomponenten (i μC1 / 2, i μC2 / 2) auf Überschreitung jeweils eines vorbestimmten Stromkomponentengrenzwertes (i μC1 / 2G, i μC2 / 2G), g) kreuzweiser Vergleichen der beiden berechneten drehmomentbildenden Stromkomponenten (i μC1 / 2, i μC2 / 2) auf Gleichheit, h) Generierung eines Impulslöschsignals (S_IPL1, S_IPL2), sobald ein Grenzwert (i μC1 / 2G, i μC2 / 2G) überschritten wird, die berechneten drehmomentbildenden Stromkomponenten (i μC1 / 2, i μC2 / 2) ungleich sind oder ein Normierfehler ermittelt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung eines Normierfehlers an Stelle eines der ermittelten Phasenströme (i_R, i_S, i_T) ein Testsignal (I_Test) zahlenmäßig aufbereitet wird, dass dieses aufbereitete Testsignal (I_TestA) mit einer Erwartungshaltung (I_TestAW) verglichen wird und dass bei Ungleichheit ein Normierfehler vorliegt, wodurch ein Impulslöschsignal (S_IPL1) generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung eines Normierfehlers einer von den ermittelten Phasenströmen (i_R, i_S, i_T) zweikanalig zahlenmäßig aufbereitet wird und diese beiden zahlenmäßig aufbereiteten Phasenströme (i_RA1, i_RA2) miteinander verglichen werden, und dass bei Ungleichheit ein Normierfehler vorliegt, wodurch ein Impulslöschsignal (S_IPL1) generiert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur zweikanaligen Ermittlung eines Rotorlagewinkels (λ A / S, λ B / S) zwei Gebersignale jeweils zu einem Rotorlagewinkel-Signal (λ A / S, λ B / S) verarbeitet werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur sicheren Drehstrombegrenzung eines feldorientiert betriebenen, umrich tergespeisten Drehstrommotors (6) nach Anspruch 1, mit einer Antriebsregeleinrichtung (16) eines lastseitigen Stromrichters (4) des Umrichters, die ein erstes Mikroprozessorsystem (μC1) aufweist, und mit einem zweiten Mikroprozessorsystem (μC2), wobei diese wenigstens eine Koordinatentransformations-Einrichtung (28, 50), eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung (44, 52), eine Grenzüberwachung (46, 54) und eine Impulslöscheinrichtung (48, 56) aufweisen, wobei jeweils eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung (44, 52) ausgangsseitig und jeweils eine Grenzwertüberwachung (46, 54) eingangsseitig mit der Koordinatentransformations-Einrichtung (28, 50) und die Grenzüberwachungen (46, 54) ausgangsseitig jeweils mit einer Impulslösch-Einrichtung (48, 56) verknüpft sind, mit jeweils einer Stromerfassungs-Einrichtung (10, 12, 14) pro Motorphase (R, S, T), die jeweils mit einer Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung (44, 52) verknüpft sind, mit einer Lageerfassungs-Einrichtung (8) mit zweikanaliger Verarbeitungs-Einrichtung, deren beide Ausgänge jeweils mit einer Koordinatentransformations-Einrichtung (28, 50) verbunden sind, und mit einer Kommunikations-Einrichtung (42), mit der die beiden Mikroprozessorsysteme (μC1, μC2) datentechnisch verbindbar sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur sicheren Drehmomentbegrenzung eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten Drehstrommotors (6) nach Anspruch 2, mit einer Antriebsregeleinrichtung (16) eines lastseitigen Stromrichters (4) des Umrichters, die ein erstes Mikroprozessorsystem (μC1) aufweist, und mit einem zweiten Mikroprozessorsystem (μC2), wobei diese jeweils wenigstens eine Koordinatentransformations-Einrichtung (28, 50), eine Grenzüberwachung (46, 54) und eine Impulslöscheinrichtung (48, 56) aufweisen, wobei die Grenzüberwachungen (46, 54) eingangsseitig jeweils mit der Koordinatentransformations-Einrichtung (28, 50) und ausgangsseitig jeweils mit einer Impulslöscheinrichtung (48, 56) verknüpft sind, mit jeweils einer Stromerfassungs-Einrichtung (10, 12, 14) pro Motorphase (R, S, T), die mit einer im ersten Mikroprozessorsystem (μC1) angeordneten Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung (44) verbunden ist, die ausgangsseitig mit der Koordinatentransformations-Einrichtung (28) dieses ersten Mikroprozessorsystems (μC1) verknüpft ist, mit einer Lageerfassungs-Einrichtung (8) mit zweikanaliger Verarbeitungs-Einrichtung, deren Ausgänge jeweils mit einer Koordinatentransformations-Einrichtung (28, 50) verbunden sind, mit einer Kommunikationseinrichtung (42), mit der die beiden Mikroprozessorsysteme (μC1, μC2) datentechnisch verbindbar sind, und mit einer Einrichtung zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinatentransformations-Einrichtung (28, 50) einen Koordinatenwandler und einen Vektordreher aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stromerfassungs-Einrichtung (10, 12, 14) mit einem Normierungsfaktor (K1, K2, K3) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Grenzüberwachung (46, 54) ein Komporator vorgesehen ist, an dessen nichtinvertierendem Eingang ein vorbestimmter Grenzwert ansteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der lastseitige Stromrichter (4) ein selbstgeführter Pulsstromrichter vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kommunikations-Einrichtung (42) ein Bussystem vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Mikroprozessorsystems (μC1, μC2) Elemente eines Umrichters sind.