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GEBIET DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betätigen einer zweikanalig angesteuerten Haltebremse. Solche Haltebremsen dienen dazu, einen Motor oder eine Vorschubachse einer Maschine im stromlosen Zustand zu blockieren oder im Notfall schnell zu bremsen.
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STAND DER TECHNIK
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Bei beweglichen Achsen von Werkzeugmaschinen, Robotern und dergleichen ist es von großer Bedeutung, dass diese in einem Fehlerfall möglichst schnell angehalten werden können. Hierdurch sollen die Sicherheit für den jeweiligen Bediener erhöht und Schäden an Maschine, Werkzeug oder Werkstück verhindert werden. Für das hierzu erforderliche Bremsen eines Antriebsmotors sind sowohl elektrisch als auch mechanisch wirkende Motorbremsen bekannt. Bei den elektrisch wirkenden Bremsen wird ein Elektromotor durch eine entsprechende Veränderung seines elektromagnetischen Feldes gebremst. Diese Bremsen sind praktisch verschleißfrei. Es kann jedoch der Fall auftreten, z. B. bei einem vollständigen Stromausfall, dass das zum elektrischen Bremsen erforderliche elektromagnetische Feld gar nicht erzeugt werden kann. Daher müssen aus Sicherheitsgründen häufig zusätzlich mechanische Bremsen vorgesehen sein, die im Fehlerfall einen kurzen Bremsweg sicherstellen. Bei einer solchen Notbremsung verschleißen diese allerdings schnell. Im Normalbetrieb dienen solche mechanischen Bremsen dem Festhalten vertikal beweglicher Maschinenteile, sogenannter vertikaler oder hängender Maschinenachsen, während die jeweiligen Antriebe nicht im Eingriff sind. Solche mechanischen Bremsen werden daher auch als Haltebremsen bezeichnet.
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Haltebremsen sind oft in einem rotatorischen Elektromotor verbaut und wirken dort unmittelbar auf die Antriebswelle des Motors. Sie können aber auch unabhängig vom Motor an geeigneter Stelle eingebaut sein, und finden auch bei linear bewegten Achsen Anwendung.
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Die zur Betätigung von Haltebremsen vorgesehene Schaltungsanordnung muss zuverlässig auf ihre Funktion überprüfbar sein. Denn nur dann kann sichergestellt werden, dass die aus den mechanischen Motorbremsen der einzelnen Antriebsmotoren bestehenden Bremsvorrichtung in einem Fehlerfall tatsächlich ausgelöst wird.
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Da Haltebremsen insbesondere auch bei einem Stromausfall eine Bewegung des jeweils zugeordneten Antriebsmotors verhindern sollen, wirken Haltebremsen im stromlosen Zustand und müssen daher vor dem Betreiben eines Motors jeweils aktiv gelöst werden. Dies bedeutet, dass die jeweilige Haltebremse im stromlosen Zustand mechanisch in den zugeordneten Antriebsmotor eingreift und erst nach einem aktiven Lösen einen Betrieb des Motors zulässt. Bei einem Stromausfall oder einer in sonstiger Weise (z. B. durch Betätigen eines entsprechenden Schalters) herbeigeführten Unterbrechung der Stromzufuhr greift die entsprechende Haltebremse wieder in den zugeordneten Motor ein und bremst diesen.
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Zur Erfüllung dieser Funktionen ist es bekannt, jeder Haltebremse einen Schalter zuzuordnen, der der jeweiligen Haltebremse vorgeschaltet ist und im geöffneten Zustand ein Eingreifen der jeweiligen Haltebremse in den zugeordneten Motor bewirkt; denn ein geöffneter Schalter entspricht einer Unterbrechung der Stromzufuhr. Durch Schließen des Schalters kann der dem Schalter nachgeschalteten Haltebremse Strom zugeführt und diese außer Eingriff mit dem zugeordneten Antriebsmotor gebracht werden.
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Aus der
DE 10120238 B4 ist es bekannt, Haltebremsen eines Elektromotors zweikanalig zu schalten. Im Stromkreis jeder Haltebremse liegen zwei Schalter in Reihe, wobei ein gemeinsamer Schalter für mehrere Haltebremsen verwendet wird, und je ein weiterer Schalter jeweils einer konkreten Haltebremse zugeordnet ist. Aus der
DE 10120238 B4 ist es außerdem bekannt, die Funktionsfähigkeit des gemeinsamen Schalters mittels eines zwangsgeführten Ruhekontakts zu prüfen. Die weiteren Schalter können dann – bei geöffnetem gemeinsamem Schalter – durch Schließen je eines weiteren Schalters und Messen eines Spannungsabfalls an einem dem gemeinsamen Schalter parallel geschalteten Widerstand überprüft werden. Auf diese Weise können alle Schalter geprüft werden, ohne eine Haltebremse zu öffnen. In heutigen Umrichtern zur Ansteuerung von Elektromotoren und deren Haltebremsen sind aber Schalter mit zwangsgeführten Ruhekontakten nicht mehr üblich. Vielmehr kommen zur zweikanaligen Ansteuerung der Haltebremsen jeweils zwei Halbeiterschaltelemente zum Einsatz.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Betätigen einer Haltebremse anzugeben, die die Überprüfung zweier in Reihe geschalteter Halbeleiterschaltelemente sowie der Haltebremse selbst ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Details der Erfindung ergeben sich auch aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
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Es wird eine Schaltungsanordnung zum Betätigen einer Haltebremse offenbart, die durch Bestromung einer Spule zu öffnen ist. Ein erster Schalter, ein zweiter Schalter und die Spule sind in Reihe zwischen einem ersten und zweiten Potential einer Versorgungsspannung geschaltet. Ein erster Anschluss der Spule ist über den ersten Schalter mit dem ersten Potential der Versorgungsspannung und ein zweiter Anschluss der Spule ist über den zweiten Schalter mit dem zweiten Potential der Versorgungsspannung verbunden. Der erste Anschluss der Spule ist über einen ersten Spannungsteiler mit dem ersten Potential verbunden, der zweite Anschluss der Spule ist über einen zweiten Spannungsteiler ebenfalls mit dem ersten Potential verbunden.
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Parallel zum zweiten Schalter liegt ein Widerstand, über den auch bei geöffnetem zweiten Schalter ein kleiner Strom fließen kann. Parallel zum ersten Schalter liegt der erste Spannungsteiler, bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen, so dass auch bei geöffnetem ersten Schalter ein kleiner Strom fließen kann. Diese Ströme sind aber jeweils so klein, dass die Haltebremse geschlossen bleibt.
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Die Spannungsteiler weisen je einen Mittenabgriff auf, an dem das dort jeweils anliegende Potential festgestellt und mit einem Erwartungswert verglichen werden kann.
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Anhand einer Abfolge von Potentialmessungen an den Mittenabgriffen und durch Ansteuerung der beiden Schalter in einer bestimmten Reihenfolge lassen sich verschiedene Aspekte der Schaltungsanordnung, der Haltebremse und der Funktionsfähigkeit des Systems überprüfen und gegebenenfalls auch auf bestimmte Fehler schließen, ohne dass hierzu zunächst die Öffnung der Haltbremse erforderlich wäre. Insbesondere die Funktionsfähigkeit der beiden Schalter kann vollständig überprüft werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Figuren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Dabei zeigt
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1 eine Schaltungsanordnung zum Betätigen einer Haltebremse,
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2 Erwartungswerte für Potentiale bei bestimmten Schalterstellungen.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betätigen einer Haltebremse. Die Schaltungsanordnung weist zunächst einen ersten Schalter SA und einen zweiten Schalter SB auf, die in Reihe zwischen das erste Potential GND und das zweite Potential +Vbb der Versorgungsspannung geschaltet sind. Zwischen den beiden Schaltern SA, SB ist eine Spule C angeschlossen. Diese Spule C aktiviert in einer Haltebremse H einen Elektromagnet, der die auf die Antriebswelle eines Motors M einwirkende mechanische Bremse löst. Zum Lösen der Bremse müssen also beide Schalter SA, SB geschlossen werden. Aus Sicherheitsgründen erfolgt dies zweikanalig, indem zwei unterschiedliche Recheneinheiten CA, CB unabhängig voneinander ein logisches Freigabesignal A für den ersten Schalter SA bzw. ein logisches Freigabesignal B für den zweiten Schalter SB erzeugen. Die Haltebremse H wird also nur dann gelöst, wenn dies von beiden Recheneinheiten CA, CB unabhängig voneinander angefordert wird. Im Gegensatz dazu kann jede der beiden Recheneinheiten CA, CB die Haltebremse H einfallen lassen, indem sie den ihr zugeordneten Schalter SA, SB öffnet und damit den Stromfluss durch die Spule C unterbricht. Die beiden Schalter SA, SB sind als Halbeiterschaltelemente ausgeführt.
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Vor der Inbetriebnahme einer Anlage ist es ratsam, die korrekte Funktionsweise aller sicherheitsrelevanten Bestandteile zu testen. Die in der 1 gezeigte Schaltungsanordnung weist daher zusätzliche Elemente auf, die nicht zur eigentlichen Funktion „zweikanaliges Ansteuern der Haltebremse H“ dienen, sondern zur Überprüfung dieser Funktion.
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So ist der erste Anschluss der Spule C, der mit dem ersten Schalter SA verbunden ist, mit einem ersten Spannungsteiler R1/R2 verbunden, der aus zwei in Reihe gegen das erste Potential GND geschalteten Widerständen R1 und R2 besteht. Der erste Spannungsteiler R1/R2 weist einen Mittenabgriff M1 auf, über den das dort herrschende Potential abgegriffen und an einem analogen Eingang einer Folgeelektronik gemessen und weiter verarbeitet werden kann.
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Zusätzlich ist der zweite Anschluss der Spule C, der mit dem zweiten Schalter SB verbunden ist, mit einem zweiten Spannungsteiler R3/R4 verbunden, der aus zwei in Reihe gegen das erste Potential GND geschalteten Widerständen R3 und R4 besteht. Der zweite Spannungsteiler R3/R4 weist einen Mittenabgriff M2 auf, über den das dort herrschende Potential abgegriffen und an einem analogen Eingang einer Folgeelektronik gemessen und weiter verarbeitet werden kann.
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Parallel zum zweiten Schalter SB ist außerdem noch ein weiterer Widerstand R5 geschaltet.
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Die Folgeelektronik zur Auswertung der an den Mittenabgriffen M1, M2 abgegriffenen Potentiale kann beispielsweise in der ersten und/oder zweiten Recheneinheit CA oder CB untergebracht sein, sofern dort geeignete analoge Eingänge zur Verfügung stehen. Es wird dort außerdem eine Steuerung benötigt, mit der der im Folgenden beschriebene Ablauf der Funktionsprüfung abgearbeitet werden kann.
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Betrachtet man die Schaltungsanordnung der 1, erkannt man, dass über die Widerstände R1, R2 und R5 auch dann ein Strom durch die Spule C fließen kann, wenn beide Schalter SA und SB geöffnet sind. Grundsätzlich gilt, dass alle Widerstände R1, R2, R3, R4, R5 so dimensioniert sind, dass ein Stromfluss durch die Spule C die Haltebremse H nicht öffnet, solange wenigstens einer der beiden Schalter SA, SB geöffnet ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht nun darauf, dass sich je nach Stellung der beiden Schalter SA, SB bzw. je nach der anliegenden Kombination von Freigabesignalen A, B verschiedene Erwartungswerte für die Potentiale an den beiden Mittenabgriffen M1, M2 ergeben. Weichen die Potentiale von diesen Erwartungswerten ab, so lässt sich unter Umständen auf den jeweiligen Fehler schließen, der zu dieser Abweichung geführt hat.
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Die verwendeten Halbleiterschaltelemente SA, SB verfügen über einen Überlastschutz, der im Falle eines Kurzschlusses in der Haltebremse (also einer Überbrückung der Spule C) eine thermische Zerstörung der Halbleiterschaltelemente durch Abschaltung verhindern.
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In der 2 sind die Potentiale angegeben, die bei bestimmten Schalterstellungen bzw. bestimmten Kombinationen von Freigabesignalen A, B erwartet werden, wenn die Schaltungsanordnung wie erwartet funktioniert. Eine „0“ als Freigabesignal A, B bedeutet dabei, dass der jeweilige Schalter SA, SB offen ist, während eine „1“ das Schließen des Schalters SA, SB bewirkt. Dabei werden folgende Parameter zugrunde gelegt: +Vbb = 25V, GND = 0V R1 = 681 Ω, R2 = 21,5 kΩ, R3 = 681 Ω, R4 = 17,8 kΩ, R5 = 10kΩ
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Ein typischer Ablauf einer Überprüfung der Schaltungsanordnung wird im Folgenden beschrieben.
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Zu Beginn der Überprüfung sind in einem ersten Schritt die logischen Freigabesignale A, B so eingestellt, dass beide Schalter SA, SB geöffnet sind, also A = 0 und B = 0. Die Potentiale an den Mittenabgriffen M1, M2, die sich nun ergeben können, sind im Folgenden zusammen mit ihrer jeweiligen Deutung angegeben:
- – M2 = 0,4625V und M1 = 0,3853V: Die Haltebremse H bzw. deren Spule C ist korrekt angeschlossen, die beiden Schalter SA, SB wie erwartet geöffnet. Nur wenn dieses Ergebnis erhalten wird, macht eine weitere Prüfung mit anderen Schalterstellungen Sinn.
- – M2 = 0,5978V und M1 = 0,0V: Es ist keine Haltebremse H angeschlossen, bzw. die Zuleitungen sind aus irgendeinem Grund unterbrochen.
- – M2 = 0,9212V und M1 = 0,7675V: Der zweite Schalter SB ist defekt, er weist einen Kurzschluss auf, ist also geschlossen, obwohl er geöffnet sein sollte.
- – M2 = 0,0V und M1 = 0,0V: Der erste Schalter SA ist defekt, er weist einen Kurzschluss auf, oder es liegt ein Erdschluss in den Zuleitungen zur Spule C der Haltebremse H vor.
- – M2 = 0,9212V und M1 = 0,0V: Beide Schalter SA, SB sind defekt und weisen einen Kurzschluss auf, oder der zweite Schalter SB ist defekt (Kurzschluss) und gleichzeitigt liegt ein Erdschluss in den Zuleitungen zur Spule C der Haltebremse H vor.
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Nur wenn das erst genannte Ergebnis (M2 = 0,4625V und M1 = 0,3853V) erhalten wurde, folgen nun weitere Tests, bei denen zunächst jeweils einer der beiden Schalter SA, SB geschlossen wird. Zunächst werden die Freigabesignale auf A = 0 und B = 1 gesetzt:
- – M2 = 0,9212V und M1 = 0,7675V: Der zweite Schalter SB wurde erwartungsgemäß geschlossen.
- – M2 = 0,4625V und M1 = 0,3853V: Der zweite Schalter SB wurde nicht geschlossen. Der zweite Schalter SB ist defekt, oder das Freigabesignal B liegt nicht an.
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Dann werden die Freigabesignale auf A = 1 und B = 0 gesetzt:
- – M2 = 0,0V und M1 = 0,0V: Der erste Schalter SA wurde erwartungsgemäß geschlossen.
- – M2 = 0,4625V und M1 = 0,3853V: Der erste Schalter SA wurde nicht geschlossen. Der erste Schalter SA ist also defekt, oder das Freigabesignal A liegt nicht an.
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Waren bis hier alle Tests erfolgreich, so kann in einem letzten Test die Bremse tatsächlich geöffnet werden. Treibt der Motor M eine hängende Achse an, muss hierzu der Antrieb im Eingriff sein, so dass die bewegte Last vom Motor M entgegen der Schwerkraft gehalten wird, auch wenn sich die Haltebremse H öffnet. Es werden die Freigabesignale A = 1 und B = 1 gesetzt.
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- – M2 = 0,9212V und M1 = 0V: Beide Schalter SA, SB sind geschlossen, die Haltebremse H ist korrekt angeschlossen, denn Strom fließt durch die Spule C. Die Haltebremse H ist nun geöffnet.
- – M2 < 0,9212V und/oder M1 > 0V: Die Haltebremse H hat einen Kurzschluss. Es fließt daher zunächst ein sehr großer Kurzschlussstrom bis wenigstens bei einem der beiden Schalter SA, SB der Überlastschutz greift und den jeweiligen Schalter SA, SB öffnet.
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Die oben angegebenen Werte für die Widerstände R1, R2, R3, R4, R5 und Potentiale sind gewissen Schwankungen und Serienstreuungen unterworfen. Dies muss bei der Auswertung der gemessenen Potentiale an den Mittenabgriffen natürlich berücksichtigt werden, indem der gemessene Wert jeweils mit einem bestimmten Intervall verglichen wird. Im Beispiel wurden die Widerstände R1, R2, R3, R4, R5 so ausgelegt, dass bei einer Versorgungsspannung +Vbb von 24 V +/– 10% an den Mittenabgriffen M1, M2 Potentiale zwischen 0 V und 1 V auftreten. Erfordern die analogen Eingänge der Recheneinheiten CA, CB einen anderen Wertebereich, müssen die Widerstände entsprechend anders ausgelegt werden.
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Die Werte für die Widerstände R1, R2, R3, R4, R5 sind außerdem so gewählt, dass bestimmte Kombinationen von Potentialwerten an den Mittenabgriffen M1, M2 eindeutig einem der vier möglichen Schaltzustände der der beiden Schalter SA, SB zuzuordnen sind. In jedem der vier möglichen Zustände sind die beiden Potentialwerte außerdem unterschiedlich, so dass eine unbeabsichtigte Verbindung der beiden Mittenabgriffe M1, M2 (etwa durch ein eingequetschtes Kabel) sofort erkannt werden würde.
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Indem also nacheinander alle möglichen Kombinationen von Ansteuersignalen A, B getestet werden, und dabei die an den Mittenabgriffen M1, M2 anliegenden Potentiale ausgewertet werden, lässt sich der ordnungsgemäße Zustand der Schaltungsanordnung feststellen, bzw. ist eine Diagnose von verschiedenen Fehlern möglich, wenn die Potentiale nicht den Erwartungen entsprechen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10120238 B4 [0007, 0007]