DE19937737A1 - Vorrichtung und Verfahren zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer WelleInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum sicheren Überwachen der Drehbewegung einer Welle (12). Die Vorrichtung (60) beinhaltet dabei Meßmittel (22) zum Aufnehmen eines ersten und eines zweiten Signals (24, 26), 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. Dabei liegen die beiden genannten Referenzpunkte um einen Drehwinkel der Welle (12) voneinander entfernt. 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.
Description
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 Si
gnals, wobei das erste Signal den zeitlichen Verlauf der Dreh
winkelposition eines ersten Referenzpunktes der Welle repräsen
tiert und wobei das zweite Signal den zeitlichen Verlauf der
Drehwinkelposition eines zweiten Referenzpunktes der Welle re
präsentiert, wobei ferner der erste und der zweite Referenz
punkt um einen Drehwinkel der Welle voneinander entfernt lie
gen, 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 Drehbewegun
gen 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 Kopp
lung ein Signal, das über die Rotorwicklung eingespeist wird.
Die Signale am Ausgang der Statorwicklungen sind dann das be
schriebene erste und zweite Signal. Die Funktionsweise eines
Resolvers ist nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher erläu
tert.
Zur Auswertung der Signale eines Resolvers sind komplette
Schaltungen bekannt und als integrierte Schaltkreise (IC) er
hältlich, wie bspw. der integrierte Schaltkreis mit der Typen
bezeichnung 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
Haustein 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 in
terne Funktionsfehler des integrierten Schaltkreises können
nicht mit Sicherheit entdeckt werden. 50 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 Ma
schine im unmittelbaren Gefahrenbereich einer drehenden Weile
gearbeitet werden muß. Für die sichere Überwachung der Drehbe
wegung der Welle sind die bisher bekannten Auswerteschaltungen
für Resolversignale nicht geeignet.
Um in einem solchen Fall eine sichere Überwachung zu gewährlei
sten, ist es bekannt, zusätzlich zu dem Resolver mindestens ei
nen weiteren Drehbewegungssensor im Bereich der Welle anzuord
nen. Üblicherweise werden dabei heutzutage sogar zwei voneinan
der getrennte Drehbewegungssensoren, bspw. Inkrementalgeber,
verwendet. Diese dienen in der Regel allein der sicheren Über
wachung der Drehbewegung der Welle. Ein Resolver wird häufig in
Ergänzung dazu als dritter Sensor verwendet, um die Drehbewe
gung der Welle im Normalbetrieb zu regeln. Ein Beispiel für ei
ne 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 be
schrieben ist.
Ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung zum sicheren Überwachen
einer Drehzahl, bei der zwei getrennte Sensoren in Form von in
duktiven 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 Vorrich
tung 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 genann
ten Art gelöst, bei der die Auswertemittel einen Vergleicher
beinhalten, mit dem Momentanwerte des ersten und des zweiten
Signals anhand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung mit
einander 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 Bezie
hung 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 Berücksichti
gung dieses Zusammenhangs stets zu einem vorhersagbaren Ergeb
nis 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 bei
den 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 Überwachungsvor
richtung vor.
Es sei bemerkt, daß das erfindungsgemäße Verfahren grundsätz
lich 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 beschrie
benen ersten und zweiten Signale liefert. Jeder erdenkliche
Fehler, wie bspw. ein Windungsschluß in einer der Statorwick
lungen 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 er
findungsgemäße Verfahren bereits in Kombination mit nur einem
Drehbewegungssensor, nämlich einem Resolver, zur sicheren Über
wachung der Drehbewegung einer Welle verwendet werden. Der bis
her 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 zwei
ten Signals vergleichbar.
Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß der determinierte Zu
sammenhang zwischen den Momentanwerten des ersten und des zwei
ten Signals einfacher ist, so daß auch der Vergleich der Mo
mentanwerte miteinander einfacher realisiert werden kann. In
folge dessen reduziert sich der Aufwand sowohl bei der Entwick
lung als auch bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vor
richtung. 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° von
einander 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 Maß
nahme der Aufwand und die Kosten der Vorrichtung reduziert. Das
entsprechende Verfahren kann einfacher und schneller durchge
führt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Signal
wege zum Aufnehmen des ersten und zweiten Signals signaltech
nisch 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. ver
schiedener Hersteller realisiert sein. Wichtig ist allein, daß
das erste und das zweite Signal in jeweils gleicher Weise be
einflußt 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 genann
ten Maßnahme führt diese Ausgestaltung der Erfindung dazu, daß
die geometrische Beziehung eine Kreisfunktion ist, die sich,
wie nachfolgend gezeigt, sowohl analytisch als auch arithme
tisch 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 einzi
ger 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 durch
führbar ist. Darüber hinaus können anstelle eines Resolvers
auch andere Sinus-Cosinus-Signalgeber zur Durchführung des er
findungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Ein Resolver be
sitzt gegenüber derartigen Gebern jedoch den Vorteil, daß er
sehr robust ist und somit bereits von sich aus eine großer Feh
lerresistenz aufweist. Darüber hinaus sind Resolver bereits bei
vielen Anlagen als Sensoren für die Antriebssteuerung oder
-regelung vorhanden. Die Verwendung der bereits vorhandenen Re
solversignale ermöglicht daher nochmals eine Kosteneinsparung
bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Ver
gleicher eine digitale Recheneinheit auf, in der die geometri
sche Beziehung als Rechenvorschrift unter Verwendung der Mo
mentanwerte als Eingangsgrößen abgespeichert ist.
Eine digitale Recheneinheit dieser Art ist insbesondere ein di
gitaler Signalprozessor. Ein solcher Prozessor ist speziell zur
Durchführung von Rechenoperationen optimiert. Da der determi
nierte Zusammenhang zwischen den Momentanwerten des ersten und
des zweiten Signals sich grundsätzlich in Form einer mathemati
schen Beziehung formulieren läßt, kann mit Hilfe eines derarti
gen Prozessors bzw. allgemeiner mit Hilfe einer digitalen Re
cheneinheit der Vergleich der Momentanwerte besonders exakt
durchgeführt werden. In dem Fall, daß die geometrische Bezie
hung eine Kreisfunktion ist, muß bspw. die Summe der Quadrate
der Momentanwerte des ersten und des zweiten Signals stets ei
nen konstanten Wert ergeben, wenn kein Fehler in der Überwa
chungsvorrichtung 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 festge
stellt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnah
me weist der Vergleicher einen Speicher auf, in dem mögliche
Kombinationen von Momentanwerten entsprechend der geometrischen
Beziehung derart abgespeichert sind, daß fehlerbehaftete Kombi
nationen von aufgenommenen Momentanwerten erkennbar sind.
Diese Maßnahme kann bspw. dadurch realisiert sein, daß die feh
lerfreien und somit zulässigen Kombinationen von Momentanwerten
der beiden genannten Signale in einer Zuordnungstabelle abge
speichert sind. Jede Kombination von aufgenommenen Momentanwer
ten, die nicht in dieser Tabelle enthalten ist, wird automa
tisch als fehlerbehaftet erkannt, so daß ein entsprechendes
Fehlersignal generiert werden kann. Die genannte Maßnahme be
sitzt den Vorteil, daß sie sehr einfach und besonders kosten
günstig realisierbar ist. So können insbesondere die Kosten für
einen vergleichsweise teuren digitalen Signalprozessor entfal
len. Darüber hinaus besitzt die Maßnahme den Vorteil, daß zu
mindest dann, wenn die Anzahl der abgespeicherten zulässigen
Kombinationen von Momentanwerten nicht zu groß ist, die Auswer
tung 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 zu
lässige Nachbar-Intervallfelder angrenzen.
Diese Maßnahme bedeutet anschaulich gesprochen, daß durch die
abgespeicherten Kombinationen von zulässigen Momentanwerten In
tervallflächen 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 Feh
ler der Überwachungsvorrichtung vor. Das Angrenzen kann dabei
auch ein Überlappen der benachbarten Intervallfelder im Grenz
bereich beinhalten. Die Maßnahme besitzt den Vorteil, daß hier
durch eine lückenlose Überprüfung des Verlaufs der aufgenomme
nen 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 zwei
er Intervallfelder liegen kann. Ein Grenzpunkt, an dem drei
oder noch mehr Intervallfelder aneinander stoßen, ist hierbei
ausgeschlossen. Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß bei ei
ner Kombination von aufgenommenen Momentanwerten allenfalls ei
ne Zweideutigkeit hinsichtlich der Zuordnung zu einem zulässi
gen Intervallfeld bestehen kann, jedoch keinesfalls eine Drei-
oder Mehrdeutigkeit. Hierdurch wird der Aufwand und infolge
dessen die Geschwindigkeit bei der Durchführung des Vergleichs
reduziert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vor
richtung Mittel auf, mit denen zumindest die Drehgeschwindig
keit der Welle bestimmbar ist.
Darüber hinaus können die genannten Mittel auch geeignet sein,
die jeweilige Winkelposition der Welle und/oder deren Drehrich
tung zu bestimmen. Die Bestimmung kann mit Hilfe an sich be
kannter 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-Steuer
gerätes möglich ist. Alternativ kann aufgrund der genannten
Maßnahme auch die Verwendung eines weiteren Drehzahl-Steuer
gerätes vermieden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Meß
mittel für das erste und das zweite Signal jeweils einen eigen
ständigen 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 verbes
sert wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden getrenn
ten Aufnahmekanäle diversitär, d. h. mit unterschiedlichen Bau
elementen aufgebaut sind. In diesem Fall ist die Wahrschein
lichkeit, daß ein Fehler die aufgenommenen Momentanwerte des
ersten und zweiten Signals zu einem Zeitpunkt in ein und der
selben Weise verändert, nochmals reduziert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vor
richtung zwei zueinander redundante Vergleicher auf, deren Ver
gleichsergebnisse einer Überwachungseinheit zugeführt sind.
Auch durch diese Maßnahme wird die Fehlersicherheit der Vor
richtung nochmals verbessert, da hierdurch auch ein Fehler in
nerhalb der Vergleicher zuverlässig erkannt werden kann. Beson
ders bevorzugt ist es, wenn die zueinander redundanten Verglei
cher diversitär aufgebaut sind. Die Überwachungseinheit ist be
vorzugt ebenfalls zweikanalig aufgebaut, wobei jeder der beiden
Kanäle einem der beiden zueinander redundanten Vergleicher zu
geordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrich
tung 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 ko
stengünstige Weise nachgerüstet werden kann. Darüber hinaus
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei der Neuerstel
lung von Anlagen in Kombination mit gleichen und/oder anderen
Drehbewegungserfassungsgeräten, insbesondere Standardbaustei
nen, verwendet werden. Hierdurch läßt sich ein insgesamt ko
stengünstiger Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung errei
chen.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach
stehend 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 Drehbe
wegung 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 vergli
chen werden,
Fig. 7 eine Definition zulässiger Intervallfelder, anhand
der aufgenommene Momentanwerte des ersten und zwei
ten 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 Rich
tung 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 ver
sorgt 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 auf
nehmen, die auf der Welle 12 angeordnet sind. Die Ausgangs
signale der beiden Inkrementalgeber 32 sind einem sicheren Aus
wertegerät 36 zugeführt, das in an sich bekannter Weise mit
Hilfe der Inkrementalgeber 32 einen Stillstand oder eine limi
tierte Drehbewegung der Welle 12 überwacht. Das Auswertegerät
36 weist ein Auslöseelement 38 auf, das seinerseits auf Schal
ter 40 einwirkt, mit denen die Stromversorgung der Antriebs
steuerung 28 bzw. des Motors 14 unterbrochen werden kann. So
bald von dem sicheren Auswertegerät 36 ein Fehler oder eine un
zulässig 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 Drehbewegun
gen einer Welle 12 bekannt. Sie besitzt jedoch die bereits ein
gangs 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 be
zeichnen 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 ei
nen 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 Sta
torwicklungen 52, 54 eines konzentrisch zu dem Rotor angeordne
ten Stators transformatorisch gekoppelt ist. Über die andere
der beiden Rotorwicklungen wird der Rotor ebenfalls transforma
torisch 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 α der Welle 12 von 90°
zueinander versetzt angeordnet. Dies hat zur Folge, daß die
Statorsignale 24, 26 des Resolvers 22 zeitlich versetzt zuein
ander 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 Zu
hilfenahme 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 be
zeichnet.
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 Statorsi
gnale 24, 26 des Resolvers 22 zugeführt sind. Optional kann dem
Auswertegerät 62 auch das Rotorsignal 30 des Resolvers 22 zuge
führt sein, wodurch das Auswertegerät 62 zumindest grundsätz
lich in die Lage versetzt wird, zusätzlich zu der Überwachung
der Drehbewegung der Welle 12 auch sämtliche Bewegungsparameter
der Drehbewegung zu bestimmen. Zur Überwachung und Feststel
lung, ob eine sicherheitskritische Drehbewegung vorliegt, ge
nügt jedoch in der Regel der nachfolgend beschriebene Vergleich
der beiden Statorsignale 24, 26.
Eine weitere Besonderheit der Vorrichtung 60 ist, daß das Aus
wertegerät 62 die Antriebssteuerung 28 hier auch über einen
zweiten Abschaltweg 63 abschalten kann, indem es über diesen
Weg die Reglerfreigabe der Antriebssteuerung 28 sperrt.
In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 5 sind die wesentlichen Funk
tionseinheiten 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 verar
beitet. Die Kanäle sind mit z. T. unterschiedlichen Bauelementen
diversitär aufgebaut, was jedoch zur Durchführung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt erforderlich ist.
Die Eingangsstufe des Auswertegerätes 62 wird in jedem Kanal
von einem Differenzverstärker 64a, 64b gebildet, der eine Impe
danzwandlung und Pegelanpassung der vom Resolver 22 gelieferten
Statorsignale 24, 26 durchführt. Am Ausgang der Differenzver
stärker 64a, 64b stehen die Statorsignale US, UC in der in Fig.
3 dargestellten Form an. Diese Signale werden in jedem der bei
den 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 Zwischensigna
le 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 voneinan
der getrennter Vergleicher 70, 72 setzt jedoch die zweikanalige
Verarbeitung in dem Sinne fort, daß die Vergleichsergebnisse
der beiden Vergleicher 70, 72 in einer anschließenden Überwa
chungseinheit 74 nochmals gegenseitig überprüft werden können.
Hierdurch lassen sich auch Fehler, die innerhalb des Verglei
chers 70, 72 auftreten, erkennen. Das Ausgangssignal der Über
wachungseinheit 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. Zusätz
lich wird über den zweiten Abschaltweg 63 die Reglerfreigabe
der Antriebssteuerung 28 gesperrt.
Die beiden Vergleicher 70, 72 sind im vorliegenden Ausführungs
beispiel 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 be
schriebenen Verfahren oder sogar einer Abwandlung davon zu rea
lisieren. 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 mögli
che Kombinationen von Momentanwerten der Statorsignale 24, 26
derart abgespeichert sind, daß hierdurch zulässige Intervall
felder definiert werden, in denen die Ortskurve aus den beiden
Statorsignalen 24, 26 bei einem fehlerfreien Betrieb der Vor
richtung 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 Ko
ordinatensystem spannt somit die Us-Uc-Ebene auf, in der Kombi
nationen von Momentanwerten der beiden Statorsignale Ortspunkte
definieren. Bei einem fehlerfreien Betrieb der Überwachungsvor
richtung 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 wer
den. Mit der Bezugsziffer 94 ist beispielhaft die Cosinus-
Komponente des Zeigers 92 und mit der Bezugsziffer 96 die Si
nus-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 geome
trische Beziehung, die die viertelkreisförmige Ortskurve 90 de
finiert, mit den aufgenommenen Momentanwerten der Statorsignale
24, 26 mit Hilfe des digitalen Signalprozessors 76 berechnet.
Die entsprechende Formel hierzu lautet:
U 2|S + U 2|C = Konstante
Dies bedeutet, daß das Quadrat zweier zeitgleich aufgenommener
Momentanwerte stets denselben konstanten Wert ergeben muß. Wel
chen Wert die Summe ergeben muß, hängt von den tatsächlichen
Parametern der Verarbeitungskanäle des Auswertegerätes 62 ab.
Mit Hilfe einer in dem digitalen Signalprozessor 76 abgespei
cherten Rechenvorschrift, die die aufgenommenen Momentanwerte
der Statorsignale 24, 26 als Eingangsgrößen bzw. Variablen ver
knüpft, 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:
kann zudem auch der jeweils aktuelle Drehwinkel der Welle 12
bestimmt werden. Wenn die Veränderung dieses Drehwinkels an
schließend über einem Zeitintervall T bestimmt wird, ist dar
über 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 defi
nieren 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 ge
wählt, 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 s0 bis s5 und deren zweite
sechs Stellen den Rasterlinien c0 bis c5 entsprechen. So ist
bspw. das Intervallfeld d durch das Digitalwort 00x111.00x111
bestimmt. Dabei bedeutet "x", daß hier wahlweise 0 oder 1 ste
hen kann ("Don't care")
Die demodulierten Statorsignale 24, 26 werden zum Vergleich
miteinander im Vergleicher 72 zunächst in einem Datenformat di
gitalisiert, das dem abgespeicherten Code der zulässigen Inter
vallfelder 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 ent
spricht. Wenn dies der Fall ist, folgt hieraus, daß die ent
sprechenden Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 einen
Ortspunkt definieren, der innerhalb des entsprechenden Inter
vallfeldes liegt. Führt hingegen die Digitalisierung der aufge
nommenen Momentanwerte nicht zu einem Datenwert, der in der Ta
belle des Speichers 78 abgelegt ist, folgt hieraus, daß die
aufgenommenen Momentanwerte einen Ortspunkt definieren, der au
ßerhalb 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 zu
lässig angesehen, so daß der Vergleicher 72 in diesem Fall kei
nen Fehler der Vorrichtung 60 erkennt. Durch eine geeignete
Wahl der Intervallgrenzen kann die Toleranz, innerhalb der Kom
binationen von Momentanwerten von der geometrisch exakten Orts
kurve 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 be
stimmt werden, indem mit Hilfe eines hier nicht dargestellten
Zählers die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Intervall
feldübergängen gemessen wird.
Bei einem Auswertegerät 62, mit dem nur eine bestimmte zulässi
ge Drehzahl der Welle 12 sicher überwacht werden soll, genügt
ein Vergleich der Momentanwerte der aufgenommenen Statorsignale
24, 26 entlang der viertelkreisförmigen Ortskurve 90. Wenn dar
über hinaus jedoch auch die jeweils aktuelle Winkelposition der
Welle 12 bzw. deren Drehrichtung überwacht werden sollen, ist
es erforderlich, die Ortskurve der Momentanwerte der Statorsi
gnale 24, 26 entlang eines Vollkreises zu überwachen. Fig. 8
zeigt hierzu eine Definition von Intervallfeldern a bis u, in
nerhalb derer sich die entsprechende Ortskurve 104 bei einem
fehlerfreien Betrieb der Vorrichtung 60 bewegen muß. Der Ver
gleich der aufgenommenen Momentanwerte im Hinblick auf die
Ortskurve 104 erfolgt dabei auf dieselbe Art und Weise, wie zu
vor beschrieben.
Unabhängig von der gewählten Realisierung, mit der die aufge
nommenen Momentanwerte der Statorsignale 24, 26 miteinander
verglichen werden, ist das Auswertegerät 62 in dem Ausführungs
beispiel gemäß Fig. 4 als modulares Zusatzgerät für eine stan
dardmäßige Antriebssteuerung 28 ausgebildet. Abweichend hiervon
kann das Auswertegerät 62 in einem anderen, hier nicht darge
stellten Ausführungsbeispiel in die Antriebssteuerung 28 des
Motors 14 integriert sein.
Claims (13)
1. 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 Si
gnal (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 Auswertemit
teln (62), denen das erste und das zweite Signal (24, 26)
zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte
mittel (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.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mit dem Vergleicher (70, 72) zeitgleiche Momentanwerte des
ersten und des zweiten Signals (24, 26) vergleichbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der erste und der zweite Referenzpunkt um einen
Drehwinkel (α) von 90° voneinander entfernt liegen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Signalwege (64, 66, 68) zum Aufneh
men des ersten und des zweiten Signals (24, 26) signal
technisch gleich aufgebaut sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Meßmittel (22) einen Resolver bein
halten, dessen Statorsignale das erste und das zweite Si
gnal (24, 26) bilden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Vergleicher (70) eine digitale Re
cheneinheit (76) aufweist, in der die geometrische Bezie
hung (90; 104) als Rechenvorschrift unter Verwendung der
Momentanwerte als Eingangsgrößen abgespeichert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, 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.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die abgespeicherten Kombinationen von Momentanwerten zwei
dimensionale, zulässige Intervallfelder (a-g; a-u) de
finieren, die jeweils an zulässige Nachbar-Intervallfelder
(a-g; a-u) angrenzen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie ferner Mittel (76) aufweist, mit de
nen zumindest die Drehgeschwindigkeit der Welle (12) be
stimmbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Meßmittel (22) für das erste und das
zweite Signal (24, 26) jeweils einen eigenständigen Auf
nahmekanal (64a, 64b, 66a, 66b, 68a, 68b) aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie zwei zueinander redundante Verglei
cher (70, 72) aufweist, deren Ergebnisse einer Überwa
chungseinheit (74) zugeführt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, 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 er
ste Signal (24) den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposi
tion eines ersten Referenzpunktes der Welle (12) repräsen
tiert und wobei das zweite Signal (26) den zeitlichen Ver
lauf 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 Aus
werten die Momentanwerte des ersten und des zweiten Si
gnals (24, 26) anhand einer vorgegebenen geometrischen Be
ziehung (90; 104) miteinander verglichen werden.
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