用于检查电机的电气值的方法和设备与流程

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用于检查电机的电气值的方法和设备与流程

本发明进一步涉及一种用于检查电机(具体为坐标测量机的电机)的电气变量的装置,其中,所述电机具有电力驱动装置,所述电力驱动装置具有定子和转子。

本发明进一步涉及一种用于操作电机的方法。

本发明最后涉及一种具有电力驱动装置的电机,所述电力驱动装置具有定子和转子,并且所述电机具有用于对所述电力驱动装置进行致动或激励的控制单元。

电力驱动技术领域众所周知的是,作为电气变量的电动机电流与用于线性电动机的电动机力和用于回转电动机的电动机转矩成比例。所述电气变量与所述机械变量之间的关系由驱动装置特定的特征变量给定。为了对电力驱动装置进行准确且安全的控制,因此必须可靠地检测作为测量变量的电动机电流以用于确定或限制电动机力或电动机转矩并且必须提供所述电动机电流用于控制电动机。为了以这种方式可靠地测量电动机电流,通常必须冗余地检测电动机电流,以便实现合适的安全水平。

例如从DE 10 2006 003 362 A1已知一种用于坐标测量机的相应电力驱动装置,其中,基于所检测的电动机电流控制或限制转子的速度和/或加速度。

DC电动机的电动机电流通常被电动机线路中的分流电阻器或被霍尔传感器检测到并且可以另外地在中央控制器中被冗余地检测,其结果是,冗余电动机电流测量在几乎没有支出的情况下是可能的。

现在经常使用的电气整流DC机(BLDC)一般具有相对于彼此偏差120°的三个相,其中,在这三个相中的至少两个(然而,优选地,三个相全部)中检测电动机电流,从而确定或限制驱动装置的转矩。然而,在这种情况下,需要对这三个相电流进行技术上复杂的变换以用于确定转矩。

由于在多相电气整流DC机的情况下对有效电动机电流的检测在技术上是复杂且繁复的,这种类型的大多数驱动装置不牵涉对电动机电流的冗余检测,其结果是,针对安全相关的应用,相应可靠的测量是不可能的。

此外,在控制单元的非集中式安排的情况下,通常通过数字总线系统控制电力驱动装置。然而,为了进行安全的电动机控制,所检测的电动机电流必须被通过数字总线系统可靠地传输至中央控制器,其结果是,电动机电流的测量值向中央控制器的传输一般与高技术支出相关联。

因此,本发明的目的是在几乎没有技术支出的情况下为电力驱动装置提供对所检测的电动机电流的确认。

根据本发明的第一方面,因此提供了用于检查在开始时提及类型的电机的电气变量的方法,所述方法具有以下步骤:检测驱动电流的值,所述驱动电流被馈送至所述电力驱动装置以用于驱动所述转子的目的;检测所述电机的电气输入变量的测量值;基于所述驱动电流的所检测值和所述电机的性能模型来确定所述电气输入变量的计算值;以及基于所述电气输入变量的所检测的测量值和所确定的计算值来确定比较值,从而检查所述驱动电流的所述所检测值。

根据本发明的第二方面,因此提供了用于检查在开始时提及类型的电机的电气变量的装置,所述装置具有:第一检测单元,所述第一检测单元与所述电力驱动装置相关联并且被配置用于检测驱动电流的值,所述驱动电流被馈送至所述电力驱动装置以用于驱动所述转子的目的;第二检测单元,所述第二检测单元被配置用于检测所述电机的电气输入变量的测量值;确定单元,所述确定单元被配置用于基于所检测的驱动电流和所述电机的性能模型来确定所述电气输入变量的计算值;以及检查单元,所述检查单元被配置用于基于所述电气输入变量的所检测的测量值和所确定的计算值来确定比较值,从而检查所述驱动电流的所检测值。

此外,提供了一种用于操作电机的方法,所述方法具有以下步骤:根据本发明检查电机的电气变量;以及如果所述比较值超过预定义阈值,则中断所述电力驱动装置的电力供应。

最后,提供了在开头提及类型的电机,所述电机具有根据本发明的用于检查电机的电气变量的装置。

根据本发明,电机的性能模型被理解为指将能量守恒考虑在内对消耗和输出的功率进行观察。

根据本发明,电机的电气输出变量被理解为指整个电机的电气输入电压或电力输入电流,其中,所述电气输入变量形成了电机所消耗的电功率的至少一个电气变量。

通过用于检查电机的电气变量的根据本发明的方法和根据本发明的装置,检测被馈送至电力驱动装置用于驱动转子的目的的驱动电流,并且基于所检测的驱动电流以及对电机所消耗的电功率的观察结果来计算电气输入变量,其结果是,通过比较电气输入变量的所计算值与电气输入变量的测量值可以确认所测量的驱动电流。通过所测量的电气输入变量与基于驱动电流而计算的电气输入变量之间的所述比较可以计量地检查驱动电流,其结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下提供附加冗余并且可以由此提高电动机电流测量的可靠性。通过根据本发明的方法和根据本发明的装置伴随一定的不确定性因数来检测驱动电流并且可以通过理论性能观察和第二测量值对电气输入变量的测量来检查驱动电流,其结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下确认驱动电流的测量值。

通过因而被确认的电动机电流的测量结果,可以实现对线性驱动装置的安全且可靠的前进力限制和安全且可靠的驱动转矩限制,其结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下提供针对个人保护等的足够安全级别。

最后,通过理论性能观察和可以在几乎没有技术支出的情况下在外部测量的电机的电气输入变量来确认电动机电流可以显著地减少关于所确认的电动机电流的可靠传输的技术支出,因为可以通过性能模型在控制单元中确认测量值。

在根据本发明的用于操作电机的方法中,如果比较值超过预定义阈值则中断电力驱动装置的电力供应,其结果是,可以标识对驱动电流的错误测量并且在不再能够可靠地保证对前进力的限制或对转矩的限制时可以可靠地关闭电力驱动装置。因此,可以显著地提高电机的可靠功能和安全性。

因此,完全实现了本发明的目标。

不言而喻,该方法的优选实施例同样形成了或可以应用于该装置的实施例。

在一个优选实施例中,电气输入变量是电机所消耗的总电流或与电机所消耗的总电流相对应的电气变量。

结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下检测取决于电机的电功率消耗而改变的电气变量。

在这种情况下,如果在电机的电气输入线路的测量电阻器处检测到电压,这是特别优选的,从而测量电机所消耗的总电流。

结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下检测电机所消耗的总电流。

如果电气输入变量的计算值是基于被供应给电机的总电压计算的,这是此外优选的。

结果是,可以精确地确定电机所消耗的总电功率。

在一个优选实施例中,性能模型将电力驱动装置的电动势或电磁反作用力考虑在内。

结果是,可以将电力驱动装置所消耗的以及未被转换成动能电功率考虑在内,其结果是,通过性能模型进行性能观察是特别精确地可能的。

在这种情况下,如果检测转子的运动变量并基于电力驱动装置的特征变量和所检测的运动变量确定电动势或电磁反作用力,这是特别优选的。

结果是,可以独立于电气输入变量地确定电动势或电磁反作用力。

在一个具体实施例中,性能模型将电机的控制单元的电功率损耗考虑在内。

结果是,可以将电机的附加电气负荷考虑在性能模型内,其结果是,性能观察更加精确地可能。

在这种情况下,特别优选的是控制单元的电功率损耗是在转子静止的时候确定的。

在这种情况下,通过转子静止时的功率消耗来确定在转子静止时控制单元的电功率损耗,其中,基于电机的供电电压来确定移动操作中消耗的电功率并且在驱动装置静止时确定功率消耗。结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下可靠地确定控制单元的功率消耗。

进一步优选的是所述性能模型将电力驱动装置的机械驱动功率考虑在内。所述机械驱动功率在此优选地是由有效驱动电流所引起的,所述机械驱动功率是电力驱动装置的转子和转子的电阻器所消耗的,所述有效驱动电流可以是给定的或者可以被提前确定作为电动机常量。

结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下基于所测量的驱动电流确定作为性能模型的组成部分的机械驱动功率。

在一个优选实施例中,所述比较值是基于所述电气输入变量的所述测量值与所述计算值之间的差值而确定的。

结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下确定驱动电流的所检测值离驱动电流的期望值的偏离,其结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下标识错误的测量结果。

进一步优选的是所述比较值是基于多个所述差值之和而确定的。

结果是,可以通过形成相应的平均值来平衡所测量的驱动电流与所计算的比较值之间较小的暂时性差异,其结果是,所述暂时性差异不导致电机被关闭。

进一步优选的是所述比较值是基于所述差值的积分而确定的。

结果是,可以进行对差异值的连续精确的平均值形成。

如果从所述积分的值或所述和的值中减去预定义值,这是特别优选的。

结果是,可以在几乎没有技术支出的情况下定义驱动电流与比较值之间的总差的最大极限值,其结果是,可以可靠地标识电动机电流检测的误差。

在一个优选实施例中,用于检测所述电气输入变量的所述测量值的所述第二检测单元和用于确定所述电气输入变量的所述计算值的所述确定单元各自连接至单独的检查单元,其中,所述检查单元各自被配置用于独立地确定所述比较值,以便独立地检查所述驱动电流的所检测值。这两个检查单元在这种情况下优选地在其自己之间交换所测量的和所计算的数据,从而为各自的另一检查单元提供所需数据。

结果是,可以独立地检查驱动电流,其结果是,可以进一步提高对驱动电流进行检查的可靠性。

在一个优选实施例中,所述单独的检查单元各自连接至所述电机的开关单元,以便中断所述电力驱动装置的电力供应。在这种情况下,电机的开关单元是单独地形成的并且可以彼此独立地被致动。

结果是,万一发生电动机电流检测误差,可以可靠地且独立地关闭电机或电力驱动装置。

总的来说,可以通过本发明在几乎没有技术支出的情况下进行对驱动电流的测量结果的可靠检查,其中,可以在几乎没有技术支出的情况下将因而所测量和检查的驱动电流供应给中央控制单元,因为检查与对驱动电流的测量分开地发生并且可以在电机的电源处外部地检测电气输入变量。可以通过性能模型将能量守恒观察结果形式的不同电能考虑在内并且可以分开地确定单独能量分量的物理变量,其结果是,可以精确地计算电气输入变量作为参照。

不言而喻,上述特征还以及有待在以下解释的那些特征不但可以各自以指定的组合来使用,而且还可以以其他组合来使用或者它们单独使用而不脱离本发明的范围。

在附图中展示了本发明的多个示例性实施例并且在以下的说明中对其进行更详细的说明。在附图中:

图1示出了电机的示意性展示,所述电机具有用于驱动电力驱动装置的控制单元并且具有用于检查电机的电气变量的装置,

图2示出了来自图1的电机的实施例的示意性详图,

图3示出了用于检查电机的电气变量的方法的示意性流程图,以及

图4示出了作为来自图1的电机的示例性应用的坐标测量机的实施例的示意性展示。

图1示意性地展示了电机,所述电机一般用10表示。电机10具有电力驱动装置12和用于对电力驱动装置12进行致动或激励的控制单元14。电力驱动装置12一般可以被配置成回转电动机或配置为线性电动机并且一般具有固定的定子和移动的转子,其中,取决实施例,所述转子提供转矩或线性电动机力。控制单元14与电力驱动装置12的定子电连接并通过电动机电流IA对电力驱动装置12进行致动或对电力驱动装置12进行激励。转子所提供的转矩或转子所提供的电动机力与电动机电流IA成比例,其结果是,可以相应地通过电动机电流IA控制或限制转矩或电动机力。

控制单元14连接至电机10的电气输入连接件16、18从而将控制单元14外部地连接至外部电压源20,所述外部电压源向输入连接件16、18供应输入电压或电源电压UV。取决于电力驱动装置12的驱动功率,控制单元14消耗输入电流IV,所述输入电流构成电机10的总消耗电流IV。输入线路中安排有具有电阻RS的测量电阻器22,所述电阻将电气连接件16、18之一连接至控制单元14,其中,跨测量电阻器22下降测量电压US,通过电压计24检测所述测量电压从而确定总消耗电流IV

电力驱动装置12的转子的前进力F或转子的转矩M以电动机力常量或转矩常量与电动机电流IA成正比。可以通过控制单元14或单独的安培计测量或检测电动机电流IA并且所述电动机电流是作为未经确认的测量值可用的。如果旨在借助电动机电流IA可靠地确定或可靠地限制前进力F或转矩M,则必须通过进一步的测量来相应地确认电动机电流IA的测量结果,如下面更详细解释的。

电力驱动装置12一般可以被配置成线性电动机、配置为机械整流DC电动机或配置为无刷电气整流DC电动机(BLDC)。

为了确认所检测的电动机电流IA,电机10具有用于检查作为电机10的电气变量的电动机电流IA的装置30。用于检查电动机电流IA的装置30具有确定单元32,所述确定单元基于输入电压UV的所检测的电动机电流IA和转子的运动变量v,n并基于电机10的性能模型确定测量电压US的计算值UC。用于检查电动机电流IA的装置30进一步具有检查单元34,所述检查单元将测量电压US的计算值UC和测量电压US的测量值进行比较以便检查驱动电流IA的所检测值。检查单元34输出计算值UC与测量电压US之间的比较值,并且可以基于所述比较值而一般地关闭电机10或关闭控制单元14,如图1中所展示的。

用于检查电动机电流IA的装置30可以被配置为芯片中的微型控制器形式的集成电路。

由于确定单元32从电动机电流IA并从输入电压UV和转子的运动变量v,n(即,基于独立于所测量的测量电压US的测量变量)来确定计算值UC,计算值UC独立于测量电压US,其结果是,可以比较两个冗余的测量变量并且可以因此确认电动机电流IA的测量结果。

电机10的性能模型是基于能量守恒原理的,在于:电机10的输入电功率PV与输出机械驱动功率Pmech、电动机的功率损耗PM和电机10的电子部件的功率损耗PE之和完全相同,如公式1中所示的:

PV=Pmech+PM+PE (公式1)

根据公式2,可以借助测量电阻器22和输入电压UV计算输入电功率PV

PV=UV*IV (公式2)

可替代地,可以通过输入连接件16、18的区域内的中央控制单元检测输入电压UV和总电流IV。此外,可以通过处于控制单元14的电连接线路的任意位置处的单独测量单元来确定总电流IV或测量电压US,所述单独的测量单元通过数字总线向中央控制单元提供相应的测量结果。

当转子静止时,可以例如提前测量电机10的电子部件的(比如控制单元14的)电功率损耗PE或自消耗功率PE,其中,总消耗电流IV则与电子部件所消耗的电流IE完全相同。由公式3引起电子部件的电功率损耗PE

PE=UV*IE (公式3)

流经转子或转子的电枢的电动机电流IA引起电动机的功率损耗PM,其中,转子的电枢具有电枢电阻RA。由公式4引起电动机的功率损耗PM

其中,电枢电阻RA是已知的电动机常量并且可以通过控制单元14或相关联的安培计来测量电动机电流IA,如上文所解释的。

除了电动机的功率损耗PM和电子部件的功率损耗PE之外,实际电动机功率或机械前进功率PMech也必须被考虑在内,其由与旋转速度或速度成比例的分量以及与转矩或与力成比例的分量组成。与转动速度或速度成比例的分量UEMK对应于电动势(反EMF)并且可以使用以下各项对其进行计算作为电力驱动装置12的运动变量:电动机常量KEMK(其是已知的或可以针对每个电力驱动装置测量的)、以及转子的速度v或转子的旋转速度n。电力驱动装置12的最大速度是由电磁反电压UEMK达到最大可用电压(即,匝连电路电压)值的事实引起的。

UEMK=KEMK*v;UEMK=KEMK*n (公式5)

与转矩或与力成比例的分量对应于电动机电流IA。因此,由公式6引起实际电动机功率或机械前进功率PMech

Pmech=UEMK*IA (公式6)

因此,由公式1针对性能模型产生以下结果:

UV*IV=UV*IE+RA*I2A+KEMK*v*IA (公式7)

针对静态的情况,其中,转子是静止的并且因此不输出机械功率,针对电动机电流产生以下结果:

并且针对动态的情况,将机械输出的功率PMech考虑在内,针对总电流IV产生以下结果:

其中,可以通过测量电阻器22的电阻RS来计算计算值UC

UC=RS*IV (公式10)

可以通过计算值UC与测量电压US之间的比较值来独立地或冗余地检查所测量的电动机电流IA,因为计算值UC是基于电动机电流IA和独立变量的并且可以在测量电阻器22处计量地检测测量电压US。因此,可以通过性能模型来确认电动机电流IA的简单测量结果并且所述简单测量结果可以用于安全相关的应用和变量,比如像限制前进力。

如果计算值UC与测量电压US之间的差值超过预定义值,则电动机电流IA的测量结果是错误的,其结果是,所测量的电动机电流IA不再可以用于确认前进力或用于确认驱动转矩。在这种情况下,一般可以通过控制单元14或单独的开关或接触器关闭电机10。

因为计算值UC与测量电压US之间经常短暂地出现较小差异,可以对差异值取平均并且可以对差异值求和或积分以用于标识误差的目的。此外,可以定期地或连续地从所计算的和值或所计算的积分值中减去预定义值,其结果是,电动机电流检查的误差只有在达到极限值之后才被标识。

作为其替代,还可以形成具有容差范围等的活动的平均值。

不言而喻,还可以通过测量电阻器22来测量总电流IV,所提供的多个控制单元14通过测量电阻器22连接至输入连接件16。

图2示意性地展示了电机10的实施例。用完全相同的参考号指代完全相同的元件,在此仅对特殊的特征加以解释。

在本实施例中,电力驱动装置12被配置具有三相U、V、W的电气整流DC机。控制单元14被配置成三相逆变器,所述三相逆变器具有三个半桥,所述三个半桥各自具有两个可控的开关,从而将输入电压UV转换成三相AC电压。控制单元14通过三条连接线连接至电力驱动装置12的三个相并相应地提供三个相电流I1、I2、I3,从而驱动电力驱动装置12的转子。

电机10还具有第一检查单元36和第二检查单元38,所述第一检查单元和第二检查单元被分开地配置并且各自优选地被配置成微型控制器形式的集成电路。第一检查单元36和第二检查单元38一起形成了装置30。

测量电压US和输入电压UV被作为所测量的输入变量供应给第一检查单元36。作为来自第一检查单元的输入变量的输入电压UV、测量电阻器22的电阻RS和测量电压US被作为输入变量提供非第二检查单元38。此外,第二检查单元接收三个相电流I1、I2、I3的测量值和转动速度n以及预先确定的电流消耗IE作为进一步的输入变量。第二检查单元38基于输入变量参照公式9如上文所解释的计算总电流IV并且还通过测量电阻器22的电阻值RS计算计算值UC并将所测量的测量电压US与因而确定的计算值UC进行比较。第二检查单元38通过信号线42连接至控制单元14。如果计算值UC与所测量的测量电压US之间的差值超过预定义阈值,则将相应的关闭信号通过信号线42传输至控制单元14并且所述半桥的可控开关是开路的,从而将驱动装置12断开连接。

第二检查单元38向第一检查单元36传输所计算的总电流IV并且第一检查单元36参照测量电阻器22的电阻值来确定计算值UC并独立于第二检查单元38地将计算值UC与所测量的测量电压US进行比较。第一检查单元通过信号线40连接至连接线内的开关35。如果测量电压US与计算值UC之间的差值超过预定义阈值,则将相应的关闭信号传输至可控开关35并且可控开关35相应地打开。

第一检查电路36和第二检查电路38优选地彼此物理地分开并通过总线系统44或安全总线系统44交换所计算的和所测量的数据,如图2中所展示的。通过物理分隔可以确立进一步的冗余,其结果是,万一出现误差,存在两个独立的评估结果和开关装置用于电力驱动装置12。

图3示出了用于检查电机10的电气变量的方法的示意性流程图。在图3中,一般用50指代所述方法。

方法50开始于对电动机电流IA的测量,如步骤52中所示,其中,必须针对安全相关的应用确认如上文所解释的对电动机电流IA的测量。在步骤54中,测量跨测量电阻器22的测量电压US并确定总电流IV。在步骤56中,测量或者假如输入电压稳定且恒定则供应输入电压UV。在步骤58中,检测转子的运动变量,取决于电力驱动装置12的实施例,所述运动变量是转子速度v或旋转速度n。

在步骤60中,基于电机10的性能模型确定计算值UC。为了计算计算值UC,电动机常量比如KEMK和RA由存储装置62提供并且提供之前所测量的电流消耗IE,如64中所示的。在步骤66中,将计算值UC与所测量的测量值US进行比较。在步骤68中,将因而确定的比较值与阈值进行比较,并且,如果比较值大于阈值,则在步骤70中,将电机10与电源隔离或者将电力驱动装置12断开连接。如果比较值小于预定义阈值,则方法50返回步骤52(如反馈环路72所示)并检测电动机电流IA

不言而喻,还可以并行地或以任何其他期望的顺序执行步骤52至58并且方法50可以连续地进行。

图4展示了作为电机10的示例性应用的坐标测量机,一般用80指代所述坐标测量机。坐标测量机80用来测量工件82并且具有用于测量工件82的触觉传感器84。坐标测量机80包括载体结构86,可以相对于底板88在Y方向移动所述载体结构。载体结构86还具有滑动件90和套筒92,所述滑动件和套筒各自是以可移动的方式安装的并且是可以通过电力驱动装置被移动的。可以通过根据本发明的电机10驱动载体结构86以及滑动件90和套筒92。可以通过确认电动机电流IA来安全地限制对单独元件的驱动力。

再多了解一些
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