驱动系统的诊断和驱动系统的制作方法

本发明涉及一种用于诊断驱动系统的方法、用于运行驱动系统的方法以及驱动系统，其中，驱动系统具有带有拥有相绕组的定子和永磁激励的转子的电马达以及用于确定转子的位置的传感器。该驱动系统特别是门驱动系统。

背景技术：

带有拥有相绕组的定子和永磁激励的转子的电马达在多个驱动系统中应用。在马达作为同步电动机(Synchronmotor)的设计方案中，其常常也被称为“PMSM”马达。一个实例为在门驱动系统中的应用，其用于使电梯厢的、站台上的、建筑中的或机床处的门、特别是滑动门运动。

在此，存在对这样的驱动系统的、简单和低花费的诊断可行性方案的要求，用于在制造中、运转时、运行中、维护或检查时以及在运行系统的故障运行的情况中的故障查询。

在此，例如存在对于在马达、驱动控制装置和用于确定转子位置的传感器之间的电缆连接的正确性进行检查的要求。

此外，常常应用用于确定转子位置的、磁的角度传感器。其产生用于转子的完全的机械旋转的、明确的角度信息。特别在电子换向的马达(也被称为“EC马达”)中，从该角度信息推导转子位置并且由此产生用于马达的驱控信号。对于马达的准确的调节来说重要的是，角度信息具有到定子绕组的固定和已知的角度。然而根据制造工艺和给定的公差，该角度有波动或者甚至是完全未知的。因此在实际中，在制造中将该角度的调整值(Abgleichwert)进行测定，存放在数据存储器中并且在控制和/或调节马达时进行考虑。然而，数据存储器能够失效并且因此丢失调整值。

而且已知的是放弃调整，在其中应用特别造型的磁体，其能完全复制地准确磁化并且具有较小的公差，并且同时精确地规划传感器位置并且设置仅很小的公差，然而，这样花费很大。

在采用附加的参考信号(例如与具有转子的磁场的、限定的相位进行耦合的单个霍尔传感器)时，能够在任何时间通过评估霍尔传感器的脉冲边沿来重复调整，然而这要求附加的传感器。

在应用用于调整值的OTP存储器时能够甚至不丢失调整信息，然而当机械的实际情况改变时，也能够不重复调整(例如松开传感器电路板的紧固螺栓)。

从US 2010/321006 A中已知了一种方法，利用其能够补偿所有的公差并且其能够重复地应用。然而，对于其实施来说需要详细限定的特定的运行条件(例如马达轴的恒定的转速)。

因此在诊断马达的范畴中，也存在对调整值简单和低花费的测定的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种方法和驱动系统，利用其能够满足前述要求。

该目的的解决方案通过根据权利要求1所述的诊断方法、根据权利要求2所述的运行方法和根据权利要求17所述的驱动系统来实现。有利的设计方案分别是从属权利要求的内容。

根据本发明的用于诊断驱动系统、特别是门驱动系统的方法，该驱动系统具有带有拥有相绕组的定子和永磁激励的转子的电马达、特别是同步电动机以及用于确定转子的位置的传感器，该方法具有下述步骤：

a)在没有给相绕组供给电流的情况下转动转子，优选手动地转动转子，或者通过之前加速后的自行运行(Austrudeln)来转动转子，

b)在转动期间，同时测量通过转动在相绕组中感应出的电压和由传感器产生的信号，

c)测定在转动期间感应出的电压的空间矢量角度，并且从在转动期间由传感器产生的信号中测定转子位置角度，

d)将在转动期间测定的空间矢量角度与在转动期间测定的转子位置角度比较，并且测定两个角度的值的、方向的和/或转动速度的差，以便诊断驱动系统。

本发明从这样的想法出发，即永磁激励的转子的转动产生磁的转动场，其在相绕组中感应出电压。感应出的电压在接口之间具有经由相绕组的几何形状的布置而确定的相位。在没有给相绕组供给电流的情况下转动转子、即无电流地转动马达时，能够测量该电压，并且由此测定感应出的电压的空间矢量角度。在转动转子时，同时测量由转子传感器产生的信号并且由此测定转子位置角度。如已表明的那样，在满足开头所述的要求的情况下，驱动系统的诊断能够非常简单地通过比较空间矢量角度与转子位置角度并且测定两个角度的值的、方向的和/或转动速度的差来实现。特别有利的诊断可行性方案联系从属权利要求进行阐述。

在此，对转动运动没有特别地要求。例如不需要转子的限定(例如恒定)的速度。因此，转子的转动也能够手动地通过操作人员、例如装配人员进行。对此，诊断也能够在马达的艰难的装配条件下进行，如其例如通常在门驱动系统的情况下那样。在此，实现带有与马达耦合的马达负载的、手动的运动，在门驱动系统的情况中例如手动地使门或者门扇运动。然而也能够以其他的方式引起小的马达运动，并且在相绕组与电源隔开或者关闭电源之后的马达的自行运行中实施步骤a)到d)。如已表明的那样，相绕组中的能评估的感应电压已经在额定转速的几个设置的百分比时给定。此外，当传感器是具有高度线性的磁的传感器时，电旋转的一部分对于诊断和例如对于测定调整值来说已经足够。

因为根据本发明的方法提出，不给相绕组施加电流，所以其也能够在制造中应用，以便诊断马达，在那里常常不提供电源。在装配结束和为驱动系统接线时，其也能够作为实际通电前的检查步骤用于检查在马达、驱动控制装置和用于确定转子位置的传感器之间的、电缆连接的正确性。特别有利地，诊断能够通过纯无源的方法在没有对电源的任何功率元件(例如功率终端级)进行驱控的情况下进行。此外，在相绕组上仅设置一个电压测量装置。相绕组上的电流测量装置相反不是必需的并且也没有设置。因此，诊断能够非常灵活、简单和低花费地进行。

在用于运行前述驱动系统的、根据本发明的方法中，驱动系统在用于驱动马达的正常运行中和在用于诊断驱动系统的诊断运行中运行，其中，在正常运行中通过给相绕组供给电源的电流来驱动转子，并且其中，在诊断运行中实施前述的步骤a)至d)。因此，驱动系统除了具有正常运行之外还具有诊断运行，在其中同样能够实现结合前述步骤a)至d)阐述的作用和优点。

在满足预设的准则时，特别是在完成预设的数量的运行小时之后，能够自动地进行从正常运行到诊断运行的转换，必要时也自动地再次回到正常运行中。优选地，能够根据需要在这两个运行状态中切换。步骤a)中的诊断运行中的转子的转动能够例如手动地通过人员进行。优选地，转子的转动自动地通过转子的加速和之后的自行运行实现。在诊断运行中能够随后将诊断数据传输至状态监视系统(Conditon Monitoring System)。

对于驱动系统的诊断中的高精度来说有利的是，在步骤c)中通过测量感应出的电压来补偿或者计算出在空间矢量角度中引起的误差，和/或通过测量传感器信号来补偿或者计算出在转子位置角度中引起的误差。由于测量感应出的电压，所引起的误差常常通过测量装置的取决于频率的表现产生。该取决于频率的表现首先在具有变化的转速的转子运动中表现出来，如其例如在手动地转动转子或转子自行运行时出现的那样。通过补偿或者算出取决于频率的表现也能够在转子的变化的转速中实现诊断时的高精度。

在此优选地进行传感器信号的死区时间补偿和/或运行时间补偿或空间矢量角度的值的频率特性修正。利用死区时间补偿能够补偿传感器的死区时间或者接下来的例如基于计算周期的信号处理。利用运行时间补偿或者频率特性修正能够补偿测量的感应出的电压的、取决于转速的相转动，其在实际中由于低通滤波产生。因此能够独立于转速地进行空间矢量角度的测定。

根据这两个角度的值的、方向的和/或转动速度的测定的差，能够推断在驱动控制装置和马达之间的电缆连接的中断、短路、错接、在驱动控制装置和传感器之间的电缆连接的错接、在传感器中的误差或测量精度和/或传感器的有误差的调整(Justage)。

当这两个角度的值的、方向的和/或转动速度的测定的差超过预设的边界值的时候，能够随后发出消息。

在转子完整转动并且空间矢量角度或由传感器测定的转子位置角度不同时完整旋转时，有利地推断相绕组的或者从线路到传感器的中断或短路。

从这两个角度的值之间的差中能够推断马达相或传感器相的同方向的变换或传感器的有误差的调整。

优选地，从这两个角度的转动方向的差来推断各个马达相或传感器相的反方向的变换。

另一方面，从这两个角度的转动速度的差能够推断传感器的误差或测量精度。

由对应于空间矢量角度的空间矢量的振幅和空间矢量的转动速度能够将马达常数确定，与预设的值比较，并且在偏离时推断马达功率减少或马达损坏。

根据一个特别有利的设计方案，从这两个角度的值的、方向的和/或转动速度的差来推导由传感器测定的转子位置角度的调整值。这优选地在制造马达时进行。调整值随后能够在驱动控制装置中存储，并且在控制和/或调节马达时用于由传感器测定的转子位置角度的修正。在实验室中能够实验性地从额定转速的2％的转速起并且在10°电角度的测量范围中以2°el和更好的精度推导调整值。对于具有从额定转速的5％起的转速的、完整的旋转来说，精度上升到0.5°el。

为了提高精度，调整值优选地从经由周期(即转子的完整的电或机械的旋转)确定的、在角度值之间的平均差来进行推导。

空间矢量角度能够特别简单地通过在相绕组中感应出的电压的克拉克变换(Clarke-Transformation)和随后的配极变换(Polartransformation)来进行计算。克拉克变换对于专业人员来说从三相交流电机的矢量规则中充分已知，并且用于将具有轴u，v，w的三相的参量转化为具有轴a，b的简单的两轴的坐标系统。配极变换对于专业人员来说同样充分已知，并且用于将通过克拉克变换获得的笛卡尔坐标转换为极坐标。

根据本发明的驱动系统、特别是门驱动系统，其具有带有拥有相绕组的定子和永磁激励的转子的电马达、优选为同步电动机以及用于确定转子的位置的传感器。此外其具有：

-测量装置，其设计用于同时测量通过转动在相绕组中感应出的电压和由传感器产生的信号，

-计算装置，其设计用于从由传感器产生的信号来测定感应出的电压的空间矢量角度和转子位置角度，和

-比较装置，其用于空间矢量角度与转子位置角度的比较，并且用于测定这两个角度的值的、方向的和/或转动速度的差，以便诊断驱动系统。

对于根据本发明的方法来说的所述的优点相应地适用于根据本发明的驱动系统。

附图说明

接下来根据附图中的实施例详细阐述根据从属权利要求的特征所述的、本发明以及本发明的有利的设计方案；其中示出：

图1示出具有永磁激励的转子的同步电动机的原理图，

图2示出根据本发明的驱动系统的原理图，

图3-7示出根据本发明的门驱动系统的、示例性的装配情况，

图8示出根据本发明的方法流程的流程图，

图9-11示出图1和2的驱动系统的诊断的实例。

相互对应的部分在所有附图中以相同的参考标号标记。

具体实施方式

图1示出了电马达2的原理上的结构，该电马达根据图2在根据本发明的驱动系统1中采用。马达2优选地构造为同步电动机，并且在所示实施例中具有带有三个分别错开120°的相绕组4，5，6的定子3。马达2的转子7具有永磁体8。此外，马达2具有转子位置传感器9，例如磁的传感器，以用于确定转子7的位置。当转子位置传感器9为磁的传感器或者磁发生器时，那么其就以典型的方式直接经过转子7的转动轴。这样的马达2对于专业人员来说原则上是已知的并且能够在多个实施方式中存在。例如，转子7能够不仅具有唯一的磁体8，也能够具有多个磁体或一个带有多个极的磁体。

图2示出了根据本发明的驱动系统的原理图，其-如图3-图7所阐述那样优选地应用为门驱动系统。

驱动系统1包括结合图1阐述的马达2以及驱动控制装置10，其包括电源11以及马达控制单元13。电源11包括在图2中简化示出的变流器12，其必要时经由未详细示出的、连接在前方的变压器和/或整流器与电源连接。传感器9用于确定马达2的未详细示出的转子的位置，并且优选地构造为具有高度线性的磁的绝对值发生器。借助于例如三相开关形式的分离器14能够将相绕组4，5，6与电源11分隔开。

优选地，该驱动系统1为门驱动系统。马达2随后用于打开或者关闭例如电梯中的、站台上的或者机床处的门或门扇。

在此，图3至图7示出了用于电梯门驱动系统的示例性的装配情况。

在此，图3示出了电梯厢21，在其前侧22上设计有门开口23。在其前侧22上布置有两个相同大小的、能相对运动的门扇24，25。门扇24，25的打开和关闭方向用26标记。用27标记的门驱动系统，其用于移动门扇24，25并且紧固在头部载体28上，其另一方面在门开口23的上方紧固在电梯厢21的前侧22上。用于门驱动系统27的实例在图4至7中示出。

在图4中的前视图中并且在图5中从下方示出的第一门驱动系统27包括驱动控制装置10、马达2和在马达2的下游从动侧连接的角度变速器29。在此，马达2的转动轴在打开和关闭方向26上延伸，并且角度变速器29的轴的从动侧的自由端部垂直于打开和关闭方向26地延伸。在角度变速器29的轴的从动侧的自由端部上紧固有驱动小齿轮、驱动轮或皮带轮30或类似物。皮带轮30与安装在头部载体28的相对置的端部上的转向轮31一起引导硬塑性的齿轮皮带32，其将马达2的驱动力传输到门扇24，25上。可替换地，作为齿轮皮带32的替换也能够采用齿条或扁平缆索。

在图6中的前视图中并且在图7中从下方示出的第二门驱动系统27包括驱动控制装置10和马达2，其垂直于门扇24，25的运动方向26地连续依次地紧固在头部载体28上。马达2的转动轴垂直于门扇24，25的打开和关闭方向26地延伸，并且也垂直于电梯厢21的前侧22地延伸。在马达2上从动侧紧固有皮带轮30。

马达控制单元13根据图2为了确定转子位置角度而包括用于转子位置传感器9的信号检测装置40和用于从发生器9的信号确定转子位置角度γel的角度测定装置41。优选地，为了提高角度测定装置41的精度还存在用于在检测信号检测装置40中的传感器信号时补偿死区时间的死区时间补偿装置42

驱动控制装置10在相绕组4，5，6的端部上还具有电压抽头44，以用于利用分别对此连接的低通装置45来检测相绕组4，5，6的电压Uu，Uv，Uw。低通装置45在输出侧与马达控制单元13的模/数转换器46连接，并且为其输送低通滤波的电压信号Utp_u，Utp_v，Utp_w。为了进一步处理数字化的信号，马达控制单元13具有用于克拉克变换的部件47。由此，从数字化的电压信号Utp_u，Utp_v，Utp_w通过变换转换为两轴的笛卡尔坐标系中所测定的电压Ua，Ub被输送给用于配极变换的部件48，并且通过笛卡尔坐标到极坐标的转换来测定空间矢量的振幅Uab和角度γab。优选地，为了提高振幅Uab的和空间矢量的角度γab的测定的精度，还存在频率特性补偿装置49，其用于补偿相转动以及信号Utp_u，Utp_v，Utp_w的基于低通装置45的、取决于转速地改变的运行时间。

马达控制单元13还具有比较装置50，其用于将空间矢量角度γab与转子位置角度γel比较，并且用于测定这两个角度的值的、方向的和/或转动速度的差，并且用于产生用于驱动系统1的诊断信息D。在此，测定的诊断数据(例如诊断信息D)能够传输到布置在上级的状态监视系统(Conditon Monitoring System)51。

为了提高精度，还能够存在用于测定这两个角度的值的、方向的和/或转动速度的平均差(例如通过关于周期的积分)的部件52。

切换装置53用于将驱动控制装置从用于驱动马达2的正常运行切换到用于诊断驱动系统1的诊断运行，并且反过来，其中，在正常运行中转子7通过给相绕组4，5，6供给电源11的电流来驱动，并且其中，在诊断运行中实施结合图8阐述的诊断。切换能够自动地通过切换装置53在满足存储在切换装置53中的预设的准则时、特别是在完成驱动系统1的预设数量的运行小时之后进行。然而，切换装置53也能够与驱动控制装置10的操作元件54、例如按钮连接，经由其能手动地由操作人员、例如装配人员检测切换指令。

抽头44、低通装置45和模/数转换器46以及信号检测装置40因此形成测量装置，其设计用于同时测量通过转子7的转动在相绕组4，5，6中感应出的电压和由传感器9产生的信号。

角度测定装置41以及用于克拉克变换的部件47和用于配极变换的部件48形成计算装置，其设计用于从由传感器产生的信号来测定感应出的电压的空间矢量角度和转子位置角度。

图8示意性地示出用于诊断驱动系统1的、根据本发明的方法流程60的流程图。

如果马达2与电源11连接，那么在第一步骤61中借助于分离器14将马达2与电源11分隔开。如果马达2已经或仍与电源11分开，或者例如在马达制造中甚至不存在电源11，那么能够跳过该步骤61。

在第二步骤62中，在没有给相绕组4，5，6供给电源11的电流的情况下转动转子7。优选地，其通过操作人员手动地转动。这能够例如通过门扇24，25在打开/关闭方向26上的运动进行(见图3)。

在第三步骤63中，在转动转子7期间同时测量通过其磁体8在相绕组4，5，6中感应出的电压Uu，Uv，Uw和由传感器9产生的信号S。

在第四步骤64中，从在转动期间感应出的电压Uu，Uv，Uw测定空间矢量角度γab，并且从在转动期间由传感器9产生的信号S测定转子位置角度γel。

对此，由马达控制单元13借助于信号检测装置40来检测传感器信号S，通过死区时间补偿装置42在死区时间方面进行补偿，并且在角度测定装置41中测定转子位置角度γel。

同时，由马达控制单元13经由电压抽头44检测在相绕组4，5，6中感应出的电压Uu，Uv，Uw，通过低通装置45滤波，并且将低通滤波的电压Utp_u，Utp_v，Utp_w输送给模/数转换器46，在那里它们进行数字化。随后从数字化的电压中通过用于克拉克变换的部件47和用于配极变换的部件48来测定振幅Uab和空间矢量角度γab。通过频率特性补偿装置49进行相转动的补偿以及信号Utp_u，Utp_v，Utp_w基于低通装置45的、取决于转速地改变的运行时间的补偿。

在第五步骤65中，将在转动期间在确定的时间点测定的空间矢量角度γab(或者该空间矢量角度γab的时间上的平均值)与在该时间点测定的转子位置角度γel比较，并且测定这两个角度的值的、方向的和/或转动速度的差，以用于诊断驱动系统1。对此，将空间矢量角度γab和转子位置角度γel输送给比较装置50，并且由其根据所测定的差产生诊断信息D。为了阐释，在图9中示例性的示出具有对应的空间矢量角度γab的感应的电压的空间矢量70和具有对应的转子位置角度γel的转子位置71。

根据所测定的差推断在驱动控制装置10和马达2之间的电缆连接57的中断、短路、错接、在驱动控制装置10和传感器9之间的电缆连接56的错接、传感器9中的误差或测量精度和/或传感器9的有误差的调整，并且产生相应的诊断信息D。

在诊断的范畴中，由比较装置50在转子7完整转动并且空间矢量角度γab或由传感器9测定的转子位置角度γel不同时完整旋转时，推断相绕组4，5，6的或者传感器线路56的中断或短路。通过马达或传感器信号的另外的分析能够随后诊断有错的连接。例如，当没有信号改变时推断出连接中断，或者当在两个或更多个信号之间存在同相的变化时推断出连接短路。

如图9所示，在两个角度γel，γab之间的值的差大于预设的边界值时，推断马达相的或传感器相的同方向的变换或传感器的有误差的调整。

如图10所述，在比较装置50中从两个角度γel，γab(通过转动方向箭头72和73表示)在转动方向上的大于预设的边界值的差中，推断相绕组4，5，6或传感器线路56的各个相在连接时的反方向的变换。

从两个角度γel，γab在转动速度上的大于预设的边界值的差，推断出传感器9的误差或测量精度。

此外，从空间矢量70的振幅Uab和其转动速度能够确定马达常数，将其与预设的值比较，并且在偏离时推断马达功率减少或马达损坏。在此，马达常数例如从商Uab/ω中得出(从U*I＝Μ*ω中得出U/ω＝M/I作为马达常数，其中，U代表电压，I代表电流，M代表转矩并且ω代表角频率)。

如图11所示，例如在马达制造时能够由比较装置50从两个角度γel，γab的值的、方向的和/或转动速度的差来推导由传感器9测定的转子位置角度γel的调整值Δγ。随后，该调整值在马达2的正常运行中存储在驱动控制装置10中，并且在控制和/或调节马达2时用于修正由传感器9测定的转子位置角度γel。在此，调整值Δγ的推导借助于用于从经由周期(即转子的完整的电或机械的旋转)确定的、角度值的平均差来测定平均差的部件52进行。

为了改善精度，能为比较装置50也输送空间矢量70的振幅Uab，并且用于使角度γel，γab的比较生效或用于使部件52中的时间上的平均差的测定生效。由此能够确保的是，使得为此存在相电压的最小值。

图8所示的方法流程也能够在运行驱动系统1的范畴中在诊断运行中使用以用于诊断驱动系统。对此，借助于切换装置53将驱动控制装置从用于驱动马达2的正常运行切换到用于诊断驱动系统1的诊断运行中并且再切换回去，在正常运行中转子7通过为相绕组4，5，6供给电源11的电流进行驱动。在诊断运行中其结合图8阐述的诊断执行。切换的发动要么自动地通过切换装置53进行，要么手动地通过操作人员借助于操作元件54进行。

为了开始诊断运行，操作人员能够例如在驱动控制装置的显示单元58(例如显示屏)上要求手动地转动转子。

随后，在诊断运行中将诊断数据传输给状态监视系统51，并且能够在那里为了另外的目的而进行分析。

诊断的结果能够在显示单元58上显示，或者传输到状态监视系统51上。

诊断的结果、例如测定的调整值也能够在驱动控制装置10中用于运行驱动系统1。

当两个角度的值的、方向的和/或转动速度的测定的差超过预设的边界值并且因此出现紧迫的处理需求(故障确认、维护、装配校验等)时，由马达控制单元13发出消息(例如光学的、声学的或通过信息发送给状态监视系统51)。