DE102014212554A1

DE102014212554A1 - Diagnose eines Antriebssystems sowie Antriebssystem

Info

Publication number: DE102014212554A1
Application number: DE102014212554.5A
Authority: DE
Inventors: Uwe Nolte; Uwe Braatz; Michael Krause; Uwe Krause; Heinz Ludwig; Michael Wittkowski
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2015-12-31
Also published as: CN106471729A; EP3129793A1; WO2016001037A1

Abstract

Eine Diagnose eines Antriebssystems (1), insbesondere eines Türantriebssystems, das einen elektrischen Motor (2), vorzugsweise einen Synchronmotor, mit einem Stator (3) mit Phasenwicklungen (4, 5, 6) und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor (7) sowie einen Sensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Rotors (7) aufweist, erfolgt erfindungsgemäß einfach und aufwandsarm mit folgenden Schritten: a) Drehen des Rotors (7) ohne Speisung der Phasenwicklungen (4, 5, 6) mit Strom, vorzugsweise manuelles Drehen des Rotors (7) oder Drehen des Rotors (7) durch ein Austrudeln nach einem vorherigen Beschleunigen, b) während des Drehens gleichzeitiges Messen von durch die Drehung in den Phasenwicklungen (4, 5, 6) induzierten Spannungen und von dem Sensor (9) erzeugten Signalen, c) Ermitteln eines Raumzeigerwinkels (γab) der während des Drehens induzierten Spannungen und Ermitteln eines Rotorlagewinkels (γel) aus den während des Drehens von dem Sensor (9) erzeugten Signalen, d) Vergleichen des während des Drehens ermittelten Raumzeigerwinkels (γab) mit dem während des Drehens ermittelten Rotorlagewinkel (γel) und Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Antriebssystems, ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems sowie ein Antriebssystem, wobei das Antriebssystem einen elektrischen Motor mit einem Stator mit Phasenwicklungen und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor sowie einen Sensor zur Bestimmung der Lage des Rotors aufweist. Bei dem Antriebssystem handelt es sich insbesondere um ein Türantriebssystem.
Elektrische Motoren mit einem Stator mit Phasenwicklungen und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor kommen in einer Vielzahl von Antriebssystemen zur Anwendung. In einer Ausbildung des Motors als Synchronmotor werden sie häufig auch als „PMSM“-Motoren bezeichnet. Ein Beispiel ist die Verwendung in Türantriebssystemen zur Bewegung von Türen, insbesondere Schiebetüren, von Aufzugfahrkörben, an Bahnsteigen, in Gebäuden oder an Werkzeugmaschinen.
Es besteht dabei die Anforderung nach einer einfachen und aufwandsarmen Diagnosemöglichkeit eines derartigen Antriebssystems in der Fertigung, bei der Inbetriebnahme, im Betrieb, bei der Wartung oder Inspektion sowie zur Fehlersuche im Fall eines Fehlverhaltens des Antriebssystems.
Beispielsweise besteht dabei die Anforderung nach einer Überprüfung der Korrektheit der Kabelverbindungen zwischen dem Motor, einer Antriebssteuerung und dem Sensor zur Bestimmung der Lage des Rotors.
Weiterhin werden oft magnetische Winkelsensoren zur Bestimmung der Lage des Rotors verwendet. Diese erzeugen eine eindeutige Winkelinformation für eine volle mechanische Umdrehung des Rotors. Speziell bei elektronisch kommutierten Motoren (auch als „EC-Motoren“ bezeichnet) wird aus dieser Winkelinformation die Rotorlage abgeleitet und daraus ein Ansteuersignal für den Motor generiert. Wichtig für eine genaue Regelung des Motors ist dann, dass die Winkelinformation einen festen und bekannten Winkel zur Statorwicklung hat. Je nach Fertigungsverfahren und gegebenen Toleranzen kann dieser Winkel aber schwanken oder sogar gänzlich unbekannt sein. In der Praxis wird deshalb in der Fertigung ein Abgleichwert für diesen Winkel ermittelt, in einem Datenspeicher abgelegt und bei der Steuerung und/oder Regelung des Motors berücksichtigt. Allerdings kann der Datenspeicher versagen und somit der Abgleichwert verloren gehen.
Zwar ist es bereits bekannt, auf einen Abgleich zu verzichten, in dem speziell geformte Magnete, die hochgradig reproduzierbar genau magnetisiert und mit geringen Toleranzen behaftet sind, verwendet werden und gleichzeitig die Sensorposition exakt geplant und mit nur geringen Toleranzen versehen wird. Allerdings ist dies mit sehr großem Aufwand verbunden.
Bei Einsatz eines zusätzlichen Referenzsignals (z.B. ein einzelner Hallgeber, der mit definierter Phasenlage mit dem Magnetfeld des Rotors gekoppelt ist), kann der Abgleich jederzeit durch Auswertung der Schaltflanke des Hallsensors wiederholt werden, allerdings ist ein zusätzlicher Sensor erforderlich.
Bei Verwendung eines OTP-Speichers für die Abgleichwerte kann die Abgleichinformation zwar nicht verloren gehen, der Abgleich kann aber auch nicht widerholt werden, wenn sich die mechanischen Gegebenheiten ändern (z.B. beim Lösen von Befestigungsschrauben einer Sensorplatine).
Aus der US 2010/321006 A ist bereits ein Verfahren bekannt, mit dem alle Toleranzen kompensiert werden können und welches wiederholt angewendet werden kann. Für seine Durchführung sind allerdings genau definierte spezielle Betriebsbedingungen (z.B. eine konstante Drehgeschwindigkeit der Motorwelle) notwendig.
Es besteht deshalb im Rahmen einer Diagnose des Motors auch die Anforderung nach einer einfachen und aufwandsarmen Ermittlung des Abgleichwertes.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren sowie ein Antriebssystem anzugeben, mit dem die vorgenannten Anforderungen erfüllt werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Diagnoseverfahren gemäß Patentanspruch 1, ein Betriebsverfahren gemäß Anspruch 2 und ein Antriebssystem gemäß Anspruch 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose eines Antriebssystems, insbesondere eines Türantriebssystems, das einen elektrischen Motor, insbesondere einen Synchronmotor, mit einem Stator mit Phasenwicklungen und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor sowie einen Sensor zur Bestimmung der Lage des Rotors aufweist, umfasst die folgenden Schritte:

a) Drehen des Rotors ohne Speisung der Phasenwicklungen mit Strom vorzugsweise manuelles Drehen des Rotors oder Drehen des Rotors durch ein Austrudeln nach einem vorherigen Beschleunigen,
b) während des Drehens gleichzeitiges Messen von durch die Drehung in den Phasenwicklungen induzierten Spannungen und von dem Sensor erzeugten Signalen,
c) Ermitteln eines Raumzeigerwinkels der während des Drehens induzierten Spannungen und Ermitteln eines Rotorlagewinkels aus den der während des Drehens von dem Sensor erzeugten Signalen,
d) Vergleichen des während des Drehens ermittelten Raumzeigerwinkels mit dem während des Drehens ermittelten Rotorlagewinkel und Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Drehen des permanentmagnetisch erregten Rotors ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das eine Spannung in den Phasenwicklungen induziert. Die induzierte Spannung besitzt eine über die geometrische Anordnung der Phasenwicklung festgelegte Phasenlage zwischen den Anschlüssen. Bei einer Drehung des Rotors ohne Speisung der Phasenwicklungen mit Strom einer Stromversorgung, d.h. einem stromlosen Drehen des Motors, kann diese Spannung gemessen werden und daraus ein Raumzeigerwinkel der induzierten Spannungen ermittelt werden. Beim Drehen des Rotors werden gleichzeitig von dem Rotorlagesensor erzeugte Signale gemessen und daraus ein Rotorlagewinkel ermittelt. Wie sich herausgestellt hat, kann eine Diagnose des Antriebssystems unter Erfüllung der eingangs erläuterten Anforderungen sehr einfach durch einen Vergleich des Raumzeigerwinkels mit dem Rotorlagewinkel und Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel erfolgen. Besonders vorteilhafte Diagnosemöglichkeiten werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erläutert.
Es bestehen dabei an sich keine besonderen Anforderungen an die Drehbewegung. Es ist z.B. keine definierte (z.B. konstante) Geschwindigkeit des Rotors notwendig. Die Drehung des Rotors kann deshalb auch manuell durch eine Bedienperson, z.B. einen Monteur, erfolgen. Hierdurch kann die Diagnose auch unter schwierigen Einbaubedingungen des Motors erfolgen, wie sie beispielsweise häufig im Fall von Türantriebssystemen vorliegen. Es reicht dabei eine manuelle Bewegung einer mit dem Motor gekoppelten Motorlast, im Falle eines Türantriebssystems z.B. ein manuelles Bewegen der Tür bzw. des Türflügels. Es kann aber auch auf einem anderen Weg eine geringe Motorbewegung verursacht werden und die Schritte a) bis d) beim Austrudeln des Motors nach Trennung der Phasenwicklungen von einer Stromversorgung oder einer Abschaltung der Stromversorgung genutzt werden. Wie sich herausgestellt hat, ist eine auswertbare induzierte Spannung in den Phasenwicklungen bereits bei wenigen einstelligen Prozent der Nenndrehzahl gegeben. Wenn überdies der Sensor ein magnetischer Sensor mit einer hohen Linearität ist, reichen bereits Bruchteile einer elektrischen Umdrehung für die Diagnose und beispielsweise für die Ermittlung eines Abgleichwertes aus.
Da das erfindungsgemäße Verfahren vorsieht, dass die Phasenwicklungen nicht mit Strom beaufschlagt werden, kann es auch in der Fertigung zur Diagnose des Motors angewendet werden, wo eine Stromversorgung oft noch nicht zur Verfügung steht. Es kann auch zum Abschluss der Montage und Verkabelung des Antriebssystems als Prüfschritt vor dem eigentlichen elektrischen Einschalten zur Überprüfung der Korrektheit der Kabelverbindungen zwischen dem Motor, einer Antriebssteuerung und dem Sensor zur Bestimmung der Lage des Rotors genutzt werden. Von besonderem Vorteil ist, dass die Diagnose durch ein rein passives Verfahren ohne Ansteuerung irgendwelcher Leistungselemente (z.B. Leistungsendstufen) einer Stromversorgung erfolgen kann. Weiterhin ist nur eine Spannungsmessung an den Phasenwicklungen vorgesehen. Eine Strommessung an den Phasenwicklungen ist dagegen nicht notwendig und auch nicht vorgesehen. Die Diagnose kann somit sehr flexibel, einfach und aufwandsarm erfolgen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines vorstehend erläuterten Antriebssystems wird das Antriebssystem in einem Normalbetrieb zum Antrieb des Motors und in einem Diagnosebetrieb zur Diagnose des Antriebssystems betrieben, wobei in dem Normalbetrieb der Rotor durch eine Speisung der Phasenwicklungen mit Strom angetrieben wird und wobei in dem Diagnosebetrieb die vorstehend beschriebenen Schritte a) bis d) durchgeführt werden. Das Antriebssystem weist somit neben dem Normalbetrieb auch noch einen Diagnosebetrieb auf, in dem ebenfalls die im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Schritten a) bis d) erläuterten Wirkungen und Vorteile erzielt werden können.
Bei Erfüllung vorgegebener Kriterien, insbesondere nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden, kann automatisch ein Übergang vom Normalbetrieb in den Diagnosebetrieb, ggf. auch automatisch wieder zurück in den Normalbetrieb, erfolgen. Vorzugsweise kann bei Bedarf zwischen diesen beiden Betriebszuständen umgeschaltet werden. Das Drehen des Rotors im Diagnosebetrieb im Schritt a) kann beispielsweise manuell durch eine Person erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Drehen des Rotors automatisiert durch ein Beschleunigen und anschließendes Austrudeln des Rotors. Im Diagnosebetrieb können dann Diagnosedaten an ein Zustandsüberwachungssystem (Conditon Monitoring System) übermittelt werden.
Für eine hohe Genauigkeit bei der Diagnose des Antriebssystems werden von Vorteil im Schritt c) durch die Messung der induzierten Spannungen hervorgerufene Fehler in dem Raumzeigerwinkel und/oder durch die Messung der Sensorsignale hervorgerufene Fehler in dem Rotorlagewinkel kompensiert bzw. herausgerechnet. Durch die Messung der induzierten Spannungen hervorgerufene Fehler werden oft durch ein frequenzabhängiges Verhalten der Messeinrichtung erzeugt. Dieses frequenzabhängige Verhalten äußert sich vor allem bei einer Bewegung des Rotors mit sich ändernder Drehzahl, wie es beispielsweise bei einem manuellen Drehen des Rotors oder einem Austrudeln des Rotors vorliegt. Durch eine Kompensation bzw. einem Herausrechnen des frequenzabhängigen Verhaltens kann auch bei sich ändernden Drehzahlen des Rotors eine hohe Genauigkeit bei der Diagnose ermöglicht werden.
Bevorzugt erfolgt dabei eine Totzeitkompensation der Sensorsignale und/oder eine Laufzeitkompensation oder eine Frequenzgangkorrektur des Wertes des Raumzeigerwinkels. Mit der Totzeitkompensation können Totzeiten des Sensors bzw. in der nachfolgenden Signalverarbeitung, z.B. aufgrund von Rechenzyklen, kompensiert werden. Mit der Laufzeitkompensation oder Frequenzgangkorrektur können drehzahlabhängige Phasendrehungen der gemessenen induzierten Spannungen, die in der Praxis durch Tiefpassfilterung entstehen, kompensiert werden. Damit kann die Ermittlung des Raumzeigerwinkels unabhängig von der Drehzahl erfolgen.
Anhand des ermittelten Unterschiedes in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel kann auf eine Unterbrechung, Kurzschluss, Fehlanschluss einer Kabelverbindung zwischen einer Antriebssteuerung und dem Motor, einen Fehlanschluss einer Kabelverbindung zwischen der Antriebssteuerung und dem Sensor, einen Fehler oder Messungenauigkeiten in dem Sensor und/oder auf eine fehlerhafte Justage des Sensors geschlossen werden.
Es kann dann eine Meldung ausgegeben werden, wenn der ermittelte Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Bei einer vollständigen Drehung des Rotors und keiner gleichzeitig vollständigen Umdrehung des Raumzeigerwinkel oder des von dem Sensor ermittelten Rotorlagewinkels wird von Vorteil auf eine Unterbrechung oder Kurzschluss der Phasenwicklungen bzw. von Leitungen zu dem Sensor geschlossen.
Aus einem Unterschied zwischen den Werten der beiden Winkel kann auf eine gleichsinnige Vertauschung von Motor- oder Sensorphasen oder eine fehlerhafte Justage des Sensors geschlossen werden.
Aus einem Unterschied in der Drehrichtung der beiden Winkel wird bevorzugt auf eine gegensinnige Vertauschung einzelner Motor- oder Sensorphasen geschlossen.
Aus einem Unterschied in der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel kann wiederum auf einen Fehler oder eine Messungenauigkeit des Sensors geschlossen werden.
Aus einer Amplitude des dem Raumzeigerwinkel zugeordneten Raumzeigers und dessen Drehgeschwindigkeit kann eine Motorkonstante bestimmt, mit einem vorgegebenen Wert verglichen und bei einer Abweichung auf eine verminderte Motorleistung oder einen beschädigten Motor geschlossen werden.
Gemäß einer besonderes vorteilhaften Ausgestaltung wird aus dem Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel ein Abgleichwert für den vom dem Sensor ermittelten Rotorlagewinkel abgeleitet. Dies erfolgt vorzugsweise bei der Fertigung des Motors. Der Abgleichwert kann dann in einer Antriebssteuerung abgespeichert und bei der Steuerung und/oder Regelung des Motors für eine Korrektur des von dem Sensor ermittelten Rotorlagewinkels verwendet werden. Im Labor konnten exemplarisch schon ab einer Drehzahl von 2% der Nenndrehzahl und bei 10° elektrischem Winkelmessbereich Abgleichwerte mit einer Genauigkeit von 2°el und besser abgeleitet werden. Für volle Umdrehungen mit einer Drehzahl ab 5% der Nenndrehzahl stieg die Genauigkeit auf 0,5°el.
Zur Erhöhung der Genauigkeit wird der Abgleichwert vorzugsweise aus einem über eine Periode (d.h. eine vollständige elektrische oder mechanische Drehung des Rotors) bestimmten mittleren Unterschiedes zwischen deren Winkelwerten abgeleitet.
Der Raumzeigerwinkel kann besonders einfach durch eine Clarke-Transformation und anschließende Polartransformation der in den Phasenwicklungen induzierten Spannungen berechnet werden. Die Clarke-Transformation ist dem Fachmann aus der Vektorregelung von Drehstrommaschinen hinreichend bekannt und dient dazu, dreiphasige Größen mit den Achsen u, v, w in ein einfacheres zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen a, b zu überführen. Die Polartransformation ist dem Fachmann ebenfalls hinreichend bekannt und dient der Umwandlung der durch die Clarke-Transformation erhaltenen kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten.
Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem, insbesondere Türantriebssystem, weist einen elektrischen Motor, insbesondere einen Synchronmotor, mit einem Stator mit Phasenwicklungen und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor sowie einen Sensor zur Bestimmung einer Lage des Rotors auf. Weiterhin weist es auf:

– eine Messeinrichtung, die ausgebildet ist zum gleichzeitigen Messen von durch eine Drehung in den Phasenwicklungen induzierten Spannungen und von dem Sensor erzeugten Signalen,
– eine Recheneinrichtung, die ausgebildet ist zum Ermitteln eines Raumzeigerwinkels der induzierten Spannungen und eines Rotorlagewinkels aus den von dem Sensor erzeugten Signalen und
– eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Raumzeigerwinkels mit dem Rotorlagewinkel und Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems auf.

Die für die erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Antriebssystem.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Synchronmotors mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor,
2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
3–7 beispielhafte Anbausituationen für erfindungsgemäße Türantriebssysteme,
8 ein Ablaufdiagramm für einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf,
9–11 Beispiele für eine Diagnose des Antriebssystems von 1 und 2.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines elektrischen Motors 2, der in einem erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 gemäß 2 zum Einsatz kommt. Der Motor 2 ist vorzugsweise als ein Synchronmotor ausgebildet und weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Stator 3 mit drei um jeweils 120° versetzten Phasenwicklungen 4, 5, 6 auf. Der Rotor 7 des Motors 2 weist einen Permanentmagnet 8 auf. Weiterhin weist der Motor 2 einen Rotorlagesensor 9, z.B. einen magnetischen Sensor, zur Bestimmung der Lage des Rotors 7 auf. Wenn es sich bei dem Rotorlagesensor 9 um einen magnetischen Sensor bzw. einen Magnetgeber handelt, dann sitzt dieser typischerweise direkt über der Drehachse des Rotors 7. Ein derartiger Motor 2 ist dem Fachmann prinzipiell bekannt und kann in vielerlei Ausführungsformen vorliegen. Beispielsweise kann der Rotor 7 anstatt nur eines einzigen Magneten 8 auch mehrere Magnete oder einen Magneten mit mehreren Polen aufweisen.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems, das – wie in 3 – 7 erläutert wird, vorzugsweise als Türantriebssystem, verwendet wird.
Das Antriebssystem 1 umfasst einen in Zusammenhang mit 1 erläuterten Motor 2 sowie ein Antriebssteuergerät 10, das eine Stromversorgung 11 sowie eine Motorsteuereinheit 13 umfasst. Die Stromversorgung 11 umfasst einen in 2 vereinfacht dargestellten Stromrichter 12, der ggf. über einen nicht näher dargestellten vorgeschalteten Transformator und/oder einen Gleichrichter mit einer Spannungsversorgung verbunden ist. Der Sensor 9 dient zur Bestimmung der Lage des nicht näher dargestellten Rotors des Motors 2 und ist vorzugsweise als ein magnetischer Absolutwertgeber mit hoher Linearität ausgebildet. Mittels einer Trenneinrichtung 14, z.B. in Form eines dreiphasigen Schalters, können die Phasenwicklungen 4, 5, 6 von der Stromversorgung 11 getrennt werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Antriebssystem 1 um ein Türantriebssystem. Der Motor 2 dient dann zum Öffnen bzw. Schließen von Türen oder Türflügeln z.B. in einem Aufzug, an einem Bahnsteig oder an einer Werkzeugmaschine.
3 bis 7 zeigen hierzu beispielhafte Anbausituationen für ein Aufzugstürantriebssystem.
3 zeigt dabei einen Aufzugfahrkorb 21, an dessen Vorderseite 22 eine Türöffnung 23 ausgebildet ist. An der Vorderseite 22 sind zwei gleich große, gegenläufig bewegbare Türflügel 24, 25 angeordnet. Die Öffnungs- und Schließrichtung der Türflügel 24, 25 ist mit 26 bezeichnet. Ein mit 27 bezeichnetes Türantriebssystem dient zum Bewegen der Türflügel 24, 25 und ist an einem Kopfträger 28 befestigt, der wiederum an der Vorderseite 22 des Aufzugfahrkorbs 21 oberhalb der Türöffnung 23 befestigt ist. Beispiele für das Türantriebssystem 27 sind in den 4 bis 7 dargestellt.
Ein in 4 in einer Frontsicht und in 5 in einer Sicht von unten gezeigtes erstes Türantriebssystem 27 umfasst ein Antriebssteuergerät 10, einen Motor 2 und ein dem Motor 2 abtriebsseitig nachgeschaltetes Winkelgetriebe 29. Die Drehachse des Motors 2 verläuft dabei in der Öffnungs- und Schließrichtung 26 und das abtriebsseitige freie Ende der Welle des Winkelgetriebes 29 verläuft senkrecht zur Öffnungs- und Schließrichtung 26. An dem abtriebsseitigen freien Ende der Welle des Winkelgetriebes 29 ist ein Antriebsritzel, Antriebsrad oder Riemenrad 30 oder dergleichen befestigt. Zusammen mit einer am gegenüberliegenden Ende des Kopfträgers 28 angebrachten Umlenkrolle 31 führt das Riemenrad 30 einen zähelastischen Zahnriemen 32, der die Antriebskraft des Motors 2 auf die Türflügel 24, 25 überträgt. Alternativ kann anstatt des Zahnriemens 32 auch eine Zahnstange oder ein flaches Seil zum Einsatz kommen.
Ein in 6 in einer Frontsicht und in 7 in einer Sicht von unten gezeigtes zweites Türantriebssystem 27 umfasst ein Antriebssteuergerät 10 und einen Motor 2, die senkrecht zur Bewegungsrichtung 26 der Türflügel 24, 25 hintereinander an dem Kopfträger 28 befestigt sind. Die Drehachse des Motors 2 verläuft senkrecht zur Öffnungs- und Schließrichtung 26 der Türflügel 24, 25 und ist auch senkrecht zur Vorderseite 22 des Aufzugfahrkorbs 21. An dem Motor 2 ist abtriebsseitig das Riemenrad 30 befestigt.
Die Motorsteuereinheit 13 umfasst gemäß 2 für die Bestimmung des Rotorlagewinkels eine Signalerfassung 40 für den Rotorlagesensor 9 und eine Winkelermittlung 41 zur Bestimmung des Rotorlagewinkels γel aus den Signalen des Gebers 9. Vorzugsweise ist zur Erhöhung der Genauigkeit der Winkelermittlung 41 noch eine Totzeitkompensation 42 zur Kompensation von Totzeiten bei der Erfassung der Sensorsignale in der Signalerfassung 40 vorhanden.
Das Antriebssteuergerät 10 weist weiterhin Spannungsabgriffe 44 an den Enden der Phasenwicklungen 4, 5, 6 zur Erfassung der Spannungen Uu, Uv, Uw der Phasenwicklungen 4, 5, 6 mit jeweils einem darin geschalteten Tiefpass 45 auf. Die Tiefpässe 45 sind ausgangsseitige mit einem Analog/Digital-Wandler 46 der Motorsteuereinheit 13 verbunden und führen diesem die tiefpassgefilterten Spannungssignale Utp_u, Utp_v, Utp_w zu. Zur Weiterverarbeitung der digitalisierten Signale weist die Motorsteuereinheit 13 eine Komponente 47 zur Clarke-Transformation auf. Die hierdurch aus den digitalisierten Spannungssignalen Utp_u, Utp_v, Utp_w durch die Transformation in ein zweiachsiges kartesisches Koordinaten-System ermittelten Spannungen Ua, Ub werden einer Komponente 48 zur Polartransformation zugeführt und durch Umwandlung der kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten eine Amplitude Uab und ein Winkel γab eines Raumzeigers ermittelt. Vorzugsweise ist zur Erhöhung der Genauigkeit der Ermittlung der Amplitude Uab und des Raumzeigerwinkels γab noch eine Frequenzgangkompensation 49 zur Kompensation von Phasendrehungen und somit drehzahlabhängig unterschiedlicher Laufzeiten der Signale Utp_u, Utp_v, Utp_w aufgrund der Tiefpässe 45 vorhanden.
Die Motorsteuereinheit 13 weist weiterhin eine Vergleichseinrichtung 50 zum Vergleichen des Raumzeigerwinkels γab mit dem Rotorlagewinkel γel und zur Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel und zur Erzeugung einer Diagnoseinformation D für das Antriebssystems 1 auf. Dabei ermittelte Diagnosedaten (z.B. die Diagnoseinformationen D) können dabei an ein übergeordnetes Zustandsüberwachungssystem (Conditon Monitoring System) 51 übermittelt werden.
Zur Erhöhung der Genauigkeit kann noch eine Komponente 52 zur Ermittlung eines mittleren Unterschiedes zwischen dem Wert und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel (z.B. durch eine Integration über eine Periode) vorhanden sein.
Eine Umschalteinrichtung 53 dient zur Umschaltung der Antriebssteuerung von einem Normalbetrieb zum Antrieb des Motors 2 in einem Diagnosebetrieb zur Diagnose des Antriebssystems 1 und zurück, wobei in dem Normalbetrieb der Rotor 7 durch eine Speisung der Phasenwicklungen 4, 5, 6 mit Strom der Stromversorgung 11 angetrieben wird und wobei in dem Diagnosebetrieb eine im Zusammenhang mit 8 erläuterte Diagnose durchgeführt wird. Die Umschaltung kann automatisch durch die Umschalteinrichtung 53 bei Erfüllung in der Umschalteinrichtung 53 abgespeicherter vorgegebener Kriterien, insbesondere nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden des Antriebssystems 1, erfolgen. Die Umschalteinrichtung 53 kann aber auch mit einem Bedienelement 54 des Antriebssteuergerätes 10, z.B. einem Taster, verbunden sein, über den manuell von einer Bedienperson, z.B. einem Monteur, ein Umschaltbefehl erfassbar ist.
Die Abgriffe 44, Tiefpässe 45 und der Analog/Digital-Wandler 46 sowie die Signalerfassung 40 bilden somit eine Messeinrichtung, die ausgebildet ist zum gleichzeitigen Messen von durch eine Drehung des Rotors 7 in den Phasenwicklungen 4, 5, 6 induzierten Spannungen und von dem Sensor 9 erzeugten Signalen.
Die Winkelermittlung 41 sowie die Komponente 47 zur Clarke-Transformation und die Komponente 48 zur Polartransformation bilden eine Recheneinrichtung, die ausgebildet ist zum Ermitteln eines Raumzeigerwinkels der induzierten Spannungen und eines Rotorlagewinkels aus den von dem Sensor erzeugten Signalen.
8 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes 60 zur Diagnose des Antriebssystems 1.
Falls der Motor 2 mit der Stromversorgung 11 verbunden ist, wird in einem ersten Schritt 61 der Motor 2 mittels der Trenneinrichtung 14 von der Stromversorgung 11 getrennt. Falls der Motor 2 bereits oder noch von der Stromversorgung 11 getrennt ist oder, z.B. in der Motorfertigung, noch gar keine Stromversorgung 11 vorhanden ist, kann dieser Schritt 61 übersprungen werden.
In einem zweiten Schritt 62 wird der Rotor 7 ohne Speisung der Phasenwicklungen 4, 5, 6 mit Strom der Stromversorgung 11 gedreht. Vorzugsweise wird er manuell durch eine Bedienperson gedreht. Dies kann beispielsweise durch eine Bewegung eines der Türflügel 24, 25 in der Öffnungs-/Schließrichtung 26 erfolgen (siehe 3).
In einem dritten Schritt 63 werden während des Drehens des Rotors 7 gleichzeitig die durch dessen Magneten 8 in den Phasenwicklungen 4, 5, 6 induzierten Spannungen Uu, Uv, Uw und die von dem Sensor 9 erzeugten Signale S gemessen.
In einem vierten Schritt 64 werden der Raumzeigerwinkel γab aus den während des Drehens induzierten Spannungen Uu, Uv, Uw und der Rotorlagewinkel γel aus den während des Drehens von dem Sensor 9 erzeugten Sensorsignalen S ermittelt.
Hierzu werden von der Motorsteuereinheit 13 mittels der Signalerfassung 40 die Sensorsignale S erfasst, durch die Totzeitkompensation 42 hinsichtlich einer Totzeit kompensiert und in der Winkelermittlung 41 der Rotorlagewinkel γel ermittelt.
Gleichzeitig werden von der Motorsteuereinheit 13 über die Spannungsabgriffe 44 die in den Phasenwicklungen 4, 5, 6 induzierten Spannungen Uu, Uv, Uw erfasst, durch die Tiefpässe 45 gefiltert und die tiefpassgefilterten Spannungen Utp_u, Utp_v, Utp_w dem Analog/Digital-Wandler 46 zugeführt, wo sie digitalisiert werden. Aus den digitalisierten Spannungen werden dann durch die Komponente 47 zur Clarke-Transformation und die Komponente 48 zur Polartransformation die Amplitude Uab und der Raumzeigerwinkel γab ermittelt. Durch die Frequenzgangkompensation 49 erfolgt eine Kompensation von Phasendrehungen und somit drehzahlabhängig unterschiedlicher Laufzeiten der Signale Utp_u, Utp_v, Utp_w aufgrund der Tiefpässe 45.
In einem fünften Schritt 65 wird der während des Drehens zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelte Raumzeigerwinkel γab (oder ein zeitlicher Mittelwert dieses Raumzeigerwinkels γab) mit dem zu diesem Zeitpunkt ermittelten Rotorlagewinkel γel verglichen und ein Unterschied in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems 1 ermittelt. Hierzu werden der Raumzeigerwinkel γab und der Rotorlagewinkel γel der Vergleichseinrichtung 50 zugeführt und von dieser anhand des ermittelten Unterschiedes eine Diagnoseinformation D erzeugt. Zur Illustration sind in 9 beispielhaft der Raumzeiger 70 der induzierten Spannung mit dem zugehörigen Raumzeigerwinkel γab und die Rotorlage 71 mit dem zugehörigen Rotorlagewinkel γel dargestellt.
Anhand des ermittelten Unterschiedes wird auf eine Unterbrechung, Kurzschluss, Fehlanschluss einer Kabelverbindung 57 zwischen dem Antriebssteuergerät 10 und dem Motor 2, einen Fehlanschluss einer Kabelverbindung 56 zwischen dem Antriebssteuergerät 10 und dem Sensor 9, einen Fehler oder Messungenauigkeiten in dem Sensor 9 und/oder auf eine fehlerhafte Justage des Sensors 9 geschlossen und eine entsprechende Diagnoseinformation D erzeugt.
Im Rahmen der Diagnose wird von der Vergleichseinrichtung 50 bei einer vollständigen Drehung des Rotors 7 und keiner gleichzeitig vollständigen Umdrehung des Raumzeigerwinkels γab oder des von dem Sensor 9 ermittelten Rotorlagewinkels γel auf eine Unterbrechung oder einen Kurzschluss der Phasenwicklungen 4, 5, 6 bzw. der Sensorleitung(en) 56 geschlossen. Durch eine weitere Analyse der Motor- oder Sensorsignale kann dann eine fehlerhafte Verbindung diagnostiziert werden. Zum Beispiel kann auf eine Verbindungsunterbrechung geschlossen werden, wenn keine Signaländerung vorliegt oder auf einen Verbindungskurzschluss, wenn eine gleichphasige Änderung zwischen zwei oder mehr Signalen vorliegt.
Wie in 9 dargestellt ist, wird bei einem größer als ein vorgegebener Grenzwert vorliegendem Unterschied zwischen dem Wert der beiden Winkel γel, γab auf eine gleichsinnige Vertauschung der Motor- oder Sensorphasen oder eine fehlerhafte Justage des Sensors geschlossen.
Wie in 10 dargestellt ist, wird in der Vergleichseinrichtung 50 aus einem größer als ein vorgegebener Grenzwert vorliegendem Unterschied in der Drehrichtung der beiden Winkel γel, γab (symbolisiert durch die Drehrichtungspfeile 72 und 73) auf eine gegensinnige Vertauschung beim Anschluss einzelner Phasenwicklungen 4, 5, 6 oder einzelner Phasen der Sensorleitung(en) 56 geschlossen.
Aus einem größer als ein vorgegebener Grenzwert vorliegendem Unterschied in der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel γel, γab wird in der Vergleichseinrichtung 50 auf einen Fehler oder eine Messungenauigkeit des Sensors 9 geschlossen.
Aus der Amplitude Uab des Raumzeigers 70 und dessen Drehgeschwindigkeit kann zudem eine Motorkonstante bestimmt, mit einem vorgegebenen Wert verglichen und bei einer Abweichung auf eine verminderte Motorleistung oder einen beschädigten Motor geschlossen werden. Die Motorkonstante ergibt sich dabei beispielsweise aus dem Quotienten Uab/ω (aus U·I = M·ω folgt U/ω = M/I als Motorkonstante, wobei U die Spannung, I der Strom, M das Drehmoment und ω die Kreisfrequenz darstellen).
Wie in 11 dargestellt ist, kann beispielsweise bei der Motorfertigung von der Vergleichseinrichtung 50 aus dem Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel γel, γab ein Abgleichwert Δγ für den vom dem Sensor 9 ermittelten Rotorlagewinkel γel abgeleitet werden. Dieser Abgleichwert wird dann in im Normalbetrieb des Motors 2 dem Antriebssteuergerät 10 abgespeichert und bei der Steuerung und/oder Regelung des Motors 2 für eine Korrektur des von dem Sensor 9 ermittelten Rotorlagewinkels γel verwendet. Die Ableitung des Abgleichwerts Δγ erfolgt dabei mit Hilfe der Komponente 52 zur Ermittlung eines mittleren Unterschiedes aus einem über eine Periode (d.h. eine vollständige elektrische oder mechanische Drehung des Rotors) bestimmten mittleren Unterschiedes zwischen deren Winkelwerten.
Zur Verbesserung der Genauigkeit kann der Vergleichseinrichtung 50 auch die Amplitude Uab des Raumzeigers 70 zugeführt werden und zur Freischaltung des Vergleichs der Winkel γel, γab oder zur Freischaltung der Ermittlung des zeitlichen Mittelwertes in der Komponente 52 dienen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass hierfür ein Mindestwert der Phasenspannungen vorliegt.
Der in 8 dargestellte Verfahrensablauf kann auch im Rahmen des Betriebes des Antriebssystems 1 in einem Diagnosebetrieb zur Diagnose des Antriebssystems genutzt werden. Mittels der Umschalteinrichtung 53 wird hierzu die Antriebssteuerung von einem Normalbetrieb zum Antrieb des Motors 2, in dem der Rotor 7 durch eine Speisung der Phasenwicklungen 4, 5, 6 mit Strom der Stromversorgung 11 angetrieben wird, in einen Diagnosebetrieb zur Diagnose des Antriebssystems 1, und auch wieder zurück geschaltet. In dem Diagnosebetrieb wird die im Zusammenhang mit 8 erläuterte Diagnose durchgeführt. Der Anstoß für die Umschaltung erfolgt entweder automatisch durch die Umschalteinrichtung 53 oder manuell durch eine Bedienperson mittels des Bedienelementes 54.
Zu Beginn des Diagnosebetriebs kann eine Bedienperson, beispielsweise auf einer Anzeigeeinheit 58 (z.B. einem Display) des Antriebssteuergerätes, zu einem manuellen Drehen des Rotors aufgefordert werden.
Im Diagnosebetrieb werden dann Diagnosedaten an das Zustandsüberwachungs-System 51 übermittelt und können dort für weitere Zwecke analysiert werden.
Das Ergebnis der Diagnose kann auf der Anzeigeeinheit 58 angezeigt oder an das Zustandsüberwachungs-System 51 übermittelt werden.
Das Ergebnis der Diagnose, z.B. ein ermittelter Abgleichwert, kann auch in dem Antriebssteuergerät 10 zum Betrieb des Antriebssystems 1 verwendet werden.
Von der Motorsteuerung 13 wird eine Meldung ausgegeben (z.B. optisch, akustisch oder durch eine Information an das Zustandsüberwachungs-System 51), wenn der ermittelte Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet und somit dringender Handlungsbedarf (Fehlerbeseitigung, Wartung, Montagekorrektur, ect.) besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/321006 A [0009]

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Antriebssystems (1), insbesondere eines Türantriebssystems, das einen elektrischen Motor (2), vorzugsweise einen Synchronmotor, mit einem Stator (3) mit Phasenwicklungen (4, 5, 6) und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor (7) sowie einen Sensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Rotors (7) aufweist, mit folgenden Schritten: a) Drehen des Rotors (7) ohne Speisung der Phasenwicklungen (4, 5, 6) mit Strom, vorzugsweise manuelles Drehen des Rotors (7) oder Drehen des Rotors (7) durch ein Austrudeln nach einem vorherigen Beschleunigen, b) während des Drehens gleichzeitiges Messen von durch die Drehung in den Phasenwicklungen (4, 5, 6) induzierten Spannungen und von dem Sensor (9) erzeugten Signalen, c) Ermitteln eines Raumzeigerwinkels (γab) der während des Drehens induzierten Spannungen und Ermitteln eines Rotorlagewinkels (γel) aus den während des Drehens von dem Sensor (9) erzeugten Signalen, d) Vergleichen des während des Drehens ermittelten Raumzeigerwinkels (γab) mit dem während des Drehens ermittelten Rotorlagewinkel (γel) und Ermittlung eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems (1).
Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems (1), insbesondere eines Türantriebssystems, das einen elektrischen Motor (2), vorzugsweise einen Synchronmotor, mit einem Stator (3) mit Phasenwicklungen (4, 5, 6) und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor (7) sowie einen Sensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Rotors (7) aufweist, wobei das Antriebssystem (1) in einem Normalbetrieb zum Antrieb des Motors (2) und in einem Diagnosebetrieb zur Diagnose des Antriebssystems (1) betrieben werden kann, wobei in dem Normalbetrieb der Rotor (7) durch eine Speisung der Phasenwicklungen (4, 5, 6) mit Strom einer Stromversorgung (11) angetrieben wird und wobei in dem Diagnosebetrieb die Schritte a) bis d) nach Anspruch 1 durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erfüllung vorgegebener Kriterien, insbesondere nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden, automatisch ein Übergang vom Normalbetrieb in den Diagnosebetrieb erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Diagnosebetrieb Diagnosedaten an ein Zustandsüberwachungs-System (51) übermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) durch die Messung der induzierten Spannungen hervorgerufene drehzahlabhängige Fehler in dem Raumzeigerwinkel (γab) und/oder durch die Messung der Sensorsignale hervorgerufene drehzahlabhängige Fehler in dem Rotorlagewinkel (γel) kompensiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Totzeitkompensation der Sensorsignale (S) und/oder eine Laufzeitkompensation oder eine Frequenzgangkorrektur des Wertes des Raumzeigerwinkels (γab) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des ermittelten Unterschiedes auf eine Unterbrechung, Kurzschluss, Fehlanschluss einer Kabelverbindung (57) zwischen einer Antriebssteuerung (10) und dem Motor (2), einen Fehlanschluss einer Kabelverbindung (56) zwischen der Antriebssteuerung (10) und dem Sensor (9), einen Fehler oder Messungenauigkeiten in dem Sensor (9) und/oder auf eine fehlerhafte Justage des Sensors (9) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Meldung ausgegeben wird, wenn der ermittelte Unterschied in dem Wert, der Richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vollständigen Drehung des Rotors (7) und keiner gleichzeitig vollständigen Umdrehung des Raumzeigerwinkels (γab) oder des von dem Sensor ermittelten Rotorlagewinkels (γel) auf eine Unterbrechung oder einen Kurzschluss der Phasenwicklungen (4, 5, 6) bzw. von Leitungen (56) zu dem Sensor (9) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Unterschied zwischen den Werten der beiden Winkel auf eine gleichsinnige Vertauschung von Motor- oder Sensorphasen oder eine fehlerhafte Justage des Sensors (9) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Unterschied in der Drehrichtung der beiden Winkel auf eine gegensinnige Vertauschung einzelner Motor- oder Sensorphasen geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Unterschied in der Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel auf einen Fehler oder eine Messungenauigkeit des Sensors (9) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Amplitude des dem Raumzeigerwinkel (γab) zugeordneten Raumzeigers (70) und dessen Drehgeschwindigkeit eine Motorkonstante bestimmt, mit einem vorgegebenen Wert verglichen und bei einer Abweichung auf eine verminderte Motorleistung oder einen beschädigten Motor geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Unterschied ein Abgleichwert (Δγ) für den vom dem Sensor (9) ermittelten Rotorlagewinkel (γel) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwert (Δγ) aus einem über eine Periode bestimmten mittleren Unterschiedes zwischen deren Winkelwerten abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumzeigerwinkel (γab) durch eine Clarke-Transformation und anschließende Polartransformation der in den Phasenwicklungen (4, 5, 6) induzierten Spannungen berechnet wird.
Antriebssystem (1), insbesondere Türantriebssystems, das einen elektrischen Motor (2), vorzugsweise einen Synchronmotor, mit einem Stator (3) mit Phasenwicklungen (4, 5, 6) und mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor (7) sowie einen Sensor (9) zur Bestimmung einer Lage des Rotors (7) aufweist, gekennzeichnet durch – eine Messeinrichtung (44, 45, 46; 9, 40, 56) die ausgebildet ist zum gleichzeitigen Messen von durch eine Drehung in den Phasenwicklungen (4, 5, 6) induzierten Spannungen und von dem Sensor (9) erzeugten Signalen (S), – eine Recheneinrichtung (47, 48; 41), die ausgebildet ist zum Ermitteln eines Raumzeigerwinkels (γab) der induzierten Spannungen und eines Rotorlagewinkels (γel) aus den von dem Sensor (9) erzeugten Signalen (S), – eine Vergleichseinrichtung (50) zum Vergleichen des Raumzeigerwinkels (γab) mit dem Rotorlagewinkel (γel) und Ermitteln eines Unterschiedes in einem Wert, einer Richtung und/oder einer Drehgeschwindigkeit der beiden Winkel zur Diagnose des Antriebssystems (1).