具有對制動器和發送器的組合控制的驅動系統的製作方法

2023-07-14 11:06:41

具有對制動器和發送器的組合控制的驅動系統的製作方法
【專利摘要】應當簡化具有變流器(1)、電動機(2)和線路裝置(4)的驅動系統的連接技術，其中，電動機(2)具有發送器(3)和制動器(14)。為此設有，線路裝置(4)為了傳輸能量和數據，除了功率線(L1,L2,L3和PE)之外僅還具有兩條制動線(B1和B2)。變流器(1)構建為將第一極性的第一供電電壓和具有與第一極性相反的第二極性的第二供電電壓為了給制動器(14)和發送器(3)供電而施加至制動線(B1和B2)。電動機(2)構建為，以相應的供電電壓不依賴於其極性地為發送器(3)供電，而依賴於其極性地為制動器供電。
【專利說明】具有對制動器和發送器的組合控制的驅動系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種尤其用於生產型工具機的驅動系統，該驅動系統具有變流器、帶有制動器和發送器的電動機、以及線路裝置，該線路裝置將變流器與電動機連接，該線路裝置具有至少兩條功率線以及用於為制動器供電的兩條制動線，並且該線路裝置構建為用於在變流器與電動機之間的數據傳輸以及用於將能量傳輸給發送器。

【背景技術】
[0002]這種驅動系統於是適於生產型工具機，例如銑床、車床等。然而也可以將其用於機器人、傳送帶等。驅動系統為此也稱作伺服驅動器。其典型地具有帶有制動器的電動機和通過多條線纜與電動機連接的變流器。
[0003]在電伺服驅動器中，為了採集電動機的位置而目前通常在電動機中使用具有數字接口的發送器或編碼器。這些編碼器通過編碼線連接，其按照現有技術包含供電電壓導線和對於傳輸數據所需的導線。
[0004]與數據線和用於編碼器的供電電壓線並行地設有功率線，通過功率線可以將電能傳輸給電動機。此外，設有用於制動器的控制線，該制動器通常經由直流電壓(例如24VDC)來控制。通常，變流器與電動機之間的線路綜合到兩條線纜中，這兩條線纜並行延伸並且需要在線纜通道和牽引鏈中的位置。這並非總是有利的。
[0005]然而在市場上已經有解決方案可用，在該解決方案中在變流器和電動機之間僅需一條線纜，其中電動機具有制動器和發送器。隨著Sick-Stegmann公司的編碼器接口「HiperfaceDSL」的引入，可以在僅兩條扭絞的線上實現向編碼器或發送器的電壓供應和數據通信。這種線可以非常細並且與功率線一起集成到單條線纜中。在此，應用者僅還需在變流器與電動機之間連接單條線纜(通常稱作線路裝置)，其包括編碼器線。由此簡化了連接技術。然而應用者需要在電動機上的特殊插頭，其容納用於兩條通信芯線的附加接觸部。在市場上可獲得直至插頭大小1.5的這種插頭。然而此外不存在相應的連接技術。


【發明內容】

[0006]本發明的任務由此在於，提供一種驅動系統，其具有簡化的連接技術。
[0007]根據本發明，該任務通過一種尤其用於生產型工具機的驅動系統解決，該驅動系統具有:
[0008]-變流器，
[0009]-電動機，其具有制動器和發送器，以及
[0010]-線路裝置，該線路裝置將變流器與電動機連接，該線路裝置具有至少兩條功率線以及用於為制動器供電的兩條制動線，並且該線路裝置構建為用於在變流器與電動機之間進行數據傳輸以及用於將能量傳輸給發送器，
[0011]其中，
[0012]-線路裝置為了傳輸能量和數據，除了功率線之外僅還具有兩條制動線，
[0013]-變流器構建為將第一極性的第一供電電壓和具有與第一極性相反的第二極性的第二供電電壓為了給制動器和發送器供電而施加至制動線，以及
[0014]-電動機構建為，以相應的供電電壓不依賴於其極性地為發送器供電，並且依賴於其極性地為制動器供電。
[0015]有利地，變流器能夠提供極性不同的供電電壓。電動機就其本身而言於是能夠不依賴於極性地一直為發送器或編碼器供電，並且將供電電壓的極性用於特定地控制制動器，即，閉合和鬆開制動器。藉助該技術於是可以通過功率線和僅兩條附加的制動線來實現能量和數據的傳輸。
[0016]優選地，變流器和電動機構建為通過制動線傳輸數據。原則上雖然還存在通過功率線為發動機傳輸數據的可能性，然而通過制動線傳輸數據具有的優點是，通常以直流電壓進行發送器和制動器的供電，可以從該直流電壓沒有大的開銷地分離高頻數據信號。功率線中的交變電流將影響數據傳輸的交變信號。
[0017]通過制動線進行的數據傳輸可以以高於1kHz和尤其高於IMHz的頻率進行。有利地，例如選擇33MHz處的數據傳輸。由此保證了與制動器和發送器的直流電壓供電的足夠大的頻譜距離，然而還保證了與用於電動機供電的常見單相或三相系統的供電頻率的足夠大的距離。相應地可以安全地傳輸或取回數據。
[0018]變流器可以具有可切換的電橋，藉助該電橋可以從直流電壓中產生第一和第二供電電壓。藉助這種可切換的電橋可以以簡單方式從直流電壓中產生第一極性和相反的第二極性的供電電壓。
[0019]有利地，制動器在電動機中/處通過二極體連接至制動線。以該方式可以以小的開銷極性相關地控制制動器。
[0020]此外，發送器可以通過橋式整流器連接至制動線。這種橋式整流器在輸出端上保證了不依賴於輸入端上的極性的供電。
[0021]此外，制動線可以相對於功率線單獨地被屏蔽。由此可以保證數據傳輸可以通過制動線無幹擾地進行。
[0022]此外，可以設有線路裝置中所有線的總屏蔽部。這具有的優點是，既不從外部將幹擾耦合輸入到功率線和制動線中，又不從其向外發射幹擾。
[0023]電動機可以是三相電機，其中線路裝置具有4條功率線。由此還可以使具有制動器和發送器的常見三相電機受益於簡單的連接原理。
[0024]可選地，為了數據傳輸分別將驅動器模塊不僅在變流器中而且在電動機中耦合至制動線。如果驅動器模塊例如是乙太網收發器(Ethernet-Tranceiver)，則在變流器和電動機之間可以發生經典的乙太網通信。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]現在藉助附圖詳細闡述本發明，其中:
[0026]圖1示出了根據本發明的驅動系統的原理構造；以及
[0027]圖2是圖1的驅動系統的電路框圖。

【具體實施方式】
[0028]下面詳細闡述的實施例示出了本發明的優選實施方式。
[0029]圖1象徵性地示出了根據本發明的驅動系統，其例如對於銑床適於作為驅動器。驅動系統具有變流器I和在此具有兩個電動機2。變流器I於是可以控制一個電動機2或者多個電動機2。
[0030]每個電動機2具有未示出的制動器和未示出的發送器。可以將它們中的兩個或僅一個集成到電動機的殼體中。原則上也可以將這二者都安裝在電動機2的殼體外部。制動器用於迅速制動電動機的軸或轉子。典型地，這種制動器被以電磁方式驅動。在此，出於安全原因有利的會是，制動器在未通電狀態中被閉合併且在被通電時鬆開。
[0031]此外，兩個電動機2中的每個都具有發送器或編碼器。藉助這種發送器3(參見圖2)可以採集電動機2的轉子或軸的轉數、轉角、旋轉位置等，並且將相應的信息向外提供。
[0032]每個電動機2藉助單條線纜4(通常稱作線路裝置)連接至變流器I。這種線纜4:
[0033]a)傳輸用於電動機2的驅動能量，
[0034]b)傳輸用於為制動器供電的能量，
[0035]c)傳輸用於為發送器3供電的能量，以及
[0036]d)在變流器I與發送器3之間傳輸數據。
[0037]藉助單條線纜於是保證了在變流器I與電動機2 (包括所集成或所連接的制動器和發送器)之間傳輸分別所需的能量和積累的數據。
[0038]在圖2中示出了藉助線纜4連接至變流器I的電動機2的電路框圖。變流器I通過矩形表示，其實際上代表其殼體。產生用於驅動電動機2的三相電流的電力電子裝置在此出於縱覽性原因而未示出。代替功率輸出端，在變流器I的輸出端上僅標出三條相線L1、L2和L3以及零線PE(下面也稱作「功率線」)。出於簡單性原因，將這些相線和零線示出為連續地從變流器I穿過線纜4直至電動機2。這些功率線L1、L2、L3和PE中的每條都在變流器中或處具有相應的、接線柱或者插座極或插頭極形式的埠。
[0039]變流器I還具有作為收發器的驅動器模塊5，用於與發送器3通信。抽象地，其在此例如是乙太網連接的物理層。驅動器模塊5的兩條通信線連接至變流器I中為電去耦而設的變壓器6的初級側。在次級側，通信線經過電容器7引向線纜4的制動線BI和B2。這例如可以經過未示出的插頭系統來進行。
[0040]此外，變流器I具有可切換的電橋8，其在輸入側被饋以用正極P和負極M表示的直流電壓。該直流電壓用於為電動機側的發送器和電動機側的制動器供電。電橋8的輸出端經過縱向電感器9連接至制動線BI和B2。電橋8構建為全橋並且具有4個支路，在這些支路中分別布置有開關或電晶體、IGBT等A、B、C和D。與每個開關並聯有二極體10。
[0041]線纜4例如經過未示出的插頭連接至變流器I。除了功率線L1、L2、L3和PE外，在線纜4中作為線路僅還具有制動線BI和B2。制動線BI和B2在線纜4中被單獨的屏蔽部11圍繞。由此，其相對於功率線被電磁屏蔽。此外，線纜4在此具有總屏蔽部12，其圍繞線纜4的所有線路。由此電磁屏蔽整個線纜4。屏蔽部11和12僅可選地存在。
[0042]如果僅一個單相電動機是經過纜線4來控制或供電的，則僅需設置2條功率線。在該情況下，線纜4是四芯線的(兩條功率線和兩條制動線)。對於另外每一相設有一條附加的功率線。
[0043]為了給三相電動機2供電，六芯線的線纜4在電動機側通向相應的六極插頭13。如果制動器14和發送器3布置在電動機2的殼體內，則該插頭將線纜4的線路進一步引至電動機內部。如果它們布置在電動機殼體外，則制動線BI和B2也可以進一步引至電動機殼體外。在圖2的示例中，電動機殼體15的一部分通過虛線表示。功率線L1、L2和L3或PE所通向的繞組出於縱覽性原因而未示出。
[0044]在圖2的不例中，發送器3和制動器14位於電動機殼體15內。可以用以制動電動機2的轉子或其軸的制動器14經過二極體16連接至兩條制動線BI和B2。S卩，僅允許單向的電流流動通過制動器14。對於制動器的控制由此存在正極P_B和負極M_B。
[0045]編碼器或發送器3同樣連接至制動線BI和B2。該編碼器或發送器3同樣具有作為收發器的驅動器模塊17，用於與變流器I通信。驅動器模塊17從其來看在初級側同樣連接至變壓器18以用於電去耦。在其次級側上，經過電容器19連接了制動線BI和B2。
[0046]發送器3的供電經過制動線BI和B2。進行。為此，全橋20的輸入端經過縱向電感器21與制動線BI和B2連接。在全橋20的輸出端上存在正極P_E和負極M_E用於編碼器或發送器3的供電。兩個極均為了直流平滑而可選地與電容器22連接。
[0047]下面詳細闡述驅動系統的運行。在此，三個運行狀態是主要的:
[0048]I)電動機斷開並且制動器閉合，
[0049]II)電動機運轉並且制動器形成氣隙，以及
[0050]III)電動機(至少暫時地)運轉並且制動器閉合。
[0051]在電動機關斷並且制動器14同樣未通電的狀態I)期間，後者機械地閉合，從而電動機2的轉子靜止。變流器I的電橋8的開關A、B、C和D在該情況下未通電，即A = B =C = D = O。從而，在極P_B和M_B上未施加電壓，並且制動器閉合。
[0052]在狀態II)中，當電動機運轉時，制動器14形成氣隙。為此給開關A和D通電，而並不為開關B和C通電，即A = D = I並且B = C = O。相應地,正電勢P經過開關A施加至圖2中上方的制動線BI，而負電勢M經過開關D施加至下方的制動線B2。從而，電流流經二極體16和正極P_B至制動器14，並且從那裡經過負極M_B流回下方的制動線B2。制動器14於是通電並且由此形成氣隙。
[0053]在狀態III)中應將電動機制動。為此，將開關B和C置於高電勢並且將開關A和D置於低電勢，即A = D = O並且B = C= I。相應地,正的供電電勢經過開關C施加至下方的制動線B2並且負的供電電勢經過開關D施加至上方的制動線BI。二極體16阻止從正的下方制動線B2經過制動器14至負的上方的制動線BI的電流流動。制動器14於是並不通電並且因此機械地閉合。
[0054]在整個運行期間，發送器3經過制動線BI和B2被供以電流。在狀態I)中，電動機並不運行並且因此在制動線BI和B2並未施加電壓，由此發送器3也並未被供以電流。相反在狀態II)中，當上方的制動線BI是正的時，電流經過縱向電感器21流向全橋整流器20。在那裡，電流通過左上方的二極體流向編碼器供電的正極P_E。電流經過負極M_E、右下方的二極體和另一縱向電感器21流回下方的制動線B2。發送器3於是被供以電流，同時電動機2運轉。
[0055]在狀態III)中，當電動機制動時，發送器3同樣應被供以電流。這由此保證，電流從下方的、現在為正的制動線B2經過全橋整流器20的右上方的二極體流向正極P_E。電流經過負極M_E和全橋整流器20的左下方的二極體流回現在為負的上方制動線BI。電流流動在此也經過縱向電感器21進行。發送器3的電流供給於是也在該狀態III)中保證。
[0056]根據本發明，編碼器數據和編碼器供電的傳輸也在用於控制(DC)制動的兩條芯線上執行。相應的連接導體通常已經在電動機線路中存在，並且相應的接觸部已經設於如今常見的插接連接器中，從而在此無需與標準的偏差。此外，連接技術的待提供的變型減少，因為不再需要用於帶有/沒有制動線的功率線和發送器線的埠，而是僅還需用於功率線和制動線的埠，因為相應的線纜也可以用於沒有制動器的驅動系統。
[0057]有利地，於是(可靠的)制動器控制、發送器電壓供給和通信接口的功能可以經過唯一的線路對(制動線)在一條線纜中實現。在此可以利用的是，制動器的控制和發送器的供電以例如24V的直流電壓進行，而數據傳輸無直流分量地例如在大約33MHz或更高處進行。相應的交變信號在頻譜上與直流電壓遠離至使得其可以以小的電路技術開銷來與直流電壓分離。
[0058]發送器的供電可以進行為使得其已經在制動器鬆開之前、期間和之後被供以電壓。而制動器在特定的運行情況下可靠地打開或又閉合，這通過供電電壓的極性反轉來實現。
[0059]編碼器優選地包含橋式整流器，其在任何情況下總是保證供電電壓的正確極性。制動器卻有利地以二極體解耦，該二極體僅在供電電壓的極性之一的情況下能夠實現電流流動和由此實現制動器的打開。由此如上面闡述那樣，覆蓋了三個可能的運行情況:發送器和制動器關斷/發送器接通，制動器關斷/發送器和制動器都接通。
[0060]在一個有利的擴展方案中，該類型的控制在變流器側還可以與監視組合，該監視能夠實現監督可切換的電橋8中的單個電晶體關斷支路和由此實現根據多方面的安全要求的可靠制動器控制。
[0061]在數字的傳輸中優選使用扭絞的芯線對。可以使用基於RS485的以及基於屏蔽的單對乙太網(Sheelded Single Pair Ehternet-basierte)的傳輸協議。在一個有利的應用方式中在此於是可以經過制動線傳輸HiperfaceDSL。
[0062]在另一有利實施方式中可以使用尤其具有雙線技術的實時乙太網協議。
【權利要求】
1.一種尤其用於生產型工具機的驅動系統，所述驅動系統具有: -變流器(1)， -電動機(2)，其具有制動器(14)和發送器(3)，以及 -線路裝置(4)，所述線路裝置將所述變流器與所述電動機連接，所述線路裝置具有至少兩條功率線(L1，L2，L4，PE)以及用於為所述制動器供電的制動線(BI，B2)，並且所述線路裝置構建用於在所述變流器與所述電動機之間的數據傳輸以及構建用於將能量傳輸給所述發送器， 其特徵在於， -所述線路裝置(4)為了傳輸能量和數據，除了功率線之外僅具有兩條所述制動線， -所述變流器(I)構建為，將第一極性的第一供電電壓和具有與第一極性相反的第二極性的第二供電電壓為了給所述制動器(14)和所述發送器(3)供電而施加到所述制動線上，以及 -所述電動機(2)構建為，以相應的供電電壓不依賴於其極性地為所述發送器供電，並且依賴於其極性地為所述制動器供電。
2.根據權利要求1所述的驅動系統，其中，所述變流器(I)和所述電動機(2)構建為經過所述制動線(B1，B2)傳輸數據。
3.根據權利要求2所述的驅動系統，其中，經過所述制動線(B1，B2)進行的數據傳輸以高於1kHz、尤其高於IMHz的頻率進行。
4.根據上述權利要求中任一項所述的驅動系統，其中，所述變流器(I)具有可切換的電橋(8)，藉助所述電橋能夠從直流電壓中產生第一和第二供電電壓。
5.根據上述權利要求中任一項所述的驅動系統，其中，所述制動器(14)在所述電動機(2)中/處經過二極體(16)連接至所述制動線(B1，B2)。
6.根據上述權利要求中任一項所述的驅動系統，其中，所述發送器(3)經過橋式整流器(20)連接至所述制動線(B1，B2)。
7.根據上述權利要求中任一項所述的驅動系統，其中，所述制動線(B1，B2)相對於功率線(LI, L2, L3, PE)被單獨屏蔽。
8.根據上述權利要求中任一項所述的驅動系統，其中，總屏蔽部(12)圍繞線路裝置(4)中的所有線路。
9.根據上述權利要求中任一項所述的驅動系統，其中，所述電動機(2)是三相電機，並且線路裝置(4)具有4條功率線(LI，L2, L3, PE)。
10.根據上述權利要求中任一項所述的驅動系統，其中，為了數據傳輸，不僅在所述變流器(I)還在所述電動機(2)中將驅動器模塊(5，17)耦合至所述制動線(B1，B2)。
【文檔編號】G05B19/04GK104460359SQ201410444477
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】A.庫恩 申請人:西門子公司