DE102018131563A1

DE102018131563A1 - Verfahren zur Detektion des Lüftens einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse

Info

Publication number: DE102018131563A1
Application number: DE102018131563.5A
Authority: DE
Inventors: Sascha Moser
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-06-10

Abstract

Bei dem Verfahren zur Detektion des Lüftens einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse, die eine Spule (L1) aufweist, an welche eine Versorgungsspannung einer Spannungsquelle anlegbar ist, wobei zwischen der Spannungsquelle und der Spule (L1) eine bei angelegter Versorgungsspannung leitende Rückspeiseblockierdiode (D1) geschaltet ist, wird die Spulenspannung (VCOIL) über der Spule (L1) der Sicherheitsbremse analysiert, indem ein Messfenster (MF) definiert wird, das gegenüber dem Zeitpunkt des Beginns des Anlegens der Versorgungsspannung an die Spule (L1) der Sicherheitsbremse nur eine vorgebbare Verzögerungszeitspanne beginnt und eine vorgebbare Länge aufweist, die derart bemessen ist, dass innerhalb des Messfensters (MF) der Abschluss des Vorgangs des Lüftens der elektromagnetischen Sicherheitsbremse erwartet werden kann, und der Zeitverlauf der Spulenspannung (VCOIL) innerhalb des Messfensters (MF) daraufhin untersucht wird, ob die Spulenspannung (VCOIL) für eine definierbare Zeitdauer mit einem definierbaren Maß ansteigt. Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, wird ein erfolgreiches Lüften erkannt. Wenn zumindest eine dieser beiden Bedingungen nicht erfüllt ist, wird eine Fehlermeldung ausgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion des Lüftens, d.h. des Lösens einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse, die sich in ihrem Ruhezustand im Brems- bzw. Feststellmodus befindet.
Elektromagnetische Sicherheitsbremsen werden zur Arretierung automatisch bewegbarer bzw. verfahrbarer Objekte und Körper wie z.B. Roboterarme, Aufzüge, Krane, Stellantriebe o.dgl. eingesetzt. Mit derartigen Sicherheitsbremsen verharren automatisch bewegbare Objekte und Körper bei Nicht-Ansteuerung ihrer Antriebe in einer definierten Position. Darüber hinaus werden elektromagnetische Sicherheitsbremsen auch in der Funktion als Fail Save eingesetzt, um nämlich bei einem Systemausfall oder -fehler das betreffende Objekt automatisch arretieren zu können. Elektromagnetische Sicherheitsbremsen sind bei Ausfall der Ansteuerung ihrer Antriebe, also im stromlosen Zustand, automatisch aktiviert und üben somit ihre Feststellfunktion aus. Das Lösen einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse wird auch als „Lüften“ bezeichnet.
Zur Detektion des Schaltzustandes einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse während des Lüft- bzw. Lösevorganges wird nach dem Stand der Technik vornehmlich ein Schalter verbaut, welcher entsprechend der Wegstrecke einer Bremsbacke ein elektrisches Signal ausgibt (siehe z.B. US 3 605 085 A ). Die Wegstrecke ist entscheidend für die Aussage über das Lüften der Bremse und kann zudem auch über die Änderung eines magnetischen Feldes, welches in seiner Größe abhängig von der Distanz zum Sensor ist (siehe hierzu CN 201694702 U und US 3 975 706 A ). Gemäß DE 11 2012 005 188 B4 wird der Stromfluss durch die Spule betrachtet, welche die Bremse betreibt. Durch den Schaltvorgang und das damit verbundene Bewegen der Bremsbacke entsteht ein „Knick“ in der Stromkurve der Bremsenspule.
Bei den elektromagnetischen Sicherheitsbremsen des Stands der Technik wird mindestens ein zusätzliches Sensorelement benötigt. Eine solche zusätzliche Hardware bedeutet für missionskritische Anwendungen, wie z.B. Weltraumanwendungen, zusätzliche Kosten und stellt ein erhöhtes Ausfallrisiko dar. Zudem sind magnetische Sensoransätze in der Nähe von Elektromotoren aufgrund des Magnetfeldes des Elektromotors sehr störanfällig und es können folglich verfälschte Messungen entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Detektion des Lüftens einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse hardwaremäßig bzw. hinsichtlich der Reduktion von Hardwarekomponenten zu vereinfachen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor ein Verfahren zur Detektion des Lüftens einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse, die eine Spule aufweist, an welche eine Versorgungsspannung einer Spannungsquelle anlegbar ist, wobei zwischen der Spannungsquelle und der Spule eine bei angelegter Versorgungsspannung leitende Rückspeiseblockierdiode geschaltet ist, wobei bei dem Verfahren

- die Spulenspannung über der Spule der Sicherheitsbremse analysiert wird, indem
- - ein Messfenster definiert wird, das gegenüber dem Zeitpunkt des Beginns des Anlegens der Versorgungsspannung an die Spule der Sicherheitsbremse nach Ablauf einer vorgebbaren Verzögerungszeitspanne beginnt und eine vorgebbare Länge aufweist, die derart bemessen ist, dass innerhalb des Messfensters der Abschluss des Vorgangs des Lüftens der elektromagnetischen Sicherheitsbremse erwartet werden kann,
- - der Zeitverlauf der Spulenspannung innerhalb des Messfensters daraufhin untersucht wird, ob die Spulenspannung für eine definierte Zeitdauer mit einem definierten Maß ansteigt, und
- wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, ein erfolgreiches Lüften erkannt wird und/oder
- wenn zumindest eine dieser beiden Bedingungen nicht erfüllt ist, eine Fehlermeldung ausgegeben wird.

Sinngemäß wird also mit der Erfindung vorgeschlagen, den Zeitverlauf der Spannung über der Spule der Sicherheitsbremse zu untersuchen, und zwar für die Dauer eines Messfensters, dessen Zeitdauer und zeitliche Lage relativ zum Beginn des Lüftungsvorgangs definierbar ist. Wenn sich das Brems- oder Feststellelement der Sicherheitsbremse in der erwarteten Art und Weise sowie in der erwarteten Zeit vorschriftsmäßig über seinen Verstellweg bis zum Freigeben, d.h. Lüften der Sicherheitsbremse bewegt, stellt sich ein bestimmter Zeitverlauf der Spulenspannung ein, der definiert ist durch ein bestimmtes Anstiegsmaß, und zwar für eine bestimmte Zeitdauer. Erfindungsgemäß wird nun der Zeitverlauf der Spulenspannung hinsichtlich dieser beiden Parameter untersucht. Sind beide Parameter gegeben, also beide Bedingungen erfüllt, und zwar innerhalb des mit einem definierten Zeitverzug zum Beginn des Lüftungsvorgangs beginnenden Messfensters, innerhalb dessen der Spulenspannungsverlauf mit den besagten Parametern erwartet wird, was in gewisser Weise auf die Überprüfung eines dritten Parameters (nämlich der erwarteten Zeit) hinausläuft, so hat ein erfolgreiches Lüften der elektromagnetischen Sicherheitsbremse stattgefunden. Andernfalls wird bzw. kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden.
Vorteilhafterweise wird zur Überprüfung des Zeitverlaufs der Spulenspannung dergestalt verfahren, dass innerhalb des Messfensters der Zeitverlauf der Spulenspannung zur Analyse, ob die Spulenspannung mit dem definierbaren Maß ansteigt, durch Differenzierung untersucht wird, und dass der Zeitverlauf der Spulenspannung dann, wenn bei der Differenzierung der Spulenspannung erkannt wird, dass die Spulenspannung mit zumindest dem definierbaren Maß ansteigt, zur Analyse, ob der Anstieg um das definierbare Maß für die definierbare Zeitdauer anhält, durch Integration untersucht wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:

1 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur erfindungsgemäßen Detektion des fehlerfreien bzw. eines fehlerbehafteten Lüftvorgangs einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse,
2 und 3 verschiedene Spannungs- und Stromverläufe, anhand derer die ordnungsgemäße bzw. fehlerhafte Funktion der elektromagnetischen Sicherheitsbremse erkannt werden kann, und
4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele für Auswerteschaltungsvarianten, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können.

Um die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, wird bei der Erfindung eine grundsätzlich typische Schaltung zur Ansteuerung von induktiven Lasten verwendet. Bei dieser Schaltung sind keine zusätzlichen Sensorelemente notwendig, welche ein zusätzliches Ausfallrisiko mit sich bringen. Zudem sind die dargestellten Schaltungen aufgrund ihrer rudimentären und diskreten Realisierbarkeit weitestgehend Störimmun. Die nachfolgend verwendete elektromagnetische Sicherheitsbremse ist stromlos bremsend.
Die in 1 gezeigte Sicherheitsbremsenansteuerung ist versehen mit einer Spannungsquelle VDC zur Versorgung der Bremsenspule L1, einem Schalter S1, welcher den Stromfluss durch die Bremsenspule L1 freigibt, sobald das Signal S1_ON einer logischen Eins entspricht, einer Diode D1, welche einen Rückfluss der in der Bremsenspule L1 gespeicherten Energie verhindert, und einer Freilauf-Diode D2, welche den Stromfluss resultierend aus der in der Bremsenspule L1 gespeicherte Energie ableitet, sofern S1 geöffnet ist. Zudem ist ein Spannungsabgriff VCOIL der Spannung über der Bremsenspule L1 vorhanden, der zur Auswertelektronik AE geführt wird. Beispiele für diese Auswerteelektronik sind in den 4 und 5 gezeigt.
Während eines erfolgreichen Lüftvorganges der Bremse entsteht eine Kurvenform der Spannung VCOIL entsprechend der Kurve „C2“der 2. Zusätzlich ist der Strom durch die Bremsenspule L1 anhand der Kurve „C1“ in 2 dargestellt.
Der Lüftvorgang ist zum Zeitpunkt X1 erfolgreich, nachdem S1 durch S1_ON geschaltet wurde. Der positive Anstieg der Spannung VCOIL zu diesem Zeitpunkt ist durch den Spannungsabfall über D1 aufgrund des Absinkens des Stromes durch die Bremsenspule L1 und folglich auch durch D1 bei einer konstanten Spannung von VDC zu begründen. Somit ist zur Detektion einer Änderung des Stromflusses kein zusätzlicher Stromsensor erforderlich. Der Zeitpunkt X1 liegt innerhalb des Messfensters MF, das um die Verzögerungszeitspannen VZ nach dem Anlegen der Betriebsspannung auf die Spule L1 (Schließen von S1) beginnt.
3 zeigt einen nicht erfolgreichen Lüftvorgang. Abweichend von 2 ist die Erhöhung der Spannung VCOIL zum Zeitpunkt X1 deutlich weniger stark ausgeprägt, was einem reduziertem Verfahrweg der Bremsbacken aufgrund einer teilweisen Blockierung entspricht. Folglich konnte keine erfolgreiche Bremsenlüftung durchgeführt werden.
4 zeigt ein Beispiel für die Auswerteelektronik AE in Analog-Technologie zur Detektion des Lüftens der Bremse während eines Lüftvorgangs.
Hierbei bilden der Verstärker OP1, der Kondensator C1 und der Widerstand R1 einen Differenzierer, der aus mathematischer Sicht eine negative Ableitung des Signals anliegend an VCOIL am Ausgang von OP1 ausgibt. Damit liegt am Ausgang des Verstärkers OP1 ein negatives Signal zum Zeitpunkt X1 (siehe 2 und 3) an. Die Amplitude dieses Signales entspricht der Steigung des Signales VCOIL. Die Steigung von VCOIL ist sowohl bei einer erfolgreichen wie auch bei einer nicht erfolgreichen Lüftung gleich. Demnach kann über die Amplitude des Ausgangs von OP1 noch kein Rückschluss über eine erfolgreiche Lüftung gezogen werden. Dennoch erfolgt der positive Anstieg von VCOIL zum Zeitpunkt X1 länger bei einem erfolgreichen Lüftvorgang (ca. 3 ms) als zu einem nicht erfolgreichen Lüftvorgang (ca. 0.8 ms).
Damit zuverlässig der positive Anstieg von VCOIL zum Zeitpunkt der Lüftung erkannt wird, wird ein Komparator CMP1 eingesetzt, welcher eine logische Eins in Form einer definierten Spannung ausgibt, sobald die Ausgangsspannung des Verstärkers OP1 unterhalb der Schwellspannung VDIFF liegt. VDIFF definiert die notwendige Steigung von VCOIL zur korrekten Detektion des Lüftvorgangs. Für alle anderen Fälle liegt eine logische Null (Referenzpotential) am Ausgang von CMP1 an.
Der Verstärker OP2, der Widerstand R2, der Schalter S3 welcher durch das invertierte Schaltsignal S1_ON geschlossen wird und der Kondensator C2 bilden einen rücksetzbaren Integrierer. Mittels des Schalters S3 wird der Ausgang des Integrierers zurückgesetzt. Diese Schaltung integriert das an dem linken Anschluss von R2 anliegende Signal bezogen auf das Referenzpotential zeitkontinuierlich auf. Der Schalter S2 trennt das erkannte Lüftsignal von dem Eingang des Integrierers. S2 wird eingeschaltet, solange es durch den Timer und das zeitverzögerte Signal aus S1_ON freigegeben wird. Der Timer gibt für eine bestimmte Zeit (, welche die maximale Lüftzeit darstellt,) eine logische Eins an seinen Ausgang aus. Der Timer wird mit einer positiven Flanke von S1_ON gestartet. Das Verzögerungsglied „Delay“ dient zur Ausblendung der Spannungserhöhungen zu Beginn des Schaltvorganges, wie sie in den 2 und 3 zu sehen sind, um somit eine Fehldetektion zu vermeiden. Entsprechend der detektierten Zeit der positiven Steigung von VCOIL zum Lüftzeitpunkt verhält sich der Ausgang von OP2 proportional.
Im letzten Schritt wird das Ausgangssignal des Verstärkers OP2 gegen eine Spannung VOPEN mittels eines Komparators CMP2 verglichen. Wird VOPEN überschritten, so ist ein erfolgreicher Lüftvorgang erkannt worden, und das Signal „Bremszustand“ entspricht einer logischen Eins.
Neben der analogen Auswertung des Lüftimpulses besteht die Möglichkeit der digitalen Auswertung, wie sie in 5 gezeigt ist. Der Integrierer ist durch die Zähleinheit „Counter“ ersetzt, welche die Takte des Taktsignals CLK_SRC zählt, solange der Eingang EN einer logischen Eins und das invertierte Schaltsignal von S1_ON einer logischen Null entspricht. Der Ausgang der Zähleinheit gibt eine Zahl aus, die proportional zu der detektierten Zeit der positiven Steigung von VCOIL.zum Lüftzeitpunkt ist. Durch die digitale Vergleichseinheit „COMPARATOR“ werden die Zahlen VAL_OPEN und die Zahl des Ausgangs der Zähleinheit verglichen. Überschreitet die Zahl des Ausgangs der Zähleinheit die Zahl VAL_OPEN ist ein erfolgreicher Lüftvorgang erkannt worden, und das Signal „Bremszustand“ entspricht einer logischen Eins.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3605085 A [0003]
CN 201694702 U [0003]
US 3975706 A [0003]
DE 112012005188 B4 [0003]

Claims

Verfahren zur Detektion des Lüftens einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse, die eine Spule (L1) aufweist, an welche eine Versorgungsspannung einer Spannungsquelle anlegbar ist, wobei zwischen der Spannungsquelle und der Spule (L1) eine bei angelegter Versorgungsspannung leitende Rückspeiseblockierdiode (D1) geschaltet ist, wobei bei dem Verfahren - die Spulenspannung (VCOIL) über der Spule (L1) der Sicherheitsbremse analysiert wird, indem - ein Messfenster (MF) definiert wird, das gegenüber dem Zeitpunkt des Beginns des Anlegens der Versorgungsspannung an die Spule (L1) der Sicherheitsbremse nach Ablauf einer vorgebbaren Verzögerungszeitspanne beginnt und eine vorgebbare Länge aufweist, die derart bemessen ist, dass innerhalb des Messfensters (MF) der Abschluss des Vorgangs des Lüftens der elektromagnetischen Sicherheitsbremse erwartet werden kann, - der Zeitverlauf der Spulenspannung (VCOIL) innerhalb des Messfensters (MF) daraufhin untersucht wird, ob die Spulenspannung (VCOIL) für eine definierte Zeitdauer mit einem definierten Maß ansteigt, und - wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, ein erfolgreiches Lüften erkannt wird und/oder - wenn zumindest eine dieser beiden Bedingungen nicht erfüllt ist, eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Messfensters (MF) der Zeitverlauf der Spulenspannung (VCOIL) zur Analyse, ob die Spulenspannung (VCOIL) mit dem definierten Maß ansteigt, durch Differenzierung untersucht wird, und dass der Zeitverlauf der Spulenspannung (VCOIL) dann, wenn bei der Differenzierung der Spulenspannung (VCOIL) erkannt wird, dass die Spulenspannung (VCOIL) mit zumindest dem definierten Maß ansteigt, zur Analyse, ob der Anstieg um das definierte Maß für die definierte Zeitdauer anhält, durch Integration untersucht wird.