JP5215188B2 - 駆動装置のための監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置のセンサのエラーを認識するための駆動装置の監視方法もしくはそのような装置のための相応に構成された監視装置に関する。

このエラーは、特に駆動装置の停止状態においても駆動装置の移動運動中にも発生し得る。通常の電気駆動装置により駆動されかつ「吊り下げ負荷」の状態が発生し得る機械部分、例えば旋盤における傾斜板または普通の昇降機におけるリフトケージが存在する。この場合に電気駆動装置は、特に電動機動作も発電機動作も可能である少なくとも１つの電気機械を有する。「吊り下げ負荷」の状態においては、駆動装置によって、すなわち電気機械によって、負荷を下方に引っ張る重力に対抗するための最小トルクが供給されるべきである。このために駆動装置は、例えば電気機械に給電するための電力変換器を有する。しかしながら、電気機械を駆動装置として直接に電源電圧に接続することもできる。

電気駆動装置の故障またはその他のエラーの際に、電気駆動装置は必要なトルクを供給することができない。他の措置が全く講じられないとすれば、例えばリフトケージが落下し、場合によっては人および物が危険にさらされるであろう。

この種の危険からの保護のために、エラー発生時および停電時に介入して吊り下げ状態の負荷を安全な状態に移行させる安全装置、例えばエアブレーキが知られている。この種のエラーの認識のために、例えば、１つまたは多数の安全装置の作動をもたらす多チャンネルの冗長安全システムおよび構成要素が使用されるとよい。この種の安全装置は駆動装置の停止中おいてだけでなく、動作中においても使用されるのが有利である。

安全状態への移行の実行は、もちろん発生エラーも認識されたときにのみ行なわれるとよい。構成および適用事例に応じてエラーが相応に速やかに認識されなければならない。構成は特に機械のメカニズムに関係し、この場合に例えばギヤの歯車比が共に影響を及ぼし得る。直接的に認識することができないか、もしくは認識のために高価な追加手段が必要となるエラーが存在する。この種のエラーの例は次のとおりである。
・センサ軸の破損、すなわち、駆動装置の実際位置または実際回転数を検出するセンサ装 置（センサ）と駆動装置との間の回転固定された接続部の破損、
・外見上は規則にかなった信号を生じさせるセンサシステム自体における誤動作。

この種のエラーは、単一チャンネルのセンサ装置の場合には認識することができない。例えばエラー発生時にセンサ信号が静止状態をとることがあり、すなわちセンサの信号は確かに正しいが、しかし駆動装置の動きに追従する。なぜならば、例えばエラーがセンサシステム内に存在するか、またはエラーがセンサと駆動装置との間のカップリング装置内に存在するからである。センサ軸の破損は、例えばモータ軸とセンサ軸との間の力伝達が失われることを意味する。しかしながら、このセンサ軸破損の可能性のほかに、センサ軸とセンサコード円板との間の力伝達喪失のような他の可能性も存在する。センサコード円板はセンサ信号の発生に役立ち、しばしばセンサ円板とも呼ばれる。

センサとしては、例えば位置センサや速度センサが知られており、あるいは加速度センサも知られている。位置検出、姿勢検出、速度検出、回転数検出のために、２つの９０°ずらされた正弦波状または矩形波状の信号を発生するセンサを使用することができる。これらの信号から位置もしくは回転数を求めることができる。これらのセンサ信号が静止状態となり、あるいはセンサ軸が破損して駆動装置、すなわち電動機が能動的な静止状態（重力に抗してトルクがもたらされているが、回転数は０である状態）にある場合には、センサ信号（センサ量）は気づかれずに現状で固定される。その際に位置および回転数調節器は「開ループ」動作にある。したがって、特に位置、速度および／または加速度の閉ループ制御のための調節系が開ループ状態となるので、調節動作はもはや実行不可能である。その際に駆動装置は不安定な状態にある。僅かな外乱トルクが、例えば巻上装置において、負荷の落下を招くことがある。

機械の動作中には、機械に付設された駆動装置が、例えば絶えず繰り返し、ある位置から異なった位置へ移動される。その際に、定められた制御量の監視によって、想定されたエラーが認識される。これは非常に費用がかかるために、しかもセンサ軸破損の危険もしくはセンサ信号の静止状態化の危険が大概は非常に僅かであるとみなされるために、しばしばこの種の付加的な監視のための措置は行なわれない。

しかしながら、定められた安全基準を満たすために、故障の危険性の定性的評価では、もはや不十分である。したがって、本発明の課題は、高められた安全性を達成することができ、しかも特にこの措置の簡単な実現を考慮した駆動装置のための監視方法もしくは監視装置を提供することにある。センサ軸破損の確率およびセンサ信号の静止状態化はほとんど計算することができないために、しかも費用の理由からセンサ自体が定量化に持ち込まれなければならないことは回避されるべきであるために、これらの極めて可能性の低いエラー発生源を認識することを可能にする必要性が存在する。例えば、新しい安全性基準ＩＥＣ６１５０８によって、安全性考察時に故障確率の定量的評価を必要とする特別な故障確率計算も要求される。

本発明の課題は、請求項１に係る特徴を有する駆動装置の監視装置によって達成される。従属の請求項２乃至５は本発明の有利な発展形態に関する。

本発明の課題は、駆動装置の動きを監視するために設けられる監視装置であって、カップリングにより駆動装置のモータ軸に機械的に接続された第１のセンサと、該第１のセンサの監視のために設けられている第２のセンサと、を備えた監視装置において、第１のセンサのセンサ信号が第２のセンサのセンサ信号と比較されることによって第１のセンサが監視される構成で解決される。エラーのあるセンサ信号の認識が行なわれ、エラーは、センサに由来し、または、例えばエラーのあるセンサケーブルにも由来する。

駆動装置は、特にモータの如き電気機械を有し、電気機械は第１のセンサが機械的に結合されている駆動軸を有する。第１のセンサの監視のために第２のセンサが設けられている。両センサは、電気機械の軸の動きに対応するセンサ信号を発生する。第１のセンサの監視のために、電気機械の動きの監視が実施できるように取り付けられている第２のセンサのセンサ信号が、第１のセンサのセンサ信号と比較される。センサ信号によって発生可能な速度もしくは位置が、または加速度も一致する場合には、センサエラーは存在しない。両センサ信号の偏差が生じる場合にセンサエラーが確認される。確認は、例えばセンサ信号相互の減算および減算値と閾値との比較によって行なわれる。閾値が超過されるとエラー信号が発せられ、エラー信号は駆動装置の制御および／または調節のための制御および／または調節装置に転送される。

一実施形態では第１および第２のセンサが、測定すべき信号に対して異なる精度を有し、第１のセンサが第２のセンサよりも高い精度を有する。

駆動装置に付設された制御および／または調節装置によって駆動装置の制御および／または調節が作動させられているときにのみ監視が実施されることが好ましい。このために適した信号は、例えば電力変換器の点弧パルスを出力させるための信号である。監視が１つまたは多数の他の信号に依存させられることによって、第１のセンサの監視に関する誤った正しくないエラー通報が避けられる。なぜならば、駆動装置が監視のために用意されている状態にあるときにのみ、第２センサによるこの監視が行なわれるからである。

監視装置は、監視のために互いに異なる精度を有する２つのセンサ信号が使用されるように構成されていることが好ましい。これは、例えば位置、速度および／または加速度の値を発生するための高い精度を有する第１のセンサが第２の簡単な安価なセンサによって監視可能であるという利点を有し、このセンサは第１のセンサのセンサ信号の尤もらしさのみを検査する。したがって、上述の監視を実施するための監視装置のコスト節減をもたらす。

センサとして位置センサおよび／または回転数センサおよび／または加速度センサが使用可能である。これらのセンサは、特に取得される信号が異なり、その信号は、もちろん数学的関係に基づいて計算によって求めることもできる。

他の実施形態では、第１のセンサのセンサ信号および第２のセンサのセンサ信号が共通の信号処理装置において処理される。信号処理装置は、例えば既存のセンサにおいて既に実施されていて、したがって他のセンサの信号がこの信号処理装置に供給されている。これによってもコスト節減が得られる。

他の実施形態では、第１のおよび第２のセンサのセンサ信号の比較による監視がセンサに付設されている個別の信号処理装置において行われるのではなくて、特に駆動装置の制御および／または調節のために用いられる制御および／または調節装置において行われる。

本発明による監視装置は、第１のセンサがカップリングによりモータ軸に機械的に結合されていて、第１のセンサが第２のセンサによって監視され、特に第１のセンサのセンサ信号が第２のセンサのセンサ信号よりも高い精度を有するようにも構成可能である。とりわけ、第１のセンサが電気機械の閉ループ制御のために共に必要とされるこの種の機械的構造の場合には、正確なセンサ信号の監視が重要である。なぜならば、さもないと軸破損およびカップリング故障時に電気機械の制御不能なシステム状態が起こり得るからである。

本発明に係る駆動装置のための監視装置は、駆動装置の動きに関係し、特にセンサ円板を有する第１のセンサと、この第１のセンサの監視のために設けられている第２のセンサとを有する。第２のセンサによる第１のセンサの監視のこの関係は、第１および第２のセンサ間に他のエラー発生源であるカップリング装置が配置されている場合に特に有利である。

監視装置の有利な実施形態では、第１のセンサがセンサ円板を有し、センサ円板がセンサ軸と形状結合により接続されている。例えば接着接続のみにより形成されたセンサ円板とセンサ軸との間の接続の分離に起因するエラーが、形状結合による接続の形成によって低減可能である。

更に、第１のセンサがカップリングによりモータ軸と機械的に結合されていて、カップリングが駆動側および出力側を有し、第１のセンサがカップリングの出力側に割り当てられていて、第２のセンサがカップリングの駆動側に割り当てられているように監視装置を構成することが好ましい。カップリングの出力側に配置されるセンサは、一般にカップリングの駆動側に配置されるセンサ比べて高い精度を有するセンサである。しかしながら、本発明にしたがって、高い精度を有するセンサがカップリングの駆動側に配置され、低い精度を有するセンサがカップリングの出力側に配置されている構成をもたらすこともできる。両センサは測定すべき信号に対して同じ精度を持っていてもよい。両センサが１つのハウジング内に組み込まれていることが好ましく、ハウジングは、例えばカップリングも含んでいるとよい。

更に、監視装置の故障確率の低減のために、カップリングの駆動側がモータ軸と共に形状結合により接続されていることが好ましい。この形状結合による接続は、例えば溝・キー組み合わせにより実現可能である。

更に、監視装置は、例えば駆動装置の制御および／または調節装置へのデータ通信可能な接続を有する。それにより、データ、例えば第１および第２のセンサのエラー信号もしくはセンサ信号を制御および／または調節装置に伝達することができる。伝達されたデータに基づいて、もしくは制御および／または調節装置において評価されたデータに基づいて、制御または調節がエラー信号もしくは発生エラーに応答することができる。応答実現性は、例えばブレーキの作動、または駆動装置の電気機械の給電のために設けられている電力変換器の点弧パルス阻止にある。

例えば、第１および第２のセンサが共通のハウジング内に配置されていることも好ましいことである。それによって、エラー確率を低減し、センサのカプセル化を僅かな費用で実現することができる。

上述の監視装置は、駆動装置におけるセンサの信号に関する上述の監視を実施するために設けられるとよい。

以下における図面に関連した実施例の説明から、他の利点および詳細を明らかにする。図面において原理的な表示にて、図１は２つのセンサを有する監視装置を示し、図２は駆動装置の誤りのあるセンサ信号の監視における信号の流れを示し、図３は駆動装置のための適用例を示す。

図１による表示は駆動装置１を示す。駆動装置１は電気機械を有し、図１によれば、この電気機械のうち、軸受ブラケット３１（電気機械の操作側の軸受ブラケット）と、モータ軸受である軸受２４と、モータ軸２１だけが示されている。更に、図１による表示は、第１のセンサ３および第２のセンサ７を示す。第１のセンサ３は、センサ軸６、センサ円板４（コード円板）および信号処理装置１３を有する。信号処理装置１３はコード円板（センサ円板）４により発生可能である信号の処理のために設けられている。センサ円板４はセンサ軸６上に取り付けられ、センサ軸６はカップリング１５に機械的に接続されている。機械的接続は、例えばとまり嵌めもしくは圧入である。センサ円板４は図示されていない形状結合によりセンサ軸６と機械的に接続されている。カップリング１５は駆動側１７および出力側１９を有する。駆動側１７および出力側１９は、弾性接続部１８により互いに機械的に結合されている。駆動側１７は、モータ軸２１との機械的接続をなすモータ側のカップリング部分である。この種の機械的接続は、例えば切り込み溝・キー接続により実現可能である。図１による構成によれば、切り込み溝・キー接続の切り込み溝２５およびキー２７がモータ軸２１内に組み込まれている。カップリング１５の出力側１９はセンサ側のカップリング部分に関係する。このセンサ側のカップリング部分はセンサ軸６と機械的に接続されている。第１のセンサ３は、今やカップリング１５の出力軸１９の回転運動もしくは位置を検出する。第２のセンサ７により、モータ側のカップリング部分、すなわちカップリング１５の駆動側１７の動きが検出される。これは、例えば磁気センサにより低コストで可能である。第２のセンサ７はデータ通信可能に第１のセンサ３とつながれている。信号処理装置１３において第１のセンサ３のセンサ信号が第２のセンサ７のセンサ信号に対して評価される。それから評価信号が、例えば、制御および／または調節装置１１へのデータ通信接続を可能にするデータケーブル３３により伝送される。他の構成では第１のセンサと第２のセンサとの信号比較が制御および／または調節装置自体において行なわれ、この制御および／または調節装置への直接的または間接的なデータ通信可能な接続が存在する。しかしながら、この変形は図１には明示的に示されていない。

駆動装置１のための図示された監視装置により、従来技術において存在する駆動装置の監視不備およびそれにともなう改善されたエラー監視が実現される。これは、カップリングとしてモータ軸とで弾力性のあるカップリング（例えば、噛み合い継手）が実現されているのか、それとも弾力性のないカップリングが実現されているのかには依存しない。

センサ円板（コード円板）は、従来技術によれば、大抵はセンサ軸に接着される。しかしながら、本発明によれば、センサ円板４が一実施形態において形状結合によりセンサ軸６に接続されている。そのようにして例えば、センサ軸とセンサ円板との間で行なわれる力伝達を、締め付け装置、圧入等を介して付加的に改善することができる。形状結合による接続の例が切り込み溝・キー接続である。

エラーの関係に関して３つの個所で有利に改善することができる。これは、一方ではカップリング１５の駆動側とモータ軸との間の接続であり、他方ではカップリングの対向する出力側、すなわち第１のセンサ３とカップリング１５との間の接続であり、そして３番目にセンサ軸に対するセンサ円板の接続も同様である。この種の接続は形状結合により形成されるのが好ましい。これらの範囲における形状結合による接続の使用は第１および第２のセンサの使用に依存しない。これは、本発明の利点が１つのセンサしか使用しないことにもあることを意味する。ただし、この１つのみのセンサは次の接続種類のうちの少なくとも１つを有する。
センサ軸とセンサ円板との間の形状結合による接続、
第１のセンサとカップリングの出力側との間の形状結合による接続、
カップリングの駆動側とモータ軸との間の形状結合による接続。

図の表示によればモータ軸２１とカップリング１５の駆動側１７との間の形状結合による接続だけが用意されている。付加的に駆動側のカップリング部分の爪５３が簡単な磁気センサ、本例では第２のセンサ７により走査される。それにともなって付加的な位置信号が発生する。これらの信号が発生させられる位置で、第１のセンサ３において発生させられる位置に対して先行動作が起きる。先行動作が果たされない場合には、例えばセンサ軸破損または静止状態になったセンサ信号の形でのエラーが存在する。先行動作が果たされたか否かの検査は、第１のセンサの電子装置において、つまり信号処理装置１３または制御および／または調節装置１１において行なわれるとよい。制御および／または調節装置１１は、例えば電気機械の回転数または位置調節のために設けられている。センサ信号の検査は運動状態においても可能である。装置の構成に応じて遅くとも１回転後にエラーが検出される。

第２のセンサ７として１つの簡単な付加的なセンサだけを使用することが好ましい。なぜならば、それにより監視の要求も簡単な構造への要求も考慮することができるからである。第２のセンサは、これによって１回転当たりに１つの信号のみを供給すればよいように構成可能であることが好ましい。回転方向の認識はこの場合には必要でない。原理的にエラー検出はエッジ変化で十分である。

本発明の有利な構成では、第２のセンサによって既存の機械部分が走査される。例えば爪を有するカップリングの場合がそうしたケースである。爪が形状結合によりモータ軸と接続されているか、もしくはモータ軸が第２のセンサ７により認識および走査可能である輪郭を有することが好ましい。第２のセンサ７によるモータ軸の走査時に、カップリング１５の駆動側１７とモータ軸２１との間の形状結合による接続はどうしても必要というわけではない。なぜならば、まさにモータ軸２１自体が第２のセンサ７によって走査されるからである。この実施形態は図１には示されていない。しかし、この実施形態は容易に理解することができる。なぜならば、モータ軸における相応の輪郭が簡単に溝またはスロットによって実現可能であるからである。

他の図示されていない実施形態では、第２のセンサ７が電気機械自体に組み込まれている。これは、第２のセンサ７が図示のようにセンサハウジング８の内部にあるのではなくて、したがって軸受ブラケット３１に対し出力側に包含されているのではなくて、第２のセンサ７が電気機械のハウジング内にあって、電気機械のハウジングの一部が軸受ブラケット３１によって構成されていることを意味する。

本発明によれば、センサとして、容量的、誘導的、光学的、磁気的などにて動作するセンサを使用することができる。電気機械において第２のセンサ７がどの位置に取り付けられているかは、モータ軸との確実な機械的接続を有する電気機械の一部への取り付けが行なわれることに留意すべきである。

図２による表示は第１のセンサ３もしくは第２のセンサ７によって発生させられるエラー信号５および９の信号の流れを示す。第１のセンサ３によって発生させられるセンサ信号５は信号処理装置１３において第２のセンサ７によって発生させられるセンサ信号９と比較される。信号の差値が、例えば定められた閾値を上回ると、エラー信号３５が制御および／または調節装置１１に転送される。比較は制御および／または調節装置１１自体の内部においても行なわれ得ることが好ましいので、センサ信号５および９が直接に制御および／または調節装置１１に伝達される。しかしながら、図２には示されていない。エラー信号３５の発生に依存して、例えばブレーキまたは電力変換器におけるパルス阻止の投入が実行可能である。

図３による表示は、監視装置２３を有する駆動装置のための適用例を示す。図３による表示は、電気機械４１の制御または調節のために考慮される制御および／または調節装置１１を示す。制御および／または調節装置１１は電力変換部５１に付設されている。電力変換部５１により直流電圧中間回路３９が接続されている。電気機械４１の給電は３相交流接続線３７により行なわれる。電気機械４１は重量物４７の移動のために設けられている。重量物４７はロープ４５を介してロープ巻胴４３に吊り下げられている。ロープ巻胴４３は駆動軸４９を介して電気機械４１に接続されている。電気機械４１の回転は、第２のセンサ７を介しても第１のセンサ３を介しても監視される。監視は、特にこのために必ず必要というわけではない。なぜならば、第１のセンサ３がカップリング１５を介して電気機械４１に接続されているからである。第１のセンサ３も第２のセンサ７もデータケーブル３３，３４を介して制御および／または調節装置１１に接続されていて、制御および／または調節装置１１の内部に信号処理装置１３が組み込まれていて、信号処理装置１３により第１のセンサ３が第２のセンサによって監視可能であるからである。

図１にしたがって第１のセンサ３および第２のセンサ７が共通のセンサハウジング８に組み込まれている実施形態では、第２のセンサが付加的に取り付けられる必要がないので、それによってエラー発生源が低減されるという利点がもたらされる。更に、この種の実施形態によれば、監視方法もしくは監視装置の使用者に第２のセンサのために回転式または直線式の走査手段を使用させることを必ずしも必要としない。センサハウジング内への組み込みの他の利点は、簡単なやり方で高度の保護様式が実現可能であること、もしくは付加的な接続技術を用意しなくてもよいことにある。

２つのセンサを有する監視装置を示す図 駆動装置のエラーのあるセンサ信号の監視における信号の流れを示す図 駆動装置のための適用例を示す図

符号の説明

１ 駆動装置
３ 第１のセンサ
４ センサ円板（コード円板）
５ センサ信号
６ センサ軸
７ 第２のセンサ
８ センサハウジング
９ センサ信号
１１ 制御および／または調節装置
１３ 信号処理装置
１５ カップリング
１７ 駆動側
１８ 弾性接続部
１９ 出力側
２１ モータ軸
２３ 監視装置
２４ 軸受
２５ 切り込み溝
２７ キー
３１ 軸受ブラケット
３３ データケーブル
３４ データケーブル
３５ エラー信号
３７ ３相交流接続線
４１ 電気機械
４３ ロープ巻胴
４５ ロープ
４７ 重量物
４９ 駆動軸
５１ 電力変換部

Claims (5)

1. 駆動装置（１）の動きを監視するために設けられる監視装置（２３）であって、
   カップリング（１５）により前記駆動装置（１）のモータ軸（２１）に機械的に接続された第１のセンサ（３）と、
   該第１のセンサ（３）の監視のために設けられている第２のセンサ（７）と、
   を備えており、
   前記カップリング（１５）は、駆動側（１７）及び出力側（１９）を有し、その駆動側（１７）が前記駆動装置（１）のモータ軸（２１）に接続され、
   前記第１のセンサ（３）は、前記カップリング（１５）の出力側（１９）に組み込まれて、該出力側（１９）の回転を検出するように構成され、
   前記第２のセンサ（７）は、前記カップリング（１５）の駆動側（１７）に組み込まれて、該駆動側（１７）のカップリング部分の爪を磁気センサで走査することにより該駆動側（１７）の回転を検出するように構成される、
   ことを特徴とする監視装置。
2. 前記第１のセンサ（３）は、
   前記カップリング（１５）の出力側（１９）に機械的に接続されたセンサ軸（６）と、
   該センサ軸（６）に形状結合されたセンサ円板（４）と、
   を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の監視装置。
3. 前記第１のセンサ（３）のセンサ信号（５）が前記第２のセンサ（７）のセンサ信号（９）よりも高い精度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の監視装置。
4. 前記カップリング（１５）の駆動側（１７）が前記モータ軸（２１）と形状結合されていることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の監視装置。
5. 前記第１のセンサ（３）及び前記第２のセンサ（７）が共通のセンサハウジング（８）を有することを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の監視装置。

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