Elektromotor

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät zum Ansteuern eines Elektromotors, einen Elektromotor und ein System mit einem solchen Steuergerät und einem solchen Elektromotor. Wenn ein Steuergerät zum Ansteuern eines Elektromotors mit einem Elektromotor zu einem System verbunden wird, ist es in der Regel notwendig, in dem Steuergerät die ansteuerrelevanten Parameter des Elektromotors einzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuergerät zum Ansteuern eines Elektromotors, einen Elektromotor und ein System mit einem solchen Steuergerät und einem solchen Elektro- motor zur Verfügung zu stellen, die eine möglichst einfache und kostengünstige Parametrierung des Steuergerätes in Abhängigkeit von einem anzusteuernden Elektromotor ermöglichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Steuergerät zum Ansteuern eines Elektromotors nach Anspruch 1 , einen Elektromotor nach Anspruch 8 und ein System mit einem solchen Steuergerät und einem solchen Elektromotor nach Anspruch 14. Das erfindungsgemäße Steuergerät dient zum Ansteuern eines Elektromotors. Der Elektromotor kann beispielsweise ein Drehstrommotor sein, beispielsweise ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor. Das erfindungsgemäße Steuergerät erzeugt beispielweise geeignete Phasenspannungen und/oder Phasenströme derart, dass sich eine gewünschte Drehzahl und/oder ein gewünschtes Drehmoment einstellen. Das Steuergerät kann beispielsweise ein Frequenzumrichter bzw. ein Servoumrichter sein.

Das Steuergerät weist eine Temperatursensor-Schnittstelle auf, die zum Anschließen eines externen Temperatursensors ausgebildet ist. Der Temperatursensor ist zur Überwachung der Temperatur des Elektromotors vorgesehen.

Das Steuergerät weist weiter eine Überwachungseinheit auf, beispielsweise in Form eines Mik- rocontrollers und zugehöriger Peripherie, die dazu ausgebildet ist, mindestens eine temperaturabhängige Eigenschaft des Temperatursensors, beispielsweise seinen temperaturabhängigen Widerstand, zur Temperaturüberwachung des Elektromotors auszuwerten. Die Überwachungseinheit ist weiter dazu ausgebildet, unabhängig von der Temperaturüberwachung und zusätzlich zu der Temperaturüberwachung Daten über die Temperatursensor- Schnittstelle mit dem Elektromotor auszutauschen, insbesondere bidirektional auszutauschen. Die Temperatursensor-Schnittstelle hat folglich eine Doppelfunktion. Einerseits dient sie her- kömmlich zum Anschließen des Temperatursensors, andererseits dient sie gleichzeitig zum Datenaustausch mit dem Elektromotor, so dass dieser beispielsweise bei Bedarf seine motorspezifischen Parameter an das Steuergerät über die Temperatursensor-Schnittstelle übertragen kann, so dass eine manuelle Einstellung dieser Parameter am Steuergerät unterbleiben kann.

In einer Ausführungsform ist die Überwachungseinheit dazu ausgebildet, während bestimmter Zeitintervalle oder dauerhaft eine Spannung (oder ein Spannungsmuster) und/oder einen Strom (oder ein Strommuster) an der Temperatursensor-Schnittstelle auszugeben.

In einer Ausführungsform ist die Überwachungseinheit dazu ausgebildet, einen elektrischen Widerstand des Temperatursensors zur Temperaturüberwachung des Elektromotors auszuwerten. In einer Ausführungsform ist die Überwachungseinheit dazu ausgebildet, zur Initiierung bzw. Einleitung eines Datenaustausches mit dem Elektromotor ein vorgegebenes Impulsmuster bzw. Spannungsmuster oder Strommuster an der Temperatursensor-Schnittstelle auszugeben. Beispielsweise kann die Überwachungseinheit nach ihrem Einschalten zunächst einen Eins-Pegel an der Temperatursensor-Schnittstelle auszugeben, um eine Steuereinheit des Elektromotors mit Betriebsenergie zu versorgen und zu starten. Nach einer Wartezeit kann das Steuergerät einen oder mehrere Pegelwechsel der an der Temperatursensor-Schnittstelle ausgegebenen Spannung erzeugen, so dass die Steuereinheit des Elektromotors erkennen kann, dass eine kommunikationsfähige Steuereinheit vorhanden, so dass eine Datenübertragung beginnen kann. In einer Ausführungsform ist die Überwachungseinheit dazu ausgebildet, einen sich an der Temperatursensor-Schnittstelle einstellenden Signalverlauf bzw. Spannungsverlauf zur Deko- dierung von Daten auszuwerten, die von dem Elektromotor an das Steuergerät übertragen werden. Beispielsweise kann die Temperatursensor-Schnittstelle einen Open-Drain-Ausgang oder Open-Collector-Ausgang bilden, an dem während eines Datenempfangs eine konstante Span- nung mit einem High-Pegel über einen Pull-Up-Widerstand ausgeben wird. Zur Kodierung der vom Elektromotor an das Steuergerät zu übertragenden Daten kann die Steuereinheit des Elektromotors die an der Temperatursensor-Schnittstelle ausgegebene Spannung mittels eines Schaltmittels, beispielsweise eines Feldeffekttransistors, gegen ein Bezugspotential, beispiels- weise Masse, ziehen, so dass sich im Ergebnis an der Temperatursensor-Schnittstelle das Bezugspotential einstellt. Auf diese Weise kann die Steuereinheit des Elektromotors eine gewünschte Spannungs-Impulsfolge an der Temperatursensor-Schnittstelle erzeugen, wodurch die Daten binär kodiert an das Steuergerät übertragen werden können. In einer Ausführungsform ist die Temperatursensor-Schnittstelle eine 2-Leiter-Schnittstelle.

In einer Ausführungsform weist das Steuergerät eine herkömmliche Motoransteuer-Schnittstelle zum Anschließen von beispielsweise drei Phasensträngen des Elektromotors auf.

Der erfindungsgemäße Elektromotor weist eine Temperaturüberwachung-Schnittstelle auf, die dazu vorgesehen ist, mit der Temperatursensor-Schnittstelle des Steuergeräts zum Signalaus- tausch verbunden zu werden.

Der Elektromotor weist weiter einen mit der Temperaturüberwachung-Schnittstelle elektrisch verbundenen Temperatursensor auf.

Der Elektromotor weist weiter eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Microcontrollers, die mit der Temperaturüberwachung-Schnittstelle verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, Daten über die Temperaturüberwachung-Schnittstelle mit einem Steuergerät, insbesondere bidirektional, auszutauschen.

In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit, insbesondere ausschließlich, über die Temperaturüberwachung-Schnittstelle mit elektrischer Betriebsenergie versorgt.

In einer Ausführungsform weist der Elektromotor einen mittels der Steuereinheit ansteuerbaren Schalter auf, beispielsweise in Form eines ansteuerbaren Halbleiterschaltmittels, beispielsweise in Form eines Thyristors, wobei der Schalter und der Temperatursensor seriell zwischen Anschlusspole der Temperaturüberwachung-Schnittstelle eingeschleift sind. Die Steuereinheit ist für diesen Fall dazu ausgebildet, in einem Temperaturmessmodus den Schalter zu schließen und in einem Datenübertragungsmodus den Schalter zu öffnen. Bei geschlossenem Schalter sieht ein an der Temperaturüberwachung-Schnittstelle angeschlossenes Steuergerät lediglich den Temperatursensor, d.h. das Steuergerät kann eine Motortemperatur herkömmlich messen. Daher können auch herkömmliche Steuergeräte, die nicht zum Datenaustausch mit dem Motor ausgebildet sind, an den erfindungsgemäßen Elektromotor bzw. dessen Temperaturüberwachung-Schnittstelle angeschlossen werden. Der Elektromotor bzw. dessen Steuereinheit kann beispielsweise ein herkömmliches Steuergerät daran erkennen, dass das Steuergerät keinen Datenaustausch initiiert, d.h. den Pegel an der Temperaturüberwachung-Schnittstelle konstant hält. Für diesen Fall wird der Schalter geschlossen und der Elektromotor verhält sich an seinen Schnittstellen wie ein herkömmlicher Elektromotor.

Das Schließen des Schalters kann bewirken, dass eine Energieversorgung der Steuereinheit unterbrochen wird. Dies ist jedoch unerheblich, da der herkömmliche Elektromotor eine Funktion der Steuereinheit nicht voraussetzt.

Ein Schaltzustand des Schalters kann nach dem Beginn des Versorgens der Steuereinheit mit elektrischer Energie zunächst standardmäßig geöffnet sein, um eine Versorgung der Steuereinheit mit Betriebsenergie sicher zu stellen.

In einer Ausführungsform ist der Temperatursensor ein temperaturabhängiger Widerstand.

In einer Ausführungsform weist der Elektromotor einen Speicher auf, dessen Inhalt über die Temperaturüberwachung-Schnittstelle auslesbar und/oder beschreibbar ist. In dem Speicher können Informationen gespeichert sein, die den Elektromotor in seinen Eigenschaften charakterisieren. Weiter können beispielsweise ein Betriebsstundenzähler, Servicedaten etc. für den Elektromotor in dem Speicher gespeichert sein.

Das erfindungsgemäße System weist ein oben beschriebenes Steuergerät und einen oben beschriebenen Elektromotor auf. In einer Ausführungsform ist das Steuergerät dazu ausgebildet, den Speicher des Elektromotors, insbesondere nach einem Einschalten, Power-On bzw. Reset, auszulesen und den Elektromotor in Abhängigkeit von den ausgelesenen Daten anzusteuern.

Die Erfindung realisiert ein elektronisches Typenschild in einem Elektromotor, das über die bereits vorhandene Schnittstelle für die Motortemperaturauswertung auslesbar ist. Die Erfindung ermöglicht ein automatisiertes Auslesen/Beschreiben der elektrischen und mechanischen Eigenschaften eines Elektromotors ohne zusätzliche Verdrahtung zwischen Motor und Steuergerät. Da zwischen Steuergerät und Elektromotor bereits mindestens eine Kabelverbindung besteht, wird diese erfindungsgemäß als Übertragungsstrecke zum Datenaustausch mit verwendet. Herkömmlich weisen beispielsweise Frequenzumrichter und Elektromotoren bereits eine Schnittstelle bzw. Anschlussleitung zur Motortemperaturüberwachung auf. Diese wird nun erfin- dungsgemäß dazu verwendet, sowohl die Motortemperatur (analoge Spannung) auszulesen als auch digitale Daten aus dem Elektromotor auszulesen oder optional dort zu speichern.

Im Elektromotor, beispielsweise in dessen Klemmenkasten bzw. Anschlussbereich, ist die Steuereinheit beispielsweise in Form eines Microcontrollers vorgesehen, der seine Betriebsenergie über die Temperaturüberwachung-Schnittstelle aus der Temperatursensor- Schnittstelle des Steuergeräts bezieht. Im Normalbetrieb, oder falls das Steuergerät nicht über die Ansteuerlogik für das elektronische Typenschild verfügt, ist die Steuereinheit inaktiv. Der Temperatursensor liegt für diesen Fall zwischen Anschlusspolen der Temperaturüberwachung- Schnittstelle des Elektromotors.

Wenn ein Datenaustausch zwischen Steuergerät und Elektromotor erfolgen soll, wird der Tem- peratursensor abgekoppelt und die Steuereinheit des Elektromotors wird aktiv. Dazu kann das Steuergerät an seiner Temperatursensor-Schnittstelle ein spezifisches Pulsmuster erzeugen, das wiederum durch die Steuereinheit des Elektromotors erkannt und erwidert wird. Danach startet die Datenübertragung.

Wenn das Steuergerät keine Reaktion über seine Temperatursensor-Schnittstelle erhält, kann das Steuergerät darauf schließen, dass es sich um einen Standardelektromotor ohne elektronisches Typenschild handelt.

Falls ein herkömmliches Steuergerät ohne Typenschildansteuerlogik zusammen mit einem erfindungsgemäßen Motor mit elektronischem Typenschild verwendet wird, kann die Steuereinheit des erfindungsgemäße Elektromotors das Schaltmittel nach dem Ausbleiben der Initiierung des Datenaustausches bzw. einer Startflanke durchschalten, so dass lediglich die Motortemperaturüberwachung aktiv ist.

Erfindungsgemäß kann vermieden werden, dass Motordaten von Hand programmiert werden müssen. Auf diese Weise können Fehler vermieden werden, bei denen falsche Motordaten im Steuergerät verwendet werden. Dies führt auch zu einer Zeiteinsparung bei einer Installation und Inbetriebnahme des Systems. Aufgrund des gepulsten Datenübertragungsverfahrens kann ein Kurzschluss einer Leitung erkannt werden, die die Temperatursensor-Schnittstelle des Steuergeräts mit der Temperaturüberwachung-Schnittstelle des Elektromotors verbindet.

Die Erfindung wird nachfolgende detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein System mit einem Steuergerät und einem Elektromotor, der mittels des Steuergeräts angesteuert wird.

Fig. 1 zeigt ein System mit einem Steuergerät 1 in Form eines Frequenzumrichters und einem Drehstrom-Motor 2, der mittels des Steuergeräts 1 angesteuert wird. Hierzu weist das Steuerge- rät 1 herkömmlich eine Motoransteuer-Schnittstelle 6 zum Anschließen von Phasensträngen u, v, w des Elektromotors 2 auf. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.

Das Steuergerät 1 weist weiter eine Temperatursensor-Schnittstelle 3 zum Anschließen eines im Elektromotor 2 angeordneten Temperatursensors 4 in Form eines PTC-Widerstands oder Thermokontaktes auf. Der Temperatursensor 4 dient herkömmlich zur Überwachung der Tem- peratur des Elektromotors 2.

Korrespondierend zur Temperatursensor-Schnittstelle 3 des Steuergeräts 1 weist der Elektromotor 2 eine Temperaturüberwachung-Schnittstelle 7 auf, wobei ein Halbleiter-Schalter 9 und der Temperatursensor 4 seriell zwischen Anschlusspole 7a, 7b der Temperaturüberwachung- Schnittstelle 7 eingeschleift sind. Die Schnittstellen 3 und 7 sind jeweils 2-Leiter-Schnittstellen. Die Temperatursensor-Schnittstelle 3 des Steuergeräts 1 und die Temperaturüberwachung- Schnittstelle 7 des Elektromotors 2 sind mittels zugehöriger Adern eines mehradrigen Anschlusskabels 1 1 elektrisch miteinander verbunden. Korrespondierende Adern des Anschlusskabels 1 1 dienen weiter zum elektrischen Verbinden der Motoransteuer-Schnittstelle 6 des Steuergeräts 1 mit den Phasensträngen u, v, w des Elektromotors 2. Das Steuergerät 1 weist weiter eine Überwachungseinheit 5 auf, die dazu ausgebildet ist, herkömmlich einen Widerstand des Temperatursensors 4 zur Temperaturüberwachung des Elektromotors 2 auszuwerten. Die Überwachungseinheit 5 ist weiter dazu ausgebildet, unabhängig von und zusätzlich zu der Temperaturüberwachung Daten über die Temperatursensor-Schnittstelle 3 mit dem Elektromotor 2 auszutauschen, was nachfolgend näher beschrieben werden wird.

Um Daten bidirektional mit dem Steuergerät 1 austauschen zu können, weist der Elektromotor 2 eine Steuereinheit 8 auf, die ebenfalls mit der Temperaturüberwachung-Schnittstelle 7 verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, Daten über die Temperaturüberwachung-Schnittstelle 7 bidirektional mit dem Steuergerät 1 auszutauschen. Die Steuereinheit 8 steuert hierzu den Halbleiter-Schalter 9 derart an, dass dieser in einem Temperaturmessmodus geschlossen ist und in einem Datenübertragungsmodus geöffnet ist. Die Überwachungseinheit 5 des Steuergeräts 1 gibt an der Temperatursensor-Schnittstelle 3 eine Spannung aus, die zur Spannungsversorgung der Steuereinheit 8 dient, solange der Schalter 9 geöffnet ist.

Nachfolgend sei ein Einschalten des Systems 1 beschrieben.

Nachdem das Steuergerät 1 mit Energie versorgt ist, fährt das Steuergerät 1 hoch und gibt eine Spannung beispielsweise mit einem Pegel von 3,3 V an seiner Temperatursensor-Schnittstelle 3 aus. Der die Temperatursensor-Schnittstelle 3 treibende Ausgang kann beispielsweise ein Open-Drain-Ausgang bzw. ein Open-Collector-Ausgang sein.

Bei geöffnetem Schalter 9 lädt diese Spannung einen Pufferkondensator 12 des Elektromotors 2 über eine Entkopplungsdiode 13 auf, wobei die Steuereinheit 8 aus dem Pufferkondensator 12 mit Energie versorgt wird. Sobald ein sich am Kondensator 12 einstellender Spannungspegel zur Versorgung der Steuereinheit 8 ausreicht, prüft die Steuereinheit 8 fortlaufend einen Spannungsverlauf an der Temperaturüberwachung-Schnittstelle 7.

Um einen Datenaustausch mit dem Elektromotor 2 bzw. dessen Steuereinheit 8 anzustoßen, erzeugt die Überwachungseinheit 5 für eine vorgegebene Zeitdauer ein definiertes Spannungs- Impulsmuster an der Temperatursensor-Schnittstelle 3. Dieses Spannungs-Impulsmuster wird von der Steuereinheit 8 erkannt und zur Synchronisierung bzw. Einleitung der Datenübertragung verwendet.

Zur Datenübertragung von der Steuereinheit 8 in Richtung der Überwachungseinheit 5 weist die Steuereinheit 8 ein nicht dargestelltes Halbleiter-Schaltmittel auf, wobei sich bei geöffnetem Zustand dieses Halbleiter-Schaltmittels beispielsweise ca. 3,3 V an der Temperatursensor- Schnittstelle 3 einstellen und bei geschlossenem Zustand des Halbleiter-Schaltmittels ca. 0 V einstellen, so dass die Steuereinheit 8 mittels des Halbleiter-Schaltmittels eine Impulsfolge erzeugen kann, die zur Kodierung der zu übertragenden Daten dient.

Zur Datenübertragung von der Überwachungseinheit 5 in Richtung der Steuereinheit 8 erzeugt die Überwachungseinheit 5 ein geeignetes Spannungs-lmpulsmuster an der Temperatursensor- Schnittstelle 3 zur Kodierung der zu übertragenden Daten.

Nachdem alle erforderlichen Daten zwischen dem Steuergerät 1 bzw. der Überwachungseinheit 5 und der Steuereinheit 8 übertragen worden sind, schließt die Steuereinheit 8 das Schaltmittel 9, wodurch sie sich selbst abschaltet und zwischen den Anschlusspolen 7a und 7b lediglich der Temperatursensor 9 sichtbar bleibt.

Wenn das Steuergerät 1 nach dem Hochfahren innerhalb der vorgegebenen Zeitdauer das definierte Spannungs-lmpulsmuster an der Temperatursensor-Schnittstelle 3 zum Anstoßen der Datenübertragung nicht erzeugt, schließt die Steuereinheit 8 das Schaltmittel 9, wodurch sie sich selbst abschaltet und zwischen den Anschlusspolen 7a und 7b lediglich der Temperatur- sensor 9 sichtbar bleibt. Daher ist der erfindungsgemäße Elektromotor 2 auch mit herkömmlichen Steuergeräten verwendbar, die nicht über die Möglichkeit zur Datenübertragung über ihre Temperatursensor-Schnittstelle 3 verfügen.

Wenn ein erfindungsgemäßes Steuergerät 1 mit einem herkömmlichen Elektromotor verwendet wird, der nicht über die Möglichkeit zur Datenübertragung über seine Temperaturüberwachung- Schnittstelle 7 verfügt, erkennt dies das Steuergerät 1 daran, dass nach dem Anstoßen der Datenübertragung keine Reaktion auf der Temperatursensor-Schnittstelle 3 empfangen wird. Daher ist das erfindungsgemäße Steuergerät 1 auch mit herkömmlichen Elektromotoren verwendbar, die nicht über die Möglichkeit zur Datenübertragung über ihre Temperaturüberwachung- Schnittstelle 7 verfügen. Der Elektromotor 2 weist einen nicht-flüchtigen Speicher 10 auf, dessen Inhalt über die Temperaturüberwachung-Schnittstelle 7 auslesbar und/oder beschreibbar ist. In dem Speicher 10 sind Informationen gespeichert sind, die den Elektromotor 2 in seinen Eigenschaften charakterisieren. Zusätzlich können eine Seriennummer, eine Betriebsstundenanzahl, etc. in dem Speicher 10 gespeichert sein Das Steuergerät 1 ist dazu ausgebildet ist, den Speicher 10 des Elektromotors 2 zumindest teilweise auszulesen und den Elektromotor 2 in Abhängigkeit von den ausgelesenen Daten anzusteuern.

Beispielsweise können in dem Speicher 10 eine Nennleistung, eine Strombelastbarkeit, elektrisch Parameter, etc. gespeichert sein, die Einfluss auf die vom Steuergerät 1 erzeugten Ansteuerspannungen/Ansteuerströme haben.