Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Spursignale eines

Positionsänderungssensors

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Spursignale eines Positionsänderungssensors.

Aus der DE 10 2007 033 009 A1 sind Positionsanderungssensoren, wie Winkellagengeber bekannt.

Aus der DE3631429A1 ist ein Längen- oder Winkelmesssystem mit einer

Fehlererkennungseinrichtung bekannt. Aus der DE102011083042A1 ist eine Überwachungseinheit und Verfahren zur

Überwachung von Positionssignalen inkrementaler Positionsmesseinrichtungen bekannt.

Aus der WO2006092026A1 ist eine Signalverarbeitung bekannt.

Aus der EP1302753 A1 ist ein Positionsgeber-Überwachungsverfahren bekannt.

Aus der DE102010051873A1 ist eine Integrierte Schaltungsanordnung und Verfahren zur Signalüberwachung bekannt.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine ressourcenintensiven Fehlerdiagnose für die Realisierung einer vollständigen Aufdeckung von Spursignalfehlern bei

Positionsänderungssensoren weiterzubilden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1 und bei der Vorrichtung nach den in Anspruch 6 gelöst. Die Aufgabe eines erfindungsgemäßen Positionsänderungssensors besteht dabei darin, Lageoder Winkeländerungen eines beweglichen Anlagenteils zu erfassen und diese Information in elektrische Signale zu überführen, sodass ein Steuerungs- und/oder Regelungssystem an Hand dieser Signale zielgerichtet weitere mittelbar oder unmittelbar an diesen Anlagenteil

angeschlossene Aktoren, insbesondere eine Antriebseinheit bestehend aus einem Elektromotor und einer Bremse, ansteuern kann.

Diese elektrischen Signale des Positionsänderungssensors werden typischerweise durch ein optisches oder magnetisches Verfahren erzeugt, indem zwei Sensoren so angeordnet sind, dass ein Maßstab, bestehend aus sich abwechselnden Hell/Dunkel-Stellen bzw. aus sich ändernden magnetischen Flussdichten, stets so abgetastet wird, dass der eine Sensor immer ein Extrema misst, während der andere Sensor zur selben Zeit den Nulldurchgang detektiert. Dadurch ergeben sich zwei kontinuierliche sinusförmige Signale, die analogen Spursignale A und B, die zueinander um 90° phasenverschoben sind.

Ist das Spursignal A gegenüber dem Spursignal B zeitlich voreilend, so findet eine Bewegung in die eine Richtung statt. Ist das Spursignal A gegenüber dem Spursignal B zeitlich nacheilend, findet eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung statt. Somit lässt sich anhand beider Spursignale A und B eine Richtungsinformation ableiten. Ist bei drehbewegten

Positionsänderungssensoren die Strichanzahl je Umdrehung bzw. bei Längenmessgeräten der Abstand zwischen zwei Strichen, also der Maßstab, bekannt, lässt sich zusätzlich die

Lageänderung, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung berechnen. Bei Kenntnis einer bestimmten Referenzposition, die beispielsweise durch eine Referenzfahrt des Systems ermittelt wird, können relativ zu dieser Referenzposition die Lageänderung und somit auch die genaue aktuelle Position bestimmt werden.

Für einfache Positionsmessanwendungen werden die sinusförmigen Spursignale A und B typischerweise mit Schmitt-Trigger in digitale Rechteck-Signale umgewandelt. Die

Digitalisierung findet dabei entweder direkt im Positionsänderungssensor oder im Steuerungs- und/oder Regelungssystem statt. Findet die Digitalisierung im Positionsänderungssensor statt, werden die digitalen Rechteck-Signale mit TTL- oder HTL-Pegel zum Steuerungs- und/oder Regelungssystem gesendet. Im Falle einer Digitalisierung im Steuerungs- und/oder

Regelungssystem erfolgt die Übertragung vom Positionsänderungssensor mittels der sinusförmigen Spursignale A und B. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser digitalen Rechteck- Signale lässt sich - mit einer gewissen Ungenauigkeit bedingt durch die Digitalisierung - die Lage- oder Winkeländerung eines beweglichen Anlagenteils berechnen. Für gängige

Anwendungen sind die digitalisierten Spursignale ausreichend, um beispielsweise eine

Drehbewegung zu ermitteln. Zum Detektieren sehr langsamer Bewegungen ist dieses

Verfahren jedoch zu ungenau und nur über eine Schätzung der Bewegungsänderung und entsprechender Interpolation möglich.

Für Positionsmessanwendungen, die eine höhere Genauigkeit erfordern, erfolgt die

Übertragung zum Steuerungs- und/oder Regelungssystem immer mittels der analogen

Spursignale A und B. Meist erfolgt im Steuerungs- und/oder Regelungssystem zusätzlich zur Digitalisierung auch eine Abtastung der analogen Spursignale mittels Analog/Digital-Wandler mit hoher Auflösung, typischerweise mit mindestens 10 Bit, um den Quantisierungsfehler klein zu halten. Dabei werden die digital erfassten Analogsignalpegel dazu verwendet, die genaue Position innerhalb einer Periode der sinusförmigen Spursignale zu ermitteln. Durch eine Kombination aus analoger und digitaler Spursignalauswertung lassen sich so Strecken- bzw. Winkeländerungen sehr genau erfassen. Alternativ kann die Spursignalauswertung auch direkt in den Positionsänderungssensor integriert sein. In diesem Fall werden die erfassten Streckenbzw. Winkeländerungen mittels eines digitalen Datenprotokolls, typischerweise über einen industriellen Feldbus wie beispielsweise Profibus, an das Steuerungs- und/oder

Regelungssystem übertragen.

Die erfassten Strecken- bzw. Winkeländerungen werden beispielsweise dazu verwendet, um Bearbeitungsköpfe von Werkzeugmaschinen, Industrieroboter und/oder mobile

Assistenzsysteme zu bewegen. Ein defekter Positionsänderungssensor führt dabei durch eine daraus resultierende, falsche Regelung meist zu einer Zerstörung des Werkstücks und/oder der Maschine. Im schlimmsten Fall kann sogar der Bediener der Maschine verletzt oder gar getötet werden. Dabei können sich auftretende Fehler vielfältig auswirken. So führt ein elektrischer Defekt wie etwa eine Ablösung der Maßverkörperung oder ein Kurzschluss auf der

Anschlussleitung zu einer Störung der analogen Spursignale. Ein Verlust der mechanischen Kopplung zwischen Motor und Positionsänderungssensor resultiert in Ausgangssignale, die nicht der realen Bewegung entsprechen, im ungünstigsten Fall sogar einen Stillstand anzeigen, obwohl noch eine Bewegung stattfindet.

Im Folgenden werden nur die Fehlerfälle genauer betrachtet, die eine Auswirkung auf die analogen Spursignale haben, da diese durch eine geeignete Auswerteschaltung im Steuerungs- und/oder Regelungssystem erkannt werden können. Weitere Fehlerfälle müssen durch Fehlerausschluss, beispielsweise durch mechanische Überdimensionierung und Formschluss, oder durch übergeordnete Maßnahmen, meist durch das Regelverfahren, beherrscht werden. Für die Auswertung der analogen Spursignale wird dabei die Eigenschaft verwendet, dass die sinusförmigen Spursignale mit 90° Phasenversatz einen Kreis beschreiben. Der Radius R dieses Kreises muss stets innerhalb eines gültigen Wertebereiches liegen und kann aus jeweils zwei gleichzeitig aufgenommenen Signalpegelwerten (U _A , U _B ) der Spursignale über den trigonometrischen Pythagoras

t/ ² ₊ f/ ² _{= Α # sin(} - _27r * f * _t )) ² _{+ Β} * _εοδ (2π * / * t)) ² = R ² mit einer Spursignalfrequenz f zum Zeitpunkt t berechnet werden. Liegt dabei der ermittelte Radius R außerhalb der zulässigen Toleranz, meldet die erfindungsgemäße weitere

Auswerteeinheit einen Fehler. Damit keine fehlerhaften Signale für einen großen Teil der Signalperiode innerhalb des zulässigen Toleranzbereichs liegen, wird eine Signalperiode mindestens 5-fach abgetastet. Somit ist jeder Fehler im Positionsänderungssensor und auf den Spursignalen detektierbar. Somit sind großer Ressourcenbedarf des auswertenden

Mikrocontrollers und damit zu hohen Materialkosten der Auswerteschaltung vermieden.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zum Überwachen der Spursignale eines Positionsänderungssensors, insbesondere mittels einer Gebersignal- Diagnosevorrichtung, sind, dass die Spursignale des Positionsänderungssensors zyklisch mit einer zeitlichen Folge, insbesondere Abfolge, von Abtastzeitpunkten abgetastet und die so bestimmten Abtastwerte ausgewertet werden, wobei die Folge aus Zeitabschnitten zusammengesetzt ist, wobei jeder Zeitabschnitt jeweils mehr als vier zeitlich regelmäßig voneinander beabstandete Abtastzeitpunkte aufweist und dabei jedem Zeitabschnitt eine jeweilige zeitliche Beabstandung (ΤΊ, T ₂ , T ₃ , T ₄ , T ₅ ) zugeordnet ist, insbesondere wobei jedem der Zeitabschnitte eine jeweilige Beabstandung eineindeutig zugeordnet ist.

Der Vorteil dabei ist, dass ein weiter Frequenzbereich mit möglichst wenig Abtastungen mit möglichst hoher Auflösung auswertbar ist. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die einem der Zeitabschnitte zugeordnete zeitliche Beabstandung kleiner als die einem anderen, innerhalb der Folge später angeordneten, Zeitabschnitte zugeordnete zeitliche Beabstandung, insbesondere die einem vorausgehenden Zeitabschnitt der Folge direkt nachfolgenden Zeitabschnitt der Folge zugeordnete zeitliche Beabstandung doppelt so groß ist wie die dem vorausgehenden Zeitabschnitt zugeordnete zeitliche Beabstandung. Der Vorteil dabei ist, dass die Grundmuster einander überlagert angeordnet sind und somit zeitsparend jeweilige Frequenzen mit hoher Auflösung erfassbar sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die einem, insbesondere dem ersten, Zeitabschnitt der Folge zugeordnete Beabstandung einem Fünftel der

Periodenlänge der maximal zulässigen Frequenz der Ausgangssignale des

Positionsänderungssensors, insbesondere der Signalfrequenz f _M Ax, oder weniger und/oder entspricht die einem, insbesondere dem letzten, Zeitabschnitt der Folge zugeordnete Beabstandung einem Fünftel der Periodenlänge einer Grenz-Signalfrequenz f _G oder weniger. Der Vorteil dabei ist, dass der gesamte Frequenzbereich lückenfrei oder zumindest lückenarm auswertbar ist. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Spursignale auch auf Basis digitaler Signalparameter, beispielsweise auf Basis fallender und/oder steigender Schaltflanken, ausgewertet und das Ergebnis dieser Auswertung wird mit dem

Auswerten der Abtastwerte verknüpft, insbesondere so dass die Spursignale bis zu einer maximalen Signalfrequenz (f _M Ax) vollständig auf Fehler diagnostiziert werden. Der Vorteil dabei ist, dass Fehler verbessert diagnostizierbar sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Folge vorab, insbesondere bei Herstellung oder Inbetriebnahme, erzeugt und in einer Lookup-Table-Einheit abgelegt. Der Vorteil dabei ist, dass ein besonders einfaches Verfahren durchführbar ist und nur geringe Rechenzeit erforderlich ist. Wichtige Merkmale bei der Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines vorgenannten Verfahrens, insbesondere zur Fehlerdiagnose von Spursignalen eines

Positionsänderungssensors (6), insbesondere eines Inkrementalgebers, sind, dass die Vorrichtung aufweist:

- Eine erste Auswerteeinheit,

- eine weitere Auswerteeinheit, - und eine Verknüpfungseinheit, wobei die erste Auswerteeinheit die Spursignale auf Basis digitaler Signalparameter, beispielsweise auf Basis fallender und/oder steigender Schaltflanken, auswertet, wobei aus den digitalen Signalparametern mindestens eine Statusinformation, insbesondere eine Geschwindigkeitsinformation und/oder eine Positionsinformation und/oder eine

Bewegungsrichtungsinformation und/oder eine Beschleunigungsinformation und/oder eine Ruckinformation, berechnet und an einem ersten Ausgang der ersten Auswerteeinheit bereitgestellt wird, wobei bei Erkennen eines Fehlerzustands der digitalen Signalparameter ein Fehlersignal an einem weiteren Ausgang der ersten Auswerteeinheit erzeugt wird, wobei die weitere Auswerteeinheit die Spursignale auf Basis analoger Signalparameter, typischerweise auf Basis von Spannungspegel und/oder Strompegel, auswertet, wobei bei Verlassen eines Gültigkeitsbereichs der analogen Signalparameter ein Fehlersignal am Ausgang der weiteren Auswerteeinheit erzeugt wird, wobei die Verknüpfungseinheit in Abhängigkeit von der berechneten Statusinformation, dem Zustand des Fehlersignals der ersten Auswerteeinheit und dem Zustand des Fehlersignals der weiteren Auswerteeinheit durch logische Verknüpfung ein resultierendes Fehlersignal am Ausgang der Verknüpfungseinheit generiert, wobei mindestens das resultierende Fehlersignal der Verknüpfungseinheit an einen ersten Ausgang der Gebersignal-Diagnosevorrichtung weitergeleitet wird und wobei das resultierende Fehlersignal angibt, ob die Spursignale des

Positionsänderungssensors fehlerhaft sind.

Der Vorteil hierbei ist, dass eine geeignete Kombination sowohl digitaler als auch analoger Signalparameter zu einer optimierten Fehlerdiagnose führt.

Erfindungsgemäß wird somit das Problem einer ressourcenintensiven Fehlerdiagnose für die Realisierung einer vollständigen Aufdeckung von Spursignalfehlern bei

Positionsänderungssensoren dadurch gelöst, dass die Diagnoseauswertung angepasst an eine maximal auftretende Spursignalfrequenz sowohl mittels digitaler Signalparameter als auch mittels analoger Signalparameter durchgeführt wird, wobei durch geeignete Kombination beider Signalparameterarten die Anzahl der benötigten Messzeitpunkte derart reduzierbar ist, dass damit Kosten, insbesondere Bauteil- und/oder Herstellungskosten, einsparbar sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Statusinformation der ersten

Auswerteeinheit an einen weiteren Ausgang der Gebersignal-Diagnosevorrichtung

weitergeleitet.

Der Vorteil hiervon ist, dass diese Statusinformationen auch für weitere Steuerungs- und/oder Regelungsaufgaben verwendbar sind und dabei nur einmal berechnet werden müssen. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die erste Auswerteeinheit aus

- einer Schmitt-Trigger-Einheit,

- einem Quadraturdecoder,

- einem Flankenzähler, - einer Statusinformationsberechnungseinheit,

- und einer Vergleichseinheit besteht, wobei die Schmitt-Trigger-Einheit die Spursignale des Positionsanderungssensors in Rechteck- Signale umwandelt, wobei der Quadraturdecoder aus den Rechteck-Signalen einen richtungsabhängigen

Flankenzahlwert generiert, wobei der Flankenzähler aus den Rechteck-Signalen einen richtungsunabhängigen

Flankenzählwert generiert, wobei die Statusinformationsberechnungseinheit aus dem richtungsabhängigen

Flankenzählwert eine Statusinformation berechnet und an einem ersten Ausgang der ersten Auswerteeinheit zur Verfügung stellt, und wobei die Vergleichseinheit den richtungsabhängigen Flankenzählwert und den

richtungsunabhängigen Flankenzählwert auf Gleichheit überprüft und bei Ungleichheit ein Fehlersignal an einem weiteren Ausgang der ersten Auswerteeinheit setzt. Der Vorteil hiervon ist, dass zwei etablierte und einfach zu realisierende Standardverfahren zur Diagnose heranziehbar sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die weitere Auswerteeinheit (3) aus

- einer Zeitgeber-Einheit,

- einer Lookup-Table-Einheit, - einer Analog/Digital-Wandler-Einheit,

- und einer Trigonometrischen Einheit besteht, wobei die Zeitgeber-Einheit zyklisch in variablen Abständen abhängig von den Daten aus einer Lookup-Table-Einheit Synchronisationssignale generiert, wobei die Analog/Digital-Wandler-Einheit abhängig von diesem Synchronisationssignal die aktuellen Analogpegel der Spursignale des Positionsänderungssensors in äquivalente digitale Wertepaare (U _A , U _B ) umwandelt, und wobei die Trigonometrische Einheit die digitalen Wertepaaren (U _A , U _B ) der Spursignale über die Beziehung:

t/ ² ₊ f/ ² _{= Α # sin(} - _27r * f * _t )) ² _{+ Β} * _εοδ (2π * / * t)) ² = R ² auf Gültigkeit prüft und bei Verlassen eines definierten Toleranzwertebereichs ein Fehlersignal am Ausgang der weiteren Auswerteeinheit setzt. Der Vorteil hierbei ist, dass die

Signalauswertung über eine Änderung der Werte in der Lookup-Table-Einheit schnell an die jeweilige Anwendung anpassbar ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Verknüpfungseinheit (4) aus einem Schaltelement und einer Logikeinheit besteht, wobei das Schaltelement abhängig von der Statusinformation der ersten Auswerteeinheit das Fehlersignal der ersten Auswerteeinheit an seinem Ausgang weiterleitet bzw. nicht weiterleitet, und wobei die Logikeinheit ein Fehlersignal am Ausgang der Verknüpfungseinheit setzt, sobald das durch das Schaltelement weitergeleitete Fehlersignal der ersten Auswerteeinheit und/oder das Fehlersignal der weiteren Auswerteeinheit anliegt. Der Vorteil hierbei ist, dass die

Ergebnisse verschiedener Auswerteeinheiten kombinierbar sind. Wichtige Merkmale bei dem System bestehend aus Umrichter, Positionsanderungssensor und Gebersignal-Diagnosevorrichtung ist, dass die Gebersignal-Diagnosevorrichtung in einem Umrichter integriert ist, wobei die Gebersignal-Diagnosevorrichtung eingangsseitig mit einem

Positionsanderungssensor mit analoger Ausgangsstufe verbindbar ist, und wobei die Gebersignal-Diagnosevorrichtung ausgangsseitig mit dem Regelungsteil der Signalelektronik des Umrichters verbindbar ist.

Der Vorteil hierbei ist, dass ein Positionsanderungssensor einfach realisierbar ist, da die komplexere Elektronik für die Fehlerdiagnose im Umrichter integriert ist.

Wichtige Merkmale bei dem System bestehend aus Umrichter, Positionsanderungssensor und Gebersignal-Diagnosevorrichtung ist, dass die Gebersignal-Diagnosevorrichtung direkt in einem Positionsanderungssensor integriert ausgeführt ist, wobei die Gebersignal-Diagnosevorrichtung eingangsseitig mit der analogen Ausgangsstufe des Positionsänderungssensors verbindbar ist, in der die analogen Spursignale erzeugt bzw. konditioniert werden, wobei die Gebersignal-Diagnosevorrichtung ausgangsseitig mit einem Umsetzer auf eine serielle Kommunikationsschnittstelle verbindbar ist, wobei der Positionsanderungssensor über eine serielle Kommunikationsschnittstelle mit einem Umrichter verbindbar ist, und wobei über diese serielle Kommunikationsschnittstelle mindestens die Spursignale und/oder die Statusinformation des Ausgangs der ersten Auswerteeinheit und das resultierende Fehlersignal des Ausgangs der Verknüpfungseinheit mittels eines weiteren Umsetzers an den Regelungsteil der Signalelektronik des Umrichters übertragbar sind. Der Vorteil hierbei ist, dass eine Digitalisierung der Status- und Fehlerinformation bereits im Positionsanderungssensor realisierbar und damit eine störsichere Übertragung der Daten zum Umrichter möglich ist. Wichtige Merkmale bei dem System bestehend aus Umrichter, Positionsanderungssensor und Gebersignal-Diagnosevorrichtung ist, dass die Spursignale eines Positionsänderungssensors bis zu einer maximalen Signalfrequenz f _M Ax vollständig auf Fehler diagnostizierbar sind, wobei die erste Auswerteeinheit Spursignale im gesamten Frequenzbereich bis zu einer maximalen Signalfrequenz f _M Ax auswertet, wobei die weitere Auswerteeinheit Spursignale kleiner gleich der Grenz-Signalfrequenz f _G so auswertet, dass innerhalb eines Messzyklus T _C YCLE jede Signalperiode N-fach, insbesondere 5- fach, abgetastet wird und Spursignale zwischen der Grenz-Signalfrequenz f _G und der maximalen Signalfrequenz f _M Ax so auswertet, dass innerhalb eines Messzyklus T _C YCLE eine Signalperiode mindestens N-fach, insbesondere mindestens 5-fach, abgetastet wird, wobei die Verknüpfungseinheit für Spursignale kleiner gleich der Grenz-Signalfrequenz f _G nur das Fehlersignal der zweiten Auswerteeinheit an ihren Ausgang weiterleitet, und wobei die Verknüpfungseinheit für Spursignale größer als die Grenz-Signalfrequenz f _G das Fehlersignal am Ausgang setzt, wenn entweder das Fehlersignal der ersten Auswerteeinheit oder das Fehlersignal der zweiten Auswerteeinheit gesetzt ist. Der Vorteil hierbei ist, dass die Ergebnisse der beiden Auswerteeinheiten in Abhängigkeit der Statusinformation optimal kombiniert werden.

Wichtige Merkmale bei dem System bestehend aus Umrichter, Positionsänderungssensor und Gebersignal-Diagnosevorrichtung ist, dass die notwendigen Messzeitpunkte vorab generiert und in einer Lookup-Table-Einheit abgelegt sind, wobei das erste Messintervall so gewählt wird, dass eine Periode der Grenz-Signalfrequenz f _G N-fach, insbesondere mindestens 5-fach, abgetastet wird, wobei mit dem ersten Messintervall die Spursignale des Positionsänderungssensors kontinuierlich über den Messzyklus T _C YCLE abgetastet werden, wobei ein weiteres Messintervall T _n die halbe Dauer des vorherigen Messintervalls T _n-1 beträgt, wobei ein weiteres Messintervall T _n solange generiert wird bis die maximale Signalfrequenz f _M Ax N-fach, insbesondere mindestens 5-fach, abgetastet wird, wobei mit jedem weiteren Messintervall T _n die Spursignale nur am Anfang jedes Messzyklus TCYCLE für M, insbesondere 9, Messzeitpunkte abgetastet werden, und wobei gleichzeitige Messzeitpunkte von unterschiedlichen Messintervallen zu einem Messzeitpunkt zusammengefasst werden.

Der Vorteil hierbei ist, dass die Anzahl notwendiger Messzeitpunkte reduzierbar ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die

Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen

Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Gebersignal-Diagnosevorrichtung (1 ) dargestellt.

In der Figur 2 ist eine beispielhafte Implementierung der erfindungsgemäßen Gebersignal- Diagnosevorrichtung (1 ) mit einer ersten Auswerteeinheit (2), einer weiteren Auswerteeinheit (3) und einer Verknüpfungseinheit (4) abgebildet. In der Figur 3 ist die erfindungsgemäße Erzeugung der Messzeitpunkte für die weitere

Auswerteeinheit (3) beschrieben.

In der Figur 4 ist ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gebersignal- Diagnosevorrichtung (1 ) gezeigt, in dem die Gebersignal-Diagnosevorrichtung (1 ) in einem Umrichter (5) eines elektrischen Leistungsantriebsystems integriert ausgeführt ist.

In der Figur 5 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gebersignal- Diagnosevorrichtung (1 ) skizziert, in dem die Gebersignal-Diagnosevorrichtung (1 ) in einem Positionsänderungssensor (6) integriert ausgeführt ist.

Wie in Figur 1 gezeigt besteht das Eingangssignal der erfindungsgemäßen Gebersignal- Diagnosevorrichtung (1 ) typischerweise aus zwei Signalspuren. Dabei bestehen die beiden Signalspuren aus einer ersten Signalspur A und einer zweiten Signalspur B, wobei die zweite Signalspur B zur ersten Signalspur A um 90° phasenverschobenen ist. Beide Spursignale bilden die Eingangssignale sowohl für die erste Auswerteeinheit (2) als auch für die weitere

Auswerteeinheit (3). Aus diesen Spursignalen berechnet die erste Auswerteeinheit (2) auf Basis digitaler Signalparameter mindestens eine Statusinformation, typischerweise eine

Geschwindigkeitsinformation und/oder eine Positionsinformation und/oder eine

Bewegungsrichtungsinformation und/oder eine Beschleunigungsinformation und/oder eine Ruckinformation, und stellt diese Statusinformation an einem ersten Ausgang der ersten Auswerteeinheit (2) bereit. Zusätzlich überwacht die erste Auswerteeinheit (2) die digitalen Signalparameter auf Plausibilität und setzt bei Erkennen eines Fehlers ein Fehlersignal an einem weiteren Ausgang der ersten Auswerteeinheit (2). Eine weitere Auswerteeinheit (3) wertet die Spursignale des Positionsänderungssensors (6) auf Basis analoger Signalparameter aus und erzeugt bei Erkennen eines Fehlers, beispielsweise durch Verlassen eines

Gültigkeitsbereichs der Spursignalpegel, ein Fehlersignal am Ausgang der weiteren

Auswerteeinheit (3). Die Fehlersignale sowohl am Ausgang der ersten Auswerteeinheit (2) als auch am Ausgang der weiteren Auswerteeinheit (3) sind dynamisch und liegen nur für die Zeitdauer eines aufgetretenen und detektierten Fehlers dort an. Die Verknüpfungseinheit (4) entscheidet anhand der in der ersten Auswerteeinheit (2) generierten Statusinformation, wie die Fehlersignale der ersten Auswerteeinheit (2) und der weiteren Auswerteeinheit (3) logisch miteinander verknüpft werden und generiert hieraus ein resultierendes Fehlersignal an ihrem Ausgang. Beispielhaft werden sowohl die Statusinformation der ersten Auswerteeinheit (2) als auch das resultierende Fehlersignal der Verknüpfungseinheit (4) an die Ausgänge der

Gebersignal-Diagnosevorrichtung (1 ) weitergeleitet. Dabei gibt das resultierende Fehlersignal an, ob die Spursignale des Positionsänderungssensors (6) fehlerhaft sind.

In Figur 2 ist eine beispielhafte Implementierung der ersten Auswerteeinheit (2), der weiteren Auswerteeinheit (3) und der Verknüpfungseinheit (4) dargestellt.

In der ersten Auswerteeinheit (2) werden die beiden Spursignale des

Positionsänderungssensors (6) zunächst über die Schmitt-Trigger-Einheit (21 ) in Rechteck- Signale umgewandelt. Diese Rechteck-Signale werden sowohl einem Quadraturdecoder (22) als auch einem Flankenzähler (23) zur Verfügung gestellt. Ist das Rechteck-Signal der Signalspur A gegenüber dem Rechteck-Signal der Signalspur B zeitlich voreilend, so finden eine Bewegung in die eine Richtung statt. Ist die Signalspur A gegenüber der Signalspur B zeitlich nacheilend, findet eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung statt. Der

Quadraturdecoder (22) detektiert diese Bewegungsrichtung und addiert bzw. subtrahiert in Abhängigkeit der erkannten aktuellen Bewegungsrichtung bei jeder Schaltflanke einen

Zahlenwert, typischerweise eine 1 , zu bzw. von einem ersten Zähler. Der Flankenzähler (23) addiert, unabhängig von der Bewegungsrichtung, bei jeder Schaltflanke des Rechteck-Signals der Spur A und/oder des Rechteck-Signals der Spur B einen Wert zu einem weiteren Zähler. Die Statusinformationsberechnungseinheit (24) berechnet aus dem

bewegungsrichtungsabhängigen ersten Zähler des Quadraturdecoders (22) eine

Statusinformation. Die Vergleichseinheit (25) vergleicht innerhalb eines Messzyklus T _C YCLE den Betrag der Änderung des Zählerstands des Quadraturdecoders (22) mit der Änderung des Zählerstands des Flankenzählers (23). Bei Ungleichheit beider Änderungswerte wird ein Fehlersignal am Ausgang der Vergleichseinheit (25) erzeugt. Aufgrund der sich

unterscheidenden Berechnungsverfahren bei Quadraturdecoder (22) und Flankenzähler (23) ergibt sich eine Ungleichheit der beiden Änderungswerte immer dann, wenn sich innerhalb eines Messzyklus T _C YCLE die Bewegungsrichtung umkehrt und/oder ein Fehler bei der Spursignalerzeugung im Positionsanderungssensor (6) und/oder ein Fehler bei der Übertragung und/oder Verarbeitung der Spursignale aufgetreten sind. Um garantiert nur die Fehler und nicht die erlaubte Bewegungsrichtungsumkehr zu detektieren, wird das Fehlersignal der ersten Auswerteeinheit (2) nur ausgewertet, wenn die Statusinformation oberhalb einer gewissen Grenzfrequenz (f _G ) liegt. Diese Grenzfrequenz garantiert auf Basis der Massenträgheit des Aktors, dessen Bewegung durch die Spursignale A und B abgebildet werden, dass innerhalb eines Messzyklus T _C YCLE keine Bewegungsrichtungsänderung erfolgt sein kann.

In der weiteren Auswerteeinheit (3) werden die Spursignalpegel A und B über eine

Analog/Digital-Wandler-Einheit (31 ) in zeitsynchrone Wertepaare (U _A , U _B ) gewandelt. Die Messzeitpunkte der Analog/Digital-Wandlung werden über eine Zeitgeber-Einheit (32) vorgegeben, die in Abhängigkeit von Zahlenwerten aus einer Lookup-Table-Einheit (33) berechnet werden. Dabei bietet die Lookup-Table-Einheit (33) die Flexibilität, durch Speichern unterschiedlicher Messzeitpunkte, die weitere Auswerteeinheit (3) an die jeweiligen Bedürfnisse einer Applikation anzupassen. In der trigonometrischen Einheit (34) werden die zeitsynchronen Wertepaare (U _A , U _B ) über den trigonometrischen Pythagoras mittels der Beziehung

t/ ² ₊ f/ ² _{= Α # sin(} - _27r * f * _t )) ² _{+ Β} * _εοδ (2π * / * t)) ² = R ² ausgewertet. Verlässt der berechnete Wert R ² einen vordefinierten, typischerweise konstanten, Bereich wird am Ausgang der trigonometrischen Einheit (34) ein Fehlersignal erzeugt, welches auch zum Ausgang der weiteren Auswerteeinheit (3) weitergeleitet wird. Dieser vordefinierte Bereich kann hierbei anwendungsspezifisch angepasst werden und wird typischerweise vom Hersteller des Positionsänderungssensors (6) angegeben. Die Verknüpfungseinheit (4) kombiniert das Fehlersignal der ersten Auswerteeinheit (2) und das Fehlersignal der weiteren Auswerteeinheit (3). Dabei wird das Fehlersignal der ersten Auswerteeinheit (2) über das Schaltelement (41 ) ausgeblendet, wenn die Statusinformation unterhalb der Grenzfrequenz f _G liegt und somit nicht in jedem Fall ein gültiges Fehlersignal liefert (siehe weiter oben). Die Logikeinheit (42) setzt ein Fehlersignal am Ausgang, wenn entweder am Ausgang des

Schaltelements (41 ) oder am Ausgang der weiteren Auswerteeinheit (3) ein Fehlersignal anliegt. Somit wird unterhalb einer Grenzfrequenz (f _G ) nur das Fehlersignal der weiteren Auswerteeinheit (3) und oberhalb der Grenzfrequenz f _G die Fehlersignale sowohl der ersten Auswerteeinheit (2) als auch der weiteren Auswerteeinheit (3) für die Erzeugung eines resultierenden Fehlersignals verwendet.

Wie in Figur 2 dargestellt, wird also einerseits das Ausgangssignal des

Positionsänderungssensors (6) überwacht bezüglich Abweichung von einem zulässigen Wert der Summe der Quadrate der beiden Spursignale und andererseits auf Zählerfehler gemäß der beschriebenen Funktion der ersten Auswerteeinheit (2). Dabei wird die Überwachung auf Abweichung nur an den Zeitpunkten ausgeführt, welche gemäß Lookup-Table-Einheit (33) vorgegeben sind, so dass keine lückenfrei kontinuierliche Überwachung vorhanden ist. Da aber parallel zu dieser Überwachung auch die

Überwachung auf Zählerfehler gemäß der beschriebenen Funktion der ersten

Auswerteeinheit (2) ausgeführt wird, ist eine ausreichend hohe Sicherheit

gewährleistbar. Insbesondere sind alle relevanten Fehlerarten abgedeckt.

In Figur 3 ist die erfindungsgemäße Erzeugung der Messzeitpunkte dargestellt, die in der Lookup-Table-Einheit (33) der weitere Auswerteeinheit (3) abgelegt sind und die über die

Zeitgeber-Einheit (32) zur zeitsynchronen Analog/Digital-Wandlung der Spursignale A und B durch die Analog/Digital-Wandler-Einheit (31 ) vorgesehen sind. Dabei wird das Messintervall ΤΊ so gewählt, dass ein Spursignal mit einer Grenzfrequenz f _G so oft abgetastet wird, dass eine für die benötigte Diagnosedeckung ausreichende Anzahl N, typischerweise mit einer Anzahl von N > 5, an Messzeitpunkten innerhalb einer Spursignalperiode erreicht wird. Um eine

kontinuierliche Abtastung zu erreichen, wird mit diesem Messintervall ΤΊ ein erster

Messzeitpunktesatz über den gesamten Messzyklus T _C YCLE generiert. Parallel wird ein zweiter Messzeitpunktesatz erzeugt, indem ein zweites Messintervall T ₂ mit der halben Länge des Messintervalls ΤΊ gewählt wird und eine Anzahl K, typischerweise eine Anzahl von 9,

Messzeitpunkte am Anfang des Messzyklus T _C YCLE hinzugefügt werden. Jeder weitere

Messzeitpunktesatz besteht wiederum aus einer Anzahl K von Messzeitpunkten, die am Anfang des Messzyklus T _C YCLE hinzugefügt werden, wobei das Messintervall T _N stets der halben Länge des vorhergehenden Messintervalls T _N-1 entspricht. Die Erzeugung weiterer

Messzeitpunktesätze wird solange fortgesetzt bis mindestens eine Anzahl N von

Messzeitpunkten innerhalb einer Spursignalperiode eines Spursignals mit Maximalfrequenz f _M Ax liegen. Die Anzahl K der Messzeitpunkte eines Messzeitpunktesatzes muss so gewählt werden, dass über den gesamten durch den jeweiligen Messzeitpunktesatz abzudeckenden

Frequenzbereich das jeweilige Messintervall mindestens 75% bzw. mindestens 270° der Spursignalperiode beträgt. Der endgültige Satz von Messzeitpunkten ΣΤ _Μ ergibt sich schließlich aus der Summe aller einzelnen Messzeitpunktesätze, wobei gleichzeitige Messzeitpunkte zu einem gemeinsamen Messzeitpunkt zusammengefasst werden.

Erfindungsgemäß wird also das analoge Ausgangssignal des

Positionsänderungssensors (6) zyklisch gemäß einer Folge von Abtastzeitpunkten abgetastet. Die Folge ist endlich und ist auch als eindimensionales Muster bezeichenbar. Die Abtastzeitpunkte sind also gemäß diesem vorgegebenen Muster zeitlich

nacheinander angeordnet.

Wie in Figur 3 wird das Muster zyklisch wiederholt angewendet. Dabei beträgt die zeitliche Länge des Musters T _C YCLE, SO dass das Muster mit dieser Periodendauer wiederholt angewendet wird.

Das Muster ist aus mehreren direkt aufeinander folgenden Zeitabschnitten

zusammengesetzt, in welchen jeweils mehrere Abtastzeitpunkte regelmäßig zeitlich beabstandet voneinander angeordnet sind. Allerdings ist die Beabstandung in jedem Zeitabschnitt anders, also unterschiedlich. Im ersten Zeitabschnitt ist eine sehr geringe Beabstandung ausgeführt, im zweiten Zeitabschnitt eine größere Beabstandung und so weiter. Jeder einem Zeitabschnitt nachfolgende Zeitabschnitt weist dabei eine größere Beabstandung auf.

In Figur 3 ist die Zusammensetzung des Musters als Summe von Grundmustern näher erläutert. Das erste Grundmuster weist eine regelmäßige Beabstandung der

Abtastzeitpunkte mit dem Zeitabstand T1 auf. Die Beabstandung ist dabei so gewählt, dass bei der maximal zulässigen Frequenz, also der Frequenz f _M Ax = 1/TMAX , eine Periode des Ausgangssignals fünfmal abgetastet wird. Es gilt also T _M AX = 5 * 1 _! .

Ausgehend vom ersten Grundmuster werden weitere Grundmuster generiert. Dabei wird die Beabstandung eines nachfolgenden Grundmusters abhängig von der Beabstandung des jeweils vorhergehenden Grundmusters nach der Formel T _N = 2 * T _N- berechnet.

Die Anzahl der generierten Grundmuster ergibt sich aus einer technisch sinnvollen Reduzierung der Abtastzeitpunkte im Vergleich zur Abtastung mit höchst möglicher Frequenz.

Im vorliegenden Fall wurden 5 Grundmuster generiert.

Das erste Grundmuster mit der Beabstandung ΊΊ erstreckt sich über acht Perioden. Das zweite Grundmuster weist eine größere Beabstandung auf, nämlich T ₂ = 2 * Ti und erstreckt sich über acht Perioden.

Das dritte Grundmuster weist eine größere Beabstandung auf, nämlich T ₃

erstreckt sich über acht Perioden.

Das vierte Grundmuster weist eine größere Beabstandung auf, nämlich T ₄

erstreckt sich über acht Perioden. Das fünfte Grundmuster weist eine größere Beabstandung auf, nämlich T ₅ = 2 * T ₄ und erstreckt sich zeitlich über die Länge T _C YCLE■

Dabei ergibt sich eine untere Grenzfrequenz f _G = 1/T _G mit T _G = 5 * T ₅ , dadurch

gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal mit der Frequenz f _G kontinuierlich fünfmal pro Periode abgetastet wird.

Die generierten Grundmuster werden summiert oder überlagert. Dabei werden gleichzeitige Abtastzeitpunkte von verschiedenen Grundmustern zu einem

Abtastzeitpunkt in der Summe der Grundmuster zusammengefasst.

Die Summe oder Überlagerung der Grundmuster führt damit zu dem Muster, welches im ersten Zeitabschnitt acht regelmäßig mit ΊΊ zeitlich voneinander beabstandete

Abtastzeitpunkte aufweist, im nachfolgenden Zeitabschnitt vier regelmäßig mit T ₂ zeitlich voneinander beabstandete Abtastzeitpunkte aufweist, im darauf nachfolgenden

Zeitabschnitt vier regelmäßig mit T ₃ zeitlich voneinander beabstandete Abtastzeitpunkte aufweist, im darauf nachfolgenden Zeitabschnitt vier regelmäßig mit T ₄ zeitlich voneinander beabstandete Abtastzeitpunkte aufweist und im darauf nachfolgenden Zeitabschnitt regelmäßig mit T ₅ zeitlich voneinander beabstandete Abtastzeitpunkte aufweist.

Auf diese Weise ist gewährleistet, dass eine Periode des Ausgangssignals mindestens einmal pro T _C YCLE , mindestens fünffach abgetastet wird, solange dessen Frequenz im zulässigen Bereich zwischen f _G und f _M Ax liegt. Die Perioden von Ausgangssignalen mit einer kleineren Frequenz als f _G wird über mehrere T _C YCLE immer mindestens fünffach abgetastet.

Vorteil ist dabei, dass Rechenzeit einsparbar ist, weil nicht über das ganze Intervall T _C YCLE mit der höchst möglichen Frequenz abgetastet wird. Allerdings wäre eine lückenfreie kontinuierliche Überwachung, also auch Diagnose, nicht gewährleistbar, wenn das in Figur 3 dargestellte Abtasten angewendet wird. Diese Überwachungslücke wird aber durch die parallel ausgeführte digitale Überwachung reduziert. In Figur 4 ist eine erste beispielhafte Anwendung einer erfindungsgemäßen Gebersignal- Diagnosevorrichtung (1 ) gezeigt, die in einem Umrichter (5) eines elektrischen

Leistungsantriebsystems integriert ist. Dabei ist der mit dem Umrichter (5) elektrisch leitend verbundene externe Positionsänderungssensor (6) typischerweise auf der Welle eines

Elektromotors (M) montiert, wobei der Positionsänderungssensor (6) die Drehbewegung über eine mechanische Adaption (61 ) und mittels einer analogen Signalerfassung (62) in die

Spursignale A und B umsetzt, die ihrerseits um 90° zueinander phasenverschoben sind und die Eingangsspursignale für die Gebersignal-Diagnosevorrichtung (1 ) darstellen. Die

Ausgangssignale der Gebersignal-Diagnosevorrichtung (1 ) - die Statusinformation der ersten Auswerteeinheit (2) und das resultierende Fehlersignal der Verknüpfungseinheit (4) - werden dem Regelungsteil der Signalelektronik (51 ) des Umrichters (5) zur Verfügung gestellt. Der Regelungsteil (51 ) verwendet die Statusinformation zur Regelung und Steuerung des

Elektromotors (M) und das resultierende Fehlersignal dient als Information darüber, ob die Statusinformation gültig ist und für die Regelung verwendet werden darf. Bei einer nicht gültigen Statusinformation wird die Ansteuerung des Elektromotors (M) unverzüglich unterbrochen, sodass keine gefahrbringende Bewegung, die zu einer Beschädigung der Anlage und/oder zu einem Personenschaden führen kann, entsteht. Nur mit einer gültigen Statusinformation ist es somit möglich, den Elektromotor (M) über die Leistungselektronik (52) applikationsspezifisch in Bewegung zu versetzen. In Figur 5 ist eine zweite beispielhafte Anwendung einer erfindungsgemäßen Gebersignal- Diagnosevorrichtung (1 ) dargestellt, die in einem Positionsänderungssensor (6) integriert ausgeführt ist. Im Unterschied zu Figur 4 ist hier der Signaleingang der Gebersignal- Diagnosevorrichtung (1 ) direkt mit der analogen Signalerfassung (62) des

Positionsänderungssensors (6) elektrisch leitend verbunden. Die Ausgangssignale der

Gebersignal-Diagnosevorrichtung (1 ) werden über einen Umsetzer (63) auf das Protokoll einer seriellen Kommunikationsschnittstelle angepasst, wobei die serielle

Kommunikationsschnittstelle sowohl mit dem Positionsänderungssensor (6) als auch mit dem Umrichter (5) verbunden ist. Über einen weiteren Umsetzer (63) im Umrichter (5) wird sowohl die Statusinformation als auch das resultierende Fehlersignal der Gebersignal- Diagnosevorrichtung (1 ) zyklisch dem Regelungsteil der Steuerelektronik (51 ) des Umrichters (5) digitalisiert zur Verfügung gestellt. Dadurch sind Fehler bei der Übertragung zwischen Positionsänderungssensor (6) und Umrichter (5) zusätzlich reduzierbar.

Die Erfindung bezieht sich also auf eine ressourcenoptimierte Fehlerdiagnose von Spursignalen eines Positionsänderungssensors. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Diagnoseauswertung angepasst an eine maximal auftretende Spursignalfrequenz sowohl mittels digitaler Signalparameter als auch mittels analoger Signalparameter durchgeführt wird, wobei durch geeignete Kombination beider Signalparameterarten die Anzahl der benötigten Messzeitpunkte derart reduzierbar ist, dass damit Kosten, insbesondere Bauteil- und/oder Herstellungskosten, einsparbar sind.

Die folgende Bezugszeichenliste wird in die Beschreibung einbezogen und erläutert weitere Merkmale der Erfindung.

Bezugszeichenliste:

1 Gebersignal-Diagnosevorrichtung

2 Erste Auswerteeinheit, digitale Signalparameterauswertung

21 Schmitt-Trigger-Einheit

22 Quadraturdecoder

23 Flankenzähler

24 Statusinformationsberechnungseinheit

25 Vergleichseinheit

3 Weitere Auswerteeinheit, analoge Signalparameterauswertung

31 Analog/Digital-Wandler-Einheit

32 Zeitgeber-Einheit

33 Lookup-Table-Einheit

34 Trigonometrische Einheit

4 Verknüpfungseinheit

41 Schaltelement

42 Logikeinheit

5 Umrichter

51 Regelungsteil der Signalelektronik

52 Leistungselektronik zum Betreiben eines Elektromotors

6 Positionsänderungssensor

61 Mechanische Adaption

62 Analoge Signalerfassung

63 Umsetzer auf das Protokoll einer seriellen Kommunikationsschnittstelle

M Elektromotor

f Signalfrequenz

f _G Grenz-Signalfrequenz

f _M Ax Maximale Signalfrequenz

t Zeitpunkt Τι Erstes Testintervall

Τ _η n-tes bzw. aktuelles Testintervall

Τ _η -ι Vorhergehendes Testintervall

ΣΤ _Μ Summe der Messzeitpunkte

TcYCLE Messzyklus

Ν Anzahl benötigter Messzeitpunkte je Signalperiode für ausreichende Diagnosedeckung

Κ Anzahl benötigter Messzeitpunkte für einen Messzeitpunktesatz

υ _Α Signalpegel des Spursignals A

υ _Β Signalpegel des zum Spursignal A um 90° phasenverschobenes Spursignals B

ΟΑ Amplitude des Spursignals A

OB Amplitude des Spursignals B