Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsan- Ordnung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 3.

Elektromotorische Antriebe werden sehr vielseitig eingesetzt, z.B. zum Antrieb von Elektrowerkzeugen, Haushaltsgeräten, Büroma¬ schinen, Pumpen, Förderanlagen, Positioniereinrichtungen, elektri- sehen Bahnen usw. Man unterscheidet Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstrommotoren sowie Schrittmotoren, die entweder im Dauerstrombetrieb oder im Pulsstrombetrieb eingesetzt werden.

Allen Anwendungen ist gemeinsam, daß der elektromotorische Antrieb einen Gegenstand bewegen uss, der je nach Anwendungsfall ein großes Gewicht haben kann (z.B. das Fördergut und das Förder¬ band bei elektrisch betriebenen Förderanlagen oder das elektrisch verfahrbare Portal einer Portalmeßmaschine). Um den Gegenstand zu bewegen, muss der elektromotorische Antrieb elektrische Leistung aufnehmen, die sogenannte Wirkleistung. Je schwerer der zu bewe- gende Gegenstand ist, umso größer ist die Belastung des Motors und damit die Wirkleistung des Motors. Eine wesentliche Änderung der Wirkleistung tritt im Zeitpunkt der Lastzuschaltung ein, d.h. wenn der elektromotorische Antrieb mit dem zu bewegenden Gegenstand in mechanische Verbindung gebracht wird ( z.B. durch eine Kupplung zwischen beiden). Ebenso handelt es sich um eine Lastzuschaltung, wenn z. B. ein elektrisch angetriebener Fräser das zu bearbeitende Werkstück berührt.

Nach dem Einschalten des elektromotorischen Antriebs steigert sich seine Drehzahl kontinuierlich bis zum Erreichen der Solldreh-

zahl, die für den jeweiligen Anwendungsfall festgelegt ist. Die Solldrehzahl bei nicht zugeschalteter Last wird als Leerlaufdreh- zahl bezeichnet. Bei Lastzuschaltung sinkt die Solldrehzahl vom Wert der Leer!aufdrehzahl lastproportional ab. Die Zeit zwischen Einschalten des elektromotorischen Antriebs und Erreichen der

Solldrehzahl wird als Anlaufphase, die danach als Dauerbetrieb be¬ zeichnet.

Im Dauerbetrieb wird die Belastbarkeit eines elektromotori¬ schen Antriebs durch seine Erwärmung begrenzt. Die tatsächliche Wirkleistung im Dauerbetrieb wird als Solleistung, die maximal zulässige Solleistung wird als Nennleistung bezeichnet. Elektromo¬ torische Antriebe dürfen kurzzeitig über ihre Nennleistung hinaus belastet werden.

Die Wirkleistung läuft während der Anlaufphase, also nach dem Einschalten des elektromotorischen Antriebs, von Null ausgehend sehr schnell auf einen Spitzenwert deutlich oberhalb der Nenn¬ leistung und sinkt erst bei Erreichen der Solldrehzahl auf den Wert der Solleistung. Der Spitzenwert der Wirkleistung entsteht, weil der elektromotorische Antrieb zunächst die eigene mechanische Trägheit überwinden muss und die Wirkleistungsaufnahme in der Anlaufphase nur durch Wicklungswiderstand und -induktivität des elektromotorischen Antriebs begrenzt wird. Für einen unter Last stehenden elektromotorischen Antrieb liegt dieser Spitzenwert über dem des unbelasteten elektromotorischen Antriebs.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist bekannt zur Ver¬ meidung von Überhitzung eines elektromotorischen Antriebs selbst oder z.B. auch zur Erkennung von Werkzeugverschleiß und Werkzeug¬ bruch an elektromotorisch betriebenen Werkzeugmaschinen. Es eignet sich zur Überlastüberwachung von elektromotorischen Antrieben (Gleichstrom, Wechselstrom oder Drehstrom) im Dauerstrombetrieb, deren Last erst nach Erreichen der Solldrehzahl zugeschaltet wird, wie z.B. Werkzeugmaschinen. Hierbei wird ausgenutzt, daß der zeit-

liehe Verlauf der Wirkleistungskurve ab Erreichen der Solldrehzahl konstant ist und nach Zuschalten der Last auf ein lastproportio¬ nales Niveau ansteigt. Bei Auftreten einer Überlast steigt die aktuelle Wirkleistung sprunghaft an. Daher zeigt ein Vergleich der aktuellen Wirkleistung mit einer den Überlastzustand repräsentie¬ renden Leistungswarnschwelle, die für zeitlich veränderliche Lasten selbst zeitabhängig ist, das Erreichen eines kritischen Zustandes an. Bei Überschreiten der Leistungswarnschwelle wird dann ein Schalt- und /oder Warnsignal ausgelöst.

Für die Überwachung wird die Stromaufnahme gemessen und da¬ raus die aktuelle Wirkleistung bestimmt. Die Strommessung ge¬ schieht bei mit Gleichstrom betriebenen elektromotorischen Antrie¬ ben durch einen Hall-Sensor, bei mit Wechselstrom betriebenen durch einen Stromwandler. Die Strommessung kann dauernd durchge- führt werden.

Die eigentliche Überwachung mit Schwellwertvergleich wird jedoch bei dem bekannten Verfahren erst nach Durchlaufen der Anlaufphase des elektromotorischen Antriebs eingeschaltet. Dies geschieht zu einem vorgewählten Zeitpunkt nach Einschalten des elektromotorischen Antriebs, da der übliche zeitliche Verlauf der Wirkleistungskurve bekannt ist. Der Einschaltzeitpunkt kann aber auch aus dem Erreichen eines konstanten Wertes der Wirkleistung bestimmt werden.

Das bekannte Verfahren deckt somit nicht alle Betriebszu- stände eines elektromotorischen Antriebs ab. Dies beruht darauf, daß bei allen elektromotorischen Antrieben in der Anlaufphase die Leistungsaufnahme schnell auf einen Spitzenwert weit oberhalb der Leistungswarnschwelle für einen Überlastzustand steigt und danach erst bei Erreichen der Solldrehzahl auf einen konstanten Wert weit unterhalb des Spitzenwertes fällt. In der Praxis wird der be¬ schriebene Spitzenwert häufig wegen Übersteuerung der Verstärker¬ stufen der Stromversorgungseinrichtung des elektromotorischen

Antriebs nicht erreicht, sondern es entsteht vor dem Erreichen des Spitzenwertes im zeitlichen Verlauf der Wirkleistung weit oberhalb der Leistungswarnschwelle ein Plateau. Dessen Höhe ist durch die Stromverstärkerbegrenzung bestimmt. Im Bereich der Verstärkerbe- grenzung sind zusätzliche Spitzenwerte, die durch Überlasten her¬ vorgerufen werden, daher auch nicht messbar. Daher eignet sich das bekannte Verfahren nicht für die Überlastüberwachung während der Anlaufphase eines elektromotorischen Antriebs.

Das bekannte Verfahren kann daher auch nicht für die Über- lastüberwachung pulsbetriebener elektromotorischer Antriebe oder Schrittmotoren verwendet werden, weil diese, z. B. bei kurzen Verfahrstrecken oder langsamen Verfahrgeschwindigkeiten, unterhalb ihrer Solldrehzahl betrieben werden, im Sinne der vorstehenden Beschreibung also nicht aus der Anlaufphase herauskommen.

Die Überlastüberwachung in allen Betriebszuständen ist aber insbesondere für elektromotorische Antriebe mit dauerhaft zuge¬ schalteter Last (z.B. Positioniervorrichtungen) wünschenswert, weil diese bereits vor Erreichen der Nenndrehzahl einen Über¬ lastzustand erreichen können (z.B. durch mechanisches Festfahren).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, welche auch eine Über¬ wachung des Betriebszustands eines elektromotorischen Antriebs unterhalb der Solldrehzahl gestatten und damit eine Überlast¬ überwachung nicht nur bei elektromotorischen Antrieben im Dauer- strombetrieb sondern auch im gepulsten Betrieb bzw. auch bei sogenannten Schrittmotoren ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine Schaltungsanordnung zur Ausübung dieses Verfahrens ist im Anspruch 3 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen

des Verfahrens sowie vorteilhafte Ausbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird eine elektronische Überlastüber¬ wachung an elektromotorischen Antrieben geschaffen, die sowohl bei elektromotorischen Antrieben mit zuschaltbarer Last als auch bei solchen mit dauerhaft zugeschalteter Last verwendbar ist. Sie bietet den Vorteil, auch in der Anlaufphase des elektromotorischen Antriebs, also vor Erreichen der Nenndrehzahl, Überlastzustände sicher erkennen zu können. Damit kann eine Überlastüberwachung sowohl an Elektromotoren im Dauerstrombetrieb als auch an Schritt¬ motoren bzw. an gepulst betriebenen Elektromotoren erfolgen.

Die Erfindung beruht darauf, den Betriebszustand eines elektromotorischen Antriebs in der Anlaufphase durch Beobachten einer der erwarteten Bewegung des elektromotorischen Antriebs proportionalen Meßgröße zu überwachen. Eine solche Meßgröße ist die Geschwindigkeit des elektromotorischen Antriebs. Es kann sowohl die Drehgeschwindigkeit eines Elektromotors als auch bei Linear-Verstell-Antrieben die Vortriebsgeschwindigkeit zur Über¬ wachung herangezogen werden.

Zusätzlich zur Wirkleistungsmessung mit Leistungsschwellwert- Vergleich nach Erreichen der Nenndrehzahl wird die aktuelle Geschwindigkeit gemessen und mit einem von der Einschaltzeit des elektromotorischen Antriebs abhängigen Geschwindigkeitsschwellwert verglichen, der einem Überlastzustand entspricht. Sobald eine Überlastung auftritt, verringert sich die aktuelle Geschwindig¬ keit. Bei Unterschreiten des Geschwindigkeitsschwellwertes wird ein unabhängiges Schalt- und/oder Warnsignal mit der Kennung "Überlast" ausgelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung werden nachfolgend anhand eines Ausführungs¬ beispiels beschrieben.

Es zeigen:

Fig.l: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schal- tungsanordnung mit einem zu überwachenden elektromoto¬ rischen Antrieb;

Fig.2: einen typischen zeitlichen Verlauf der Wirkleistung und der Drehgeschwindigkeit eines elektromotorischen An- triebs mit nach Erreichen der Solldrehzahl zuschalt¬ barer konstanter Last;

Fig.3: einen typischen zeitlichen Verlauf der Wirkleistung und der Drehgeschwindigkeit eines elektromotorischen An- triebs mit dauerhaft zugeschalteter konstanter Last.

An einen zu überwachenden und nur schematisch dargestellten elektromotorischen Antrieb 2 mit Drehwinkelgeber sind ein Wirklei- stungsmesser 1 und ein Geschwindigkeitsmesser 5 angeschlossen. Der elektromotorische Antrieb 2 wird von einer nicht dargestellten Stromversorgungseinrichtung versorgt. Auf Veranlassung einer

Steuerelektronik 8, die mit dem elektromotorischen Antrieb 2 und dem Wirkleistungsmesser 1 verbunden ist, wird bei bzw. nach Erreichen der Solldrehzahl des elektromotorischen Antriebs die eigentliche Wirkleistungsüberwachung aktiviert. Dies geschieht nach einer entsprechend vorgewählten Zeit nach Einschalten des elektromotorischen Antriebs 2, da der übliche zeitliche Verlauf der Wirkleistungskurve bekannt ist, oder in Abhängigkeit von der tatsächlich gemessenen Drehzahl. Ab diesem Zeitpunkt wird das Aus¬ gangssignal des Wirkleistungsmessers 1 auf den ersten Eingang eines ersten Komparators 3 geführt. Dem zweiten Eingang des ersten Komparators 3 wird ein einen Überlastzustand repräsentierender Leistungsschwellwert zugeführt, der vom Leistungsschwellwert- Speicher 4 abgefragt wird.

Da die Wirkleistung eine lastproportionale Größe ist, wird der Leistungschwellwert um einem bestimmten Betrag oberhalb der durch die regulär'zugeschaltete Last bedingten Wirkleistung vorgewählt. Bei zeitlich konstanter Last ist der Leistungs- schwellwert daher ebenfalls zeitlich konstant. Ändert sich die Last zeitabhängig, z.B. während eines Arbeitsganges einer Werkzeugmaschine, können im Leistungsschwellwert-Speicher 4 zeitabhängige Leistungsschwellwerte abgespeichert werden. Dem ersten Komparator 3 wird dann der dem jeweiligen Zeitpunkt der Wirkleistungsmessung zugehörige Leistungsschwellwert zugeführt.

Überschreitet die aktuell gemessene Wirkleistung den Leistungsschwellwert, liefert der erste Komparator 3 an seinem Ausgang ein Signal, welches ein Schalt- und/oder Warnsignal mit der Kennung "Überlast" auslöst. Damit kann z.B. die Abschaltung des Antriebs angesteuert werden.

Der Geschwindigkeitsmesser 5 wird nicht von der Steuer¬ elektronik 8 angesteuert. Er mißt ständig, also auch während der Anlaufphase vor Erreichen der Solldrehzahl, die Geschwindigkeit des elektromotorischen Antriebs 2. Dazu kann entweder die Vor- triebsgeschwindigkeit durch Messen der Linearbewegung pro Zeit¬ intervall oder die Drehgeschwindigkeit durch Messen des Dreh¬ winkels pro Zeitintervall gemessen werden. In diesem Ausführungs¬ beispiel soll am elektromotorischen Antrieb 2 ein nicht darge¬ stellter Drehwinkelgeber vorgesehen sein.

Das Ausgangssignal des Geschwindigkeitsmessers 5 wird auf den ersten Eingang eines zweiten Komparators 6 geführt. Auf dessen zweiten Eingang wird ein von einem Geschwindigkeitsschwellwert- Speicher 7 abgefragter, zeitabhängiger, einen Überlastzustand repräsentierender Geschwindigkeitsschwellwert geführt. Dieser Geschwindigkeitsschwellwert gibt die tolerierte Abweichung von der unter normalen Betriebsbedingungen erwarteten Bewegung des elektromotorischen Antriebs an. Dabei hängt die erwartete Bewegung

vom Einschaltzeitpunkt des elektromotorischen Antriebs ab, ab welchem dieser mit Dauerstrom oder mit gepulstem Strom betrieben wird. Unterschreitet die aktuell gemessene Geschwindigkeit den Geschwindigkeitsschwellwert, zeigt dies einen Überlastzustand an. Der zweite Komparator 6 liefert dann an seinem Ausgang ein Signal, welches ein von der Wirkleistung unabhängiges Schalt- und/oder Warnsignal mit der Kennung "Überlast" auslöst.

Fig.2 zeigt den typischen zeitlichen Verlauf der Wirk¬ leistung und der Geschwindigkeit eines elektromotorischen Antriebs im Dauerstrombetrieb, dessen Last nach Erreichen der Solldrehzahl zugeschaltet wird. Fig.3 zeigt dieselben Meßgrößen für einen elektromotorischen Antrieb im Dauerstrombetrieb mit Dauerlast. Zum Zeitpunkt t$ ist die Solldrehzahl erreicht. t _L bezeichnet den Zeitpunkt der Lastzuschaltung in Fig.2, der in Fig.3 wegen der dauerhaft zugeschalteten Last nicht dargestellt ist. Mit ty-_ ist ein Zeitpunkt angegeben, an dem hier in den Beispielen eine Überlast auftritt.

Man erkennt aus Fig.2 und 3 den stetigen Anstieg der Ge¬ schwindigkeit bis zum Erreichen der Solldrehzahl. Danach ist die Geschwindigkeit lastabhängig, d.h. sie sinkt mit steigender Last. Eine konstante Last bewirkt, wie dargestellt, eine konstante Geschwindigkeit.

Die Wirkleistung steigt von Null an und erreicht einen last¬ abhängigen Spitzenwert. Dieser ist daher in Fig.3, also bei zuge- schalteter Dauerlast, entsprechend größer als Fig. 2. Nach

Erreichen des Spitzenwertes sinkt die Wirkleistung bei Erreichen der Solldrehzahl auf ein Leer1aufniveau. Sobald die Last zuge¬ schaltet wird, steigt sie dann auf ein lastproportionales Niveau. Oberhalb dieses lastproportionalen Wirkleistungswertes wird der Leistungsschwellwert gewählt. Entsprechend wird für die Geschwin¬ digkeit ein Schwellwert unterhalb der dargestellten Geschwindig¬ keit festgelegt.

Tritt nach Erreichen der Solldrehzahl und nach Lastzuschal¬ tung zum Zeitpunkt T(j _| _ eine Überlast auf, steigt die Wirkleistung sprunghaft an. Demgegenüber sinkt die Geschwindigkeit im Überlast¬ fall vergleichsweise langsamer als die Wirkleistung steigt. Man erkennt, daß auch nach Erreichen der Nenndrehzahl und nach Zu¬ schaltung der Last eine Überlastüberwachung mit Hilfe einer Geschwindigkeitskontrolle mit Schwellwertvergleich möglich ist. Die Überlastüberwachung mit Hilfe einer Wirkleistungskontrolle mit Schwellwertvergleich ist sozusagen die "flinkere" Methode, da hier der Schwellwert in kürzerer Zeit erreicht wird. Demgegenüber ist die Geschwindigkeitskontrolle mit Schwellwertvergleich die "trägere" Methode, weil sie bei Überlast langsamer anspricht. Dies kann man sich je nach Anwendungsfall zunutze machen. So kann es gewünscht sein, daß kleine kurzzeitige Überlasten nicht sofort zur Systemabschaltung führen. In diesem Fall wäre die "trägere"

Methode zu bevorzugen, wobei die Überlastwarnungen aufgrund der Wirkleistungskontrolle unterdrückt werden müßten. Für die Mehrzahl der Systeme wird man die kombinierte Überwachung wählen, d.h. in der Anlaufphase wird die Geschwindigkeit kontrolliert, im Dauer- betrieb ab Erreichen der Solldrehzahl dagegen die Wirkleistung.

Für die Betriebszustände vor Erreichen der Solldrehzahl ist die Wirkleistungskontrolle mit Schwellwertvergleich wegen des be¬ schriebenen Durchlaufens eines Spitzenwertes weit oberhalb des Leistungsschwellwertes ungeeignet. Dafür ist in diesem Bereich die Überlastüberwachung mit Hilfe der Geschwindigkeitskontrolle mit Schwellwertvergleich sehr feinfühlig, weil in der Anlaufphase die Geschwindigkeit stetig steigt.

Nur durch die vorgeschlagene gegenseitige Ergänzung aus Kon¬ trolle von Wirkleistung und Geschwindigkeit des elektromotorischen Antriebs ist es möglich, auch in solchen Fällen eine Überlastüber¬ wachung zu realisieren, die sich durch kleine Verfahrwege eines dauerbelasteten elektromotorischen Antriebs unterhalb der Soll¬ drehzahl, z.B. auch im Pulsbetrieb auszeichnen. Damit eignet sich

die Erfindung insbesondere zur Anwendung bei Positionierantrieben mit sehr kleinen Verfahrwegen, wie sie z.B. bei Scannern für ver¬ schiedene Zwecke erforderlich ist (z.B. Probenabtastungen bei Oberflächenuntersuchungen). Ein anderes Anwendungsgebiet findet sich bei motorisierten Funktionen an Mikroskopen, wie z.B. die Höhenverstellung des Objekttisches zu Fokussierzwecken. Diese verlangt sehr kleine Verfahrwege, die nur durch den gepulsten Betrieb des elektromotorischen Antriebs erreicht werden können. Durch die Überlastüberwachung wird dann eine Beschädigung des be- obachteten Objekts und des Objektivs durch gegenseitige Kollision vermieden.

Fig. 3 beschreibt die genannten Kurvenverlaufe für einen elektromotorischen Antrieb im Dauerstrombetrieb. Für einen elek¬ tromotorischen Antrieb im Pulsstrombetrieb erfährt dieser durch die einzelnen Strompulse jeweils kleine Geschwindigkeitszuwächse, die insgesamt zu einem kontinuierlichen Anstieg der Geschwindig¬ keit und nach einer bestimmten Anzahl von Pulsen zu einer lastpro- portionalen, konstanten, mittleren Geschwindigkeit führen (vergl. z.B. DE 40 28241 AI). Damit bewegt sich der zeitliche Verlauf der Geschwindigkeit mit kleinen Abweichungen nach oben und nach unten quasi-oszillierend um den in Fig. 3 dargestellten Verlauf der Geschwindigkeit. Es ergibt sich also auch hier ein von der Ein¬ schaltzeit des elektromotorischen Antriebs abhängiger, typischer Kurvenverlauf, von dem Geschwindigkeitsschwellwerte abgeleitet werden können. Mit diesen kann eine Überlastüberwachung in allen Betriebszuständen auch des gepulst betriebenen elektromotorischen Antriebs durchgeführt werden.

Demgegenüber ist im gepulsten Betrieb eine Überlastüberwa¬ chung mithilfe einer Wirkleistungskontrolle grundsätzlich un- brauchbar, da der elektromotorische Antrieb mit jedem Strompuls erneut erregt wird, was jedesmal eine neue Anlaufphase bedeutet. Überdies macht man sich im Pulsbetrieb zunutze, daß der kurzzei¬ tige Puls den elektromotorischen Antrieb über die Nennleistung

hinaus belasten darf, sofern nur die Wirkleistung im zeitlichen Mittel unterhalb der Nennleistung bleibt. Dies würde bei einer Wirkleistungsüberwachung sofort zu einer Überlastmeldung führen, während ein Heraufsetzen des Leistungsschwellwertes einen eventuell auftretenden Überlastzustand verschleiern würde. Bei pulsstrombetriebenen elektromotorischen Antrieben sowie Schritt¬ motoren kann daher eine Überlastüberwachung nur durch eine Ge¬ schwindigkeitskontrolle erzielt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

Wirkleistungsmesser elektromotorischer Antrieb mit Drehwinkelgeber erster Komparator Leistungsschwellwertspeicher Geschwindigkeitsmesser zweiter Komparator Geschwindigkeitsschwellwert-Speicher Steuerelektronik