專利名稱：傳感器系統(tǒng)和由其建立的驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置及其內(nèi)部的通訊聯(lián)網(wǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于位置檢測和/或速度檢測和/或加速度檢測的傳感器系統(tǒng)、一種以這種傳感器系統(tǒng)為基礎(chǔ)的驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置和一種將調(diào)節(jié)單元與一個或多個這樣的傳感器系統(tǒng)網(wǎng)狀連接的方法。
為了對電驅(qū)動裝置的電流和轉(zhuǎn)數(shù)進行數(shù)字化調(diào)節(jié)，在各調(diào)節(jié)節(jié)拍中需要有關(guān)電機或換能器的位置、速度以及其它類似的信息。
由于上述調(diào)節(jié)節(jié)拍的頻率幾乎總是高于1kHz，并且要求在檢測實際值與將實際值提供給調(diào)節(jié)用之間有最小的延誤時間，所以傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)提供的信息是模擬的原始信號。
這些模擬原始信號在能夠被用來進行調(diào)節(jié)之前，先要通過昂貴的屏蔽電纜輸送到調(diào)節(jié)電路，在那里進行模擬處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號并換算成物理量。
這意味著，為了能夠使用傳感器信號，調(diào)節(jié)電路不僅要包括對應(yīng)于傳感器系統(tǒng)的模擬分析電路，而且對于傳感器的工作原理和類型要有準確認識。
此外，模擬信號的傳輸十分昂貴并且易受干擾，而且通常不能將干擾信號與有用信號區(qū)別開來。而出于其它使用目的已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)自動化領(lǐng)域(如EnDat、SSI Hyperface或Profibus)中的傳感器信號的數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)則不能滿足為調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)數(shù)在調(diào)節(jié)節(jié)拍速率和延誤時間方面的高要求。
因此，本發(fā)明的目的在于創(chuàng)造一種傳感器系統(tǒng)，以用于可靠、靈活并且實時性地傳輸實際值。
本發(fā)明的目的通過一種具有下述特征、用于位置檢測和/或速度檢測的傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)-一個信號傳感器，尤其是一種以電磁學(xué)或光學(xué)為基礎(chǔ)的信號傳感器，用于產(chǎn)生模擬的傳感器信號，-一個用于模擬傳感器信號的分析電路，
-模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將已通過分析的模擬傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的輸出值，-一個運算器，用于轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的物理輸出值，尤其是速度值或加速度值或位置值，和-輸出接口，用于在一些為同步化專門確定的(synchronendeterministischen)時刻，尤其是按上一級處理單元的調(diào)節(jié)節(jié)拍將數(shù)字化的物理輸出值傳輸給上一級處理單元。
如果同步的輸出接口為串行接口，則傳感器系統(tǒng)能夠特別價廉且有效地制造并且能夠聯(lián)上一個通信網(wǎng)。
如果同步的接口為總線系統(tǒng)，則能夠建立特別簡單的驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置，它可以支配多根耦合軸，例如多臺數(shù)字化控制的操縱機械，如機床和機器人。
此外在按照本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)中，可以使用帶有和沒有多回轉(zhuǎn)級(Multiturnstufe)的信號傳感器作為分解器(Resolver)或作為高分辨率的光學(xué)傳感器。能夠模擬地使用任意其它技術(shù)。
另外這種信號傳感器的工作原理在德國、維爾茨堡的Vogel出版社于1989年出版的P.F.Brosch的專業(yè)書籍《現(xiàn)代化的變流器驅(qū)動》第一版第184頁以下的章節(jié)7.3.3中描述過。
本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)能夠形成一個相對于傳統(tǒng)的對模擬傳感器原始信號的分析來說、特別簡單且抗干擾的帶有調(diào)節(jié)單元的驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置，其中，傳感器系統(tǒng)和調(diào)節(jié)單元通過同步的傳感器系統(tǒng)接口相互通信連接，傳感器系統(tǒng)的數(shù)字化的物理輸出值可以作為傳感器實際值按調(diào)節(jié)節(jié)拍同步地傳輸給以調(diào)節(jié)為目的的調(diào)節(jié)單元。
如果同步的接口為帶有主從結(jié)構(gòu)的通訊系統(tǒng)，這一點被證實是具有優(yōu)點的，調(diào)節(jié)單元為主動單元而傳感器系統(tǒng)為從動單元。由此能夠特別簡單地驅(qū)動多個帶有調(diào)節(jié)單元的傳感器系統(tǒng)。
因此由傳感器系統(tǒng)通過同步的接口還可以將驅(qū)動裝置的溫度和/或壓力和/或流量值作為數(shù)字化的物理輸出值傳輸給調(diào)節(jié)單元。
本發(fā)明的目的還可以根據(jù)上面所述通過一種使調(diào)節(jié)單元與一個或多個傳感器系統(tǒng)網(wǎng)狀連接的方法來實現(xiàn)，該方法具有下列方法步驟-去除各傳感器物理量和各求值電路與調(diào)節(jié)電路的連接并轉(zhuǎn)移到各個傳感器系統(tǒng)中并
-通過一般的數(shù)字化傳輸協(xié)議在調(diào)節(jié)單元與各傳感器系統(tǒng)之間建立通信。
當按照本發(fā)明將模擬分析電路、數(shù)字化電路和轉(zhuǎn)換成物理量的轉(zhuǎn)換器從上一級調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)移到傳感器系統(tǒng)中，并通過一個同步的高速傳輸系統(tǒng)將調(diào)節(jié)電路與這個新的傳感器系統(tǒng)連接的時候，還能夠?qū)崿F(xiàn)下列優(yōu)點-對于現(xiàn)在所實現(xiàn)的數(shù)字化傳輸能夠采用比易受干擾的原始信號的模擬傳輸明顯更便宜的電纜，-數(shù)據(jù)傳輸可靠性明顯提高并且可以通過可靠性機構(gòu)如CRC和數(shù)(CRC表示循環(huán)冗余檢驗)進行檢驗，-通過去除傳感器物理量和必要的分析電路與調(diào)節(jié)電路的連接并通過一般的數(shù)字化傳輸協(xié)議能夠相互獨立地實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的技術(shù)革新，-通過在傳感器系統(tǒng)中對原始信號進行分析，能夠使通過數(shù)字化信號處理其它數(shù)據(jù)如速度、加速度、但是也可以是其它的附加實際值如溫度、壓力等通過傳輸協(xié)議一起供調(diào)節(jié)用，-傳輸協(xié)議允許識別和診斷傳感器系統(tǒng)并且因此自動地使調(diào)節(jié)軟件適配于所提供的數(shù)據(jù)，此外還允許識別傳感器錯誤，-這樣實現(xiàn)的傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)能力允許通過接連排列實現(xiàn)更簡單的電纜敷設(shè)。
下面借助結(jié)合附圖對實施例的描述對本發(fā)明的其它優(yōu)點和細節(jié)予以詳細闡述。在所有附圖中相同功能的元件用相同的附圖標記表示，附圖中

圖1示出帶有一個驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置和三個按照本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)；圖2為以一個分解器為基礎(chǔ)的一個傳感器系統(tǒng)的線路方框圖。
圖1借助于一個用于三個電機M1至M3的驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置示出一個帶有兩個不同通信系統(tǒng)KOMSYS 1和KOMSYS 2的通信網(wǎng)絡(luò)，從屬于電機的傳感器系統(tǒng)G1至G3通過該通信網(wǎng)絡(luò)與上一級調(diào)節(jié)單元R通信連接。電機M1和M3為旋轉(zhuǎn)電機，而電機M2為直線電機。圖示的裝置例如可以是一個工業(yè)加工機械，例如是機床或機器人的三個相互耦合的驅(qū)動裝置。
按照本發(fā)明，通過采用高效同步傳輸系統(tǒng)KOMSYS 1和KOMSYS 2，全部對于模擬傳感器信號的分析都轉(zhuǎn)移到傳感器系統(tǒng)G1至G3中進行，并因此在調(diào)節(jié)電路中可實現(xiàn)與傳感器物理結(jié)構(gòu)無關(guān)地支配諸如位置、轉(zhuǎn)數(shù)、加速度、溫度、壓力、流量等物理參數(shù)。此外當數(shù)據(jù)循環(huán)時間能夠明顯小于1ms時，對于遠在1kHz之上的調(diào)節(jié)節(jié)拍也能保證提供實時傳感器數(shù)據(jù)。傳感器同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)难诱`時間明顯小于20μs。
這個網(wǎng)絡(luò)中的每個用戶，不管是調(diào)節(jié)單元R還是傳感器系統(tǒng)G1至G3，都具有各自的通信功能塊Kom，通過這些通信功能塊能將這些用戶相互連接起來。在此也可以通過總線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)通信。
當通信用戶具有兩個或多個這樣的通信功能塊Kom的時候，就能夠?qū)崿F(xiàn)多個單元之間的網(wǎng)狀連接。通信系統(tǒng)(在這里為KOMSYS2)由此繼續(xù)連接到另一個用戶。通訊功能塊Kom執(zhí)行數(shù)字化傳輸協(xié)議并且能夠按調(diào)節(jié)節(jié)拍將必要的傳感器實際值提供給調(diào)節(jié)單元R。
這種實時性同步傳輸系統(tǒng)的一個適當示例是一個以以太物理網(wǎng)為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)，通過一個適合的數(shù)字化傳輸協(xié)議，該通信網(wǎng)絡(luò)可以被訓(xùn)練成一個在時間上能予以確定的(zeitlich deterministischen)通信傳輸系統(tǒng)。
由于對于圖1所示的應(yīng)用不僅要求高度精確地保持實時條件而且要求傳輸?shù)母叨瓤煽啃?，因?快速)以太網(wǎng)中不能滿足這些要求的標準的傳輸層2(報文框架和存取方法)就要通過新的數(shù)據(jù)協(xié)議和新的存取控制完全重新定義，并進而利用該以太物理網(wǎng)作為例如驅(qū)動單元之間實時通信的基礎(chǔ)。由此可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)單元R與傳感器G1至G3之間的通信。
關(guān)于主動單元、例如調(diào)節(jié)單元R和從動單元、例如本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)G1至G3之間的同步，已證明特別有利的是，各從動單元通過各自的計時器以給定的總循環(huán)時間被賦予工作節(jié)拍，這樣就能實現(xiàn)從動單元與主動單元的同步化。其中，通過接收分別由主動單元確定的從動專有的同步化信息來周期性地確定總循環(huán)時間。
為此使用主從通信結(jié)構(gòu)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)以相同的掃描時間點循環(huán)地交換數(shù)據(jù)，要建立一個對于主動單元和所有從動單元的公共時間基點。從動單元與主動單元的同步化通過由主動單元向從動單元發(fā)出專門標出的、時間上確定的報文以及在從動單元中分別單獨參數(shù)化的計時器來實現(xiàn)。
為此，可以傳輸有效數(shù)據(jù)報文和特殊的含有各同步化信息的同步化報文。也可以選擇將同步化信息組合進一個標記性有效數(shù)據(jù)報文中。
此外，如果從動單元的每個計時器即便在各自的同步信息消失的情況下在給定的總循環(huán)時間過后自動地啟動一個新的循環(huán)，就能夠進一步提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
對于周期性數(shù)據(jù)傳輸期間的發(fā)送和接收運行，例如可使用時間縫隙-存取方法，該方法由網(wǎng)絡(luò)中的主動單元激發(fā)并能夠?qū)崿F(xiàn)延誤時間最小的數(shù)據(jù)傳輸。由此可以精確地監(jiān)測受干擾的、早到的或延遲傳輸?shù)膱笪摹?br> 為此，為了引入該方法，僅主動單元具有在通訊系統(tǒng)上的發(fā)送權(quán)并通過一相應(yīng)的從動專有報文以及總循環(huán)時間通知各個僅具有應(yīng)答權(quán)的從動單元，各從動單元應(yīng)在總循環(huán)時間內(nèi)部的哪些時間縫隙接收主動單元的哪些報文，以及在哪些時間縫隙主動單元應(yīng)該發(fā)送其報文。
此外，如果在引入時間縫隙-存取方法的階段將相應(yīng)的同步時刻通知給每個從動單元，已被證實是十分有利的。
如果在各從動單元，即各傳感器系統(tǒng)G1至G3中，對于一個共同的時間點，尤其是對于循環(huán)開始點存儲各瞬時值(位置實際值或速度實際值等)，則能夠為調(diào)節(jié)單元R實現(xiàn)同時且等距的掃描。
此外可以在由主動單元傳輸?shù)揭粋€從動單元的每個報文中加設(shè)檢驗信息，通過這些信息能夠直接激活在從動單元中已有的針對可靠性的功能。
有效數(shù)據(jù)可以在報文框架內(nèi)輸送，報文框架除了提供有關(guān)從動單元地址和報文長度的信息以外還可以通過例如一個CRC校驗和數(shù)確保數(shù)據(jù)的完整性同時還能提供其它與安全性有關(guān)的數(shù)據(jù)區(qū)。在報文框架中的數(shù)據(jù)不僅可以由一個應(yīng)用處理器分析處理也可以由一個通訊功能塊Kom來分析處理。
為此，各從動單元通過各報文將信號傳送給主動單元。主動單元之后在檢驗到這個信號消失時使相應(yīng)的從動單元停止工作。
盡管所使用的傳輸技術(shù)按照以太網(wǎng)標準原則上只允許點對點的連接，但是也可以如(快速)以太網(wǎng)那樣通過使用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(所謂的HUB)形成網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)中，多個或每個通訊用戶具有用以形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連接部分，這個連接部分用于繼續(xù)向另一個主動單元或其它從動單元方向傳送報文，其中，通訊用戶之間同樣可按照前述工作方式通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行通信。
借助于上述工作方式，能夠在一個具有以太物理網(wǎng)的通訊系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)實時通訊。此外，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使點對點連接與用于執(zhí)行實時通信的以太物理網(wǎng)實現(xiàn)結(jié)合，還能夠建立起更大網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的分等級網(wǎng)絡(luò)。
這一點也適用于一個分布式驅(qū)動系統(tǒng)的網(wǎng)狀連接或耦合，在這個分布式驅(qū)動系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)單元R作為一個通訊系統(tǒng)KOMSYS 1或KOMSYS 2的主動單元，而該通訊系統(tǒng)具有至少一個從屬的傳感器系統(tǒng)G1，G2，G3作為從動單元。
通過利用現(xiàn)有的用于辦公室通信的高功率傳輸系統(tǒng)并借助嶄新的傳輸協(xié)議，在諸如調(diào)節(jié)單元R和傳感器系統(tǒng)G1至G3的驅(qū)動組件以及諸如功率部件和運動控制部件的其它組件之間建立通信連接，使主-從-同步化和時間縫隙-存取方法具備實時性，從而即便是在時間上要求十分嚴格的應(yīng)用場合中也可以采用一個高于1kHz的調(diào)節(jié)節(jié)拍。此外，延誤時間最小的特性允許通過串行的通訊系統(tǒng)接通高動態(tài)調(diào)節(jié)回路。
當然為了實現(xiàn)本發(fā)明的G1至G3并使其與調(diào)節(jié)單元R網(wǎng)狀連接，也可以采用其它的通訊網(wǎng)絡(luò)來作為前面示例所述的網(wǎng)絡(luò)，前提是，傳輸?shù)膸捯ＷC能按調(diào)節(jié)節(jié)拍進行通訊傳輸并且延誤時間最小。
圖2借助一方框線路圖示出本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在此發(fā)出信號的單元以發(fā)射機-分解器RS(Transmitter-Resolvers)為基礎(chǔ)。當然也可以使用以其它技術(shù)原理為基礎(chǔ)的同樣好的信號發(fā)送器，如高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)或磁系統(tǒng)。
分解器RS與振蕩器OSC電路連接用以產(chǎn)生基準信號REF，并在解調(diào)后提供正弦SIN信號和余弦COS信號形式的轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)。另外分解器RS和基準振蕩器OSC具有接地端予GND，通過接地端子使兩個單元位于相同的基準電位上。
這樣產(chǎn)生的模擬傳感器信號1，即SIN和COS信號輸送給一個分析電路A，例如一個經(jīng)過適當編程用于正弦評估(Sinusbewertung)的存儲功能塊。接著已分析的傳感器信號2隨后在模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號3并輸送給一個計算單元。這樣得到的以分解器RS為基礎(chǔ)的信號圖在前面已經(jīng)提及的由德國維爾茨堡Vogel出版社于1989年出版的P.F.Brosch所著的專業(yè)書藉《現(xiàn)代化的變流器驅(qū)動》第一版第187頁中示出。
控制/計算單元μP用于將數(shù)字化傳感器信號3轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的物理輸出值4。這個輸出值可以是速度值和/或加速度值和/或位置值。這樣所確定的數(shù)字化數(shù)值接著輸送給一個同步輸出接口Kom用于傳輸給上一級處理單元(在這里為調(diào)節(jié)單元R)，這個數(shù)字化數(shù)值描述了一個物理量，該物理量是調(diào)節(jié)單元R為控制與傳感器系統(tǒng)G1相配置的電機M1所必需的。
通過這個通訊接口或通訊功能塊Kom對已實現(xiàn)的數(shù)字化傳輸協(xié)議進行處理，該傳輸協(xié)議看上去例如就象基于一個以太物理網(wǎng)進行傳輸。因此必需的物理量能夠以數(shù)字化數(shù)據(jù)通過實時傳感器接口、如一個通訊系統(tǒng)B傳送給調(diào)節(jié)單元R。為此調(diào)節(jié)單元R根本不需要了解傳感器物理結(jié)構(gòu)或其信號發(fā)出元件所進行的分析。由此不同的傳感器系統(tǒng)能夠通過一個和同一個調(diào)節(jié)單元R運行，而無需專門為了某一個傳感器物理結(jié)構(gòu)而對調(diào)節(jié)單元進行訓(xùn)練。
權(quán)利要求
1.一種用于位置檢測和/或速度檢測和/或加速度檢測的傳感器系統(tǒng)(G1，G2，G3)，它包括-一個信號傳感器(RS)，尤其是以電磁學(xué)或光學(xué)為基礎(chǔ)的傳感器，用于產(chǎn)生模擬的傳感器信號(1)，-一個用于模擬傳感器信號(1)的分析電路(A)，-模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，用于將已通過分析的模擬傳感器信號(2)轉(zhuǎn)換成數(shù)字化輸出值(3)，-一個運算器(μP)，用于轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的物理輸出值(4)，尤其是轉(zhuǎn)換成速度值或加速度值或位置值，和-一個輸出接口(Kom)，用于在一些為同步化專門確定的時刻，尤其是按上一級處理單元(R)的調(diào)節(jié)節(jié)拍將數(shù)字化的物理輸出值(4)傳輸(B)給上一級處理單元。
2.如權(quán)利要求1所述的檢測位置和/或速度的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述同步的輸出接口為串行接口。
3.如權(quán)利要求1或2所述的檢測位置和/或速度的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述同步的接口為總線系統(tǒng)(B，KOMSYS 1，KOMSYS 2)。
4.如上述任一項權(quán)利要求所述的檢測位置和/或速度的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述信號傳感器為分解器(RS)或光學(xué)編碼器。
5.一種驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置，它具有如上述任一項權(quán)利要求所述的傳感器系統(tǒng)(G1，G2，G3)并帶有能通過傳感器系統(tǒng)(G1，G2，G3)的同步接口(Kom)相互通信連接的一個調(diào)節(jié)單元(R)，該傳感器系統(tǒng)(G1，G2，G3)的數(shù)字化的物理輸出值(4)作為傳感器實際值按調(diào)節(jié)節(jié)拍、尤其是在一些為使延誤時間最小專門確定的時刻傳輸給調(diào)節(jié)單元(R)供調(diào)節(jié)用。
6.如權(quán)利要求5所述的驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述同步接口為帶有主從結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)(B，KOMSYS 1，KOMSYS 2)，其中，調(diào)節(jié)單元(R)為主動單元而傳感器系統(tǒng)(G1，G2，G3)為從動單元。
7.如權(quán)利要求5或6所述的驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，通過傳感器系統(tǒng)(G1，G2，G3)并經(jīng)過同步接口(Kom)還可以將驅(qū)動裝置的溫度和/或壓力和/或流量實際值作為數(shù)字化的物理輸出值(4)傳輸給調(diào)節(jié)單元(R)。
8.一種使調(diào)節(jié)單元(R)與一個或多個傳感器系統(tǒng)(G1，G2，G3)網(wǎng)狀連接的方法，它包括下列方法步驟-去除各傳感器物理量(SIN，COS，REF，GND)和各分析電路(A)與調(diào)節(jié)電路的連接并將它們轉(zhuǎn)移到各傳感器系統(tǒng)(G1，G2，G3)中并-通過一個數(shù)字化傳輸協(xié)議(Kom)在調(diào)節(jié)單元(R)與各傳感器系統(tǒng)(G1，G2，G3)之間建立通信(KOMSYS 1，KOMSYS 2)。
全文摘要
按照本發(fā)明,模擬分析電路、數(shù)字化電路和換算成物理量的換算器可由上一級調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)移到傳感器系統(tǒng)中,而調(diào)節(jié)電路通過一個同步高速傳輸系統(tǒng)與這個新的傳感器系統(tǒng)連接。通過這種串行的實時傳感器接口能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)能力以及更簡單地敷設(shè)電纜。
文檔編號G05B19/042GK1346968SQ01140689
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月27日
發(fā)明者岡瑟·伯克, 烏爾里克·哈恩, 邁克爾·斯平勒, 詹斯·韋多爾 申請人:西門子公司