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Die Erfindung betrifft eine Steueranordnung zur Lagepositionierung einer magnetischen, als Synchron- motor betriebenen Stellvorrichtung mit einem Stator aus einem Magnetzahnraster und einem relativ zu die- sem beweglichen Polschuh-Läuferglied, das Polschuhsätze mit Erregerwicklungen aufweist, bestehend aus
Steuerstufen für die Sollverschiebung und bzw. oder die Sollgeschwindigkeit und bzw. oder die Sollbeschleu- nigung des Polschuh-Läufergliedes gegenüber dem Stator und aus Phasenschiebestufen für mindestens zwei untereinander phasenverschobene Erreger-Wechselströme des Polschuh-Läufergliedes.
Derartige als Synchronmotoren betriebene Stellvorrichtungen, insbesondere wie sie beispielsweise aus den USA-Patentschriften Nr. 3, 376, 578 und Nr. 3, 457, 482 bzw. aus der deutschen Offenlegungsschrift
2123 872 bekannt sind, sind deshalb besonders vorteilhaft, weil die Bewegung des Läufergliedes in bezug auf den Stator synchron zur Periodizität der am Motor anliegenden Eingangssignale erfolgt. Werden beispiels- weise Wechselsignale einer bestimmten Frequenz an den Motor gelegt, so bewegt sich das Läuferglied ge- genüber dem Stator um Teilstrecken mit einer Geschwindigkeit, die dieser Frequenz der Eingangssignale proportional ist. Synchronmotoren ermöglichen weiters, bei einer gegebenen Masse das Läuferglied schnel- ler zu beschleunigen oder zu verlangsamen, als es bei andern Motoren, wie z. B. Asynchronmotoren, mög- lich ist.
Nichtsdestoweniger kann unter bestimmten Umständen der Fall eintreten, wo die Bewegung des Läufer- gliedes nicht mehr genau proportional der Periodizität der Eingangssignale ist. Dies kann beispielsweise deshalb der Fall sein, weil das Läuferglied aus irgendeinem Grund in Resonanz gerät. Treibt der Synchron- motor z. B. ein Werkzeug oder einen Schreibstift, so erzeugt die Resonanz des Läufergliedes Fehler in der Auslenkung des Stellgliedes. Derartige Resonanzen können mitunter so stark auftreten, dass die Funktion des
Stellgliedes, d. h. des Werkzeuges oder Schreibstiftes, ernsthaft in Frage gestellt ist.
Man hat zwar bereits erhebliche Mühe darauf verwendet, die Bewegungen des Läufergliedes gegenüber dem Stator derart zu steuern, dass solche unerwünschten Effekte, wie Resonanzen, vermieden werden, jedoch waren diese Bemühungen nicht uneingeschränkt erfolgreich.
Dies insbesondere deshalb, weil der Synchronismus zwischen den Eingangssignalen und der Bewegung des Läufergliedes es erschwert, die Bewegung des Läufergliedes in jedem Augenblick präzise zu steuern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Steueranordnung für als Synchronmotoren betriebene Stellvorrichtungen zu schaffen, mit der diese Schwierigkeiten überwunden werden.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Steueranordnung der eingangs beschriebenen Art, wie sie aus der bereits genannten deutschen Offenlegungsschrift 2123 872 bekannt ist, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in mindestens einer Läuferglied-Verschiebungs-Regeleinrichtung mindestens ein Messgeber für die Istlage und bzw. oder Istgeschwindigkeit und bzw. oder Istbeschleunigung des Polschuh-Läufergliedes an mindestens eine Vergleicherstufe zum Vergleichen der Soll- und Istlage und bzw. oder der Soll-und Istgeschwindigkeit und bzw. oder der Soll-und Istbeschleunigung angeschlossen ist, deren Ausgangs-Differenzsignale mit den Phasenschiebestufen verbunden sind, deren Ausgangsspannungen als Stellgrösse für die Stellvorrichtung dienen.
Durch die derart an die Phasenschiebestufen rückgeführten Differenzsignale wird somit der Leistungswinkel im Motor in jedem Augenblick optimal gesteuert.
Werden Geschwindigkeits-Differenzsignale rückgeführt, so dämpft die erfindungsgemässe Regelschleife die Bewegung des Läufergliedes in bezug auf den Stator, wodurch jede Tendenz des Läufergliedes, in Resonanz zu geraten, unterdrückt oder zumindest so gering wie möglich gehalten wird, und eine exakte Verstellung des Läufergliedes gewährleistet ist.
Eine Rückführung von Beschleunigungs-Differenzsignalen setzt die Resonanzfrequenz der Masse des Läufergliedes herab, da die scheinbare Masse desselben wirkungsvoll erhöht wird. Eine Herabsetzung der Resonanzfrequenz ist deshalb erwünscht, weil letztere dann bei Frequenzen auftritt, die niedriger sind als die im allgemeinen auf das Läuferglied ausgeübten Störungen.
Rückführungen der Istlage hingegen trachten, den Leistungswinkel dahingehend zu verschieben, dass durch eine Änderung der demLäuferglied in bezug auf den Stator aufgezwungenen Beschleunigungen und Verzögerungen der Betrieb des Motors allgemein verbessert wird.
Zur Festlegung der Istbeschleunigung des Polschuh-Läufergliedes gegenüber dem Stator dient gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine 2fache, mit dem Istlagegeber des Polschuh-Läufer- gliedes verbundene Differenzierschaltung oder ein an dem Polschuh-Läuferglied angeordnetes Akzelerometer.
Soll die Istgeschwindigkeit des Polschuh-Läufergliedes rückgeführt werden, so kann gemäss einer weite-
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Erfindungtung oder dem Akzelerometer nachgeschaltete Integrierstufe dienen. Bei einer Steueranordnung mit einem Funktionsgeber für die Sollage sowie mit einem Sollgeschwindigkeitsgeber für das Polschuh-Läuferglied ge- genüber dem Stator besteht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darin, dass die Phasenschiebestufe dem Sollagegeber nachgeschaltet ist, dessen Eingang und der Istlagegeber des Polschuh-Läufergliedes
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an den Lagevergleicher angeschlossen ist, und dass eine an den Istlagegeber für das Polschuh-Läuferglied angeschlossene Differenzierstufe ausgangsseitig mit einem Geschwindigkeitsvergleicher verbunden ist.
Die- se Ausführungsform gewährleistet eine optimale Dämpfung allfälliger Schwingungen des Polschuh-Läufer- gliedes infolge äusserer Einflüsse oder unvollkommener Motorelemente sowie eine präzise Verstellung des
Läufergliedes in bezug auf den Stator.
Die Erfindung eignet sich besonders für die Anwendung in Verbindung mit einem Synchronlinearmotor der in den eingangs genannten Druckschriften beschriebenen Art. Diese Druckschriften veranschaulichen einen Synchronmotor mit einem Stator in Form einer ebenen Grundplatte und einem ein- oder zweiachsig über diese Grundplatte bewegbaren, als Kopf ausgebildeten Polschuh-Läuferglied. Wenn der Kopf gegenüber der Grundplatte entlang zweier Koordinatenachsen bewegbar ist, kann die Bewegung gleichzeitig entlang jeder der Achsen erfolgen, wobei die Bewegung entlang der einen Achse von der Bewegung entlang der andern Achse vollständig unabhängig ist.
Um bei einer derartigen als Synchronlinearmotor ausgebildeten Stellvorrichtung eine Drehbewegung des Polschuh-Läufergliedes gegenüber dem Stator um eine zum ebenen Stator senkrechte Achse möglichst zu unterbinden, kann gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung eine an die Phasenschiebestufen angeschlossene Dämpfungsschaltung mit einem von dem Istlagegeber für das Polschuh-Läuferglied gesteuerten Funk- üonsgenerator für die Drehung des Polschuh-Läufergliedes und mit einem an den Funktionsgenerator angeschlossenen Rückführglied als Stellglied zur Dämpfung der Drehbewegung des Polschuh-Läufergliedes vorgesehen sein.
Handelt es sich um eine als zweiachsiger Linearmotor ausgebildete Stellvorrichtung, deren PolschuhLäuferglied zwei senkrecht zueinander angeordnete Polschuhsätze aufweist, so enthält die Steueranordnung vorteilhafterweise eine der Läufergliedebene zugeordnete Läuferglied-Bahnregelanordnung aus zwei orthogonalen Lüuferglied-Versebiebungs-Regeleinrichtungen mit von der Lage-, Beschleunigungs-und bzw. oder Geschwindigkeits-Differenzsignalen abhängigen Steuerstufen für die Bewegung entlang jeder der beiden zueinander senkrechten Koordinatenachsen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. l eine Perspektivansicht eines Synchronmotor mit einem entlang zweier Koordinatenachsen gegenüber einer Grundplatte bewegbaren Kopf, Fig. 2 eine vergrösserte Perspektivansicht des in Fig. l gezeigten Kopfes, Fig. 3 einen vergrösserten Schnitt durch einen Teil des in Fig. 2 gezeigten Kopfes, Fig. 4 eine vergrösserte Teilansicht von Teilen des Kopfes und der Grundplatte nach Fig. l, wobei die Grundplatte im Schnitt dargestellt ist, Fig. 4a eine vergrösserte Teilansicht des Kopfes, Fig. 5 ein Vektordiagramm der Beziehung zwischen der augenblicklichen Lage des Kopfes und den zwecks dessen Antrieb am Kopf anliegenden Signalen,
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ein Zeigerdiagramm der Eingangsgrössen und der Ausgangsgrössen der Steuerstufe nach Fig. 8, Fig.
9 ein Blockschaltbild einer Regelschleife mit einer Beschleunigungsgrösse zur Steuerung des Synchronmotor, Fig. 9a zeigt ein dem System der Fig. 9 ähnliches System, das mit Digitalsignalen gesteuert wird, Fig. 9b ein System, das ähnlich wie das in Fig. 9 gezeigte mit Analogsignalen arbeitet, Fig. 10 ein Blockschaltbild, bei dem mittels einer geschlossenenRegelschleife der Synchronmotor durch Beschleunigungsbefehle und Be- schleunigungsrückführung gesteuert wird ;
Fig. 11 ein Blockschaltbild, bei dem der Synchronmotor durch Beschleunigungsbefehle und mit Geschwindigkeitsrückführung gesteuert wird, Fig. 12 ein Blockschaltbild sines Systems zur Steuerung des Synchronmotor mit Beschleunigungsbefehlen und Rückführung von Ge- 3chwindigkeits- und Lage-Differenzsignalen ;
ferner zeigen Fig. 13a bis 13g Blockschaltbilder weiterer Ausgestaltungen von Systemen zur Steuerung der Funktion eines Synchronmotor mit Beschleunigungsbefehlen md Geschwindigkeitsrückführung, Fig. 14 ein Blockschaltbild zur Steuerung der Bewegung des Kopfes relaiv zur Grundplatte mit Geschwindigkeitsrückführung und Dämpfung einer Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine zu deren Oberfläche im wesentlichen senkrechte Achse, wobei die Oberfläche durch die Koordinaten aufgespannt wird, entlang denen der Kopf sich bewegt, Fig. 15 ein Blockschaltbild zur Steuerung ler Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte durch Signale, die durch sich mit dem Kopf bewegende Inluktionstachogeneratoren erzeugt werden, Fig. 16 eine Ausführungsform eines Induktionstachogenerators, vie er in Fig. 15 verwendet wird, Fig.
17 ein Blockschaltbild einer der Steuerstufen der Fig. 15, Fig. 18 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform zur Steuerung des Synchronmotor mit digitaler Geschwin- ügkeitsrückführung, Fig. 19 eine weitere Ausfühmmgsform zur Verschiebung des Zeigerwinkels entspre- : hend dem in Fig. 7a gezeigten Vektordiagramm und schliesslich Fig. 20 eine weitere Ausführungsform zur Verschiebung des Zeigerwinkels entsprechend dem Vektordiagramm der Fig. 7a und zur Dämpfung der Ver- ; chiebungen des Kopfes relativ zur Grundplatte.
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Nach Fig. l weist ein allgemein mit --10-- bezeichneter Linear-Reaktionsmotor eine Grundplatte --12-und einen Kopf --14-- auf. Dieser Motor kann in ähnlicher Weise aufgebaut sein, wie er in den USA-Patentschriften Nr. 3, 376, 578 und Nr. 3, 457, 482 bzw. der deutschen Offenlegungsschrift 2123872 beschrieben und dargestellt ist, wobei die Bewegung des Kopfes --14-- relativ zur Grundplatte --12-- entlang einer einzigen Achse oder entlang eines Koordinatenachsenpaares erfolgen kann.
Die Grundplatte --12-- des Motors besteht aus einem ferromagnetischen Material und ist mit Nuten - versehen, die parallel zueinander im Abstand liegen, so dass magnetische Zähne --18-- entstehen.
Bei einer praktischen Ausführungsform sind die Nuten --16-- etwa 0, 52 mm breit und etwa 0, 52 mm tief und ihr Mittenabstand beträgt etwa 1, 04 mm. Der Abstand zwischen den Mittellinien der Nuten lässt sich als die Nutenteilung bezeichnen. Die Nuten können offen sein, wobei Luft als nichtmagnetisches Material dient ; vorzugsweise werden sie jedoch mit einem Kunststoff oder andern nichtmagnetischen Feststoff ausgefüllt, um der Grundplatte --12-- eine glatte Oberfläche zu geben. Die Nuten --16-- und die Zähne --18-- bilden zusammen eine Gitterstruktur.
Ist der Kopf --14-- relativ zur feststehenden Grundplatte --12-- entlang einer einzigen Achse bewegbar, weist er zwei Gruppen von Magneten --20 und 22-- auf, die in einem Gehäuse oder Unterteil --24-- unterge- bracht sind, wobei die Polflächen der Magneten sich an der Unterteiloberfläche befinden. Vorteilhafterweise kann der Unterteil --24-- eine Aluminium- oder Kunststoffplatte mit zwei Öffnungen sein, die die Magneten aufnehmen. Die Magnetgruppen --20, 22-- liegen im wesentlichen parallel zur Grundplatte --12-- und dienen dazu, den Kopf --14-- über die Grundplatte fortzubewegen und einzustellen.
Da die beiden Gruppen von Magneten --20 und 22-- gleich aufgebaut sein können, wird hier nur eine im einzelnen beschrieben. Jede Gruppe kann aus zwei Magneten bestehen, deren jeder zwei Polstücke aufweist.
Die Magnetgruppe --20-- enthält einen Rahmen --26-- und die Polstücke --28,30,32und 34--, Jeder der Polstücke --28, 30,32, 34-kann aus einem Stapel gestanzter Bleche bestehen. Eine Wicklung-36-- kann
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--28ken --28 und 30-- ist beispielsweise mittels einer Schraube an der Rippe --42-- des Rahmens --26--, ein entsprechender Magnet-44-- mit den Polstücken-32 und 34-- an einer Rippe --46-- des Rahmens --26-befestigt. Der Rahmen --26-- besteht aus nichtmagnetischem Material, wie z. B. Aluminium, und in der vorzugsweise verwendeten Ausführungsform sind die Magneten --40 und 44-- Permanentmagneten, die in den zugeordneten Polstücken eine Vormagnetisierung bzw. einen Polarisierungsfluss erzeugen.
Die Unterfläche jedes der Polstücke --28 und 30-- hat Zähne aus magnetischem Material und vorzugsweise eine Vielzahl von Zähnen der gleichen Breite und mit dem gleichen Abstand wie die Zähne --18-- aus magnetischem Material in der Grundplatte --12--. Beispielsweise kann das Polstück --28-- ein Paar Zähne
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4)Grundplatte --12-- entspricht. Alternativ kann jede der Polflächen auf den Polstücken-28 und 30-- eine Vielzahl von auf Abstand liegenden Zähnen aufweisen, wie es die Fig. 3 zeigt.
Sind die Polstücke --28 und 30-- in der in Fig. 4 dargestellten Weise aufgebaut, so sind die Zähne --a, c-zueinander so angeordnet, dass, wenn einer sich über einem Zahn --18-- aus magnetischem Material auf der Grundplatte --12-- befindet, der andere über der Nut --16-- aus nichtmagnetschem Material in der Grundplatte liegt. Mit andern Worten, der Abstand zwischen, den Mittelliniender Zähne-a, c-beträgt p (n 1/2), wobei n eine ganze Zahl und p die Teilung der Gitterstruktur auf der Grundplatte --12-- oder die Entfernung zwischen den Mittellinien aufeinanderfolgender Nuten bzw. Zähne der Grundplatte --12-- ist.
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so wie die magnetischen Zähne-c, c'-sich gleichzeitig über den magnetischen Zähnen --18-- befinden.
Der Magnet --44-- ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Magnet --40--. Die Magneten --40 und 44-sind abstandsmässig derart angeordnet, dass, wenn die Zähne eines Magneten direkt über einem Zahn --18-oder einer Nut --16--liegen, die Zähne des andern Magneten sich in der Mitte zwischen einem Zahn --18-und einer Nut --16-- befinden. Die Mittellinien entsprechender Zähne der Magneten --40 und 44-- haben zueinander also den Abstand p (n : 1/4).
Die beiden Magneten einer Gruppe werden als A-Phasen-Magnet und B-Phasen-Magnet bezeichnet. In der vorzugsweise verwendeten Ausführungsform mit zwei parallelen Gruppen von Magneten, wie sie die Fig. 2 zeigt, sind die Magneten einer Gruppe - wie z. B. die der Gruppe --20-- - so angeordnet, dass die APhase links und die B-Phase rechts liegt, und die Magneten der andern Gruppe - wie z. B. der Gruppe - -22-- -so angeordnet, dass die B-Phase links und die A-Phase rechts liegt. Die Anordnung ergibt ein verbessertes Gleichgewicht der an der Antriebsvorrichtung-wie z. B. dem Kopf --14-- - liegenden Kräfte und
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hält dessen Neigung, um eine senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte --22-- vrlaufende Achse zu schwenken, so gering wie möglich.
Bei dieser Anordnung liegen die Magneten einer Gruppe im Abstand p (n + 1/4) und die Magneten der andern Gruppe im Abstand p (n-1/4).
Wenn nun, vgl. Fig. 4, der Strom in der Wicklung --36-- des A-Phasen-Magneten --40-- mit voller Stärke fliesst, addiert sich der erzeugte Magnetfluss zu dem durch den Permanentmagneten --40-- in den Pol- flächen a'-erzeugten Vormagnetisierungsfluss und subtrahiert sich von dem Vormagnetisierungsfluss, die der Magnet in den Polflächen c'-erzeugt ; damit reduziert sich der Fluss in den Polflächen-c, c'-ungefähr zu Null. Da die Zähne und a'--unmittelbar über den Zähnen --18-- der Grundplatte --12-liegen, wirkt auf den Kopf --14-- keine Kraft ein, die ihn über die Platte --12-- bewegen könnte.
Zu diesem Zeitpunkt ist der Strom iB in der Wicklung --38-- des Magneten --44-- gleich Null, und die Flüsse in den
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der Stellung nach Fig. 4.
Um den Kopf jedoch nach rechts zu verschieben, wird der B-Phasenstrom mit einer Flussrichtung angeschaltet, dass die magnetischen Flüsse in-d und d'-auf Null und die Flüsse in-b und b'-auf ihr Maximum gehen. Wenn dies geschieht, wirkt auf den Kopf --14-- eine positive Kraft ein, die ihn nach rechts (Fig. 4) bewegt.
Wenn der Kopf --14-- sich um eine Viertelteilung bewegt hat, kann der B-Phasenstrom ab- und der APhasenstrom angeschaltet werden, wobei seine Polarität der in Fig. 4 gezeigten entgegengesetzt sein muss.
Dann bewegt sich derKopf --14-- um eine Strecke nach rechts, die einer weiteren Viertelteilung entspricht, so dass die Zähne-c, c'-dann über den Zähnen --18-- auf der Grundplatte --12-- liegen. Für den nächsten Schritt kann der A-Phasenstrom ab- und der B-Phasenstrom mit einer der oben beschriebenen entgegengesetzten Polarität angeschaltet werden. Der nächste Schritt erfolgt wieder durch Anschalten des in Fig. 4 gezeigten Stroms. Eine schrittweise Bewegung in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, indem man die Ströme in der umgekehrten Reihenfolge schaltet.
Die Wicklungen --36 und 38-- und die A-Phasen-und B-Phasenmagneten lassen sich auch gleichzeitig erregen. Die an die Windungen --36 und 38-- gelegten Signale können periodisch und gegeneinander um 90 phasenverschoben sein. Beispielsweise kann man Sinussignale an die Wicklung-36-- und Cosinussignale an die Wicklung --38-- legen. Wenn dies der Fall ist, erfolgt die Bewegung des Kopfes-14-- nicht schrittwei- se, wie es die vorigen Absätze beschreiben, sondern kontinuierlich. Die Richtung der Bewegung des Kopfes - über die Platte --12-- lässt sich umkehren, indem man die Phase eines der Eingangssignale - wie z. B. das Sinussignal - umkehrt oder die Vektoren der Eingangssignale in der entgegengesetzten Richtung dreht.
Die oben beschriebene Vorrichtung erzeugt in vorteilhafter Weise eine Bewegung des Kopfes --14-- re-
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den Eingangssignale. Mit andern Worten, der Kopf --14-- legt eine der Teilung der Zähne --18-- entspre- chende Strecke zurück, wenn die an den Wicklungen --36 und 38-- liegenden Signale um eine Periode weitergelaufen sind. Weiterhin lässt sich der Kopf schneller beschleunigen und verlangsamen als bei Asynchronmotoren.
Die Beschleunigung und Verlangsamung des Kopfes und dessen gesteuerte Bewegung in Synchronismus mit der Periodizität der Eingangssignale werden weiterhin dadurch erleichtert, dass während der Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte zwischen diesen beiden keinerlei Reibung auftritt. Da keine Reibung zwischen Kopf und Grundplatte auftritt, kann der Kopf verhältnismässig leicht sein. Dieser Umstand erleichtert eine schnelle Beschleunigung und Verlangsamung des Kopfes und erleichtert weiterhin den schnellen Übergang des Kopfes von einer in eine andere Stellung.
Wie ersichtlich, kann der Kopf --14-- ein Arbeitsgerät --48-- in Form eines Werkzeuges oder eines Schreibstiftes tragen. Die verschiedenen Teile der Vorrichtung - einschliesslich der Grundplatte --12-- und des Kopfes --14-- - sind leicht zugänglich, und das Arbeitsgerät --48--, d.h. das Werkzeug oder der Schreibstift, lässt sich leicht beobachten. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Arbeitsgerät --48--unmittelbar vom Kopf getragen wird, so dass die Stellung dieses Arbeitsgerätes in direkter Beziehung zur Stellung des Kopfes steht.
Da die Wicklungen --36 und 38-- periodische Signale erhalten, die der Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte entsprechen, lässt sich die Bewegung des Kopfes entlang jeder der Koordinatenachsen in jedem Augenblick durch die Anzahl der Perioden und deren Teile bestimmen, die an den Wicklungen --36 und 38-liegen. Weiterhin lässt sich die Bewegung des Kopfes entlang jeder der Koordinatenachsen durch magnetische
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Fühler ermitteln, die sich mit dem Kopf über die Zähne --18-- bewegen und ein Signal erzeugen, dessen Amplitude minimal ist, wenn die Fühler über die Nuten --16-- laufen.
Auf diese Weise erzeugen die Fühler periodische Signale, deren Periode der Bewegung des Kopfes um eine Strecke entspricht, die gleich der Teilung zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen --18-- ist.
Wie bereits beschrieben, befindet sich der Kopf --14-- zwar auf Abstand, aber in unmittelbarer Nähe der Grundplatte --12--. Die Aufrechterhaltung dieses Abstandes lässt sich auf verschiedene Weise, z. B. durch eine Luftkissenlagerung, erzielen. Beispielsweise kann die Steuer leitung --50-- (Fig. 4a) die Zuführung einer Druckluftversorgung darstellen. Die Luftzuführung dieser Steuerleitung mündet in einem Rohr
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Der oben beschriebene Linear-Synchronmotor erzeugt eine Bewegung des einen Kopfes relativ zur Grundplatte entlang linearer Koordinatenachsen, wie beispielsweise einer X- und einer Y-Achse. Wie jedoch einzusehen ist, lässt sich im Rahmen der Erfindung auch eine Bewegung entlang anderer Koordinatenachsen vorsehen, ohne vom Erfindungsgegenstand abzugehen. So lassen sich z. B.
Synchronmotoren verwenden, bei denen die Bewegung nach Polarkoordinaten oder eine Drehung um eine bestimmte Achse erfolgt.
Die Grundgleichung für die magnetische Kraft in Synchronmotoren nach dem Prinzip des veränderlichen magnetischen Widerstandes ist :
F = dw/dx, (Gl. l) wobei bedeutet :
F = magnetische Kraft zwischen dem Kopf --14-- und der Grundplatte --12--, w = Energieinhalt des magnetischen Feldes, x = Verschiebung des Kopfes --14-- relativ zur Grundplatte --12-- entlang der X-Achse.
Für magnetische Anordnungen mit Weicheisen-Flusspfaden ist bekannt, dass
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ist, wobei
MMK = magnetomotorische Kraft zwischen dem Kopf --14-- und der Grundplatte --12-- und
P = magnetische Permeanz (Kehrwert des magnetischen Widerstandes bzw. der Reluktanz) zwi- schen dem Kopf --14-- und der Grundplatte --12--.
Aus der Gleichung 2 lässt sich die Kraft zwischen dem Kopf --14-- und der Grundplatte --12-- für jede Achse ableiten. Es gilt also :
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wobei
Fx = Kraft zwischen Kopf und Grundplatte in X-Richtung, ferner
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wobei
Fy = Kraft zwischen Kopf und Grundplatte in Y-Richtung, und
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wobei
Fz = Kraft zwischen Kopf und Grundplatte in Z-Richtung, d. h. der zur Grundplatte --12-- senk- rechten Achse.
Wenn ein Zahn - z. B. derZahn--a--imPolstüclz--28---sichrelaüvzurGrundplattebewegt, ändert sich die Permeanz zwischen Zahn und Grundplatte nach folgender Beziehung :
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k = konstanter Faktor, p = Teilung zwischen den Zähnen --18-- und der Grundplatte --12--.
Es gilt also :
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Da jedes Polstück zwei um 1800 versetzte Zähne aufweist (z. B. sind die Zähne --a und c-auf dem Polstück --28-- um 180 versetzt),hebt sich der konstante Term Po gemäss Gleichung 4 auf, so dass die Tangentialkraft für den A-Phasen-Magneten --20-- sich ausdrücken lässt als :
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wobei
FA = Kraft zwischen dem Magneten --20-- und der Grundplatte in X-Richtung, cA = konstanter Faktor, iA = Strom in der Wicklung-36-.
In analoger Weise lässt sich die Kraft für den B-Phasen-Magneten-22-- ausdrücken als :
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wobei
FB = Kraft zwischen dem Magneten --22-- und der Grundplatte in X-Richtung, eB = konstanter Faktor, iB = Strom durch die Wicklung-38-.
Wie oben beschrieben, stehen die Ströme durch die Wicklungen --36 und 38-periodisch in Beziehung zu der Verschiebung zwischen dem Kopf und der Grundplatte, d. h. zu der zwischen der Grundplatte und den den entsprechenden Wicklungen zugeordneten Magneten erzeugten Kraft. iA und iB lassen sich daher mit trigonometrischen Funktionen des Arguments
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ausdrücken.
Wenn iA = I. cos (2 7rx/p)
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iB = I. sin (2 71'x/p) ist, gilt
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wobei eA = OB = c = konstanter Faktor,
1 = Spitzenwert des Stromes durch jede der Wicklungen --36 und 38--.
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Die obigen Darlegungen basieren auf der Annahme, dass der Zeiger der Bewegung des Kopfes --14-- relativ zur Grundplatte --12-- entlang jeder Achse um 900 gegenüber dem Zeiger der an die Wicklungen für diese Achse angelegten Eingangsströme phasenverschoben ist, wie bei den Wicklungen --36 und 38-- für die X-Achse. Typisch für den Erfindungsgegenstand ist jedoch, dass der Leistungswinkel zwischen dem Vektor der augenblicklichen Lage des Kopfes relativ zur Grundplatte und dem Vektor der resultierenden Ströme, die in jedem Augenblick an den Wicklungen-36 und 38-für die X-Achse liegen, steuerbar gemacht wird. Dies lässt sich erreichen, indem man die Ströme an den Wicklungen-46 und 38--um einen Winkel 0 vor-oder nacheilen lässt.
Die Ströme iA und iB ergeben sich also in Wirklichkeit zu
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und
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Hiemit wird
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Wie aus dem folgenden Beschreibungsteil hervorgeht, stellt e einen steuerbaren Winkel dar. Die Tatsa- che, dass ein Winkel e zwischen dem Vektor der augenblicklichen Lage des Kopfes relativ zur Grundplatte und dem Vektor der resultierenden, in diesem Augenblick an den Wicklungen-36 und 38-- für die X-Achse liegenden Ströme besteht, führt zu einer Kraft, die die Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte verursacht. Bei dieser Steuerung entspricht die Ist-Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte in jedem Augenblick sehr genau der für diesen Augenblick gewünschten Soll-Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte.
Die Erzeugung des Leistungswinkels e ist in Fig. 5 gezeigt. Der Zeiger der Verschiebung des Kopfes - relativ zur Grundplatte --12-- entlang einer bestimmten Achse wie der X-Achse ist bei --70-- angezeigt. Eine um 900 verschobene Komponente wird in das System eingebracht und ist bei --72-- gezeigt. Diese um 90 verschobene Komponente lässt sich auf verschiedene Art und Weise steuern, wie es im folgenden beschieben wird. Die Kombination der vektoriellen Komponenten --70 und 72-- ergibt einen Vektor --74--, der den Zeiger der an die Wicklungen-wie die Wicklungen-36 und 38--für dieX-Richtung gelegten Signale darstellt. Der Winkel e zwischen den Vektoren --70 und 74-- stellt den Leistungswinkel zwischen den Eingangssignalen zum Kopf und der augenblicklichen Stellung des Kopfes dar.
Der Leistungswinkel lässt sich als ein Federsystem betrachten, das eine Kraft nach der Funktion (sin 0) erzeugt und zwischen demKopf --14-- und der Grundplatte --12-- in Richtung einer bestimmten Achse-wie der X-Achse-liegt. Betrachtet man den Leistungswinke1 derart als Federsystem, dann wird dieser gespannt, um nach Massgabe der Federspannung auf den Kopf relativ zur Grundplatte eine Kraft in Richtung einer bestimmten Achse-wie der X-Achse-auszuüben. Die resultierende Verschiebung des Kopfes verursacht eine Rückstellung der Feder, wenn der Leistungswinkel nicht auf irgendeine andere Weise aufrechterhalten wird.
In Fig. 6 ist ein Ersatzschaltbild eines Synchronmotor dargestellt, der nach den Prinzipien einer offenen Regelschleife arbeitet. Der Synchronmotor und die entsprechende träge Last sind gestrichelt bei-80- gezeigt. Die Eingangssignale werden über Speiseleitungen an den Motor gelegt, die als einfache Leitung - angedeutet sind. In Fig. 6a können die Eingangssignale einen mit A bezeichneten Phasenwinkel aufweisen. Die Signale auf der Leitung --82-- sind schematisch als an ein Differential --84-- gelegt dargestellt.
Die Ausgangssignale des Differentials --84-- werden nach einer beschreibenden Übertragungsfunktion bewertet, die bei --86-- schematisch als Teil des Synchronmotors --80-- dargestellt ist. Die beschreibende Übertragungsfunktion --86-- ist als D (A, j M) dargestellt, wobei A die Eingangssignale auf der Leitung --82--, D die beschreibende Übertragungsfunktion und j co eine Frequenzfunktion der an die Lei- tung --82-- angelegten periodischen Signale ist. Die beschreibende Übertragungsfunktion --86-- ist in Wirklichkeit nichtlinear, lässt sich aber innerhalb eines bestimmten begrenzten Wertebereiches als eine Konstante Km betrachten.
Die durch die beschreibende Übertragungsfunktion --86-- dargestellte Ausgangsgrösse stellt eine Kraft
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Beschleunigung, die eine bestimmte Kopfgeschwindigkeit bewirkt, und 1/s2 ein Doppelintegral der Beschleunigung ist, die eine Verschiebung des Kopfes bewirkt. Innerhalb des Motors --80-- ist eine Leitung --89-- gezeigt, die eine mechanische Rückführung der Rückstellung der Feder darstellt, die bei der Bewegung des Kopfes die dem Leistungswinkel e entsprechende Kraft ausübt.
Die Übertragungsfunktion, die den Synchronmotor und die Kopfmasse nach Fig. 6 beschreibt, lässt sich ausdrücken als
Gh (s) = x (s)/A, (Gl. 9) eine grundlegende Gleichung für Regelsysteme, die auf Seite 50 des Buches "Control Engineering" von Gordon Murphy, Boston Technical Publishers, Inc., 1965, angegeben ist. In dieser Gleichung ist
A = das Eingangssignal des Synchronmotors-80-- in Zeigerdarstellung, x = die tatsächliche Verschiebung des Motors --80-- relativ zur Grundplatte in Zeigerform, s = eine komplexe variable Funktion und
Gh (s) = das Verhältnis der Übertragungsfunktion der Motorverschiebung zu den Eingangssignalen.
Die Gleichung 9 lässt sich-entsprechend der Diskussion auf Seite 50 des genannten Buches-auch ausdrücken als
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Wie oben beschrieben, stellt die beschreibende Funktion D (A, j co) für einen begrenzten Wertebereich eine Konstante Km dar. Entsprechend lässt sich die Funktion G (s) umschreiben als
G (s) = Km ! Ms2, (GI. 11) wobei
Km = konstanter Faktor,
M = Masse des Kopfes und
1/s2 = Doppelintegral zur Umsetzung einer Beschleunigung in eine Verschiebung.
Durch Einsetzen der Gleichung 11 in die Gleichung 10 erhält man
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Fig. 7 zeigt eine Steuerstufe zur Erzeugung einer Zeigerwinkeldrehung (des weiteren auch als "PAR" be- zeichnet), die in weiteren Ausführungsformen enthalten ist. Ein"Zeiger" lässt sich als vektorielle Darstellung des Augenblickwertes eines Parameters wie eines Eingangssignals oder der Verschiebung des Kopfes betrachten.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten PAR kommen die auf zwei Leitungen --90 und 92-- anliegenden Steuersignale von einem Steuergenerator --94--, insbesondere einem Digital-Analog-Resolver. Das Signal auf der Leitung --90-- lässt sich als P. cos ss und das Signal auf der Leitung --92-- als P. sin ss darstellen, um eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen den Signalen, z. B. einen Phasenabstand von 900, anzudeuten. Das Signal auf der Leitung --90-- wird an eine Inverterstufe --95-- gelegt, wo das Signal P. cos ss durch Multiplikation mit (-1) in ein Signal (-P. cos ss) umgewandelt wird.
Die Signale aus dem Steuergenerator --94-gehen zusammen mit Signalen veränderlicher Amplitude von einem Anschluss --98-- an einen Multiplizierer - -96--. Die Signale vom Anschluss --98-- haben eine veränderliche Amplitude, können eine unabhängige Variable darstellen und lassen sich durch einen Wert U bezeichnen. Die Signale werden zwischen dem Anschluss - -98-- und einem Anschluss --99-- erzeugt, der auf einem Bezugspotential, wie Massepotential, liegt. Die veränderliche Spannung U ist vorgesehen, um den in Fig. 5 gezeigten Leistungswinkel e zu steuern.
Die Signale aus dem Multiplizierer --96--lassen sich als UP. cos ss darstellen und gelangen zu einem Addierer --100--, der auch die Signale P. sin ss von der Leitung-92-- erhält. Die Ausgangssignale des Addierers --100-- gelangen zu einem Anschluss-102-. In gleicher Weise werden die Signale von der Leitung --92-- zusammen mit den Signalen U, die zwischen den Anschlüssen --98 und 99-- liegen, einem zwei-
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ten Multiplizierer --104-- zugeführt. Die Ausgangssignale des Multiplizierers --104-- haben die Form UP. sinss.
Diese Signale und die Signale von der Leilung --90-- gehen an einen Addierer --106--, dessen
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P (J. sinss-U. oosss) darstellen, die Signale am Anschluss --108-- analog als
P (cosjS+JU. sinss).
Die sich zwischen den Anschlüssen-108 und 102-- ergebenden Signale lassen sich darstellen als P = P (cosss +Jsinss) +UP (sinss-Jcosss), (Gl. 13) wobei zur Darstellung des Phasenabstandes von 90 zwischen den Signalen auf der Leitung --92-- zu denen auf der Leitung --90-- und P = Vektor der zwischen den Anschlüssen --108 und 102-- anstehenden Signale.
Die Funktion der in Fig. 7 gezeigten PARs ergibt sich aus der Fig. 7a, in der ss den augenblicklichen Winkel der Signale auf den Leitungen --90 und 92--und # die von dem PAR der Fig. 7 erzeugte Phasenverschiebung darstellt. In der Fig. 7a ist P die zusammengefasste Phase der Eingangssignale auf den Leitungen - 90 und 92-- und UP der von dem PAR erzeugte Vektor. Der sich aus den Signalen ergebende Vektor zwi-
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wobei der Faktor #+U2 daraus folgt, dass Po die Hypotenuse des rechtwinkligen Dreiecks mit den Katheten P und UP ist.
Wie aus Fig. 7a ersichtlich, hängt die Amplitude des Vektors P vom augenblicklichen Wert des Signals
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Ptungen --90 und 92-- Signale der Form
P. cosss bzw. P. sinss.
Die Signale der Leitung --90-- werden in einer Stufe --95--, die mit der Stufe --95-- der Fig.7 identisch ist, mit (-1) multipliziert. Die Ausgangssignale der Stufe --95-- laufen zu einer Stufe --96--, die mit der Stufe --96-- in Fig.7 identisch ist. Entsprechend ist die Stufe --104-- der Stufe --104-- in Fig.7 identisch. Die Stufen --96 und 104-- nehmen die Signale der Anschlüsse-98 und 99-- auf, die ebenfalls mit den Anschlüssen-98 und 99--der Fig .7 identisch sind.
Die Ausgangssignale des Multiplizierers -96-- liegen an einem Addierer --110--, der auch die Signale des Multiplizierers --112-- aufnimmt. Der Multiplizierer --112-- multipliziert die Signale der Leitung - mit den Signalen, die die Stufe --116-- aus den Signalen U zwischen den Anschlüssen-98 und 99-erzeugt. Die Ausgangssignale der Steuer stufe --116-- lassen sich darstellen als #. Entsprechend multipliziert ein Multiplizierer --114-- die Signale von der Leitung --90-- und die Signale von der Steuerstufe --116-- und gibt sie auf einen Addierer --118--, wo sie zu den Signalen des Multiplizierers --104-addiert werden. Die Ausgangssignale der Addierer --110 und 118-- liegen an den Anschlüssen --120 bzw.
122--.
Die Signale P zwischen den Anschlüssen-120 und 122-- haben eine konstante Amplitude, wie es die
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Wert
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und der andere den Wert #hat. Das resultierende Signal P lässt sich ausdrücken als
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Da die von dem in Fig. 8 gezeigten PAR erzeugten Signale P trotz veränderlicher Spannung U eine kon- stante Amplitude haben, können sie diejenigen Eingangsstufen, die den Betrieb des Synchronmotor steuern, nicht sättigen. i Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer der in Fig. 6 gezeigten ähnlichen offenen Regelschleife, aber zu- sätzlich mit einem Beschleunigungseingang, der mit xi (s) bezeichnet ist. Diese Signale werden über eine Leitung-130-- geführt, mit einem.
Faktor K bewertet und in der bewerteten Form einem Addierer --132-- zugeführt, der sie zu den Signalen von einer Leitung --134-addiert, die eine vorgegebene Verschiebung xi (s) darstellen. Die Ausgangssignale des Addierers --132-- werden auf den Motor --80-- gegeben, der ebenfalls in Fig. 6 gezeigt ist. Der Motor --80-- ist als Funktion
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nach Gleichung 12 dargestellt. Die Verschiebung des Motors relativ zur Grundplatte entspricht der Grösse XO (s).
Die Eingangsgrösse A (s) zum Motor --80-- lässt sich darstellen als
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wobei s2 eine doppelte Differenzierung darstellt. Weiterhin, wie aus Gleichung 9 ersichtlich, gilt
A (s). Gh (s) = x (s). (Gl. 17)
Indem man in Gleichung 17 die Werte für Gh (s) und A (s) einsetzt, ergibt sich
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und
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Wie aus der Gleichung 18 ersichtlich, nähert sich die tatsächliche Verschiebung x (s) des Kopfes der vorgegebenen Verschiebung xi (s) entsprechend den am Kopf liegenden Eingangssignalen umso mehr, je genauer K gleich M/Km wird. Wie einzusehen ist, ist es wünschenswert, dass die Ist-Verschiebung in jedem Augenblick der für diesenAugenblick gewünschten Soll-Verschiebung nahekommt oder ihr gleich ist.
Es stellt also einen Vorteil dar, wenn man auf der Leitung --130-- in Fig. 9 eine Eingangsgrösse vorsieht, die der erlaubten Soll-Beschleunigung des Kopfes in jedem Augenblick entspricht. Dieser Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass eine Einstellung des Bewertungsfaktors K für die Soll-Verschiebung einen flexiblen Betrieb des Synchronmotor erlaubt, da sich damit die Ist-Verschiebung des Kopfes der Soll-Verschiebung annähern lässt, indem man den Faktor K optimal relativ zum Wert M/Km einstellt. Jedoch kann die offene Regelschleife nach Fig. 9 zu Schwierigkeiten führen, wenn keine idealen Bedingungen vorliegen. Wenn z. B. der Kopf des Synchronmotor zu schwingen anfängt, lassen sich diese Schwingungen mangels besonderer Massnahmen nicht dämpfen.
Wie einzusehen ist, können solche Schwingungen infolge einer Vielzahl von Faktoren auftreten, beispielsweise infolge von auf den Kopf einwirkenden Störungen.
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Fig. 9a zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Digitalausführung der offenen Regelschleife nach
Fig. 9, wie sie bereits im wesentlichen in der deutschen Offenlegungsschrift 2123 872 beschrieben ist. Diese Ausführung weist eine Leitung --140-- auf, in der digitale Signale die Teilschritte der vorgegebenen Verschiebung xi (s) darstellen, während die Signale auf einer Leitung --142-- den Inkrementen der gewünschten Beschleunigung des Kopfes entsprechen. Die Signale auf der Leitung --142-- werden mit dem Faktor K bewertet und in einem digitalen Addierer --144-- zu den Signalen der Leitung --140-- addiert.
Die Signale gelangen dann an einen Digital-Analog-Resolver-146-, der zwei um 900 verschobene Signale, nämlich ein Sinus- und ein Cosinussignal, erzeugt, die die Eingangssignale des Synchronmotor darstellen.
Fig. 9b stellt schematisch ein Blockschaltbild einer Analogausführung des Systems der Fig. 9 dar. In dieser Ausführungsform werden digitale Signale, die die Inkremente einer Soll-Verschiebung xi darstellen, einem Digital-Analog-Resolver --148-- und digitale Signale, die den Inkrementen der Soll-Beschleunigung X. entsprechen, einem Digital-Analog-Umsetzer --150-- zugeführt. Die Stufe --152-- bewertet die Ausgangssignale des Umsetzers --150-- mit dem Faktor K und gibt sie auf einen PAR --154--, der auch die Ausgangssignale des Resolvers-148-enthält. Der PAR-154-kann auf gleiche Weise aufgebaut sein wie jener der Fig. 7 oder 8.
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild mit geschlossener Regelschleife zwecks Erzielung einer verbesserten Steuerung. In Fig. 10 werden die Signale, die die Soll-Verschiebung xi (s) darstellen, auf einer Leitung --160-- und die der Soll-Beschleunigung xi (s) entsprechenden Signale auf einer Leitung --162-- übertragen.
Die Signale auf der Leitung --162-- werden in einer Steuerstufe --164-- mit dem Faktor K bewertet und einem Vergleicher bzw. einemKomparator-166-- zugeführt, wobei der Ausdruck"Vergleicher"als demAus- druck "Komparator" gleichwertig verwendet wird. Die Signale des Vergleichers --166-- werden auf einen PAR --168-- (vgl. Fig. 7 und 8) gegeben, der sie mit den Signalen xi (s) auf der Leitung-160-- verknüpft.
Die Ausgangssignale des PARs --168-- werden dem Synchronmotor --170-- zugeleitet. Die resultierende Verschiebung des beweglichen Kopfes relativ zur stationären Grundplatte im Synchronmotor wird erfasst und
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um Signale zu erhalten, die die Ist-Beschleunigung x (s) des beweglichen Kopfes relativ zur stationären Grundplatte darstellen.
Alternativ lässt sich auf dem Kopf ein Akzelerometer vorsehen, das direkt Signale
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Die Eingangsgrösse A (s) zum Synchronmotor lässt sich darstellen als
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Diese Gleichung lässt sich auch schreiben als
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Da
A (s) = x (s)/Gh (s) ist (vgl. Gl. 17), gilt
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Durch Umstellung der Gleichung ergibt sich
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Durch Einsetzen des Ausdrucks für Gh (s) nach Gleichung 12 folgt :
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xdes Kopfes erhöht wird. Eine Senkung der Resonanzfrequenz des Kopfes ist erwünscht, da diese dann niedriger ist als die Frequenzen, bei denen Störungen gewöhnlich auftreten.
Durch Aufnahme des Terms K erhöht sich ausserdem die Flexibilität der Steuerung des Synchronmotors-170--, so dass die Istverschiebung x (s) des Kopfes der Sollverschiebung 4. (s) des Kopfes weiter angenähert werden kann. Wie bereits für die Ausführungsform der Fig. 9 angegeben, bewirkt die Aufnahme eines zusätzlichen Terms wie des Terms Keine
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Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild mit einer Regelschleife, bei dem die Geschwindigkeit darstellende Signale zum Eingang des Synchronmotors --180-- rückgeführt werden. In der in Fig. ll gezeigtenAusführungs- form werden die Sollverschiebung xi (s) darstellende Signale über eine Leitung --182-- auf einen Addierer - gegeben, der auch auf der Leitung --186-- die Solleschleunigung # darstellende Signale erhält, nachdem sie in einer Stufe --188-- mit dem Faktor K bewertet wurde.
Die Signale vom Addierer --184-- gelangen zu einer Steuerstufe --190-- in Form eines Addierers oder PARs, ebenso wie die Signale aus einem Vergleicher --192--. Der Vergleicher --192-- erhält auf der Lei- tung-194-Signale, die die Sollgeschwindigkeit xi des bewegten Kopfes relativ zu der feststehenden Grundplatte darstellen, nachdem sie in der Steuerstufe --196-- mit einem Faktor f bewertet wurden. Der Vergleicher --192-- erhält weiterhin überdie Leitung --200-- Signale, die die Istgeschwindigkeit x des beweglichen Kopfes darstellen.
Alternativ lässt sich auf dem Kopf ein Akzelerometer vorsehen, das der Istbeschleunigung # des Kopfes entsprechende Signale liefert, die dann integriert werden, um der Istgeschwindigkeit indes Kopfes entsprechende Signale zu erhalten.
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Ausgangssignale die Istgeschwindigkeit #des beweglichen Kopfes darstellen und in einer Steuerstufe --206-mit dem Faktor f bewertet werden.
Die an den Synchronmotor-180-- in Fig. ll angelegten Signale lassen sich darstellen als
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Gleichung 21 lässt sich umschreiben zu
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Da nach Gleichung 17
A (s) = x (s)/G (s) ist, gilt
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und somit
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Das in Fig. 11 gezeigte System lässt sich unter allen Bedingungen, d. h. auch unter äusseren Störungen und bei unvollkommenen Motorelementen, stabil halten. Diese Stabilität wird erreicht durch Rückführung von die Istgesohwindigkeltx des beweglichen Kopfes darstellenden Signalen zum Motoreingang.
Weiterhin können Signale, die die Sollgeschwindigkeit xi des beweglichen Kopfes darstellen, zusammen mit den die Istgeschwin- digkeit x des Kopfes darstellenden Signalen auf einen Vergleicher --192-- gegeben werden, so dass dessen Ausgangssignale der Differenz zwischen Soll-und Istgeschwindigkeit entsprechen. Diese Differenzen stellen Fehler dar, d. h. z. B. Schwingungen des beweglichen Kopfes. Die Fehlersignale werden sodann auf die Steuerstufe --190-- gegeben, so dass der Vergleicher --192-- den von letzterer gelieferten Leistungswinkel e steuert. Auf diese Weise werden in dem System der Fig. l Schwingungen des beweglichen Kopfes gedämpft.
Die Ausführungsform des Blockschaltbildes nach Fig. 12 entspricht der in Fig. 11 gezeigten, ausser dass eine zusätzliche Rückführung für die Verschiebung des beweglichen Kopfes relativ zur feststehenden Grundplatte darstellende Signale x vorgesehen ist. Diese Signale liegen auf der Leitung --202-- und laufen zu einem Vergleicher --210-- zurück, wo sie mit den Signalen xi (s), die die Sollverschiebung des beweglichen Kopfes relativ zur feststehenden Grundplatte darstellen, verglichen werden. Die Ausgangssignale des Vergleichers --210-- stellen Verschiebungsfehler des beweglichen Kopfes dar.
Sie werden in einer Steuerstufe --212-- mit dem Faktor Ke bewertet und in einem Addierer --214-- mit den Ausgangssignalen des Addie- rers --184-- verknüpft. Die resultierenden Signale gehen dann zur Steuerstufe --190--, die ein Addierer oder ein PAR sein kann, wie dies zuvor beschrieben wurde.
Die in Fig. 12 am Motor liegende Eingangsgrösse A (s) lässt sich schreiben als
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und umschreiben zu
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Nach Umstellung der Terme in Gleichung 22 folgt :
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Da
A (s) = x (s)/G (s) ist (Gleichung 17), folgt
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Durch Einsetzen des Ausdrucks für Gh (s) aus Gleichung 12 ergibt sich
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und damit
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Das in Fig. 12 gezeigte Blockschaltbild bietet eine noch bessere Flexibilität gegenüber dem System der Fig. 11. Dies folgt aus der Tatsache, dass die Gleichung 22d der Gleichung 21d entspricht, ausser dass im Zähler und Nenner des Ausdrucks der Gleichung 22d noch der Term Ke vorliegt.
Indem man den Term Ke in den Zähler und Nenner der Gleichung 22d aufnimmt, lässt sich der Wert Ke derart auswählen, dass die Istverschiebung x des bewegten Kopfes unter verschiedenen Betriebsbedingungen an die Sollverschiebung xi des Kopfes herankommt. Durch Aufnahme des Terms Ke in den Zähler und den Nenner der Gleichung 22 liegt ein weiterer Term vor, dessen Wert sich so einstellen lässt, dass sich eine stabile Regelschleife ergibt.
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Die Fig. 13a bis 13g zeigen eine Reihe von Blockschaltbildern mit Geschwindigkeitsrückführung, um eine Dämpfung der Bewegung des bewegten Kopfes zu erreichen. An Stelle oder zusätzlich zu der Geschwindigkeitsrückführung können gemäss diesen Blockschaltbildern auch Signale, die Funktionen der Soll- und der Istgeschwindigkeit des Kopfes darstellen, auf einen Vergleicher gegeben werden, um Signale abzuleiten, die der Differenz zwischen diesen Funktionen entsprechen. Ferner lassen sich verschiedene Kombinationen der Sollverschiebung,-geschwindigkeit und-beschleunigung auf den Synchronmotor geben, um dessen Leistungswinkel zu steuern.
Schliesslich lassen sich die die Funktionen der Istgeschwindigkeit des beweglichen Kopfes darstellenden Signale erzeugen, indem man Signale x erzeugt, die die Istbeschleunigung des Kopfes darstellen, und diese ein- oder zweimal integriert, um Signale zu erhalten, die die Istgeschwindigkeit ko bzw. die Istverschiebung x darstellen.
In der in Fig. 13a gezeigten Ausführungsform liegt eine digitale Anordnung vor, bei der Inkremente einer Sollverschiebung xi, einer Sollbeschleunigung Kxi und einer Sollgeschwindigkeit fxi auf den Synchronmotor, nämlich auf seinen beweglichen Kopf, gegeben werden. Die die Inkremente von xi und Kxi darstellenden digitalen Signale werden in einem Addierer --220-- verknüpft. Die die Inkremente der Sollgeschwindigkeit ei darstellenden Signale werden in einem Vergleicher --222-- mit Signalen verknüpft, die Inkremente der Ist-
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x darstellen ;--224-- auf einen Addierer --226-- gegeben, der sie zum Ausgangssignal des Addierers --220-- addiert.
Das Ausgangssignal gelangt zu einem Digital-Analog-Resolver --228--, dessen Analog-Ausgangssignal auf den Synchronmotor gegeben wird.
In der in Fig. 13b gezeigtenAusführungsform liegen nur Signale vor, die digitale Inkremente der Sollverschiebung xi und der Sollbeschleunigung xi des beweglichen Gliedes, z. B. des Kopfes, darstellen. Die die Sollbeschleunigung xi darstellenden Signale werden mit dem Faktor k bewertet und auf einen Addierer - gegeben, der sie zu den Signalen addiert, die Inkremente der Sollverschiebung xi des beweglichen Kopfes darstellen.
Die die Inkremente der Sollbeschleunigung Xi darstellenden Signale werden weiterhin auf einen Vergleicher --232-- gegeben, der sie mit den die Inkremente der Istbeschleunigung x des beweglichen Kopfes darstellenden Signalen verknüpft.
Die Ausgangssignale des Vergleichers --232-- stellen Inkremente des Fehlers zwischen der Soll- und der Istbeschleunigung des beweglichen Kopfes dar. Diese Fehlersignale integriert eine Steuerstufe --234--, und nach einer Bewertung mit dem Faktor f gelangen sie zu einem Addierer --236--, der ihnen die Ausgangssignale des Addierers --230-- hinzuaddiert. Die Ausgangssignale des Addierers --236-- werden auf einen Digital-Analog-Resolver-238-- gegeben, der die Digitalsignale in Analogsignale umsetzt, um dem Synchronmotor zugeführt werden zu können.
Die in Fig. 13 c gezeigte Ausführungsform ist teils digital, teils analog aufgebaut. Digitale Signale, die
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einem Faktor k bewertet wurden. Die Ausgangssignale des Addierers --240-- gelangen zu einem Digital- Analog-Resolver --242--, der sie in die analoge Form umsetzt. Die Analogsignale aus dem Resolver - werden sodann auf eine Stufe wie z. B. den PAR --244-- gegeben, der den Leistungswinkel e steuert.
Diese Signale liegen dann am Motor und bewirken eine Verschiebung des beweglichen Kopfes relativ zur feststehenden Grundplatte.
Sodann werden vom beweglichen Kopf her analoge Signale geliefert, die als x bezeichnet sind und die
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die Sollgeschwindigkeit des beweglichen Kopfes relativ zur feststehenden Grundplatte darstellen. Die Signale aus dem Vergleicher --246-- stellen Fehlersignale dar, die den Differenzen zwischen den Soll-und den Istgeschwindigkeiten des beweglichen Kopfes entsprechen. Diese Signale werden auf den PAR --244-- gegeben, 1m einen Teil des vom PAR gelieferten Leistungswinkels zu steuern und die Bewegung des Kopfes zu dämpfen. Die in Fig. 13d gezeigte Anordnung stellt eine Abänderung der in Fig. 13c gezeigten Anordnung dar. In der in. Fig. 13dgezeigtenAnordnung werden die die Sollbeschleunigung xi darstellenden Signale einemDigital-Ana- log-Resolver --250-- zugeführt, der sie in die analoge Form umsetzt.
Die Analogsignale gelangen sodann zu 3inem Vergleicher --252--, wo sie mit analogen Signalen x verknüpft werden, die der Istbeschleunigung des jeweglichen Kopfes, relativ zur feststehenden Grundplatte entsprechen. Die Fehlersignale des Vergleichers - werden in der Steuerstufe --254-- integriert, deren Ausgangssignale der Differenz zwischen den Istmd Sollgeschwindigkeiten des beweglichen Kopfes entsprechen. Die Fehlersignale der Steuerstufe --254-- N'erden mit dem Faktor fo bewertet und auf eine Steuerstufe PAR --256-- gegeben, um den Leistungswinkel zu steuern. Der PAR --256-- entspricht dem PAR --244-- der Fig. 13c.
Die Ausführungsform der Fig. 13e arbeitet ebenfalls teils analog und teils digital. Hier werden die digi- ; alen Signale xi, die die Inkremente der Sollverschiebung des beweglichen Kopfes darstellen, einem Digital-
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siert und in einem Vergleicher-266-- mit Signalen x verglichen, die die Istbeschleunigung des beweglichen Kopfes relativ zur Grundplatte darstellen. Die Ausgangssignale, die den Beschleunigungsfehlern entsprechen, werden in den Geschwindigkeitsfehlern entsprechende Signale umgesetzt und gelangen über einen Addierer - -268-- an den PAR --262--, wie es für die Ausführungsform der Fig. 13d erläutert wurde.
Die die Istbe- schleunigung darstellenden Signale werden mit dem Faktor k bewertet und ebenfalls über den Addierer - -268-- dem PAR --262-- zugeführt.
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und gelangen sodann an den Addierer-276-. In jeder andern Hinsicht ist das Schaltbild gemäss Fig. 13f mit dem Blockschaltbild der Fig. 13e im wesentlichen identisch.
Die Ausführungsform der Fig. 13g arbeitet ebenfalls vollständig mit Analogsignalen. In dieser Ausführungsform werden Analogsignale, die die Sollverschiebung xi des beweglichen Kopfes darstellen, an eine
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beweglichen Kopfes darstellenden Signale werden mit dem Faktor f bewertet und gelangen an einen Verglei- cher-282-, der sie mit Analogsignalen vergleicht, die nach einer Bewertung mit dem Faktor f der Ist- geschwindigkeit xi des beweglichen Kopfes entsprechen. Die vom Vergleicher --282-- erzeugten Fehlersi- gnale gelangen zu einem Addierer --284--, der sie zu den Signalen addiert, die der Sollbeschleunigung xi des beweglichen Kopfes, bewertet mit einem Faktor k, entsprechen.
Die Ausgangssignale des Addierers - gelangen sodann zur Leistungswinkelsteuerung zum PAR-280'-.
Fig. 14 zeigt ein Blockschaltbild zur Steuerung des beweglichen Kopfes relativ zu einer feststehenden
Grundplatte entlang eines Paares von Koordinatenachsen, z. B. die X- und die Y-Achse. Das Blockschalt- bild der Fig. 14 dämpft auch eine Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine Achse, die zu der von der X- und der Y-Achse aufgespannten Ebene im wesentlichen senkrecht liegt. Nach Fig. 14 liegen auf den
Leitungen --300 und 302-- zwei digitale Signale, die die positiven oder negativen Inkremente der Sollver- schiebung xi des beweglichen Kopfes darstellen. Diese Signale werden vom Digital-Analog-Resolver --304-in Analogsignale umgesetzt, die der Sollverschiebung des Kopfes entlang der X-Achse entsprechen. Die vom Resolver --304-- gelieferten Signale stehen untereinander in bestimmter Phasenbeziehung und können z. B.
Sin- und Cos-Signale sein. Diese Signale werden sodann auf ein Paar PARs --306, 308-- gegeben und gelangen danach über Verstärker-305, 307-- an die entsprechenden Wicklungen des beweglichen Kopfes.
Digitale Signale, die Inkremente der Sollbeschleunigung xi des beweglichen Kopfes entlang der X-Achse darstellen, liegen auf einer Leitung --310-- und werden durch einen Digital-Analog-Umsetzer --312-- in Analogsignale umgesetzt. Die Ausgangssignale des Umsetzers --312-- können in einer Steuerstufe --314-integriert werden, deren Ausgangssignale dann der Sollgeschwindigkeit xi des beweglichen Kopfes in X-Richtung entsprechen. Alternativ können Signale, die Inkremente der Sollgeschwindigkeit xi darstellen, auf der Leitung --316-- vorliegen und durch einen Umsetzer --328-- analogisiert werden. Die Ausgangssignale des Umsetzers --318-- oder des Integrators --314-- werden einemAddierer --320-- zugeführt, der sie zu den die Sollbeschleunigung darstellenden Ausgangssignalen des Umsetzers --312-- addiert.
Die Ausgangssignale des Addierers --320-- gelangen an einen Vergleicher --322--, dessen Ausgangssignal mit dem Faktor k bewertet wird, und sodann an ein Schalttor-323-. Die durch das Schalttor-323-laufenden Signale erreichen einen Kondensator --324-- und laden diesen. Im Kondensator --324-- liegt dann ein Analogsignal, das eine Vorspannung für die durch einen Vergleicher --326-- laufenden Signale darstellt, vor. Diese Signale erzeugt ein am Kopf --330-- angeordnetes Akzelerometer --328--, um die Beschleunigung des Kopfes relativ zur Grundplatte in X-Richtung zu erfassen. Die vom Kondensator --324-- im Vergleicher --326-- erzeugte Vorspannung gleicht Offset-Fehler aus, die in den vom Akzelerometer-328gelieferten Signalen vorliegen können, wenn die Grundplatte nicht genau waagrecht liegt.
Die Ausgangssignale des Akzelerometers-328-werden in der Steuerstufe --332-- mit dem Faktor k bewertet und gelangen dann zum Vergleicher --326--, der die Vorkomponente der Akzelerometersignale durch Subtraktion heraushebt mit der am Kondensator --324-- liegenden Spannung. Nach dem Durchlaufen des Vergleichers --326-- werden die Signale in der Steuerstufe --334-- integriert und auf ein Differential - gegeben, um die Amplitude der den Vergleicher durchlaufenden Signale zu steuern. Die Ausgangssignale des Vergleichers --322-- werden einem Addierer --336-- und einem Vergleicher --338-- zugeführt.
Die für die Y-Achse vorgesehenen Stufen entsprechen denen für die X-Achse. Unter diesen Stufen befinden sich ein Paar PARs --340 und 342--, die den PARs --306 und 308-- entsprechen. Die Ausgangssignale
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der PARs --340 und 342-- werden über Verstärker --345, 347-- den Wicklungen der Antriebsvorrichtungen - 341 und 343-zugeführt, die den Antriebsvorrichtungen --20 und 22-- der Fig.
2 entsprechen. Diese An- triebsvorrichtungen-341 und 342-- bewirken die Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte in Y-Richtung.
Unter den Steuerstufen für die Y-Richtung befindet sich weiterhin ein Addierer --344-- und ein Vergleicher j --346--, welche Stufen dem Addierer --336-- und dem Vergleicher --338-- für die X-Richtung entsprechen.
Weiterhin ist an gegenüberliegenden Enden des Kopfes --330-- ein Paar Akzelerometer --348 und 350-- vorgesehen, die die Beschleunigung des Kopfes relativ zur Grundplatte in Y-Richtung erfassen. Wie einzu-
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der Y-Achse aufgespannten Ebene im wesentlichen senkrecht verläuft, liefert das Akze lerometer --348-- ein anderes Signal. als das Akzelerometer-350-. Die Differenz zwischen den von den Akzelerometern --348 und 350-- gelieferten Signalen stellt die Drehbeschleunigung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine Achse dar, die zu der von der X-und der Y-Achse aufgespannten Ebene im wesentlichen senkrecht steht.
Die Ausgangssignale der Akzelerometer --348 und 350-- werden jeweils mit dem Faktor k bewertet und einem Addierer --352-- zugeführt, der sie addiert und dessenAusgangssignal dem Mittelwert der Ausgangssignale der Akzelerometer --348 und 350-- und der Beschleunigung des Kopfes relativ zur Grundplatte in Y-Richtung entspricht. Die Ausgangssignale des Addierers --352-- laufen zu einem Vergleicher --354--, der dem Vergleicher --326-- für die X-Richtung entspricht. Weiterhin erhält der Vergleicher --354-- Si- gnale aus einer Offset-Korrekturschleife, die der Korrekturschleife aus dem Schalttor-323--, dem Kondensator --324-- und dem Vergleicher --326-- für die X-Richtung entspricht.
Die Offset-Korrekturschleife für die Drehung um eine Achse senkrecht zu der von der X- und Y-Achse aufgespannten Ebene enthält ein Schalttor-356--, das Signale aus einem invertierenden Verstärker --350--
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Signal mit niedriger Amplitude, das die stationäre Lage des Kopfes relativ zur Grundplatte bewirkt und auf eine hohe Amplitude springt, wenn der Befehl zur Bewegung des Kopfes erteilt wird. Da diese Signale vom Verstärker --358-- invertiert werden, schliesst das Schalttor-356-- und lässt nur dann Signale hindurch, wenn der Computer befiehlt, den Kopf festzuhalten. Wenn das Schalttor-356-schliesst, läuft aus einem Vergleicher --360-- ein Signal durch das Schalttor, das die Schwerkraftkomponente und andere Beschleunigungsfehler darstellt, und lädt den Kondensator --361--.
Auf diese Weise erzeugt die Offset-Korrekturschleifen bei jeder Bewegung des Kopfes relativ zur Platte ein Signal mit einem konstanten Term, der der Spannung entspricht, die die Schleife beim letzten Stillstand des Kopfes erzeugte. Indem man eine Offset-Korrekturschleife zur Erzeugung einer Vorspannung für den
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zontale Ausrichtung der Grundplatte verursacht.
Die Signale der Akzelerometer --348 und 350-werden weiterhin einem Vergleicher --362-- zugeführt, der die Differenz zwischen den Amplituden der beiden Beschleunigungssignale hindurchlässt. Diese Amplitudendifferenz stellt diejenige Komponente der Beschleunigung dar, die sich aus der Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine Achse ergibt, die im wesentlichen senkrecht zu der von der X- undder Y-Achse aufgespannten Ebene verläuft. Das Ausgangssignal des Vergleichers --362-- geht an eine Offset-Korrektur- schleife-364-, die auf ähnliche Weise, wie es oben erläutert wurde, Fehler kompensiert, die eine nicht horizontale Ausrichtung der Grundplatte verursacht.
Die resultierenden, die Offset-Korrekturschleife --364-- durchlaufenden Akzelerometersignale werden in der Steuerstufe --366-- integriert, so dass sich Signale ergeben, die der Drehgeschwindigkeit des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine Achse entsprechen, die zu der von der X- und der Y-Achse aufgespannten Ebene im wesentlichen senkrecht liegt. Die Signale aus dem Integrator --366-- werden einem Addierer --336-- und dem Vergleicher --338-- zugeführt. Die Ausgangssignale des Integrators --366-- werden im Addierer --336-- zu den Ausgangssignalen des Vergleichers --322-- addiert und im Vergleicher --338-von den Ausgangssignalen des Vergleichers --322-- subtrahiert.
Sodann werden die Ausgangssignale des Addierers --336-- an den PAR --306-- gelegt, um den von diesem erzeugten Leistungswinkel e zu steuern. Entsprechend laufen die Ausgangssignale des Vergleichers - -338-- zum PAR --308--, um den von diesem erzeugten Leistungswinkel zu steuern.
Auf diese Weise werden die Leistungswinkel der von den PARs --306, 308-- erzeugten Signale so gesteuert, dass eine Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine Achse, die im wesentlichen senkrecht zu der von der X- und der Y-Achse aufgespannten Ebene liegt, unterbunden wird. Eine entsprechende Steuerung ist für die Leistungswinkel der Ausgangssignale der PARs --340 und 342-- für die Y-Achse vorgesehen, um eine Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um die im wesentlichen senkrecht zu der von der X- und Y-Achse aufgespannten Ebene liegende Achse weiter zu verhindern.
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Die Fig. 15 zeigt ein Blockschaltbild mit einem Induktionstachogenerator zur Verbesserung der Steuerung der Verschiebung eines beweglichen Kopfes relativ zu einer feststehenden Grundplatte durch Dämpfung der
Bewegung des Kopfes in X-und Y-Richtung und durch Unterbinden einer Drehung des Kopfes um eine senk- recht zu der von der X- und der Y-Achse aufgespannten Ebene senkrechten Achse. Das in Fig. 15 gezeigte i Blockschaltbild weist zwei Digital-Analog-Resolver --400 und 402-- auf, die die digitalen Signale, die die
Inkremente der Sollverschiebung des Kopfes relativ zur Grundplatte in X-und Y-Richtung darstellen, in analoge Signale umwandeln, die ebenfalls diese Verschiebung entlang der X-und der Y-Achse darstellen.
Das in Fig. 15 gezeigte Blockschaltbild enthält weiterhin einen Addierer --404--, der dem Addierer --320--
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Stellgrössen zur Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte in X-Richtung liefern. In gleicher Weise werden die Ausgangssignale des Resolvers --402-- auf die PARs --416 und 418-- gegeben, die über Verstärker - 415, 417-den steuerbaren Leistungswinkel zur Steuerung der auf die Antriebsglieder --419 und 420--
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gezeigt und wird unten im Detail erläutert.
Die Ausgangssignale des Induktionstachogenerators --422-- können phasenversetzt sein und folgenden Beziehungen folgen :
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und
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Kopfes relativ zur Grundplatte um eine Achse, die im wesentlichen senkrecht zu der von der X- und der Y-
Achse aufgespannten Ebene liegt. Diese Differenzsignale werden kompensiert, um die Stabilität der Steue- rung zu verbessern, und auf den Addierer --440-- und den Vergleicher --442-- gegeben.
Auf diese Weise werden die die Drehgeschwindigkeit des Kopfes darstellenden Signale im Addierer --440-- zu den Signalen i addiert, die den Geschwindigkeitsfehler des Kopfes relativ zur Grundplatte in Y-Richtung darstellen, und im Vergleicher --442-- von den Signalen subtrahiert, den den Geschwindigkeitsfehler des Kopfes relativ zur
Grundplatte in Y-Richtung darstellen.
Die Ausgangssignale des Addierers --440-- und des Vergleichers --442-- werden an den PAR --416-- bzw. den PAR --418-- geführt. Diese Signale stellen Korrektursignale dar, die Drehschwingungen des Kopfes relativ zur Grundplatte um die Achse dämpfen, die im wesentlichen senkrecht zu der von der X- und der
Y-Achse aufgespannten Ebene liegt. Weiterhin liefern ein Addierer --456-- und ein Differential --448-- Si- gnale an die PARs --408 und 410-für die X-Achse, um die Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine Achse, die senkrecht zu der von der X- und der Y-Achse aufgespannten Ebene liegt, weiter zu verhin- dern.
Die Fig. 16 zeigt eine Ausführungsform der in den Fig. 15 enthaltenen Induktionstachogeneratoren --422 und 434--. In dieser Ausführungsform weist die Grundplatte --12-- Nuten --16-- und Zähne --18-- auf,wie es in der Fig. 4 gezeigt ist. Der Tachogenerator hat ein Paar Magnete --480 und 482--, die von einem Per- manentmagneten --484-- überbrückt werden. Der Magnet --480-- ist mit einem Paar Zähnen --486 und 488-- versehen, deren Abstand p (n : 1/2) beträgt. Entsprechend weist der Magnet --482-- ein Paar Zähne --490 und 492-- auf, mit einem Abstand von p (n : 1/2). Der Abstand der Zähne auf dem Magnet --480-- und der
Zähne auf dem Magnet --482-- lässt sich ausdrücken als p (n : 1/4).
Auf den Zähnen --486 und 488-- sind die Wicklungen --493 bzw. 494-- aufgebracht und mit entgegenge- setztem Wicklungssinn in Reihe geschaltet, um die Spannung eA gemäss Gleichung 23 zu erzeugen. Entspre- chend tragen die Zähne --490 und 492-- die Wicklungen-495 und 496--, die mit entgegengesetztem Wick- lungssinn in Reihe geschaltet, die Spannung eB der Gleichung 23a erzeugen. Die Spannungen eA und eB wer- den in den Kopf induziert, wenn sich der Kopf in X-Richtung über die Grundplatte bewegt. Die Spannung eA lässt sich ausdrücken als
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wobei
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EEntsprechend lässt sich die Spannung eB ausdrücken als
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Eine Ausführungsform des TETs ist in Fig. 17 gezeigt.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem System der Fig. 15 erläutert, erzeugen die Tachogeneratoren --422 und 424-- Signale, die sich als Spannungen
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und
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darstellen lassen. Die vom Resolver --402-- geleiferten Signale lassen sich darstellen als
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und
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mit E = const. Die cos-Signale aus dem Tachogenerator --422-- und dem Resolver --402-- werden einem Multiplizierer --500-- zugeführt, die sin-Signale aus dem Tachogenerator und dem Resolver einem Multi- plizierer --502--. Die Ausgangssignale der Multiplizierer --500 und 502-- addiert ein Addierer --504--, dessen Ausgangssignal das Ausgangssignal des TETs darstellt. Die Multiplizierer --500 und 502-- und der Addierer --504-- bilden einen TET, wie z.
B. den TET --430-- der Fig,15
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Die Funktion des TETS --430-- ergibt sich aus der folgenden mathematischen Analyse. Der Multiplizierer --500-- liefert folgende Signale :
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Entsprechend liefert der Multiplizierer --502-- Signale:
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Yi lässt sich jedoch ausdrücken als
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wobei a = Differenz zwischen der Soll-und der Istverschiebung des Kopfes relativ zur Grundplatte in
Y-Richtung.
Entsprechend lässt sich das Ausgangssignal Te des Addierers --504-- ausdrücken als
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Nach einer bekannten trigonometrischen Beziehung gilt :
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damit folgt
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da cos a ; l, wenn man s klein hält. Entsprechend liefert der TET --430-- ein Ausgangssignal, aus dem die trigonometrischen Funktionen von y5 eliminiert sind.
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die Inkremente der Istgeschwindigkeit des Kopfes relativ zur Grundplatte darstellen. Das Blockschaltbild kompensiert gleichfalls die Schwierigkeiten, die bei einer nichthorizontalen Ausrichtung der Grundplatte auftreten können. Das System liefert digitale Signale, die den Inkrementen der Sollverschiebung,-geschwindigkeit und-beschleunigung des Kopfes relativ zur Grundplatte entsprechen.
Diese Signale lassen sich als Funktionen der Art : xi + fx + kxi für die X-Richtung darstellen und werden auf die Vergleicher-520 und 522-- gegeben. Der Vergleicher-520-- lässt Signale durch, die den positiven Inkrementen entsprechen, der Vergleicher --522-- Signale, die den negativen Inkrementen entsprechen. Die Signale der Vergleicher --520 und 522-- werden durch einen Resolver --524-- in Analogsignale umgesetzt, der durch Zählung der Ein-
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Mit dem Kopf bewegt sich ein Analog-Akzelerometer --528--, das die Beschleunigung des Kopfes in XRichtung erfasst.
Diese Signale werden in einer Stufe --530-- kompensiert, in einer Stufe --532-- mit dem Faktor k bewertet und an einen Vergleicher --534-- geführt. Das Schalttor --534-- liegt in einer OffsetKorrekturschleife-536-- mit den Schalttoren-540, 542--, einem Zähler --544-- und einem Spannungs- umsetznetzwerk-546--.
Der Vergleicher --534--erhält vom Netzwerk --546-- ein Signal, das einen Vorspannungspegel im Vergleicher erzeugt, um den Durchgang der Signale durch diesen zu steuern. Die durch den Vergleicher laufenden Signale werden durch den Generator --538-- von analogen in digitale Signale mit einer Impulsfrequenz umgewandelt, die der Amplitude der Analogspannung proportional ist. Diese Signale laufen nur dann durch
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schen Signale haben eine hohe Amplitude, wenn der Kopf sich bewegen soll, und eine niedrige Amplitude, wenn der Kopf stillstehen soll.
Da die Schalttore --540 und 542-- nur dann Signale durchlassen, wenn der Kopf stillsteht, stellen die durch die Tore laufenden Signale Fehler dar, die sich aus der Abweichung der Grundplatte von der Horizontalen ergeben. Die durch die Schallttore --540 und 542-- durchgelassenen Impulse werden vom Zähler --544-- gezählt und in eine Analogspannung umgesetzt, die von der Stufe --546-- zu einem Bezugs- oder Vorspannungssignal verwandelt wird. Dieser Bezugspegel wird während der Bewegung des Kopfes im Netzwerk - aufrechterhalten. Diese Spannung wird auf den Vergleicher --534-- gegeben, um während der Bewegung des Kopfes bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Kopf wieder stillsteht, einen Bezugs- oder Vorwert darzustellen.
Durch das Vorsehen eines solchen Bezugs- oder Vorwertes im Vergleicher --534-- entsprechen
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relativ zur Grundplatte in X-Richtung.
Während der Bewegung des Kopfes durchlaufen diejenigen digitalen Signale, die der Generator --538--
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den, die die Bewegung des Kopfes bewirken. Die durch die Schalttore --552 und 554-- laufenden Signale werden an die Vergleicher --520 und 522-gelegt. Die den positiven Inkrementen entsprechenden Ausgangssignale des Schalttores --554-- liegen am Vergleicher --522-- und werden dort mit Signalen verknüpft, die negative Inkremente der Sollverschiebung xi. -geschwindigkeit #und -beschleunigung# des Kopfes dartel- len.
Entsprechend werden die negative Inkremente darstellenden Ausgangssignale des Schalttores-552-im Vergleicher --520-- mit den Signalen verknüpft, die die positiven Inkremente der Sollverschiebung xi, - geschwindigkeit xi und-beschleunigung xi des Kopfes darstellen. Auf diese Weise entsprechen die an den Resolver --524-- geführten Signale lediglich der Differenz zwischen dersoll-und der Istgeschwindigkeit des Kopfes relativ zur Grundplatte in X-Richtung.
Fig. 19 zeigt eine Anordnung, die sich an Stelle der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Systeme verwenden lässt, um unter Verwendung eines Drehresolvers einen steuerbaren Leistungswinkel zu erzeugen. Der Resolver weist ein Paar Wicklungen --560 und 562-- auf, die untereinander in einer festgelegten Phasenbeziehung, nämlich 900 Phasenunterschied, stehen. Die Wicklungen --560 und 562-- befinden sich auf einem feststehenden Ständer. Ein Anschluss der Wicklungen --560 und 562-- liegt jeweils an einem Bezugspotential, z. B. dem Massepotential. Der andere Anschluss der Wicklungen --560 und 562-- nimmt Signale der Form (P. cos ss) bzw. (P. sin ss) auf.
Im Ständer ist eine Welle --564-- angeordnet, deren Achse der Ständerachse entspricht. Die Welle - trägt ein Paar magnetoresistiver Vorrichtungen oder Hallspannungsvorrichtungen --566 und 568--, die untereinander in festgelegter Phasenbeziehung, nämlich 900 Phasenverschiebung stehen. Ein Anschluss der Wicklungen --566 und 568-- liegt jeweils auf einem Bezugspotential, z. B. Masse, der andere Anschluss der Wicklungen --566 und 568-- an Anschlusskle mmen, an denen die Ausgangsspannung Po ansteht, wobei Po=Pe ( + ) ist.
Die Welle --564-- wird um einen Winkel ô (Fig. 7a) gegenüber dem Ständer gedreht. Da der Ständer Signale mit einem Winkelversatz von ss (in Zeigerform) aufnimmt, ist der Winkelversatz der vom Rotor gelieferten Signale (ss + ö). Die Beziehung zwischen dem Winkel rund 6 zur Erzielung des Leistungswinkels e ist aus Fig. 7a ersichtlich.
Fig. 20 zeigt eine Anordnung, die in einer vorgegebenen Modulatoreinrichtung ein vollständiges Beschleunigungserfassungs-und Integrationssystem sowie eine Dämpfungsschleife für den Synchronmotor zu- 3ammenfasst. In der in Fig. 20 gezeigten Ausführungsform liegen auf einem Leitungspaar --570, 572-- Signale, die eine erste trigonometrische Funktion cos (2 7T Jq/p) festlegen. Wie einzusehen ist, stellen diese
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Signale eine trigonometrische Funktion der Sollverschiebung des Kopfes relativ zur Grundplatte in X-Rich- tung dar. Entsprechend liegen auf dem Leitungspaar --574 und 576-- Signale der trigonometrischen Funktion sin (2 7r xi/p).
Die Signale der Leitungen --570, 572-- liegen an den Endpunkten eines Potentiometers --578--, dessen einer Abgriff an einem Bezugspotential, z. B. Masse, liegt. Entsprechend sind die Signale der Leitungen - 574 und 576-- an die Endanschlüsse eines Potentiometers --580-- gelegt, dessen einer Abgriff ebenfalls an einem Bezugspotential, nämlich dem Massepotential, liegt.
Die Potentiometer--576 und 580-- weisen Schleifer auf, die über ein Gestänge --582-- mit einer Welle --584-- verbunden sind. Ein Ende einer Spannfeder --586-- ist mit der Welle --584-- und das andere Ende an einem festen Bauteil, z. B. einem Gehäuse --588--, befestigt. Weiterhin ist auch der Rotor --590-- einer Bremsvorrichtung --592-- mit der Welle --584-- gekoppelt und dreht sich mit dieser. Weiterhin trägt die Welle --548-- einen Arm --594--, an dessen freiem Ende sich ein Gewicht --596-- befindet. Der Arm - -594-- wird normalerweise durch eine Feder --598-- zentriert, deren eines Ende am Arm --594-- und de- ren anderes Ende am Gehäuse --588-- befestigt ist.
Die Schleiferspannung vomPotentiometer --578-- wird einem Summierer --600-- zugeführt, ebenso wie das Signal auf der Leitung --574--. Entsprechend liegt die Schleiferspannung vom Potentiometer --580-- am
Summierer --602--, der es zu dem Signal der Leitung --570-- addiert. Die Ausgangssignale der Summierer - 600 und 602-- werden über Leistungsverstärker --604, 606-- an den Kopf geführt, um diesen mit einem steuerbaren Leistungswinkel zu beaufschlagen und so die Bewegung des Kopfes in X-Richtung zu steuern.
Jede Beschleunigung des Kopfes relativ zur Grundplatte in X-Richtung resultiert in einer entsprechen- den Beschleunigung der Masse --596--, die dadurch mit dem Arm --594-- zusammen ausschwingt und die Welle --584-- dreht. Die Winkelbeschleunigung wird von der Drehbremse-592-kontrolliert, die die Be- schleunigung in eine Geschwindigkeit entsprechend der Winkelverschiebung der Welle --584-- und der beweglichen Arme der Potentiometer --578 und 580-- umsetzt.
Die Kombination der cos-Signale vom Anschluss --570--, Addierer --602-- und Potentiometer und der sin-Signale vom Anschluss --574--, Addierer --600-- und Potentiometer --578-- stellen einen PAR dar, der den Eingangszeiger des Motors verschiebt, um den Leistungswinkel proportional zur Drehauslenkung der Welle --589-- und damit die Geschwindigkeit des Kopfes in X-Richtung zu steuern. Hieraus ergibt sich der gewünschte Geschwindigkeitsterm, der die Bewegung des Kopfes entlang der X-Achse dämpft.
Die Masse --596-- lässt sich durch die Feder --598-- in der Ruhelage zentrieren. Diese Feder --598-ist jedoch, wie einzusehen ist, nicht unbedingt erforderlich. Die Spannfeder --586-- ist vorgesehen, um eine Abweichung der Grundplatte von der Horizontalen auszugleichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Steueranordnung zur Lagepositionierung einer magnetischen, als Synchronmotor betriebenen Stellvorrichtung mit einem Stator aus einem Magnetzahnraster und einem relativ zu diesem beweglichen Pol- schuh-Läuferglied, das Polschuhsätze mit Erregerwicklungen aufweist, bestehend aus Steuerstufen für die Sollverschiebung und bzw. oder die Sollgeschwindigkeit und bzw. oder die Sollbeschleunigung des PolschuhLäufergliedes gegenüber dem Stator und ausPhasenschiebestufen für mindestens zwei untereinander phasenverschobene Erreger-Wechselstrome desPoIschuh-LäufergIiedes, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Läuferghed-Verschiebungs-Regeleinrichtung mindestens ein Messgeber für die Istlage und bzw. oder Istgeschwindigkeit und bzw.
oder Istbeschleunigung des Polschuh-Läufergliedes an mindestens eine Vergleicherstufe zum Vergleichen der Soll- und1stlage und bzw. oder dersoll-undistgeschwindigkeit und bzw. oder der Soll-und Istbeschleunigung angeschlossen ist, deren Ausgangs-Differenzsignale mit den Phasenschiebestufen verbunden sind, deren Ausgangsspannungen als Stellgrösse für die Stellvorrichtung dienen.