DE10036260A1 - Process for integrating path signal generation in linear induction motor, involves using evaluation circuit for detecting position-dependent currents and voltages of exciter coils - Google Patents

Process for integrating path signal generation in linear induction motor, involves using evaluation circuit for detecting position-dependent currents and voltages of exciter coils

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DE10036260A1
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Abstract

A process for integrating path signal generation in linear induction motors having a part with two exciter coils (1,2) and a magnetic ground (4) which can also be a guide and a second part with an electrically conductive short circuit runner (3), with either part forming a fixed stator or a movable runner, with a periodic generation of a varying electromagnetic field suitable for the control of the individual coils. An evaluation circuit is used to detect the position-dependent currents and voltages of the exciter coils. The evaluation circuit derives a position-dependent, quasi-continuous voltage value for the relative position between the two parts from the runner position-dependent alteration of the complex resistances of the exciter coils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktions­ linearmotoren besonderer Bauform. Nach einem in der Literatur hinlänglich beschriebenen "Versuch von Elihu Thomson" kann ein elektrisch leitfähiger Ring der eine magnetisch leitfähige linearen Führung umschließt und auf dieser linear beweglich angeordnet ist in Bewegung gesetzt werden, indem eine die Führung ebenfalls umschließende elektrische Spule mit Wechselstrom beaufschlagt wird.The invention relates to a method for integrated path signal generation in induction linear motors of special design. According to one described in the literature "Trial by Elihu Thomson" can be an electrically conductive ring or a magnetic one encloses conductive linear guide and is arranged on this linearly movable in Movement can be set by an electrical also enclosing the guide AC coil is applied.

Da die Bewegungsrichtung des leitfähigen Rings, im folgende auch Läufer genannt, immer von der bestromten Spule wegführt, kann ein Linearmotor aufgebaut werden, indem eine zweite Spule am entgegengesetzten Ende der Linearführung angebracht wird.Because the direction of movement of the conductive ring, also called rotor in the following, always leads away from the energized coil, a linear motor can be constructed by a second coil is attached to the opposite end of the linear guide.

Der nun zwischen den beiden Spulen befindliche Läuferring kann durch wahlweises Bestromen einer der beiden Spulen auf der Linearführung in beide Richtungen bewegt werden.The rotor ring now located between the two coils can be selected Energizing one of the two coils on the linear guide moves in both directions become.

Die elektrischen Spulen stellen damit Erregerwicklungen dar, der elektrisch leitfähige Ring dagegen eine Kurzschlusswicklung, in der durch die Erregerwicklungen ein Strom induziert wird. Dieser induzierte Strom, ein Kurzschlussstrom, ist dem Primärstrom in der Er­ regerwicklung entgegengerichtet und wird daher von ihm abgestoßen.The electrical coils thus represent excitation windings, the electrically conductive ring in contrast, a short-circuit winding in which a current is induced by the field windings becomes. This induced current, a short-circuit current, is the primary current in the Er opposite winding and is therefore repelled by him.

Zur Nutzung der zwischen den beiden Hauptkomponenten des Motors, der Erregerwick­ lung und der Kurzschlusswicklung, wirkenden Kraft ist eine der beiden Komponenten (z. B. das Erregersystem) ortsfest, und die andere (im Beispielfall die Kurzschlusswicklung) stellt den beweglichen Abtrieb der Anordnung dar.To use the between the two main components of the motor, the exciter wick and the short-circuit winding, acting force is one of the two components (e.g. the excitation system) stationary, and the other (in the example the short-circuit winding) the movable output of the arrangement.

Motoren dieser Bauform besitzen keine internen Maßverkörperungen und weisen keine Selbsthemmung auf. Eine bestimmte Position anzufahren bzw. eine Position zu halten, erfordert die Realisierung eines kompletten Regelkreises mit mindestens einem Mess­ system für die Wegmessung bzw. bei Forderung nach konstanten gleichförmigen Bewe­ gungen mit einem Messsystem für die Geschwindigkeit.Motors of this design have no internal measuring standards and have none Self-locking on. Moving to a certain position or holding a position requires the implementation of a complete control loop with at least one measurement system for distance measurement or when constant constant motion is required with a measuring system for speed.

Bekannt sind an Linearmotoren angekoppelte externe Messsysteme oder in den Gesamtaufbau mechanisch integrierte interne Messsysteme, die jedoch generell von der Antriebs­ wicklung unabhängige separate Bauteile nutzen (z. B. Kallenbach, E.; Bögelsack, G.: Gerätetechnische Antriebe. Carl Hanser Verlag, München, Wien 1991. Seiten 97 ff. und 249 ff.).External measuring systems coupled to linear motors are known, or internal measuring systems mechanically integrated into the overall structure, which, however, generally use separate components that are independent of the drive winding (e.g. Kallenbach, E .; Bögelsack, G .: Equipment Technology Drives. Carl Hanser Verlag, Munich , Vienna 1991. Pages 97 ff. And 249 ff.).

Bekannt sind auch Verfahren, um in linearen Asynchronmotoren ohne Messsystem Informationen zur Läuferlage ableiten zu können, beispielsweise beschrieben in:Methods are also known for in linear asynchronous motors without a measuring system To be able to derive information about the rotor position, for example described in:

[1] Deutsche Patentanmeldung AZ : 100 25 885.9
[1] Bezieht sich auf Asynchronlinearmotoren die auf dem Prinzip eines elektrischen Wanderfelds beruhen. Es nutzt die Einflüsse einer in Bewegungsrichtung unsymmetrischen Kurzschlusswicklung auf die Antriebsspulen eines Asynchronlinearmotors, um ein läuferpo­ sitionsabhängiges Signal zu generieren. Um eine integrierte Wegmessung zu ermöglichen, muss jedoch der Läufer eine von der technisch idealen Ausführung abweichende Gestalt erhalten, beispielsweise durch Einbringen einer radialen Bohrung.
[1] German patent application AZ: 100 25 885.9
[1] Refers to asynchronous linear motors which are based on the principle of an electric traveling field. It uses the influences of a short-circuit winding, which is asymmetrical in the direction of movement, on the drive coils of an asynchronous linear motor to generate a position-dependent signal. In order to enable an integrated path measurement, however, the rotor must have a shape that deviates from the technically ideal design, for example by making a radial bore.

Bekannt sind ebenfalls Verfahren, um vorzugsweise bei rotatorischen Asynchronmotoren ohne Messsystem Informationen zur Läuferlage ableiten zu können, beispielsweise­ beschrieben in:
[2] Zinger, D. S.; Profumo, F.; Lipo, T. A.; Novotny, D. W.: A Direct Field-Oriented Control­ ler for Induction Motor Drives Using Tapped Stator Windings. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 5, No. 4, 1990, S. 446-453.
[3] Europäische Patentanmeldung EP 0 860 939 A1, 1997.
[2] wertet die in genuteten rotatorischen Asynchronmaschinen auftretende Änderung der magnetischen Leitfähigkeit durch die Rotornutung aus. Bei Drehung des Rotors in den Statorwicklungen werden dadurch Spannungen induziert, die proportional zur Drehfrequenz sind. Sie werden gemessen und zur Bestimmung von Lage und Drehzahl verwendet. Weil die Amplituden der induzierten Spannungen mit der Drehzahl abnehmen, ist das Verfahren für kleine Drehzahlen sowie im Stillstand nicht mehr einsetzbar.
[3] nutzt die Abhängigkeit der Streuinduktivitäten der Statorwicklung von der Rotorlage in rotatorischen Asynchron- und Reluktanzmaschinen und berechnet die Rotorlage dann aus der bekannten Abhängigkeit der totalen Streuinduktivitäten von der Rotorlage. Beschrieben werden zwei Verfahren zur inkrementellen Rotorlagebestimmung an handelsüblichen Asynchronmaschinen mit Wechselrichter. Nach einem Schaltvorgang des Wechselrichters wird die Summe der drei Strangspannungen am Motor abgegriffen. Diese Summen­ spannung hängt von der Rotorlage ab, da sich die Streuinduktivitäten der Antriebswick­ lungen mit der Lage der Kurzschlusswindung(en) ändert. Auf diese Weise kann die Rotorlage innerhalb eines Nutteilungsinkrements bestimmt werden. Unbedingt nötig ist hier jedoch eine dreiphasige Wechselrichteransteuerung. Das Verfahren kann prinzipell nur zum Einsatz kommen, wenn wie beschrieben mit einem Wanderfeld gearbeitet wird.
Methods are also known for deriving information about the rotor position, preferably in the case of rotary asynchronous motors without a measuring system, for example described in:
[2] Zinger, DS; Profumo, F .; Lipo, TA; Novotny, DW: A Direct Field-Oriented Control ler for Induction Motor Drives Using Tapped Stator Windings. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 5, No. 4, 1990, pp. 446-453.
[3] European patent application EP 0 860 939 A1, 1997.
[2] evaluates the change in magnetic conductivity occurring in grooved rotary asynchronous machines due to the rotor grooving. When the rotor rotates in the stator windings, voltages are induced which are proportional to the rotational frequency. They are measured and used to determine the position and speed. Because the amplitudes of the induced voltages decrease with the speed, the method can no longer be used for low speeds and at standstill.
[3] uses the dependency of the leakage inductances of the stator winding on the rotor position in rotary asynchronous and reluctance machines and then calculates the rotor position from the known dependence of the total leakage inductances on the rotor position. Two methods are described for incremental rotor position determination on commercially available asynchronous machines with an inverter. After the inverter has switched, the sum of the three phase voltages is tapped at the motor. This total voltage depends on the rotor position, since the leakage inductances of the drive windings change with the position of the short-circuit winding (s). In this way, the rotor position can be determined within a groove pitch increment. However, a three-phase inverter control is absolutely necessary here. In principle, the method can only be used when working with a traveling field as described.

Die Verfahren 2 und 3 sind an die bei rotatorischen Asynchronmotoren übliche Nutung gebunden. Sie erlauben zudem nur eine vergleichsweise geringe Auflösung der Lage. Die Auflösung pro Umdrehung ist hier maximal gleich der Nutanzahl. Messungen im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen sind mit 2 und 3 ebenfalls nicht möglich. Verfahren 3 setzt eine dreiphasige Wechselrichteransteuerung voraus.Methods 2 and 3 are linked to the grooving that is customary in rotary asynchronous motors. They also only allow a comparatively low resolution of the situation. The resolution per revolution is at most equal to the number of slots. Measurements at standstill and at low speeds are also not possible with 2 and 3. Method 3 requires three-phase inverter control.

Neben Verfahren zur integrierten Messsignalerzeugung in Asynchronmotoren wurden auch vergleichbare Verfahren für rotatorische und lineare Gleichstrommotoren bzw. für rotatori­ sche Reluktanzmotoren entwickelt:
[4] Europäische Patentschrift EP 457 389 B1.
[5] Gebrauchsmuster Nr. 297 05 315.9
[6] Offenlegungsschrift DE 197 48 647 A1.
[7] Cardoletti, L.; Cassat, A.; Jufer, M.: Sensorless Position and Speed Control of a brushless DC Motor from Start-up to Nominal Speed. EPE Journal, Vol.2, No. 1, 1992, S. 25 bis 34.
[8] Schroedl, M.; Weinmeier, P.: Sensorless Control of Reluctance Machines at Arbitrary Operating Conditions including Standstill. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 9, No. 2, 1994, S. 225-231.
[4] schlägt zur Ermöglichung einer Lageerfassung in rotatorischen und linearen Gleich­ strommotoren ohne zusätzliches Messsystem vor, die verschiedenen Teilspulen des Motors über eine Kurzschlusswicklung, die sich auf dem anderen spulenlosen, passiven Motorteil befindet, elektromagnetisch zu koppeln und in eine der Teilspulen zusätzlich zum Stellsignal ein Messsignal einzukoppeln, um in mindestens einer anderen Teilspule, die nicht vom Messsignal durchflossen wird, eine transformatorische, von der Lage des passiven Motorteils abhängige Einkopplung zu erzielen, die als Messsignal für die Läuferstellung nutzbar ist. Nachteil dieser Lösung ist die Tatsache, dass der aktive Motorteil (Stator mit Spulensystem) keine eigene transformatorische Kopplung in Form einer Kurzschlusswicklung oder eines elektrisch leitfähigen magnetischen Rückschlusses tragen darf. Durch das Fehlen eines magnetischen Rückschlusses wird jedoch die erzielbare Motorkraft und damit die Einsetzbarkeit des Motors sehr stark beeinträchtigt. Weiterhin ist von Nachteil, dass bei einer schwachen elektromagnetischen Kopplung der Antriebsspulen über den beweglichen Motorteil praktisch kein Wegsignal mehr abgeleitet werden kann.
[5] beschriebt ein Verfahren zur Wegerfassung eines Gleichstromlinearmotors über die duale Nutzung der Teilspulen als Antriebs- und Messwicklung durch die Beaufschlagung des Gleichstromstellsignals mit einer Messwechselspannung und nachfolgende Aus­ wertung in Form einer Differenz- oder Quotientenbildung zwischen den Amplituden der beiden Teilmesswechselspannungen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es an analoge Leistungsendstufen gebunden und somit nur für sehr kleine Motorleistungen geeignet ist.
In addition to methods for integrated measurement signal generation in asynchronous motors, comparable methods for rotary and linear DC motors or for rotary reluctance motors have also been developed:
[4] European patent EP 457 389 B1.
[5] Utility Model No. 297 05 315.9
[6] DE 197 48 647 A1.
[7] Cardoletti, L .; Cassata.; Jufer, M .: Sensorless Position and Speed Control of a brushless DC Motor from Start-up to Nominal Speed. EPE Journal, Vol.2, No. 1, 1992, pp. 25 to 34.
[8] Schroedl, M .; Weinmeier, P .: Sensorless Control of Reluctance Machines at Arbitrary Operating Conditions including Standstill. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 9, No. 2, 1994, pp. 225-231.
To enable position detection in rotary and linear DC motors without an additional measuring system, [4] suggests electromagnetically coupling the various sub-coils of the motor via a short-circuit winding, which is located on the other coil-less, passive motor part, and in one of the sub-coils in addition to the control signal to couple in a measurement signal in order to achieve a transformer-dependent coupling which is dependent on the position of the passive motor part and which can be used as a measurement signal for the rotor position in at least one other partial coil which is not traversed by the measurement signal. The disadvantage of this solution is the fact that the active motor part (stator with coil system) must not have its own transformer coupling in the form of a short-circuit winding or an electrically conductive magnetic return. Due to the lack of a magnetic yoke, the achievable engine power and thus the usability of the engine is very badly affected. Another disadvantage is that with a weak electromagnetic coupling of the drive coils via the movable motor part practically no path signal can be derived.
[5] describes a method for measuring the path of a direct current linear motor via the dual use of the partial coils as drive and measuring winding by applying the direct current control signal with a measuring alternating voltage and subsequent evaluation in the form of a difference or quotient formation between the amplitudes of the two partial measuring alternating voltages. The disadvantage of this method is that it is tied to analogue power amplifiers and is therefore only suitable for very small motor outputs.

Durch die in diesem Verfahren verwendeten Filter zur Signalaufbereitung ist die Mess­ dynamik zudem stark eingeschränkt. Außerdem benötigen beide vorgenannten Vorschläge eine zusätzliche Messwechselspannung zur Wegsignalerzeugung.
[6] schützt ein Verfahren bzw. Gleichstromlinearmotoren mit integrierter Wegsignal­ erzeugung, bei dem aus den Spannungsverläufen über einer Teilspule eines pulsweitenmoduliert angesteuerten Motors ein weg- oder winkelproportionaler, quasikontinuierlicher, vom resultierenden Motorstrom unabhängiger Messwert für die Relativposition zwischen dem ersten, den Permanentmagneten beinhaltenden Teilsystem des Motors und dem zweiten, das Spulensystems beinhaltenden Teilsystem abgeleitet wird.
[7] beschreibt ein Verfahren, dass die Antriebswicklung von Gleichstrommotoren gleich­ zeitig zur Lageerkennung von Übergängen zwischen unterschiedlichen Feldbereichen und damit zur Ableitung eines Kommutierungssignals über die Erfassung von Sättigungs­ erscheinungen nutzt. Allerdings ist dabei ein erheblicher elektronischer Aufwand für diese sehr grobe Lagezuordnung erforderlich. Mess- und Betriebsvorgänge sind zudem zeitlich voneinander getrennt durchzuführen. Aus diesem Grund ist auch ein Volllastbetrieb mit diesem Messverfahren unmöglich, da zyklisch immer wieder auf Messbetrieb umgeschaltet werden muß. Zusätzlich zur Generierung der Betriebsströme sind für die Messung eigene Signale zu erzeugen. Ein genaues, lageproportionales Messsignal zur Absolutmessung der Läuferstellung ist dabei praktisch nicht ableitbar.
[8] nutzt die örtliche Veränderung des magnetischen Leitwerts durch die Eisensättigung in Reluktanzmaschinen. Die Anwendung ist beschränkt auf Motoren mit hoher Sättigung.
The measurement dynamics are also severely restricted by the filters used in this process for signal processing. In addition, both of the aforementioned proposals require an additional measuring AC voltage for generating the path signal.
[6] protects a method or DC linear motors with integrated path signal generation, in which a path or angle-proportional, quasi-continuous measurement value, independent of the resulting motor current, for the relative position between the first subsystem containing the permanent magnets is measured from the voltage curves across a part coil of a pulse-width-modulated motor of the motor and the second subsystem including the coil system.
[7] describes a method that uses the drive winding of DC motors at the same time to detect the position of transitions between different field areas and thus to derive a commutation signal via the detection of saturation phenomena. However, a considerable amount of electronic effort is required for this very rough location assignment. Measuring and operating processes must also be carried out separately from one another. For this reason, full load operation is also impossible with this measuring method, since cyclical switching to measuring operation is always necessary. In addition to generating the operating currents, separate signals must be generated for the measurement. A precise, position-proportional measurement signal for absolute measurement of the rotor position can practically not be derived.
[8] uses the local change in the magnetic conductance due to iron saturation in reluctance machines. The application is limited to motors with high saturation.

Die Verfahren 4 bis 7 beziehen sich auf vorzugsweise permanenterregte Gleichstrom­ motoren. Das Verfahren 4 nutzt eine zusätzliche Wicklung zur Einkopplung des trans­ formatorisch übertragenen Signals, dabei bestehen die Nachteile insbesondere in den geringen Schubkräften durch den zwangsläufigen Verzicht auf einen magnetischen Rückschluss. Im Verfahren 4 zur dualen Nutzung der Teilspulen durch Aufkopplung einer Messwechselspannung auf das Gleichstromstellsignal besteht der hauptsächliche Nachteil in der Einschränkung auf den Einsatz analoger Gleichstromendstufen und damit ebenfalls in der Beschränkung auf kleine Schubkräfte und Motorleistungen. Zudem erfordern beide Lösungen die erwähnte zusätzliche Messwechselspannung. Verfahren 5 bis 7 sind außerdem an den typischen Aufbau eines Gleichstrommotors mit einen eisenbehafteten Läufer bzw. mindestens mit einem Läufer mit hoher Permeabilität gebunden. Verfahren 8 erfordert einen Reluktanzläufer.The methods 4 to 7 relate to preferably permanently excited DC motors. The method 4 uses an additional winding for coupling in the signal transmitted by the transformer; the disadvantages here are, in particular, the low shear forces due to the inevitable absence of a magnetic yoke. In method 4 for the dual use of the sub-coils by coupling an AC measurement voltage to the DC control signal, the main disadvantage is the restriction to the use of analog DC output stages and thus also the restriction to small thrust forces and motor outputs. In addition, both solutions require the additional measuring AC voltage mentioned. Methods 5 to 7 are also tied to the typical design of a DC motor with an iron-based rotor or at least with a rotor with high permeability. Method 8 requires a reluctance runner.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren sowie entsprechende Vorrichtung zu schaffen, die eine geberlose Lageerfassung an speziellen Induktionsmotoren nach Elihu Thomson der hier beschriebenen Bauart sowohl während der Bewegung als auch im Stillstand er möglichen. Die elektrische Ansteuerung der Motoren kann dabei in vielfältiger Weise realisiert werden, beispielsweise getaktet, schwingungspaketgesteuert mit Nullspannungsschaltern oder auch Phasenanschnittgesteuert.The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art  eliminate and create a method and corresponding device that a sensorless position detection on special induction motors according to Elihu Thomson here described design both during movement and at a standstill he possible. The electrical control of the motors can be implemented in a variety of ways, For example, clocked, controlled by vibration packets with zero voltage switches or Phase angle controlled.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 für Induktionslinear­ motoren nach Elihu Thomson gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 beschrieben.This object is achieved by a method according to claim 1 for induction linear motors solved after Elihu Thomson. Advantageous embodiments of the invention are shown in the subclaims 2 to 12.

Es ist zunächst ein für dieses Messverfahren geeigneter Motoraufbau eines Induktions­ linearmotors auszuwählen. Der Motor kann rotationssymmetrisch oder in anderer Bauform ausgeführt sein. Zur Realisierung eines solchen rotationssymmetrischen Linearmotors mit integrierter Wegmessung reicht im Prinzip ein zylindrischer, magnetisch leitfähiger Körper als Führung für den Kurzschlussläufer, der Kurzschlussläufer selbst, bestehend zum Beispiel aus einem einfachen Aluminiumring, sowie zwei auf die Enden der Führung aufgewickelte Erregerspulen. In dem Kurzschlussläufer werden beim Betrieb durch die Erregerspulen die für die Kraftentfaltung notwendigen Ströme induziert.It is initially an induction motor structure suitable for this measurement method linear motor. The motor can be rotationally symmetrical or in another design be executed. To implement such a rotationally symmetrical linear motor with In principle, integrated displacement measurement is sufficient for a cylindrical, magnetically conductive body as a guide for the short-circuit rotor, the short-circuit rotor itself, consisting of Example of a simple aluminum ring and two on the ends of the guide wound excitation coils. In the short-circuit rotor during operation by the Excitation coils induce the currents necessary for the power delivery.

Aus den elektrischen Signalverläufen über beiden oder einer bestromten Erregerspule wird entsprechend Patentanspruch 1 über das erfindungsgemäße Verfahren mit den erfindungs­ gemäßen Vorrichtungen ein wegabhängiger, quasikontinuierlicher Messwert für die Relativposition zwischen dem Stator und dem Läufer abgeleitet, so dass ein zusätzliches, aus separaten Bauteilen bestehendes, externes oder internes Wegmesssystem entfällt.The electrical signal curves over both or a energized excitation coil becomes according to claim 1 about the inventive method with the Invention devices a path-dependent, quasi-continuous measured value for the Relative position between the stator and the rotor derived, so that an additional, there is no need for an external or internal position measuring system consisting of separate components.

Die zum Betrieb des Motors notwendige Elektronik, beispielsweise bestehend aus Mikrocontroller und Endstufe, steuert eine der beiden Erregerspulen so an, dass ein elektromagnetisches Wechselfeld entsteht. Durch den im Kurzschlussläufer induzierten Strom entsteht ein Kraftwirkung, die den Läufer von der bestromten Spule wegzutreiben sucht. Da mindestens je eine Erregerspule an den beiden Enden der Führung angebracht ist, lässt sich das Vorzeichen der Läuferkraft durch Bestromen der geeigneten Spule wählen.The electronics required to operate the engine, for example consisting of Microcontroller and power amplifier, controls one of the two excitation coils so that one alternating electromagnetic field arises. By the induced in the short-circuit rotor Electricity creates a force effect that drives the rotor away from the energized coil examined. Since at least one excitation coil is attached to both ends of the guide is the sign of the rotor force by energizing the appropriate coil choose.

Um keine Kraft auf den Läufer auszuüben und trotzdem in jeder Spule getrennt messen zu können, müssen beide Erregerspulen wechselweise zyklisch stromlos geschaltet werden. Die resultierende Gesamtkraft ergibt sich dann im zeitlichen Mittel zu Null. Ein komplettes Stromlosschalten über längere Zeit verbietet sich, da dann keine integrierte Wegmessung mehr möglich wäre. Durch eine geeignete Kombination von Einschaltdauern beider Erregerspulen, die zyklisch wiederholt wird, kann im zeitlichen Mittel jede beliebige Läuferkraft erzielt werden.In order not to exert any force on the rotor and still measure separately in each coil  , both excitation coils must be alternately cyclically de-energized. The resulting total force is then zero on average over time. A complete one Disconnecting from the power supply over a long period of time is forbidden, since then no integrated distance measurement would be more possible. By a suitable combination of duty cycles of both Excitation coils, which are repeated cyclically, can be any on average Runner power can be achieved.

Das Auswerteverfahren nach Patentanspruch 2 nutzt ein rechteckförmiges Spannungs­ signal. Dieses Rechtecksignal dient zur Erzeugung der Läuferkraft und wird gleichzeitig für die integrierte Wegmessung benutzt.The evaluation method according to claim 2 uses a rectangular voltage signal. This square wave signal is used to generate the rotor force and is also used for uses the integrated distance measurement.

Notwendig ist die Auswertung des fließenden Erregerspulenstromes. Durch Differenzieren der Stromverläufe über den zu den einzelnen Erregerspulen gehörenden Messwider­ ständen zu jeweils konstanten Zeitpunkten nach dem Flankenwechsel im rechteckförmigen Stellsignal wird ein wegabhängiger, quasikontinuierlicher Spannungswert für die Relativpo­ sition des Läufers abgeleitet. Diese sich wegbezogen ändernden Signalsteigungen entstehen durch Rückwirkung mit den im Kurzschlussläufer induzierten Strömen. Die Auswertung basiert auf einer Induktivitätsanalyse zur Wegermittlung, wobei das Schalt­ verhalten von Induktivitäten in einem seriellen LR-Netzwerk ausgenutzt wird. Im Gegensatz zum Einsatz zusätzlicher hochfrequenter Messspannungen wird dabei die ohnehin vorhandene Stellspannung in ihrer getakteten Form hinsichtlich der darin abgebildeten Weginformationen zur Auswertung genutzt. Mit dem Wegsignal läßt sich dann ein ge­ schlossener Regelkreis realisieren.The evaluation of the flowing excitation coil current is necessary. By differentiating the current profiles over the measuring resistor belonging to the individual excitation coils stood at a constant point in time after the edge change in a rectangular shape The control signal becomes a path-dependent, quasi-continuous voltage value for the relative po sition of the runner. These path-related changes in signal slopes arise from reaction with the currents induced in the squirrel-cage rotor. The Evaluation is based on an inductance analysis for path determination, the switching behavior of inductors in a serial LR network is exploited. In contrast anyway, the use of additional high-frequency measuring voltages existing actuating voltage in its clocked form with regard to the depicted therein Path information used for evaluation. With the path signal can then ge implement a closed control loop.

Entsprechend Patentanspruch 3 kann das Auswerteverfahren auch für Sinusansteuerung modifiziert werden. Da sich für jede Erregerspule ein läuferpositionsabhängiger komplexer Widerstand ergibt, ist eine Wegerfassung auch mit analogem Stellglied realisierbar und somit nicht auf die rechteckförmige Ansteuerung beschränkt. Wird zum Beispiel die Sinusspannung mit fester Amplitude an die Erregerspule angelegt, so ergibt sich mit veränderlichem komplexen Widerstand dieser Spule, also abhängig von der Läuferposition, auch ein fließender Strom mit veränderlicher Amplitude. Diese Stromamplitude kann mit einer geeigneten Auswerteschaltung erfasst und zur Läuferpositionsbestimmung genutzt werden. According to claim 3, the evaluation method can also be used for sine control be modified. Because there is a more complex position-dependent position for each excitation coil Resistance results, path detection can also be realized with an analog actuator and thus not limited to rectangular control. For example, if Sinusoidal voltage with fixed amplitude applied to the excitation coil variable complex resistance of this coil, i.e. depending on the rotor position, also a flowing current with variable amplitude. This current amplitude can with a suitable evaluation circuit and used to determine the rotor position become.  

Patentanspruch 4 ermöglicht eine erhöhte Genauigkeit des Verfahrens nach Anspruch 3 indem die Stromamplitude zu mehreren Zeitpunkten erfasst und in die Auswertung einbezogen wird.Claim 4 enables increased accuracy of the method according to claim 3 by capturing the current amplitude at several times and in the evaluation is included.

Nach Patentanspruch 5 besteht auch die Möglichkeit, bei Ansteuerung mit Sinusspannung nicht den Stromamplitudenwert sondern den Effektivwert des Stromes zu messen und so eine integrierte Wegmessung zu realisieren.According to claim 5, there is also the possibility of control with sinusoidal voltage not to measure the current amplitude value but the effective value of the current and so to realize an integrated distance measurement.

Nach Patentanspruch 6 ist ein Einprägen von Strömen, statt wie bisher beschrieben Spannungen, in die Erregerspulen ebenso möglich und kann genauso zur integrierten Wegmessung genutzt werden. Anstatt einer Auswertung der fließenden Erregerspulen­ ströme mit Hilfe der an den Messwiderständen abfallenden Spannungen kann dann einfach die an den Erregerspulenklemmen messbare Spannung zur Positionserfassung herangezogen werden. Die Methoden der Auswertung sind identisch.According to claim 6 is an injection of currents, instead of as previously described Voltages in the excitation coils are also possible and can also be integrated Path measurement can be used. Instead of evaluating the flowing excitation coils currents with the help of the voltages falling across the measuring resistors can then simply the voltage that can be measured at the excitation coil terminals for position detection be used. The methods of evaluation are identical.

Patentanspruch 7 beschreibt eine vorteilhafte Ausführungsform eines für die integrierte Wegmessung geeigneten Induktionslinearmotors.Claim 7 describes an advantageous embodiment of one for the integrated Path measurement of a suitable induction linear motor.

Nach Patentanspruch 8 ist das Motorprinzip auf mehr als zwei Erregerspulen erweiterbar indem weitere Spulen koaxial zu den vorhandenen plaziert werden. Dadurch können entweder die erreichbaren Kräfte vergrößert oder anderweitige Vorteile erzielt werden.According to claim 8, the motor principle can be expanded to more than two excitation coils by placing additional coils coaxial to the existing ones. This allows either the achievable forces are increased or other advantages are achieved.

Nach Patentanspruch 9 muß der Läuferbewegungsbereich nicht an einer Erregerspule enden, sondern kann bei geeigneter konstruktiver Gestaltung auch darüber hinaus reichen. Dies ist insbesondere in Verbindung mit Patentanspruch 8 von Bedeutung und führt bei Bedarf auch zu mehrphasigen Motorsystemen mit integrierter Positionserfassung.According to claim 9, the rotor movement range does not have to be on an excitation coil end, but with a suitable constructive design can also extend beyond. This is particularly important in connection with claim 8 and leads to Also required for multi-phase motor systems with integrated position detection.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens durch Nutzung angepasster Induktionslinear­ motoren beschreibt Patentanspruch 11.Advantageous refinements of the method by using adapted induction linear Motors describes claim 11.

Nach Anspruch 12 kann das Gesamtsystem eine elektronische Reglerschaltung umfassen, welche das gemessene Wegsignal mit einem vorgegebenen Wegsollwert vergleicht und aus der Differenz der beiden Signale die Eingangsgröße für einen Positionsregler oder Bahnregler liefert, der wiederum die Antriebsströme so einstellt, dass die Läuferposition auf den Positionssollwert bzw. die Bewegung auf eine Soll-Fahrkurve ausgeregelt wird.According to claim 12, the overall system can comprise an electronic regulator circuit, which compares the measured path signal with a specified path setpoint and from the difference between the two signals, the input variable for a position controller or  Path controller delivers, which in turn adjusts the drive currents so that the rotor position on the position setpoint or the movement is adjusted to a set travel curve.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen einerseits insbesondere darin, dass separate Wegmesssysteme bzw. separate zusätzliche Bauteile für die Wegmessung bei Induktionslinearmotoren der beschriebenen Bauart entfallen und dadurch ein wesentlich einfacherer kostengünstigerer und miniaturisierbarer Aufbau erreicht werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionserfassung kann andererseits sowohl mit getaktetem Stellsignal, und somit schaltenden Endstufen, als auch mit analoge Endstufen, Phasenanschnittsteuerungen oder Schwingungspaketsteuerung mit Nullspannungs­ schaltern genutzt werden.The advantages achieved with the invention are, in particular, that separate path measuring systems or separate additional components for path measurement Linear induction motors of the type described are eliminated and are therefore essential simpler less expensive and miniaturizable structure can be achieved. The The inventive method for position detection can on the other hand with clocked control signal, and thus switching output stages, as well as with analog output stages, Phase control or oscillation packet control with zero voltage switches are used.

Ein Ausführungsbeispiel eines entsprechend aufgebauten Induktionslinearmotors mit getakteter Ansteuerung und integrierter Wegsignalerzeugung sowie Prinzipschaltbilder der Messwertaufbereitung und prinzipielle Signalverläufe sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.An embodiment of a correspondingly constructed induction linear motor with clocked control and integrated path signal generation as well as block diagrams of the Measured value processing and basic signal curves are shown in the drawings and are described in more detail below.

Es stellen dar:They represent:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Prinzipaufbaus einer Ausführungsform eines für die integrierte Wegsignalerzeugung geeigneten Induktions­ linearmotors nach Elihu Thomson. Fig. 1 is a sectional view of the basic structure of an embodiment of an induction linear motor according to Elihu Thomson suitable for integrated path signal generation.

Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines solchen Motors. Fig. 2 is an electrical equivalent circuit diagram of such a motor.

Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines solchen Motors zusätzlich mit den für die Läuferkraftrichtungswahl notwendigen Schaltern sowie zwei Messwiderständen für die integrierte Wegmessung. Fig. 3 is an electrical equivalent circuit diagram of such a motor in addition with the switches required for the rotor force direction selection and two measuring resistors for the integrated displacement measurement.

Fig. 4 die Spannungen an den Motorklemmen zur Ausübung kontinuierli­ cher Maximalkraft in eine Richtung bei getakteter Ansteuerung. Fig. 4 shows the voltages on the motor terminals to exert continuous maximum force in one direction with clocked control.

Zeitabschnitte mit nicht festgelegtem Pegel sind grau hinterlegt.Periods with an undefined level are highlighted in gray.

Fig. 5 die Spannungen an den Motorklemmen zur Generierung einer Läufernullkraft bei getakteter Ansteuerung. Zeitabschnitte mit nicht festgelegtem Pegel sind grau hinterlegt. Fig. 5 shows the voltages at the motor terminals for generating a rotor zero force with clocked control. Periods with an undefined level are highlighted in gray.

Fig. 6 Die Spannungsverläufe an einer Erregerspulenklemme sowie über dem zugehörigen Messwiderstand bei in Spulennähe befindlichem Kurzschlussläufer. Fig. 6 The voltage profiles at an excitation coil terminal and across the associated measuring resistor with a short-circuit rotor located near the coil.

Fig. 7 Die Spannungsverläufe an einer Erregerspulenklemme sowie über dem zugehörigen Messwiderstand bei in größerer Entfernung befind­ lichem Kurzschlussläufer. Fig. 7 The voltage waveforms at an excitation coil terminal and across the associated measuring resistor with a short-circuit rotor located at a greater distance.

Fig. 8 die zwei von der Auswerteelektronik gewonnenen, wegabhängigen Spannungen in Abhängigkeit von der Läuferposition. Fig. 8, the two obtained by the transmitter, the path-dependent voltages as a function of the rotor position.

Fig. 9 Beispielhafte Ausführung einer Auswerte-, Regel- und Ansteuerelek­ tronik zur integrierten Wegsignalgewinnung bei getakteter Ansteue­ rung. Fig. 9 Exemplary embodiment of an evaluation, control and control electronics for integrated path signal generation with clocked control.

Ein für das erfindungsgemäße Verfahren zur integrierten Wegmessung geeigneter Induktionslinearmotor nach dem Versuch von Elihu Thomson besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 aus einer zylinderförmigen, magnetisch leitenden Linearführung (4) an deren beiden Enden zwei voneinander unabhängige Erregerwick­ lungen (1) und (2) fest aufgebracht sind (Teilsystem 2). Koaxial zu der Linearführung (4) und auf dieser beweglich ist der Läufer (3) angeordnet (Teilsystem 1). Der Läufer stellt gleichzeitig eine elektrische Kurzschlusswicklung dar und muss deshalb aus elektrisch leitfähigem Material bestehen.An induction linear motor suitable for the method according to the invention for integrated displacement measurement after the experiment by Elihu Thomson consists in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 of a cylindrical, magnetically conductive linear guide ( 4 ) at its two ends two mutually independent excitation windings ( 1 ) and ( 2 ) are firmly applied (subsystem 2 ). The rotor ( 3 ) is arranged coaxially to the linear guide ( 4 ) and movable on it (subsystem 1 ). The rotor is also an electrical short-circuit winding and must therefore consist of an electrically conductive material.

Ob weitere Erregerspulen, über die bei geeigneter konstruktiver Ausführung eventuell auch der Läufer (3) gleiten kann, vorhanden sind, ist für das Prinzip der integrierten Weg­ messung unerheblich. Das Vorhandensein beziehungsweise wie in Fig. 1 das Fehlen von weiteren Elementen zur Flussführung ist für die integrierte Wegmessung ohne Bedeutung. Die Achse x in Fig. 1 deutet die Richtung der Motorbewegung an, wobei eine Bewegung sowohl mit positivem als auch mit negativem Vorzeichen möglich ist. Ob Teilsystem 1 oder Teilsystem 2 ortsfest ausgeführt wird und somit den Stator bildet, ist unerheblich. Bei Betrieb des Motors werden die Erregerspulen (1) und (2) in hinlänglich bekannter Weise mit Strömen beaufschlagt, die zeitlichen veränderlich sein müssen. Welcher Funktion diese Ströme im einzelnen folgen, ist für die Möglichkeit der integrierten Wegmessung von untergeordneter Bedeutung. Einzig die Auswerteelektronik muss entsprechend angepasst werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die integrierte Wegmessung für eine rechteckförmig getaktete Spannungsbeaufschlagung erläutert.It is irrelevant for the principle of the integrated displacement measurement whether there are other excitation coils over which the rotor ( 3 ) can slide if the design is suitable. The presence or, as in FIG. 1, the absence of further elements for flow guidance is of no importance for the integrated path measurement. The axis x in FIG. 1 indicates the direction of the motor movement, a movement with a positive as well as a negative sign being possible. It is irrelevant whether subsystem 1 or subsystem 2 is designed to be stationary and thus forms the stator. When the motor is operating, the excitation coils ( 1 ) and ( 2 ) are supplied with currents in a well-known manner, which currents have to be variable over time. Which function these currents follow in detail is of minor importance for the possibility of integrated path measurement. Only the evaluation electronics have to be adapted accordingly. In the exemplary embodiment shown, the integrated path measurement for a rectangular clocked voltage application is explained.

Fig. 2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Induktionslinearmotors. Die Motorklemmen U1a und U1b sind dem Anfang beziehungsweise dem Ende der Erregerspule (1) in Fig. 1 zugeordnet. Die Induktivität L1 und der ohmsche Widerstand R1 entsprechen der Inneninduktivität beziehungsweise dem Innenwiderstand der Erregerspule (1). Sinngemäß verhält sich dies für U2a, U2b, L2 und R2 bei der Erregerspule (2). Der Widerstand R3 und die Induktivität L3 bilden die Eigenschaften des Kurzschlussläufers ab. Die Elemente des Motors sind elektromagnetisch miteinander verkoppelt. Fig. 2 shows the electrical equivalent circuit diagram showing an embodiment of the linear induction motor. The motor terminals U1a and U1b are assigned to the beginning and the end of the excitation coil ( 1 ) in FIG. 1. The inductance L1 and the ohmic resistance R1 correspond to the internal inductance and the internal resistance of the excitation coil ( 1 ), respectively. This applies analogously to U2a, U2b, L2 and R2 for the excitation coil ( 2 ). The resistor R3 and the inductance L3 map the properties of the squirrel-cage rotor. The elements of the motor are electromagnetically coupled to one another.

Die in Fig. 3 dargestellten zusätzlichen Bauelemente werden für den Betrieb des Motors und die integrierte Wegmessung benötigt. Es sind dies die Schalter S1 und S2, die das elektrische Signal vom Eingang E zu den Erregerspulen durchschalten, sowie die zwei Messwiderstände RM1 und RM2.The additional components shown in Fig. 3 are required for the operation of the motor and the integrated path measurement. These are switches S1 and S2, which switch the electrical signal from input E to the excitation coils, and the two measuring resistors RM1 and RM2.

Im vorliegenden Beispiel ist das angelegte elektrische Signal eine rechteckförmige Wechselspannung ohne Gleichanteil. Es sind aber auch andere Spannungs- oder Strom­ verläufe möglich. Die Schalter S1 und S2 sind vorteilhafterweise in Halbleitertechnologie aufgebaut wie dies Stand der Technik ist. Die Schalter S1 und S2 können von einer zugeordneten, in Fig. 9 beschriebenen, elektrischen Schaltung geschlossen und geöffnet werden.In the present example, the electrical signal applied is a rectangular AC voltage without a DC component. However, other voltage or current profiles are also possible. The switches S1 and S2 are advantageously constructed in semiconductor technology as is the state of the art. The switches S1 and S2 can be closed and opened by an associated electrical circuit described in FIG. 9.

Durch die Messwiderstände fließt der Strom der ihnen zugeordneten Erregerspulen. Durch den entstehenden Spannungsabfall an den Messwiderständen RM1 und RM2, der an den Klemmen U1a und U2a gegen Masse abgreifbar ist, kann auf den momentan in den Erregerspulen fließenden Strom rückgeschlossen werden. Die über den Erregerspulen momentan abfallende Spannung kann an den Erregerspulenklemmen U1a und U1b, beziehungsweise U2a und U2b, gemessen werden.The current of the excitation coils assigned to them flows through the measuring resistors. By the resulting voltage drop across the measuring resistors RM1 and RM2, which at the Terminals U1a and U2a can be tapped against ground, can currently be in the Excitation coils flowing current can be inferred. The one over the excitation coils currently falling voltage can be applied to the excitation coil terminals U1a and U1b, and U2a and U2b, respectively.

Fig. 4 zeigt die Spannungsverläufe an den Erregerspulenklemmen U1b und U2b wie sie beispielsweise für das Aufbringen einer Läuferkraft in positive x-Richtung notwendig sind. Durch Schließen des Schalters S1 wird das ständig am Eingang E anliegende recht­ eckförmige Signal an die Klemme U1b gelegt. FIG. 4 shows the voltage profiles at the excitation coil terminals U1b and U2b, as are necessary, for example, for the application of a rotor force in the positive x direction. By closing the switch S1, the right corner signal, which is constantly present at input E, is applied to terminal U1b.

Schalter S2 bleibt geöffnet, dadurch befindet sich Klemme U2b auf einem nicht definiertem Pegel. Dies ist in Fig. 4 durch eine grau hinterlegte Fläche angedeutet. In der Erreger­ spule (2) kann somit kein Strom fließen. Dagegen entsteht in Erregerspule (1) eine elektromagnetisches Wechselfeld. Dieses induziert im Kurzschlussläufer (3) einen Wechselstrom. Dies führt zu einer Kraftwirkung auf den Kurzschlussläufer in positiver x- Richtung.Switch S2 remains open, which means that terminal U2b is at an undefined level. This is indicated in Fig. 4 by a gray background. No current can therefore flow in the excitation coil ( 2 ). In contrast, an alternating electromagnetic field is generated in the excitation coil ( 1 ). This induces an alternating current in the squirrel-cage rotor ( 3 ). This leads to a force effect on the squirrel-cage rotor in the positive x direction.

Fig. 5 zeigt die Spannungsverläufe an den Erregerspulenklemmen U1b und U2b wie sie beispielsweise für das Aufbringen einer Läufernullkraft bei gleichzeitiger integrierter Wegmessung notwendig sind. Durch wechselweises Schließen und Öffnen des Schalters S1 sowie Öffnen und Schließen des Schalters S2 wird das ständig am Eingang E anlie­ gende rechteckförmige Spannungssignal alternierend an die Klemme U1b und U2b gelegt. Die Klemmen U1b und U2b befinden sich zeitweise bei geöffnetem zugehörigen Schalter auf einem nicht definiertem Pegel. Dies ist in Fig. 5 durch eine grau hinterlegte Fläche angedeutet. Fig. 5 shows the voltage waveforms to the exciting coil terminals U1b and U2b as are necessary for example for the application of a rotor zero force at the same time integrated displacement measurement. By alternately closing and opening switch S1 and opening and closing switch S2, the rectangular voltage signal constantly present at input E is alternately connected to terminals U1b and U2b. Terminals U1b and U2b are temporarily at an undefined level when the associated switch is open. This is indicated in Fig. 5 by a gray background.

Da die Läuferkraft jeweils von der bestromten Spule weggerichtet ist, hebt sich bei Läufermittelstellung und einem Signalverlauf wie in Fig. 5 die auf den Läufer ausgeübte Kraft im zeitlichen Mittel auf. Bei anderen Läuferpositionen als Mittelstellung müssen die Einschaltzeiten der Schalter S1 und S2 entsprechend angepasst werden, da die Läufer­ kraft nicht unabhängig vom Abstand zu den Erregerspulen ist. Ebenfalls möglich ist ein weiteres Verringern der Einschaltzeiten beider Schalter in einem geeigneten Verhältnis um die Gesamteinschaltzeiten zu minimieren und somit die thermische Belastung des Motors zu verringern.Since the rotor force is directed away from the energized coil, the force exerted on the rotor is canceled out on average over time when the rotor is in the middle position and a signal curve as in FIG. 5. With rotor positions other than the middle position, the switch-on times of switches S1 and S2 must be adjusted accordingly, since the rotor force is not independent of the distance to the excitation coils. It is also possible to further reduce the switch-on times of both switches in a suitable ratio in order to minimize the total switch-on times and thus to reduce the thermal load on the motor.

In Fig. 6 ist der Spannungsverlauf an der Erregerspulenklemme U1b bei eingeschaltetem Schalter S1 sowie der Spannungsabfall über dem zugehörigen Messwiderstand RM1 bei unmittelbar in der Nähe der Erregerspule 1 befindlichem Kurzschlussläufer (3) dargestellt. Die Spannung über dem Messwiderstand RM1 ist direkt proportional dem in der Erreger­ spule (1) fließendem Strom. Der zeitliche Spannungsverlauf von U1a hängt somit von der Impedanz der Erregerspule (1) ab. Diese ist jedoch an den x-Abstand der Läuferkurz­ schlusswicklung gekoppelt. Der Spannungsverlauf von U1a enthält somit eine Läuferposi­ tionsinformation, diese kann durch Abtasten an zwei festgelegten Zeitpunkten nach Signalflankenwechsel, hier beispielsweise tA1 und tA2, gewonnen werden.In FIG. 6, the voltage waveform at the excitation coils U1b terminal when the switch S1 and the voltage drop across the respective measuring resistor RM1 is shown at directly and present in the vicinity of the exciting coil 1 squirrel cage (3). The voltage across the measuring resistor RM1 is directly proportional to the current flowing in the excitation coil ( 1 ). The voltage curve of U1a over time thus depends on the impedance of the excitation coil ( 1 ). However, this is coupled to the x distance of the short-circuit rotor. The voltage curve of U1a thus contains rotor position information, which can be obtained by sampling at two defined points in time after a signal edge change, here for example tA1 and tA2.

Fig. 7 zeigt dieselben Spannungen U1b und U1a bei weiter in x-Richtung entferntem Kurzschlussläufer. Durch die hier größere Entfernung des Kurzschlussläufers (3) von der Erregerwicklung (1) resultiert eine erhöhte Impedanz der Erregerspule (1) im Vergleich zu Fig. 6. Wie deutlich erkennbar ist, ändert sich durch die gegenüber Fig. 6 erhöhte Impedanz der Erregerspule (1) der Verlauf von U1a. Die zu den selben Zeitpunkten tA1 und tA2 gewonnenen Tastwerte der Spannung U1a weisen eine größere Differenz als in Fig. 6 auf. FIG. 7 shows the same voltages U1b and U1a with a short-circuit rotor further away in the x direction. Due to the greater this removal of the squirrel-cage rotor (3) of the exciter winding (1) an increased impedance results in the excitation coil (1) in comparison to Fig. 6. As can be clearly seen, the excitation coil is varied by comparison with FIG. 6 increased impedance ( 1 ) the course of U1a. The pulse values of the voltage U1a obtained at the same times tA1 and tA2 have a greater difference than in FIG. 6.

In Fig. 8 sind die Differenzen der Spannung U1a zwischen den Zeitpunkten tA2 und tA1 beziehungsweise die Differenzen der Spannung U2a als Funktion über den Läuferweg aufgetragen und mit U1x beziehungsweise U2x benannt.In Fig. 8, the differences in voltage U1a between times tA2 and tA1 and the differences in voltage U2a are plotted as a function of the rotor path and named U1x and U2x.

Fig. 9 zeigt beispielhaft eine Möglichkeit, die Signale U1x und U2x zu gewinnen und weiterzuverarbeiten. Zentrales Steuerelement ist ein Micrcontroller (8), der auf elektro­ nischem Weg die Halbleiterschalter S1, S2, StA1 und StA2 öffnen und schließen kann. Zu den in Fig. 6 beziehungsweise Fig. 7 auf der Zeitachse vermerkten Zeitpunkten tA1 und tA2 schließt der Microcontroller (8) kurz die Schalter StA1 beziehungsweise StA2. Dadurch laden sich die Kondensatoren in den Modulen (6) auf die momentan anlegende Spannung auf. Die Einheiten (5) und (6) bilden somit ein Sample wie es Stand der Technik ist. Die Subtrahierer (7) bilden anschließend die Differenz dieser beiden, zu den Zeitpunkten tA1 und tA2 aufgenommenen Momentanspannungen, und zwar sowohl für den Zweig der Erregerspule 1 als auch den Zweig der Erregerspule 2. Mittels eines im Microcontroller (8) enthaltenen mehrkanaligen Analog-Digital-Wandlers können diese Spannungswerte in binäre Form überführt werden. Unter Kenntnis der in Fig. 8 dar­ gestellten Funktionen ist der Microcontroller in der Lage, aus einer dieser gebildeten Differenzen, genauer jedoch unter Einbeziehung beider Differenzen, die aktuelle Läuferpo­ sition zu errechnen. Die Tatsache, daß beide Spannungsdifferenzen in der Regel nicht zur gleichen Zeit ermittelt werden, da jeweils nur eine der beiden Erregerspulen bestromt wird, ist bei genügend häufigem Umschalten ohne Bedeutung. Selbst wenn bei Maximalkraft­ betrieb, wie in Fig. 4 dargestellt, nur eine Spannungsdifferenz ermittelt wird ist eine integrierte Wegmessung, wenn auch mit verminderter Genauigkeit, möglich. FIG. 9 shows an example of a possibility of obtaining and further processing the signals U1x and U2x. The central control element is a microcontroller ( 8 ) which can open and close the semiconductor switches S1, S2, StA1 and StA2 electronically. To those in Fig. 6 and Fig. 7 on the time axis noted times tA1 and tA2 includes the microcontroller (8) and release the switch STA1 or STA2. As a result, the capacitors in the modules ( 6 ) charge up to the currently applied voltage. The units ( 5 ) and ( 6 ) thus form a sample as it is prior art. Subtractors ( 7 ) then form the difference between these two instantaneous voltages recorded at times tA1 and tA2, both for the branch of excitation coil 1 and for the branch of excitation coil 2 . These voltage values can be converted into binary form using a multi-channel analog-digital converter contained in the microcontroller ( 8 ). With knowledge of the functions shown in FIG. 8, the microcontroller is able to calculate the current rotor position from one of these differences, but more precisely taking both differences into account. The fact that both voltage differences are generally not determined at the same time, since only one of the two excitation coils is energized in each case is of no importance if the switchover is frequent enough. Even if at maximum force operation, as shown in FIG. 4, only a voltage difference is determined, an integrated path measurement is possible, albeit with reduced accuracy.

Um den Regelkreis zu schließen kann weiterhin ein Positionssollwert xsoll in den Control­ ler (8) eingelesen werde. Durch geeignete Ansteuerung der Schalter S1 und S2 ist dann mit hinlänglich bekannten Algorithmen ein Betrieb im geschlossenen Regelkreis möglich. Mit Hilfe der Endstufe (9) kann controllergesteuert leicht das in Fig. 3 an Eingang E anzulegende Spannungssignal generiert werden.In order to close the control loop, a position setpoint xsoll can also be read into the controller ( 8 ). Appropriate control of switches S1 and S2 then enables operation in a closed control loop with well-known algorithms. With the aid of the output stage ( 9 ), the voltage signal to be applied to input E in FIG. 3 can be easily generated under controller control.

Claims (12)

1. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren, die aus einem ersten Teilsystem mit vorzugsweise zwei Erregerspulen (1) und (2) sowie einem magnetischen Rückschluss (4), der gleichzeitig Führung sein kann, und einem zweiten Teilsystem, gebildet von einem elektrisch leitenden Kurzschluss­ läufer (3), bestehen, von denen jedes Teilsystem den feststehenden Stator oder den beweglichen Läufer bilden kann, mit einer zur zeitweisen Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes geeigneten Ansteuerung der einzelnen Erregerspulen, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung, die aus den zum Motorbetrieb ohnehin erforderlichen elektrischen Strömen und Spannungen in den einzelnen Erregerspulen einen wegabhängigen, quasikontinuierlichen Spannungs­ wert für die Relativposition zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsystem aus der von der Läuferposition abhängigen Änderung der komplexen Widerstände der Erregerspulen ableitet.1. Method for integrated path signal generation in induction linear motors, which consists of a first subsystem with preferably two excitation coils ( 1 ) and ( 2 ) and a magnetic return ( 4 ), which can simultaneously be a guide, and a second subsystem, formed by an electrically conductive short circuit Runner ( 3 ), of which each subsystem can form the fixed stator or the movable rotor, with a suitable control for the occasional generation of an electromagnetic alternating field of the individual excitation coils, characterized by an evaluation circuit which consists of the electrical currents required for motor operation and Voltages in the individual excitation coils derive a path-dependent, quasi-continuous voltage value for the relative position between the first and the second subsystem from the change in the complex resistances of the excitation coils depending on the rotor position. 2. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen im Bestro­ mungsfall mit einem rechteckförmigen Spannungssignal beaufschlagt werden und die Auswerteschaltung durch jeweils getrenntes, zeitdiskretes oder zeitkontinuierli­ ches Differenzieren der Stromverläufe in den Erregerspulen zu einem jeweils konstanten Zeitpunkt nach dem Flankenwechsel im Stellsignal einen wegabhängi­ gen, quasikontinuierlichen Spannungswert für die Relativposition zwischen dem ersten, die Erregerspulen beinhaltenden Teilsystem des Motors und dem zweiten, die Kurzschlusswicklung beinhaltenden Teilsystem ableitet.2. Process for integrated path signal generation in induction linear motors Claim 1, characterized in that the excitation coils in the Bestro case with a rectangular voltage signal and the evaluation circuit by separate, time-discrete or continuous time ches differentiating the current profiles in the excitation coils to one each constant point in time after the edge change in the control signal gene, quasi-continuous voltage value for the relative position between the first subsystem of the motor containing the excitation coils and the second, derives the short-circuit winding subsystem. 3. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen im Bestro­ mungsfall mit einem sinusförmigen Spannungssignal konstanter Amplitude beauf­ schlagt werden und die Auswerteschaltung durch jeweils getrenntes Ermitteln der Stromamplituden in den Erregerspulen zu einem jeweils konstanten Zeitpunkt nach dem Beginn der Beaufschlagung mit dem sinusförmigen Spannungssignal einen wegabhängigen, quasikontinuierlichen Spannungswert für die Relativposition zwischen dem ersten, die Erregerspulen beinhaltenden Teilsystem des Motors und dem zweiten, die Kurzschlusswicklung beinhaltenden Teilsystem ableitet.3. Process for integrated path signal generation in induction linear motors Claim 1, characterized in that the excitation coils in the Bestro case with a sinusoidal voltage signal of constant amplitude be suggested and the evaluation circuit by separately determining the Current amplitudes in the excitation coils at a constant time the beginning of the application of the sinusoidal voltage signal path-dependent, quasi-continuous voltage value for the relative position  between the first subsystem of the motor containing the excitation coils and the second subsystem containing the short-circuit winding. 4. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen im Bestro­ mungsfall mit einem sinusförmigen Spannungssignal konstanter Amplitude beauf­ schlagt werden und die Auswerteschaltung durch jeweils getrenntes Ermitteln der Stromamplitudenverläufe in den Erregerspulen zu mehreren, aber jeweils kon­ stanten Zeitpunkten nach dem Beginn der Beaufschlagung mit dem sinusförmigen Spannungssignal einen wegabhängigen, quasikontinuierlichen Spannungsmittelwert für die Relativposition zwischen dem ersten, die Erregerspulen beinhaltenden Teilsystem des Motors und dem zweiten, die Kurzschlusswicklung beinhaltenden Teilsystem ableitet.4. Process for integrated path signal generation in induction linear motors Claim 1, characterized in that the excitation coils in the Bestro case with a sinusoidal voltage signal of constant amplitude be suggested and the evaluation circuit by separately determining the Current amplitude curves in the excitation coils to several, but each con constant times after the start of the application of the sinusoidal Voltage signal a path-dependent, quasi-continuous voltage mean for the relative position between the first one containing the excitation coils Subsystem of the motor and the second, including the short-circuit winding Derives subsystem. 5. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen im Bestro­ mungsfall mit einem sinusförmigen Spannungssignal konstanter Amplitude beauf­ schlagt werden und die Auswerteschaltung durch jeweils getrenntes Ermitteln der Effektivwerte der in den Erregerspulen fließenden Ströme zu einem jeweils kon­ stanten Zeitpunkt nach dem Beginn der Beaufschlagung mit dem sinusförmigen Spannungssignal einen wegabhängigen, quasikontinuierlichen Spannungswert für die Relativposition zwischen dem ersten, die Erregerspulen beinhaltenden Teil­ system des Motors und dem zweiten, die Kurzschlusswicklung beinhaltenden Teilsystem ableitet.5. Process for integrated path signal generation in induction linear motors Claim 1, characterized in that the excitation coils in the Bestro case with a sinusoidal voltage signal of constant amplitude be suggested and the evaluation circuit by separately determining the RMS values of the currents flowing in the excitation coils to a con constant time after the start of the application of the sinusoidal Voltage signal a path-dependent, quasi-continuous voltage value for the relative position between the first part containing the excitation coils system of the motor and the second, including the short-circuit winding Derives subsystem. 6. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach mindestens einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statt der beschriebenen in die Erregerwicklungen eingeprägten Spannungs­ verläufe entsprechende eingeprägte Stromverläufe konstanter Amplitude zur Anwendung kommen und statt dem Erregerwicklungsstrom die an den Erregerwick­ lungen anliegende Spannung zur integrierten Wegmessung genutzt wird.6. Process for integrated path signal generation in induction linear motors at least one of the aforementioned claims, characterized in that that instead of the described voltage impressed in the field windings Corresponding impressed current curves of constant amplitude Application come and instead of the excitation winding current to the excitation winding voltage applied to the integrated path measurement is used. 7. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach mindestens einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionslinearmotor zum Einsatz kommt, dessen Spulensystem und Kurzschlussläufer im wesentlichen zylindrisch sind und eine gemeinsame Symme­ trieachse aufweisen, wobei entweder der Kurzschlussläufer oder das Spulen­ system, gegebenenfalls zusammen mit jeweils weiteren Stützelementen oder Teilen des magnetischen Kreises, verschieblich zu einer parallelen Richtung zur gemein­ samen Symmetrieachse angeordnet sind.7. Process for integrated path signal generation in induction linear motors  at least one of the aforementioned claims, characterized in that that an induction linear motor is used, its coil system and Short-circuit rotors are essentially cylindrical and have a common symmetry have tri-axis, either the squirrel-cage rotor or the winding system, possibly together with additional support elements or parts of the magnetic circuit, displaceable to a direction parallel to the common seeds are arranged symmetry axis. 8. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach mindestens einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionslinearmotor zum Einsatz kommt, der mehr als zwei axial zueinander angeordnete Erregerwicklungen beinhaltet.8. Process for integrated path signal generation in induction linear motors at least one of the aforementioned claims, characterized in that that an induction linear motor is used that has more than two axial contains mutually arranged excitation windings. 9. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach mindestens einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionslinearmotor zum Einsatz kommt, dessen Kurzschlussläuferbewe­ gungsbereich über eine oder mehrere Erregerspulen geeigneten Durchmessers hinausführt.9. Process for integrated path signal generation in induction linear motors at least one of the aforementioned claims, characterized in that that an induction linear motor is used, the short-circuit rotor of which range over one or more excitation coils of suitable diameter leads out. 10. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach mindestens einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionslinearmotor zum Einsatz kommt der neben einem magnetisch leitfähigen Rückschluss eine Linearführung, die sowohl elektrisch oder magnetisch leitend als auch elektrisch oder magnetisch nichtleitend sein kann, beinhaltet, die die elektromagnetische Feldverteilung des Spulensystems unterstützt bzw. beein­ flusst.10. Method for integrated path signal generation in induction linear motors at least one of the aforementioned claims, characterized in that that an induction linear motor is used alongside a magnetic one conductive inference a linear guide that is both electrical or magnetic can be conductive as well as electrically or magnetically non-conductive, which supports or influences the electromagnetic field distribution of the coil system enced. 11. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Induktionslinearmotoren nach mindestens einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionslinearmotor zum Einsatz kommt, dessen Kurzschlussläufer (1) einen zusätzlichen magnetischen Rückschluss, der sowohl elektrisch leitend als auch elektrisch nichtleitend sein kann, beinhaltet, der die elektromagnetische Feldverteilung unterstützt bzw. beeinflusst. 11. Method for integrated path signal generation in induction linear motors according to at least one of the preceding claims, characterized in that an induction linear motor is used, the squirrel-cage rotor ( 1 ) of which includes an additional magnetic return path, which can be both electrically conductive and electrically non-conductive, which electromagnetic field distribution supports or influences. 12. Verfahren zur integrierten Wegsignalerzeugung in Asynchronlinearmotoren nach mindestens einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtsystem eine elektronische Regelschaltung umfaßt, welche das gemessene Wegsignal mit einem vorgegebenen Wegsollwert vergleicht und aus der Differenz der beiden Signale die Eingangsgröße für einen Positions- oder Bahnregler liefert, der wiederum die Antriebssignale so steuert, dass die Läuferpo­ sition auf den Positionssollwert oder die Bewegung auf eine Soll-Fahrkurve ausge­ regelt wird.12. Method for integrated path signal generation in asynchronous linear motors at least one of the aforementioned claims, characterized in that that the overall system comprises an electronic control circuit which compares the measured path signal with a specified path setpoint and off the difference between the two signals is the input variable for a position or Path controller delivers, which in turn controls the drive signals so that the rotor po sition on the position setpoint or the movement on a set travel curve is regulated.
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RU2478252C2 (en) * 2011-06-28 2013-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курганский государственный университет" Linear electric machine

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