DE10135540B4

DE10135540B4 - Verfahren zur Regelung von Elektromotoren

Info

Publication number: DE10135540B4
Application number: DE10135540A
Authority: DE
Inventors: Markus Knorr; Gerhard Matscheko
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2021-07-21
Also published as: WO2003012972A1; DE10135540A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines bewegbaren Elektromotorteils aus Inkrementsignalen eines Positionsdetektors und Taktsignalen eines Taktgebers, das zur Ermittlung eines ersten Geschwindigkeitssignals (G1) die Taktsignale zwischen jeweils zwei Inkrementsignalen zählt und die Summe zu dem Abstand, der den zwei Inkrementsignalen entspricht, in Beziehung setzt und das zur Ermittlung eines zweiten Geschwindigkeitssignals (G2) die Inkrementsignale zwischen zwei Taktsignalen zählt und den entsprechenden Abstand zu der Zykluszeit zwischen zwei Taktsignalen in Beziehung setzt, dadurch gekennzeichnet, dass man das erste und das zweite Geschwindigkeitssignal zu einem Resultatgeschwindigkeitssignal gewichtet summiert, wobei bei geringen Geschwindigkeiten das erste Geschwindigkeitssignal (G1) ein hohes Gewicht hat, bei hohen Geschwindigkeiten das zweite Geschwindigkeitssignal (G2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit zur Regelung eines Elektromotors.

Bei elektrischen Linearmotoren ist es zur Ermittlung der Lage und Geschwindigkeit üblich, an einem feststehenden Motorteil, in der Regel ein Sekundärteil mit mehreren Permanentmagneten, einen Maßstab anzubringen, der durch einen Lesekopf, der an einem bewegbaren Motorteil, normalerweise ein mit Wicklungen versehener Primärteil, angebracht ist, abgelesen wird.

US 5,091,665 offenbart einen Linearmotor, bei welchem die Ermittlung der Lage und Position durch Magnetfeldsensoren am feststehenden Motorteil erfolgt, die das Magnetfeld der Magneten des beweglichen Motorteils erfassen.

Aus DD-A-259 445 ist eine Wegmessanordnung bekannt, die mehrere Permanentmagnete und Magnetfeldsensoren umfasst, wobei die Permanentmagnete und die Magnetfeldsensoren das Noniusprinzip ausnutzen.

Grundsätzlich die gleichen Überlegungen gelten auch für drehende Elektromotoren, die mit Drehgebern oder dgl. ausgestattet sind.

Verfahren zur digitalen Drehzahlmessung sind in DE 36 20 350 C2 sowie G. Spescha, "EIN SCHNELLES DIGITALES DREHZAHLMESSGERÄT" in der Zeitschrift "messen prüfen automatisieren", September 1986, Seite 560–563 offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Geschwindigkeitsermittlung vorzusehen, das sowohl bei sehr kleinen als auch großen Geschwindigkeiten genaue Ergebnisse liefert.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.

Der abhängige Anspruch betrifft eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.

Es ist möglich, an einem Motorteil die Magnetfeldstärke des anderen Motorteils zu ermitteln und aus der Magnetfeldstärke oder deren Änderung Daten hinsichtlich der Position bzw. der Geschwindigkeit zu ermitteln.

Bei Synchronmotoren, die aneinander gereihte Permanentmagnete aufweisen, wird dabei vorzugsweise das Magnetfeld der Permanentmagnete zur Positionsfeststellung ermittelt.

In einer alternativen Variante wird beispielsweise eine Magnetspur auf eines der Motorteile aufgebracht, die von einem Magnetlesekopf am anderen Motorteil gelesen wird. Diese Magnetspur kann beispielsweise aus magnetisierbarem Kunststoff oder Gummimaterial bestehen, die vorzugsweise bei einem Linearmotor auf einem Sekundärteilkühler zur Gewährleistung der thermischen Genauigkeit angebracht wird. Bei einem Rotationsmotor wird die Magnetspur bei der Produktion auf der Läuferinnenseite oder der Stirnseite (Magnettrommel) aufgebracht.

Neben Informationen hinsichtlich der Position als Inkrementalinformation oder Absolutinformation kann die Magnetspur auch Informationen hinsichtlich der Kommutierung eines Motors enthalten.

Um die erforderliche Synchronität zwischen der Lage der Permanentmagnete und der Information auf der Magnetspur sicherzustellen, kann bei Inbetriebnahme beispielsweise der Lesekopf zum Beschreiben der Magnetspur verwendet werden, wobei über den bewegbaren Motorteil das auf die Spulen des Motorteils einwirkende Magnetfeld der Permanentmagnete geeignet zum Beschreiben der Magnetspur verwendet wird.

Bei Messverfahren und Vorrichtungen, die mit Inkrementalsignalen arbeiten, kann es bei relativ geringen Geschwindigkeiten zu Regelfehlern kommen, was auch bei den oben beschriebenen Verfahren bzw. Vorrichtungen möglich ist.

Der Grund liegt darin, dass konventionell bei digital geregelten Antrieben ein Geschwindigkeitssignal durch Differenzierung oder Differenzenquotientenbildung eines Positionssignals gebildet wird. Dies erfolgt in der Regel dadurch, dass in einem Taktzyklus eines Taktgebers die Anzahl von Inkrementsignalen gezählt wird und daraus das Geschwindigkeitssignal abgeleitet wird (Verfahren A). Bei sehr kleinen Geschwindigkeiten kann es dann vorkommen, daß während eines Zyklus keine Inkrementsignale ankommen und dies als Geschwindigkeit Null interpretiert wird. Kommt dann im nächsten Takt ein Lageinkrementsignal im Regler an, wird der Geschwindigkeitswert beim nächsten Takt von Null auf eine endliche Geschwindigkeit eingestellt. Dies kann zu großen Stromsprüngen und damit zu unruhigem Antriebsverhalten bezüglich Gleichlaufen und Geräusch führen. Diesem Problem könnte man abhelfen, indem man zu einer feineren Positionsangabe übergeht, dies erhöht jedoch die Kosten erheblich. Die Zwischenschaltung von Glättungsfiltern führt zwar zu einer gewissen Unterdrückung der Unruhe im Antrieb, geht jedoch im Allgemeinen auf Kosten der Dynamik des Antriebs.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, anders als bei der konventionellen Regelung vorzugehen und nicht nur die Inkrementsignale während einer Taktzeit zu zählen, sondern auch die Inkrementsignale als Auslöser bzw. als Endsignal für die Zählung von Taktsignalen zu verwenden (Verfahren B). Auf diese Weise kann die Zeit im Nenner der Differenzbildung deutlich länger als ein Rechentakt sein, und es wird eine wesentlich feinere Geschwindigkeitswertdarstellung möglich, insbesondere ist es hierbei nicht erforderlich, eine feste Messzeit vorzugeben; die Messzeit passt sich aufgrund des Auftretens von Signalen automatisch an.

Um bei hohen Geschwindigkeiten Regelfehler zu vermeiden, die auftreten können, wenn das Zeitintervall zwischen zwei Inkrementsignalen kleiner wird als ein Taktzyklus, wird in diesem Fall zu Verfahren A übergegangen. Dies erfolgt dadurch, dass man ein erstes Geschwindigkeitssignal nach dem Verfahren B ermittelt sowie ein zweites Geschwindigkeitssignal nach dem Verfahren A und dass man diese Geschwindigkeitssignale gewichtet aufsummiert. Dabei ist das Gewicht des ersten Geschwindigkeitssignals bei geringen Geschwindigkeiten groß und bei hohen Geschwindigkeiten klein, das Gewicht des zweiten Geschwindigkeitssignals bei geringen Geschwindigkeiten klein und bei hohen Geschwindigkeiten groß.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen elektrischen Linearmotor in schematischer Längsseitenansicht;
2 eine Draufsicht des Motors der 1 und
3 eine Stirnseitenansicht des Motors der 1.
Der in den Figuren dargestellte elektrische Linearmotor hat in an sich bekannter Weise einen Sekundärteil mit einer Trägerplatte 10 und darauf aufgebrachten Permanentmagneten 20, die linear aneinander gereiht sind. Über einen Luftspalt wirkt der Sekundärteil mit einem Primärteil zusammen, der einen Körper 40 und darin aufgenommene Wicklungen 50 aufweist. Dabei ist das Polteilungsmaß a der Wicklungen 50 des Primärteils unterschiedlich zu den gegenseitigen Abständen b der Permanentmagnete 20 des Sekundärteils.
Der Primärteil ist mit mehreren Magnetfeldsensoren 50 versehen. Die Magnetfeldsensoren 60 sind in den Spulen 50 angeordnet und sind auf die Permanentmagnete 20 gerichtet, wie durch den Pfeil in 3 dargestellt ist.
Da sich das Polteilungsmaß a der Wicklungen von den Abständen b der Permanentmagnete unterscheidet, erfassen die einzelnen Magnetfeldsensoren 60 Magnetfelder der Permanentmagnete 20 lokal in unterschiedlichen Phasen. Durch geeignete Auswertung dieser Signale kann die Position festgestellt werden, bzw. kann die Genauigkeit erheblich erhöht werden ("Nonius-Prinzip").
Zwar sind in den Figuren jeweils zwei Magnetfeldsensoren 60 pro Spule vorgesehen, grundsätzlich ist jedoch ein Magnetfeldsensor pro Spule ausreichend.
2 zeigt desweiteren eine Magnetspur 30, die seitlich neben der Reihe der Permanentmagnete 20 auf dem Träger 10 des Sekundärteils aufgebracht ist. Diese Magnetspur 30 kann beispielsweise aus magnetisierbarem Gummi oder Kunststoff bestehen und ist am Träger 10 fixiert.
In der Magnetspur sind Informationen beispielsweise hinsichtlich der Position als Absolutwert oder Inkrementwert und/oder zur Kommutierung kodiert, und diese Information wird von einem einzelnen Lesekopf (nicht dargestellt) aus der Magnetspur ausgelesen.
Die beiden Vorschläge der Auswertung des Magnetfelds der Permanentmagnete bzw. das Lesen einer Magnetspur können als Alternativen angesehen werden oder miteinander kombiniert werden, beispielsweise indem in einer Magnetspur Absolutwerte gespeichert werden (beispielsweise Magnetnummern) und das Magnetfeld der Permanentmagnete zur Positionsermittlung zwischen den Magneten genutzt wird. In diesem Fall ist auch ein einzelner Magnetfeldsensor zur Ermittlung der Position aus dem Magnetfeld der Permanentmagnete ausreichend.
Beide Alternativen können als Inkrementgeber eingesetzt werden, die bei zunehmendem Weg jeweils Inkrementimpulse ausgeben. Bei kleinen Geschwindigkeiten wird dabei das Zeitintervall zwischen zwei Inkrementimpulsen ermittelt, d.h. die Taktsignale eines Taktgebers werden gezählt. Aus dem bekann ten räumlichen Abstand, der den Inkrementsignalen entspricht, und der Anzahl der Taktimpulse kann ein Geschwindigkeitssignal für eine Geschwindigkeitsregelung ermittelt werden. Bei hohen Geschwindigkeiten wird demgegenüber die Anzahl der Inkrementimpulse während eines Taktintervalls ermittelt und daraus die Geschwindigkeit berechnet.
Um einen "weichen" Übergang zwischen den Regelgrößen zu gewährleisten, können die beiden Geschwindigkeitssignale zu einem resultierenden Geschwindigkeitssignal gemäß der folgenden Beziehung kombiniert werden: GR = A × G1 + B × G2, wobei

GR: die Regelgeschwindigkeit ist,
G1: das erste Geschwindigkeitssignal,
G2: das zweite Geschwindigkeitssignal,
A, B: geschwindigkeitsabhängige Koeffizienten sind, für die gilt A + B = 1, A = 1, B = 0 bei kleinen Geschwindigkeiten, A = 0, B = 1 für hohe Geschwindigkeiten, A = B = 0,5 für mittlere Geschwindigkeiten im Übergangsbereich.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Koeffizienten A, B, kontinuierlich geschwindigkeitsabhängig zu gestalten.
Regelschemata zur Geschwindigkeitsregelung von Motoren sind allgemein bekannt und werden deshalb hier nicht im Einzelnen beschrieben. Ebenfalls nicht im Einzelnen beschrieben werden die Magnetfeldsensoren, für die alle gängigen Typen eingesetzt werden können, beispielsweise Hallsensoren oder Spulen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines bewegbaren Elektromotorteils aus Inkrementsignalen eines Positionsdetektors und Taktsignalen eines Taktgebers, das zur Ermittlung eines ersten Geschwindigkeitssignals (G1) die Taktsignale zwischen jeweils zwei Inkrementsignalen zählt und die Summe zu dem Abstand, der den zwei Inkrementsignalen entspricht, in Beziehung setzt und das zur Ermittlung eines zweiten Geschwindigkeitssignals (G2) die Inkrementsignale zwischen zwei Taktsignalen zählt und den entsprechenden Abstand zu der Zykluszeit zwischen zwei Taktsignalen in Beziehung setzt, dadurch gekennzeichnet, dass man das erste und das zweite Geschwindigkeitssignal zu einem Resultatgeschwindigkeitssignal gewichtet summiert, wobei bei geringen Geschwindigkeiten das erste Geschwindigkeitssignal (G1) ein hohes Gewicht hat, bei hohen Geschwindigkeiten das zweite Geschwindigkeitssignal (G2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Resultatgeschwindigkeitssignal (GR) aus der folgenden Beziehung ermittelt wird: GR = A × G1 + B × G2, wobei A + B = 1.