DE10135541B4

DE10135541B4 - Elektromotor mit Positions-Meßsystem

Info

Publication number: DE10135541B4
Application number: DE10135541A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hoppe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2021-07-21
Also published as: DE10135541A1

Abstract

Elektromotor mit einem Meßsystem zur Ermittlung der Position eines ersten Motorteils (40), der in Bezug auf einen zweiten Motorteil (10) bewegbar ist, wobei der erste Motorteil eine Anzahl von Magneten (20) aufweist, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind, und der andere Motorteil (40) eine Anzahl von Magnetsensoren (60) aufweist, die entlang der Bewegungsrichtung beabstandet sind, wobei der Abstand (b) zwischen jeweils zwei Magnetsensoren (a) unterschiedlich zum Abstand (b) zwischen jeweils zwei Magneten ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit einem Meßsystem zur Ermittlung der Position eines ersten Motorteils, der in bezug auf eine zweiten Motorteil bewegbar ist, wobei einer der Motorteile eine Anzahl von Magneten aufweist, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind, und der andere Motorteil Magnetsensoren zum Erfassen der Magnete aufweist.
Bei den Elektromotoren kann es sich um lineare oder rotatorische Motoren handeln.

Bekannten Meßsystemen ist gemeinsam, dass diskrete Positionsindikatoren in der Bewegungsrichtung, in der die Position zu bestimmen ist, gleichmäßig beabstandet angeordnet sind und durch einen einzelnen Lesekopf abgelesen werden. Durch geeignete Auswertung des Ablesesignals, beispielsweise durch eine inkrementelle Logik, kann bei einer Bewegung die Position bestimmt werden. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung ist dabei durch den gegenseitigen Abstand der Positionsindikatoren bestimmt.

Wegen der räumlichen Ausdehnung der Positionsindikatoren in Bewegungsrichtung können diese Abstände jedoch nicht beliebig vermindert werden, und ferner erhöht sich der Fertigungsaufwand für das Meßsystem mit miniaturisierten Abständen.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit einem Meßsystem zur Positionsbestimmung anzugeben, bei dem bei gleichem Abstand der Positionsindika toren die Messgenauigkeit erhöht ist, bzw. bei gegebener Messgenauigkeit größere Abstände zwischen den Positionsindikatoren zugelassen werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Elektromotor mit einem Meßsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass nicht nur ein einzelner Lesekopf zum Ablesen der Positionsindikatoren vorgesehen ist, sondern es ist eine ganze Anzahl von Rezeptoren vorgesehen, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei Rezeptoren unterschiedlich ist zu dem Abstand zwischen jeweils zwei Positionsindikatoren.

Erfindungsgemäß wird damit ein Noniusprinzip eingesetzt. Wenn beispielsweise der Abstand zwischen zwei Indikatoren Δ beträgt, ist dadurch die Auflösung eines konventionellen Meßsystems gegeben. Um erfindungsgemäß eine Auflösung von D = Δ/N (N ganze Zahl) zu erzielen, werden N Rezeptoren mit einem gegenseitigen Abstand δ eingesetzt, wobei δ gegeben ist durch δ = Δ – D.

Wenn somit in einer bestimmten Position einer der Rezeptoren einen Positionsindikator erkennt, erfasst der in Bewegungsrichtung darauf folgende Rezeptor nach einer Bewegung um die Strecke D den darauf folgenden nächsten Positionsindikator, so dass insgesamt die Auflösung auf D erhöht ist.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Abstände zwischen den Rezeptoren größer als die Abstände zwischen den Indikatoren zu wählen, wobei die Auflösung D gegeben ist durch die Differenz der Abstände. Hieraus folgt auch, dass das Verhältnis des Abstandes der Indikatoren zum Abstand der Rezeptoren keine ganze Zahl sein soll, da in diesem Fall nur die ursprüngliche Auflösung Δ erzielt wird.

Ein solches Meßsystem kann mit allen gebräuchlichen Messvorrichtungen verwendet werden, beispielsweise mit Strichgittern und optischen Leseköpfen, Positionsindikatoren aus magnetisierbarem Material und Magnetfeldsensoren oder magnetischen Leseköpfen, Lochblenden und kapazitiven Sensoren etc.

Erfindungsgemäß werden in einem Elektromotor Magneten in Verbindung mit Magnetsensoren eingesetzt. Dies ermöglicht die Positionsregelung von elektrischen Linear- oder Rotationsmotoren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1-3 verschiedene schematische Ansichten eines elektrischen Linearmotors und
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Messprinzips.
4 zeigt eine lineare Anordnung 100 einzelner Magnete 101, 102 ..., die jeweils einen Abstand Δ voneinander haben, hier beispielsweise 10 Einheiten (z.B. mm). Die Anordnung 100 kann sich über beliebige Längen, in denen eine Positionsbestimmung vorzunehmen ist, erstrecken (vertikal in 4).
Parallel zu der Anordnung 100 von Magneten ist eine Anordnung 200 von Magnetsensoren 201, 202, ..., 210 angeordnet. Die Magnetsensoren haben einen Abstand von δ, der in dem dargestellten Beispiel 9 Einheiten (z.B. mm) beträgt.
In der dargestellten Position liegt der Magnetsensor 201 direkt dem Magneten 101 gegenüber, so dass der Magnetsensor 201 den Magneten 101 erfasst.
Wird die Leseanordnung 200 um eine Strecke D = Δ – δ in Bewegungsrichtung (vertikal in 4 nach unten) bewegt, so steht der Magnetsensor 202 dem Magneten 102 gegenüber und erfasst ihn. Dies setzt sich bei einer weiteren Verschiebung um jeweils D fort, bis der Magnetsensor 210 einen Magneten erfasst. Anschließend steht der Magnetsensor 201 dem Magneten 102 gegenüber und der Prozess beginnt von vorn. Durch eine geeignete Auswertung der Signale der Magnetsensoren, z.B. inkrementelle Auswertung, erhält man insgesamt 10 Signale zwischen der in 4 dargestellten Position und der Position, in der der Magnetsensor 201 dem Magneten 102 gegenübersteht. Somit ist die Auflösung des Meßsystems um einen Faktor Δ/(Δ – δ) verbessert.
Die Anordnungen 100 und 200 können auch so positioniert werden, dass die Magneten M und die Magnetsensoren L auf konzentrischen Kreisen liegen. Auf diese Weise können Drehpositionen bei Rotationsmotoren ermittelt werden.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Meßsystem anhand eines elektrischen Linearmotors erläutert.
Der in den 1-3 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.
Erfindungsgemäß ist der Primärteil mit mehreren Magnetfeldsensoren 60 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 des weiteren 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.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich die Auflösung des Meßsystems aus dem Abstand der Magnete b (= Δ), die die Positionsindikatoren darstellen, und dem Polteilungsmaß a (= δ), die die Rezeptoren darstellen, zu: D = a – b.

Claims

Elektromotor mit einem Meßsystem zur Ermittlung der Position eines ersten Motorteils (40), der in Bezug auf einen zweiten Motorteil (10) bewegbar ist, wobei der erste Motorteil eine Anzahl von Magneten (20) aufweist, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind, und der andere Motorteil (40) eine Anzahl von Magnetsensoren (60) aufweist, die entlang der Bewegungsrichtung beabstandet sind, wobei der Abstand (b) zwischen jeweils zwei Magnetsensoren (a) unterschiedlich zum Abstand (b) zwischen jeweils zwei Magneten ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstandes der Magnetsensoren zum Abstand der Magnete keine ganze Zahl ist.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete gleiche Abstände zueinander aufweisen und dass die Magnetsensoren gleiche Abstände zueinander aufweisen.