DE10136672A1 - Verfahren zur Positionsmessung eines elektromagnetischen Stellglieds - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Antrieb und Positionsmessung des elektromagnetischen Stellglieds, der gemäß dem Sprechspulenprinzip arbeitet. Das Stellglied umfasst einen ortsfest angeordneten Kern (1), einen Permanentmagnet (2), der einen Luftspalt (6) bildet, wo ein konstantes Magnetfeld gebildet wird, durch das eine in axialer Richtung bewegliche Sprechspule so angeordnet ist, dass sie in ihrer äußersten Lage teilweise den Kern (1) verlassen kann, was zu einer großen Veränderung der Induktivität der Sprechspule führt, wenn sie sich zwischen ihren Endlagen bewegt. Die Sprechspule ist mit einer kontrollierbaren Stromquelle verbunden, die sowohl den Mittelstrom als auch eine Wechselstromkomponente durch die Sprechspule kontrollieren kann, was eine Möglichkeit dazu gibt, die Phasendrehung gleichzeitig mit der Steuerung der Kraft zu analysieren, was eine Abmessung der Induktivität in der Sprechspule und folglich auch eine Abmessung der Sprechspulenlage ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ablesung der Position in einem linearen, elektromagnetischen Stellglied, das gemäss dem Sprechspulenprinzip arbeitet.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Es ist früher bekannt, dass die Positionsmessung eines elektromagnetischen Stellglieds, wo der stellbare Teil aus einem Eisenkern besteht, der dazu bestimmt ist, von dem von einer ortsfesten Spule erzeugten Magnetfeld beeinflusst zu werden, durch eine Analyse der Induktivität der Spule vorgenommen werden kann. Ein Beispiel dieses Verfahrens wird in der Patentschrift US 5172298 beschrieben. Ein unvermeidlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die relative Induktivitätsvariation niedrig ist, weshalb die absolute Genauigkeit niedrig wird, was ein Nachteil ist, wenn eine gute Präzision gewünscht ist. In der Patentschrift US 5172298 wird auch vorgeschlagen, dass die Spule in eine treibende Spule und eine messende Spule aufgeteilt wird, was noch ein Nachteil ist, da dies zu einer erhöhten Komplexität führt.

Zum Erreichen einer schnellen Lagebestimmung eines Harddisk-Pick-ups wird in der Patentschrift US 4937510 gezeigt, wie man mit analoger Elektronik die elektromotorische Kraft (EMK), die von der Geschwindigkeit der Spule induziert wird, analysieren, und folglich die Geschwindigkeit der Spule messen kann. Die absolute Positionierung wird hier von komplizierten Prinzipien gesteuert, und die Messung der Geschwindigkeit ist nur zur Verwendung für einen Geschwindigkeitsregulator mit hoher Bandbreite bestimmt. Dasselbe Modell von Geschwindigkeitsrückführung ist bisher auch zur Geschwindigkeitssteuerung der Spule in Lautsprechern, aber oft durch die Anordnung einer anderen, geeigneten Messspule im Anschluss an die treibende Spule verwendet worden. Keiner dieser beiden Verfahren hat die Qualität, einen absoluten Wert der Position des Stellglieds zu geben.

In der Patentschrift PCT/SE 98/01564 wird gezeigt, wie ein weiteres Stellprinzip mit Positionsmessung versehen werden kann, durch Messen der Induktivitätsvariationen, die aus der gegenseitigen Induktivität stammen, welche von dem in dem Stellmodell inbegriffenen Transformator erzeugt wird. Das Prinzip beruht aber auf einer komplexen Struktur, betreffend sowohl den Antrieb des Stellglieds als auch die Analyse der Stellgliedlage, was in gewissen Anwendungen nicht wünschenswert ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung ist es, das obengenannte Problem zu lösen, um eine schnelle und genaue Positionsmessung der Lage der beweglichen Spule in einem linearen Stellglied zu ermöglichen, welche Messung auf dem Sprechspulenprinzip basiert. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Antrieb und zur Positionsmessung eines Stellglieds gelöst, welches Verfahren einen von einem Permanentmagnet magnetisierten Spalt umfasst, in dem eine Sprechspule zur Bewegung zwischen zwei Endlagen angeordnet ist, wobei die von der Sprechspule umfaßte Kernmaterialmenge mit der Position variiert, wobei die Sprechspule mit einer kontrollierbaren Stromquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelstrom gesteuert werden kann, was die Kraft des Stellglieds kontrolliert und dass eine Wechselstromkomponente generiert werden kann, wodurch die Phasendrehung des Stromkreises gemessen werden kann, was eine Abmessung der Sprechspulenlage im Verhältnis zu dem Kernmaterial gibt.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird ein Werkzeug erhalten, das die Verwendung eines Sprechspulenprinzips in neuen Verwendungsgebieten möglich macht. Das Sprechspulenprinzip ist dadurch gekennzeichnet, eine schnelle, doppel­ wirkende Kraftquelle mit grosser Dynamik zu schaffen. Wenn dieses Prinzip mit einem einfachen und genauen Verfahren zur Positionsmessung ergänzt wird, bieten sich neue Verwendungsgebiete.

Die Positionsinformation ist zur Verwendung in mehreren, verschiedenen Fällen bestimmt.

Ein Beispiel ist die Lagerückführung in einem positionsgesteuerten System. Noch ein Beispiel ist, den Bedarf von Endlage-Stellgliedern zu eliminieren. Ein weiteres Beispiel sind diagnostische Funktionen zur Analyse und Kontrolle der Stellgliedfunktion.

Die Sprechspule wird von einer Stromquelle getrieben, die teils den Mittelstrom durch die Sprechspule kontrolliert, teils eine Wechselstromkomponente erzeugen kann. Der Mittelstrom gibt Kontrolle über die Kraft, den die Sprechspule entwickeln soll, und die Wechselstromkomponente ermöglicht die Analyse der Induktivität der Sprechspule. Die Induktivität der Sprechspule kann dazu gebracht werden, kräftig mit der Lage zu variieren, dadurch dass ein Teil der Sprechspule den Innerkern verlassen darf, wenn die Sprechspule sich in ihrer äussersten Lage befindet.

Weitere Aspekte der Erfindung beinhalten:

• - dass die Stromquelle aus einem oder mehreren Umschaltungselementen (17) besteht, die Spannung zu der Sprachspule (3) in solcher Weise bringen, dass der momentane Stromwert dazu benutzt wird, zwischen zwei kontrollierbaren Grenzwerten zu schwenken, was dazu führt, dass die Frequenz der genannten Schwenkung eine Messung der Sprechspulenlage ist;
• - dass der Positionswert der Lage der Sprechspule (3) zu einem Positionsregulator (11) geleitet bzw. weitergeschaltet wird, der seinerseits den Mittelstrom durch die Sprechspule steuert und dadurch einen rückgeschalteten Positionsregulator bildet;
• - dass durch Messung der Sprechspulentemperatur ein Kompensationskoeffizient zur Kompensierung von Messfehlern gebildet wird, die durch die Temperaturveränderungen in der Sprechspule entstehen.

Weitere Vorteile der Erfindung können der untenstehenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele entnommen werden.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels bezieht sich auf die Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Abschnitt eines zirkularen Stellglieds,

Fig. 2 ein prinzipielles, elektrisches Schema über ein Beispiel der Ausführungsform der Treiberelektronik,

Fig. 3 ein Kurvenbild, betreffend Strom/Zeit und Position/Zeit für ein Stellglied während der Bewegung von seiner innersten Lage zu seiner äussersten Lage.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt eines zylindrischen, linearen Stellglieds mit einem Permanentmagneten 2, einem Eisenkern 1, einem äusseren Ring 5 und einer Sprechspule 3, wobei die Sprechspule von der Stromquelle 7 getrieben wird. Wenn die Sprechspule 3 sich nach aussen in der Richtung von dem Eisenkern 1 bewegt, wird ihre Induktivität dementsprechend verkleinert, da der Teil des Eisenkerns 1, der die Spule umgibt, abfällt. Wenn die Längenverhältnisse zwischen Luftspaltlänge 6 und Stoss­ länge und Spullänge 1 : 1 : 2 ist, werden sich die Induktivitätsvariationen 50% nähern, was gute Voraussetzungen zur Messung der Induktivitätsvariationen und folglich der Spulenlage mit guter Genauigkeit abgeben. Eine Kompromisssituation besteht zwischen Stosslänge und Effektivität, da eine grössere Stosslänge dazu führt, dass ein grösserer Anteil der Spule sich nicht im Luftspalt 6 befindet und folglich keine Kraft in demselben Ausmass entwickelt. Eine gewisse Kraft wird generiert, da die magnetische Flussdichte sich mit erhöhtem Abstand vom Luftspalt 6 abnimmt.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Lösung des erfindungsmässigen Verfahrens, wo die Spechspule 3 von entweder einer positiven oder negativen Spannung über zwei Umschaltungstransistoren 17, die mit Freilaufdioden versehen sind, getrieben wird. Die Kraftverstellung wird dadurch durchgeführt, dass die Konstruktion zwischen zwei Stromniveaus durch sich selbst schwenkt, was in Fig. 3 gezeigt wird, welche Schwenkung vom Vergleicher und seiner Hysteresis bestimmt wird, welche Hysteresis hier mittels zwei Dioden erhalten wird. Die Treibung der Umschaltungstransistoren erfolgt durch den Umkehrer 18, der dafür sorgt, dass entweder der eine oder der andere Umschaltungstransistor 17 leitet, und durch die Transistortreibstufen 16. Wenn der momentane Strom, der von der Spannung der Verstärker 15 vertreten ist, überschreitet das vom Positionsregulator 11 und der Hysteresis des Vergleichers bestimmte Niveau, wird der positive Treibtransistor abgestellt und der negative Treibtransistor eingeschaltet. Wenn der momentane Strom das Niveau des Positionsregulators abzüglich der Hysteresis des Vergleichers untersteigt, wird der negative Transistor abgestellt und der positive Treibtransistor eingeschaltet. Die Frequenz, mit der dies durchgeführt wird, beruht teils auf der Hysteresis des Vergleichers 14, die konstant ist, teils auf der Stromableitung durch die Sprechspule 3, die eine Funktion der aktuellen Induktivität ist, die ihrerseits auf die Lage abhängig ist. Dies bedeutet, dass die Frequenz zum Spannungskonverter 12, der den Ausgang des Vergleichers 14 mit dem Minusausgang des positiven Regulators 11 verbindet, einen Istwert der Lage 10 gibt. Der gebildete Mittelstrom ist daher gleich dem Niveau, das vom Positionsregulator 11 zu dem Vergleicher 14 geliefert wird.

Die Frequenz, die hier gemessen wird und die die Lage darstellt, wird aber auch von anderen, ungewünschten Faktoren beeinflusst. Wenn das Tastverhältnis zum Antrieb der Sprechspule sich 1 nähert, wird die Widerstands-Eigenschaft überwiegen, was die Messung erschwert. Gewisse Kompensation für dies kann natürlich eingeführt werden, aber in den meisten Fällen kann das Problem durch Dimensionierung der Treiberspannung und der DC-Resistenz der Sprechspule gelöst werden, so dass das Tastverhältnis keine kritischen Niveaus erreichen muss.

Die Geschwindigkeit der Sprechspule wird gegen EMK induziert, was seinerseits momentan die Frequenz des Stromkreises stören kann. Auch dieses Problem kann in den meisten Verwendungsgebieten innerhalb des Rahmens des erfindungsmässigen Verfahrens gelöst werden durch Anpassung zwischen z. B. Treiberspannung, Drahtdurch­ messer und Windungsanzahl in der Sprechspule.

Das obige Ausführungsbeispiel ist auf eine induktivitätsabhängige Selbstschwenkung gegründet, wo die Induktivität von der Sprechspulenlage geändert wird. Innerhalb des Rahmens des erfindungsgemässen Verfahrens sind andere Lösungen denkbar, wie z. B. dass die Kraft des Stellglieds von einer H-Brücke gesteuert wird, wo das Tastverhältnis die abgegebene Kraft steuert, aber mit konstanter Frequenz, und dass in jedem Fall die H-Brücke abgestellt, die gelagerte Kraft der Sprechspule entladen und die Stromableitung abgetastet wird, was ein Mass der Sprechspuleninduktivität ist.

Noch ein Ausführungsbeispiel ist, dass man den Sprechspulenstrom von einer Gleich­ spannung steuert, die den Abtrieb des Stellglieds mit einer überlagerten, sinusgeformten Wechselspannung von konstanter Amplitude kontrolliert, wo die dadurch gebildete Phasendrehung zwischen der genannten Wechselspannung und dem Wechselstrom gemessen und die Lage abgelesen werden kann.

Wenn gewisse Verwendungsgebiete grosse Ansprüche auf absolute Positionsmessung stellen, können Variationen in dem von Temperaturveränderungen in der Sprechspule verursachten Widerstand der Sprechspule das Messresultat negativ beeinflussen. Es wird dann möglich, den Widerstand durch Berechnung des Verhältnisses des Mittelwertes des Stroms und der Spannung durch die Sprechspule zu messen, was seinerseits für die Kompensation des Istwertes der Position verwendet werden kann. Noch ein Verfahren ist, dass man die Sprechspule mit einem Temperaturgeber für denselben Zweck verseht.

Die Erfindung ist nicht zu der obigen Beschreibung begrenzt, sondern kann innerhalb der Rahmen der nachstehenden Ansprüche variiert werden. Folglich kann beispielsweise der magnetische Kreis in vielen verschiedenen Weisen erhalten werden, wo die inbegriffenen Permanentmagnete und die Kerneinzelheiten betreffend Anzahl, Form und Lage variiert werden können. Auch Ausführungen, wo ein und derselbe Permanentmagnet zum Antrieb mehrerer, verschiedener Luftspalte mit inbegriffener Sprechspule verwendet ist, sind auch innerhalb des Rahmens des erfindungsgemässen Verfahrens möglich. Ferner kann die für das Ablesen verwendete Phasendrehung in einer wahlfreien Weise inbegriffen sein, ohne dass man von dem erfindungsgemäßen Verfahren abweicht. Es ist auch nicht notwendig, dass der Querschnitt des Stellglieds zirkulär ist, wie es in den obengenannten Beispielen beschrieben ist.

Claims (4)

1. Verfahren zum Antrieb und zur Positionsmessung eines Stellglieds, welches Verfahren einen von einem oder mehreren Permanentmagneten (2) magnetisierten Spalt (6) umfasst, in dem eine Sprechspule (3) zur Bewegung zwischen zwei Endlagen angeordnet ist, wobei die von der Sprechspule umgebene Kernmaterialmenge (1) mit der Position variiert, wobei die Sprechspule (3) mit einer kontrollierbaren Stromquelle (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelstrom gesteuert werden kann, was die Kraft des Stellglieds kontrolliert, und dass eine Wechselstromkomponente generiert werden kann, wodurch die Phasendrehung des Kreises gemessen werden kann, was eine Abmessung der Sprechspulenlage im Verhältnis zum Kernmaterial ermöglicht.

2. Verfahren zum Antrieb und zur Positionsmessung eines Stellglieds gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle aus einem oder mehreren Umschaltungselementen besteht, die Spannung zu der Sprechspule (3) in solcher Weise abgeben, dass der momentane Stromwert durch die Sprechspule (3) dazu gebracht wird, zwischen zwei kontrollierbaren Grenzwerten zu schwenken, was dazu führt, dass die Frequenz der genannten Schwenkung eine Abmessung der Sprechspulenlage ist.

3. Verfahren zum Antrieb und Positionsmessung eines Stellglieds gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionswert von der Position der Sprechspule (3) zu einem Lageregulator (11) umschaltet wird, der seinerseits den Mittelstrom durch die Sprechspule (3) steuert, und folglich einen rückgeschalteten Positionsregulator bildet.

4. Verfahren zum Antrieb und zur Positionsmessung eines Stellglieds gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Abmessung der Sprechspulentemperatur ein Kompensationsfaktor zum Kompensieren von Messfehlern gebildet wird, die durch Temperaturveränderungen in der Sprechspule (3) entstehen.