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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schrittverlustermittlung eines
Schrittmotors, welcher eine Rotorwelle aufweist, die für eine vollständige Umdrehung
eine Nennschrittzahl benötigt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein System, welches zumindest einen
Schrittmotor und eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des Schrittmotors
aufweist.
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Bekannte
Schrittmotoren weisen einen Stator mit Statorspulen sowie einen
Rotor mit einer Rotorwelle auf. Durch eine an sich bekannte Ansteuerung
der Statorspulen ist eine gezielte Drehung der Rotorwelle um ein
ganzzahliges Vielfaches eines vorgegebenen minimalen Drehwinkels
möglich.
Der minimale Drehwinkel entspricht einem einzelnen Schritt, den
der Schrittmotor ausführen
kann. Die Schrittmotoren benötigen
für eine
vollständige
Umdrehung der Rotorwelle eine Nennschrittzahl von z. B. 200, 360
oder 400 Schritten.
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Der
Schrittmotor kann ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis aufweisen.
In diesem Fall ist die Nennschrittzahl für eine vollständige Umdrehung der
Rotorwelle mit dem Übersetzungsverhältnis zu multiplizieren.
Das Übersetzungsverhältnis kann
z. B. 10:1, 18:1 oder 20:1 betragen.
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Zur
elektrischen Ansteuerung der Statorspulen des Schrittmotors existiert
eine Vielzahl von elektronischen Ansteuereinheiten, zumeist in integrierter Form.
Derartige Ansteuereinheiten setzen z. B. eine von einer übergeordneten
Steuerung vorgegebene Schrittzahl in eine zugehörige Sequenz von Ansteuersignalen
für die
Statorspulen um. Unter normalen Umständen führen die Schrittmotoren exakt
die durch die Ansteuereinheit vorgegebene Anzahl von Schritten aus.
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Der
Schrittmotor kann insbesondere ein Synchronmotor sein, wie z. B.
ein Reluktanz-Schrittmotor oder ein Permanentmagnet-Schrittmotor.
Reluktanz-Schrittmotoren weisen einen Rotor mit einem gezahnten
Weicheisenkern auf. Permanentmagnet-Schrittmotoren weisen einen
Stator aus Weicheisen und einen magnetisch permanenterregten Rotor auf.
Im Gegensatz zu Reluktanz-Schrittmotoren weisen Permanentmagnet-Schrittmotoren
im stromlosen Zustand eine der Nennschrittzahl entsprechende Anzahl
von Rastmomenten auf.
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Schrittmotoren
werden wegen ihrer hohen Drehpositioniergenauigkeit bevorzugt zum
Antrieb von Stellgliedern eingesetzt. Beispiele hierfür sind das
Stellen von Tellerventilen oder das Stellen von Positioniertischen
vor allem in der Automatisierungs- und Fertigungstechnik.
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Im
laufenden Betrieb kann es vorkommen, dass der Schrittmotor trotz
korrekter Ansteuerung einen oder mehrere Schritte „verliert". Das hat zur Folge,
dass der tatsächliche
Drehwinkel nicht mehr mit dem Soll-Drehwinkel übereinstimmt. Mögliche Ursachen
sind z. B. ein zu hohes Lastmoment oder eine Lastschwankung. Weitere
mögliche
Ursachen sind thermische Veränderungen
bei den Komponenten der angetriebenen Last, die zu mechanischen
Spannungen oder Verklemmungen führen
können.
Auch kann die Reibung in Lagern oder in Führungen der angetriebenen Komponente
aufgrund von Verschmutzung zunehmen.
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Zur
Erkennung derartiger Fehler ist der Einsatz von Drehgebern zur Positionsrückmeldung
bekannt. Der Drehgeber kann z. B. an einem Wellenende der Rotorwelle
befestigt sein oder über
einen Zahnriemen mit der Rotorwelle verbunden sein. Der Ansteuereinheit
des Schrittmotors werden entsprechende Drehgebersignale zugeführt. Stellt
die Ansteuereinheit eine Abweichung zwischen dem Soll-Drehwinkel
und dem gemessenen bzw. tatsächlichen
Drehwinkel fest, wird eine Korrektur durchgeführt. Das heißt, die
Ansteuereinheit steuert den Schrittmotor derart an, dass die entstandene
Abweichung behoben wird.
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Der
Drehgeber kann z. B. ein Encoder sein, welcher die absolute Drehwinkelposition
erfasst und welcher ein korrespondierendes kodiertes Signal ausgibt.
Der Drehgeber kann auch ein Inkrementaldrehgeber sein, der zwei
gegeneinander um 90° versetzte
Rechtecksignale ausgibt. Aus den beiden Signalen können relative
Drehwinkeländerungen
ermittelt werden. Derartige Auswertungen sind Fachleuten allgemein
bekannt. Weiterhin sind Drehgeber der zuletzt genannten Art bekannt,
welche bei einem vorbestimmten Drehwinkel ein Referenzsignal ausgeben. Zusammen
mit den beiden ersten Signalen kann daraus der absolute Drehwinkel
abgeleitet werden. Beide Drehgebervarianten sind in der Lage, einen
Drehwinkel mit sehr hoher Drehwinkelauflösung, wie z. B. mit einer Auflösung von
0,1°, zu
erfassen.
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Der
Anbau der zuvor genannten Drehgeber an einen Schrittmotor bringt
große
Nachteile mit sich. Zum einen sind sie sehr teuer und für einen
Großteil von
Stellaufgaben hinsichtlich der Auflösung überdimensioniert. Zum anderen
weisen die Drehgeber eine vergleichsweise große Bauform auf, so dass auch
die Bauform eines Stellantriebs oder Stellglieds nachteilig zunimmt.
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Eine
Möglichkeit
zur Vermeidung derartiger Fehler ist es, den Schrittmotor hinsichtlich
seines Drehmoments und somit seiner Leistung überzudimensionieren. Nachteilig
daran ist die Zunahme der Baugröße des Schrittmotors
bzw. des Stellgliedes. Unter Umständen ist auch eine leistungstechnische Anpassung
der Ansteuereinheit erforderlich.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie ein System anzugeben,
welche eine Schrittverlustkorrektur bei einem Schrittmotor auf einfachere
Weise ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
9 genannt. Im Anspruch 10 ist eine geeignete Anwendung des Verfahrens
angegeben. Im Anspruch 11 ist ein geeignetes System mit zumindest
einem Schrittmotor und einer Ansteuereinheit zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist zur Schrittverlustermittlung und insbesondere zur Korrektur
von Schrittverlusten eines Schrittmotors bestimmt, an dessen Rotorwelle
eine von einem Detektor erfassbare Markierung zur Nullpositionsbestimmung
angebracht ist. Der Detektor löst
ein Detektorsignal aus, wenn die Markierung vom Detektor erfasst
wird. Für
eine vollständige
Umdrehung der Rotorwelle wird eine Nennschrittzahl benötigt.
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Erfindungsgemäß wird eine
effektive tangentiale Breite der Markierung ermittelt. „Tangential" bezeichnet eine
Richtung um eine Drehachse herum. Es wird ein Schrittverlust aus
einer im laufenden Betrieb rechnerisch ermittelten erwarteten Schrittposition
und einer aufgrund des Auslösens
des Detektorsignals ermittelten tatsächlichen Schrittposition ermittelt.
Die rechnerisch ermittelte erwartete Schrittposition wird anhand
einer bekannten Startposition und einer bekannten Anzahl von Schritten
ermittelt.
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Bei
Erfassung der Markierung wechselt der Pegel des Detektorsignals,
z. B. von logisch 0 nach logisch 1. Das Detektorsignal verbleibt
in diesem Signalzustand, solange die Markierung vom Detektor erfasst
wird. Entfernt sich die Markierung vom Detektor, so dass die Markierung
nicht mehr vom Detektor erfassbar ist, wechselt das Detektorsignal
wieder den Pegel.
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Entsprechend
dem vorigen Beispiel wechselt das Detektorsignal seinen Pegel von
logisch 1 nach logisch 0.
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Die
effektive tangentiale Breite kann beispielsweise anhand einer Anzahl
von Schritten ermittelt werden, die zwischen zwei Flankenwechseln
des Detektorsignals benötigt
werden. Die bekannte Startposition kann z. B. anhand einer Anzahl
von Schritten ermittelt werden, die seit einem Flankenwechsel des Detektorsignals
ausgeführt
werden.
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Damit
ist der weitere Vorteil verbunden, dass keine teuren Drehgeber zur
Nullpositionsbestimmung sowie zur Schrittverlustkorrektur benötigt werden.
Es reduziert sich vorteilhaft die Baugröße des Stellmotors.
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Durch
die erfindungsgemäße drehrichtungsabhängige Erfassung
und Auswertung der Detektorsignale sind vorteilhaft eine exakte
Bestimmung der Nullposition und eine exakte Bestimmung der Schrittverluste
im laufenden Betrieb möglich.
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Ein
weiterer Vorteil ist es, dass die rechnerisch ermittelte erwartete
Schrittposition an die ermittelte tatsächliche Schrittposition angepasst
werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil ist es, dass eine Markierung mit beliebiger tangentialer
Breite verwendet werden kann. Das jeweilige tangentiale Ende der Markierung
löst ein
exaktes, zuverlässiges
und reproduzierbares Detektorsignal aus. Das Detektorsignal wird
abhängig
von der Drehrichtung der Rotorwelle bei Erfassung durch den Detektor
ausgelöst.
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Zur
Nullpositionsbestimmung kann z. B. ein von der Rotorwelle radial
abstehendes Plättchen
als Markierung verwendet werden. Das Plättchen kann z. B. die Form
einer Fahne aufweisen. Im Bereich der Rotorwelle ist ein als Lichtschranke,
insbesondere als Gabellichtschranke, ausgebildeter Detektor angebracht. Üblicherweise
ist der Detektor am Gehäuse des Schrittmotors
angebracht. Die Gabellichtschranke weist eine Lichtquelle für die Lichtschranke
und einen Photoempfänger
zur Detektion des von der Lichtquelle emittierten Lichts auf. Die
Lichtquelle ist typischerweise eine LED, der Photoempfänger ein
Phototransistor. Das Plättchen
taucht je nach Drehrichtung der Rotorwelle an einer vorbestimmten
Drehwinkelposition in die Lichtschranke des Detektors ein. Der Photoempfänger des
Detektors löst
bei Erreichen eines vorbestimmten Helligkeitswertes ein Detektorsignal
aus. Das Detektorsignal steht so lange an, bis das Plättchen wieder
die Lichtschranke freigibt. Das Detektorsignal ist vorzugsweise
ein digitales Signal, welches z. B. mittels einer der Lichtschranke
nachgeschalteten Schmitt-Trigger-Schaltung erzeugt wird.
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Die
Markierung kann alternativ eine Aussparung sein, welche in einem
auf der Rotorwelle sitzenden Ring, insbesondere in einem Scheibenring,
eingebracht ist. Die Aussparung kann z. B. eine (einzige) am äußeren Rand
des Scheibenrings eingebrachte Kerbe sein. Der Scheibenring kann
auch eine Lochscheibe mit einem (einzigen) Loch sein. Der zugehörige Detektor
ist vorzugsweise weiterhin eine Lichtschranke, insbesondere eine
Gabellichtschranke. Der Detektor löst ein Detektorsignal aus,
wenn die Aussparung erfasst wird, das heißt, wenn der Photoempfänger mit
Eintauchen der Aussparung „Licht" detektiert.
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Die
Markierung kann alternativ eine Magnetisierung aufweisen. Beispielsweise
kann ein Magnet am Umfang der Rotorwelle angebracht sein. Der Detektor
ist in diesem Fall ein Magnetsensor, insbesondere ein Hall-Sensor.
Der Detektor kann alternativ ein Reed-Relais sein, dessen mechanische
Schaltkontakte bei Vorhandensein eines magnetischen Flusses schließen.
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Wiederum
alternativ ist eine Ausbildung als so genannte Reflexlichtschranke
möglich.
Die Markierung kann in diesem Fall optisch reflektierend oder absorbierend
sein. Im einfachsten Fall ist die Markierung ein auf der Rotorwelle
aufgebrachter schwarzer Strich, der sich optisch gegenüber einer
typischerweise metallischen und spiegelnden Oberfläche der Rotorwelle
abhebt. Der Detektor weist erneut eine Lichtquelle und einen Photoempfänger auf.
Die Reflexlichtschranke löst
aus, wenn mit Erfassen der schwarzen Markierung das von der Lichtquelle
ausgesandte Licht vom Photoempfänger
nicht mehr detektiert wird.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung kann eine Korrektur der tatsächlichen Schrittposition durch
Ansteuern des Schrittmotors um eine zumindest in etwa dem Schrittverlust
entsprechende Anzahl von Korrekturschritten erfolgen. Dadurch kann
vorteilhaft die tatsächliche
Schrittposition an die rechnerisch ermittelte erwartete (und folglich
gewünschte)
Schrittposition angepasst werden. Der Ist-Drehwinkel stimmt nach
der Korrektur mit dem z. B. von einer übergeordneten Steuerung vorgegebenen
Soll-Drehwinkel wieder überein.
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Vorzugsweise
wird die Korrektur der tatsächlichen
Schrittposition erst dann ausgeführt,
wenn der Schrittverlust einen ersten Vergleichswert überschreitet.
Der Vorteil ist, dass eine Korrektur der Schrittposition erst dann
ausgeführt
wird, wenn diese für
den aktuellen Anwendungsfall relevant ist; denn unter Umständen können sich
bei einer Drehbewegung der Rotorwelle in beiden Drehrichtungen die Schrittverluste
später
teilweise wieder ausgleichen, so dass eine Korrektur entbehrlich
ist.
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Der
Vergleichswert kann anwendungs- oder prozessabhängig festgelegt werden. Bei
besonders genauen Stellanforderungen kann der Vergleichswert genau
eine Schrittposition betragen. Der Vergleichswert kann alternativ
z. B. eine Anzahl von Schritten sein. Die Anzahl kann einem Drehwinkel von
1° entsprechen.
Der Vergleichswert kann alternativ auch ein auf die tangentiale
Breite der Markierung bezogener Prozentwert sein, wie z. B. 25 %.
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Vorzugsweise
wird die Korrektur der aktuellen Schrittposition zumindest beim
nächsten
Fahrbefehl ausgeführt.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die für eine laufende
Stellbewegung von einer elektronischen Steuereinheit bereitgestellte
Datenverarbeitungsressource nicht durch Korrektureingriffe belastet
wird. Wenn beispielsweise eine Steuereinheit, wie z. B. ein Mikrocontroller
oder Mikroprozessor, neben einer Vielzahl von Steuerungs- und Überwachungsaufgaben
auch die Steuerung und Überwachung
des Schrittmotors bzw. des Stellgliedes übernehmen soll, könnte ein
sofortiger Korrektureingriff unter Umständen eine Überlastung darstellen, welche
eine Fehlfunktion an anderer Stelle zur Folge haben könnte.
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Alternativ
kann die Korrektur der aktuellen Schrittposition unmittelbar nach
Feststellung des Schrittverlustes ausgeführt werden. Der laufende Schrittverlust
während
des Betriebs des Schrittmotors bzw. des Stellgliedes ist in diesem
Fall minimal.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird die Startposition bezüglich einer im Bereich der
tangentialen Breite der Markierung festgelegten Nullposition ermittelt.
Es wird ein jeweiliger Schrittversatz von der Nullposition zum jeweiligen tangentialen
Ende der Markierung in Abhängigkeit von
der Drehrichtung der Rotorwelle bei der Ermittlung der rechnerischen
und der tatsächlichen
Schrittposition berücksichtigt.
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Prinzipiell
kann jede Position innerhalb des linken und rechten Endes der Markierung
als Nullposition festgelegt werden. Als Nullposition kann z. B. das
linke oder das rechte tangentiale Ende festgelegt werden. In diesem
Fall entspricht der Schrittversatz für die eine Drehrichtung der
effektiven tangentialen Breite der Markierung. Für die entgegengesetzte Drehrichtung
ist keine rechnerische Anpassung erforderlich.
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Damit
ist der Vorteil verbunden, dass innerhalb der Markierung eine exakte
Nullposition festgelegt werden kann. Diese Nullposition kann z.
B. zur mechanischen Justierung eines Stellgliedes herangezogen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Nullposition an eine Position im Bereich der tangentialen
Mitte der Markierung festgelegt. Es wird der Schrittversatz, welcher
um ca. die Hälfte
der Schrittdifferenz bzw. um ca. die Hälfte der tangentialen Breite
versetzt ist, bei der Ermittlung der rechnerischen und der tatsächlichen
Schrittposition berücksichtigt. Damit
ist der Vorteil verbunden, dass in etwa die Mitte der Markierung
bzw. die Fahnenmitte als Nullposition verwendet werden kann. Die
mechanische Justierung gestaltet sich einfacher.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird eine erste Schrittzahl ermittelt, die während einer einheitlichen Initialisierungsdrehung
ab einem Flankenwechsel des Detektorsignals bis zum nächsten Flankenwechsel
benötigt
wird. Es wird weiterhin eine zweite Schrittzahl ermittelt, die während einer
einheitlichen entgegengesetzten Initialisierungsdrehung ab einem
Flankenwechsel des Detektorsignals bis zum nächsten Flankenwechsel benötigt wird.
Es wird sodann die tangentiale Breite der Markierung in Abhängigkeit
vom Mittelwert aus erster und zweiter Schrittzahl ermittelt.
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Die
Initialisierungsdrehungen werden vorzugsweise im Rahmen einer Kalibrierung
eines Gerätes
oder einer Anlage durchgeführt.
Die Initialisierungsdrehungen können
auch zyklisch, wie z. B. einmal täglich, zweimal täglich oder
wöchentlich,
durchgeführt
werden.
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Der
Vorteil ist, dass die effektive tangentiale Breite der Markierung
sowie die Startposition im Rahmen der Initialisierung fehlerfrei,
zumindest mit einem vernachlässigbaren
Fehler ermittelt werden können;
denn Schrittverluste treten üblicherweise erst
im laufenden Betrieb eines Gerätes
bzw. einer Anlage aufgrund von Erwärmung, Abnutzung oder Verschmutzung
von Geräte-
oder Anlagenkomponenten in Erscheinung.
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Die
Bildung eines Mittelwerts aus der ersten und zweiten Schrittzahl
reduziert vorteilhaft mögliche Schrittzählfehler
zwischen zwei aufeinander folgenden Flankenwechseln; denn typischerweise
weist der Detektor eine Schalthysterese auf. Sie kann zur Folge
haben, dass in Abhängigkeit
von der Drehrichtung eine jeweils – wenn auch nur geringfügig – unterschiedliche
Schrittzahl ermittelt wird.
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Alternativ
ist es auch möglich,
die jeweils komplementäre
Anzahl von Schritten zu ermitteln, bei denen das Detektorsignal
nicht auslöst.
Um die effektive tangentiale Breite der Markierung ermitteln zu
können,
ist in diesem Fall z. B. der Mittelwert der komplementären Schrittzahlen
von der Nennschrittzahl des Schrittmotors abzuziehen.
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Es
kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden, wenn der Schrittverlust
einen zweiten Vergleichswert überschreitet.
Der zweite Vergleichswert entspricht einem anwendungs- oder prozessabhängigen Wert,
bei dem eine ordnungsgemäße Funktion des
Schrittmotors bzw. des Stellantriebs nicht mehr gewährleistet
werden kann. In diesem Fall kann eine übergeordnete Steuerung den
Betrieb einer Anlage oder eines Gerätes einstellen. Der zweite
Vergleichswert ist in der Regel größer als der erste Vergleichswert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist besonders vorteilhaft in der Automatisierungs- und Fertigungstechnik
anwendbar, insbesondere zum Stellen von Ventilen oder von Positionier tischen.
Es ist darüber
hinaus eine Vielzahl von weiteren Anwendungen vorstellbar. Das Verfahren
kann z. B. zum Antrieb von Stellgliedern in der Fahrzeugtechnik
oder in der Anlagentechnik angewendet werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einem System zur Schrittverlustermittlung
eines Schrittmotors gelöst,
welches zumindest einen Schrittmotor und eine Ansteuereinheit für den Schrittmotor
aufweist. Der Schrittmotor weist eine Rotorwelle auf, die für eine vollständige Umdrehung
eine Nennschrittzahl benötigt.
Die Ansteuereinheit weist zumindest einen Signaleingang für das Detektorsignal
und einen Signalausgang für
ein Ansteuersignal zum Ansteuern des Schrittmotors in beiden Drehrichtungen
auf. Die Ansteuereinheit weist Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Schrittverlustermittlung auf.
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Das
Mittel zur Durchführung
kann eine elektronische Steuereinheit, wie z. B. ein Mikroprozessor oder
ein Mikrocontroller, sein. Das Mittel kann auch ein speziell zur
Steuerung von Schrittmotoren integrierter Schaltkreis sein, wie
z. B. vom Typ TMC428 der Fa. Trinamic. Ein solcher Schaltkreis weist
vorteilhaft bereits integrierte Zähler zum Zählen der Schritte in beiden
Richtungen sowie einen geeigneten Eingang für das Detektorsignal auf.
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Ein
derartiges System kann auch komplett in einem Schrittmotor integriert
sein. Das Mittel zur Durchführung
des Verfahrens kann z. B. auf einer Leiterplatte im Gehäuse des
Schrittmotors untergebracht sein.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
beispielhafter Erläuterung
anhand der Figuren. Es zeigen:
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1 ein
beispielhaftes System zur Schrittverlustermittlung eines Schrittmotors
gemäß der Erfindung,
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2 eine
mögliche
Ausführungsform
der an der Rotorwelle angebrachten und vom Detektor erfassbaren
Markierung,
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3 bis 6 beispielhaft
dargestellte Drehwinkel der Rotorwelle mit der Markierung und der
Lichtschranke des Detektors zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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7 beispielhaft
die Ermittlung einer Startposition bezüglich einer Nullposition der
Markierung.
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1 zeigt
ein beispielhaftes System zur Schrittverlustermittlung eines Schrittmotors 1 gemäß der Erfindung.
Das System weist zumindest den Schrittmotor 1 und eine
Ansteuereinheit 6 für
den Schrittmotor 1 auf.
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Der
Schrittmotor 1 weist eine Rotorwelle 2 auf, die
für eine
vollständige
Umdrehung eine Nennschrittzahl NZ benötigt. Mit dem Bezugszeichen
A ist die Drehachse der Rotorwelle 2 bezeichnet. Die Rotorwelle 2 treibt
eine mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnete Last an. Die Last 5 kann
z. B. ein Tellerventil oder eine Komponente eines Positioniertisches sein.
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An
der Rotorwelle 2 ist eine Markierung 3 angebracht.
Die Markierung 3 ist von einem Detektor 4 zur
Nullpositionsbestimmung erfassbar. Wenn die Markierung 3 vom
Detektor 4 erfasst wird, löst der Detektor 4 ein
Detektorsignal DS aus.
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Die
Ansteuereinheit 6 weist zumindest einen Signaleingang 7 für das Detektorsignal
DS auf. Die Ansteuereinheit 6 weist einen Signalausgang 8 für ein Ansteuersignal
AS auf. Das Ansteuersignal AS dient zum Ansteuern des Schrittmotors 1 in der
einen oder anderen Drehrichtung. Die Ansteuereinheit 6 weist
Mittel CON zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Schrittverlustermittlung auf.
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Die
am Umfang der Rotorwelle 2 angebrachte Markierung 3 steht
im Beispiel der 1 radial von der Rotorwelle 2 ab. „Radial" ist eine Richtung
auf die Drehachse A zu bzw. von ihr weg. Bei dem Detektor 4 kann
es sich um eine Gabellichtschranke handeln, welche gabelförmig und
berührungslos
die Markierung 3 umgreifen kann. Die Gabellichtschranke 4 kann
z. B. an einem Gehäuse
des Schrittmotors 1 befestigt sein. Die Gabellichtschranke 4 und
die Markierung 3 sind so zueinander angeordnet, dass ein
zwischen den beiden gezeigten Schenkeln der Gabellichtschranke 4 verlaufender
Lichtstrahl LS bei vorbestimmten Drehwinkeln durch die Markierung 3 unterbrochen
werden kann. Die Unterbrechung des Lichtstrahles LS bewirkt im Detektor
bzw. in der Gabellichtschranke 4 das Auslösen des
Detektorsignals DS.
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Die
Markierung 3 kann alternativ auch an einem axialen Ende,
insbesondere am Rand, der Rotorwelle 2 angebracht sein.
Die Markierung 3 kann auch an einem Ende der Rotorwelle 2 angebracht sein,
welches der anzutreibenden Last 5 gegenüberliegt. „Axial" bezeichnet eine Richtung parallel zur Drehachse
A.
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Die
Markierung 3 kann alternativ eine Aussparung sein. Die
Aussparung kann z. B. eine Kerbe oder ein Loch sein, welche bzw.
welches in einen auf der Rotorwelle 2 sitzenden Ring eingebracht
ist.
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Die
Markierung 3 kann auch lichtreflektierend oder lichtabsorbierend
sein. Z. B. kann die Markierung 3 ein auf der Rotorwelle 2 aufgebrachter Strich
sein, der sich optisch gegenüber
der Oberfläche
der Rotorwelle 2 unterscheidet. Der optische Unterschied
kann z. B. mittels eines Photodetektors oder mittels einer Reflexlichtschranke
erfasst werden. Eine Reflexlichtschranke weist eine Lichtquelle und
einen Photoempfänger
auf. Lichtquelle und Photoempfänger
sind so zueinander ausgerichtet, dass der Photoempfänger das
von der Lichtquelle ausgesandte Licht nur über den Umweg eines sich in
der Nähe
befindlichen reflektierenden Gegenstands detektieren kann.
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Die
Markierung 3 kann alternativ ein Magnet sein. Der zugehörige Detektor 4 ist
in diesem Fall z. B. ein Magnetsensor, insbesondere ein Hall-Sensor. Der
Magnetsensor kann auch ein Reed-Relais sein, dessen mechanische
Schaltkontakte bei Vorhandensein eines magnetischen Flusses schließen.
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Die
Ansteuereinheit 6 kann ein integrierter elektronischer
Baustein sein, insbesondere ein Schrittmotorcontroller. Die Ansteuereinheit 6 weist zusätzlich zum
Signalausgang 8 einen weiteren Signalausgang zur Ausgabe
einer Fehlermeldung FM auf. Die Fehlermeldung FM kann z. B. ausgegeben werden,
wenn während
des Betriebs des Schrittmotors 1 ein für den fortlaufenden Betrieb
nicht mehr tolerierbarer Schrittverlust festgestellt wird. Die Ansteuereinheit 6 kann
beispielsweise an ein Bussystem BUS angeschlossen sein. Eine übergeordnete
Einheit kann auf diesem Wege einen Drehwinkelsollwert an die Ansteuereinheit 6 übertragen.
Auf umgekehrtem Wege kann die Ansteuereinheit 6 die Fehlermeldung
FM an die übergeordnete
Einheit zur Weiterbehandlung übertragen.
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Im
Beispiel der 1 weist die Ansteuereinheit 6 eine
elektronische Steuereinheit 9 sowie ein Leistungsteil 10 zur
Ansteuerung von Statorspulen des Schrittmotors 1 auf. Mit
dem Bezugszeichen ED sind Empfangsdaten bezeichnet, welche die Steuereinheit 9 vom
Leistungsteil 10 z. B. zur Überwachung erhält. Mit
dem Bezugszeichen SD sind Sendedaten bezeichnet. Sie enthalten z.
B. einen Drehwinkelsollwert, den das Leistungsteil 10 in
entsprechende Ansteuersignale AS bzw. Schrittsequenzen für den Schrittmotor 1 umsetzt.
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Das
mit dem Bezugszeichen CON bezeichnete Mittel kann insbesondere elektronisch
ausgebildet sein, z. B. als Mikroprozessor oder als Mikrocontroller.
Das Mittel CON kann neben einer Vielzahl von Steuerungs- und Überwachungsaufgaben,
wie z. B, eines Gerätes
oder einer Anlage, auch die Steuerung und Überwachung des Schrittmotors 1 bzw.
des Stellgliedes wahrnehmen. Es kann alternativ auch die gesamte
Funktionalität
der Ansteuereinheit 6 oder es können auch Teile davon in einer
Geräte-
oder Anlagensteuereinheit integriert sein.
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2 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform der
an der Rotorwelle 2 angebrachten und vom Detektor 4 erfassbaren
Markierung 3. Die Markierung 3 weist gemäß 2 die
Form einer Fahne auf und hat eine mechanische Breite B. Vorzugsweise
ist die Breite B der Markierung 3 größer als die Weite W der Lichtquelle 11 bzw.
der Lichtschranke LS. Entscheidend ist, dass die zu erfassende Markierung 3 eine signifikante
Helligkeitsänderung
im Photoempfänger 12 bewirkt.
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Die
effektive tangentiale Breite TB entspricht einer Differenz von Schrittpositionen,
die während der
Erfassung der Markierung zwischen zwei Flankenwechseln ermittelt
wird. Sie kann gleich der mechanischen Breite B sein. Die effektive
tangentiale Breite TB der Markierung 3 kann jedoch auch
von der mechanischen Breite B abweichen. Ein möglicher Grund hierfür ist eine
Schalthysterese im Empfängerkreis
des Detektors 4.
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Im
mittleren Teil der 2 ist als Detektor 4 eine
Gabellichtschranke 4 zu sehen. Die Gabellichtschranke 4 weist
eine Lichtquelle 11, insbesondere eine LED, zur Aussendung
eines Lichtstrahls LS auf. Ein Photoempfänger 12, insbesondere
ein Phototransistor, liegt der Lichtquelle 11 gegenüber. Taucht die
Markierung 3 in die Lichtschranke LS ein, so löst der Detektor 4 – hier der
Phototransistor – bei
Unterschreitung eines vorgegebenen Helligkeitswertes das Detektorsignal
DS aus.
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3 bis 7 zeigen
beispielhaft dargestellte Drehwinkel der Rotorwelle 2 mit
der Markierung 3 und der Lichtschranke LS des Detektors 4 zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist zur Schrittverlustermittlung eines Schrittmotors 1 bestimmt.
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Zum
besseren Verständnis
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wurden folgende Vereinfachungen vorgenommen: Die noch zu bestimmende
effektive tangentiale Breite TB soll der Breite B der Markierung 3 entsprechen.
Die Lichtschranke LS des Detektors 4 ist daher als dünne Linie
dargestellt, da ein getriggertes digitales Detektorsignal bei Überfahren
der Markierung 3 ausgelöst
wird. Die ortsfeste Winkelposition der Lichtschranke LS entspricht
daher einer absoluten Referenzposition.
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3 zeigt
einen Startdrehwinkel SP' bzw. eine
Startposition SP. Die Startposition SP ist auf eine Nullposition
NP innerhalb der noch zu bestimmenden tangentialen Breite TB der
Markierung 3 bezogen.
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4 zeigt
ein Beispiel zur Ermittlung der effektiven tangentialen Breite TB
der Markierung 3. Es wird eine erste Schrittzahl ermittelt,
die während
einer einheitlichen Initialisierungsdrehung ab einem Flankenwechsel
des Detektorsignals DS bis zum nächsten
Flankenwechsel benötigt
wird. Im Beispiel der 4 wird eine Rechtsdrehung so
lange durchgeführt,
bis ein rechtes tangentiales Ende RE der Markierung 3 in
die Lichtschranke LS eintaucht. Dadurch wird ein Flankenwechsel
des Detektorsignals DS bewirkt. Es wird die erste Schrittzahl ermittelt,
bei der ein linkes tangentiales Ende LE aus der Lichtschranke LS
austritt, also bis der nächste
Flankenwechsel auftritt. Die erste Schrittzahl entspricht der gesuchten
tangentialen Breite TB.
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Die
Ermittlung der tangentialen Breite TB ist auch bei einer Linksdrehung
möglich.
Die Ermittlung der ersten Schrittzahl erfolgt in analoger Weise.
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Alternativ
dazu kann die effektive tangentiale Breite TB ermittelt werden,
indem ausgehend von einer unbekannten Startposition SP eine vollständige Initialisierungsumdrehung
in einer ersten Drehrichtung ausgeführt wird. Es wird eine der
Nennschrittzahl NZ entsprechende Anzahl von Schritten durchgeführt. Es
werden die Schritte gezählt,
die bis zum Auslösen
des Detektorsignals DS benötigt
werden. Es wird sodann eine vollständige Initialisierungsumdrehung
in entgegengesetzter Drehrichtung ausgeführt und die Schritte gezählt, die
wiederum bis zum Auslösen
des Detektorsignals DS benötigt
werden. Die effektive tangentiale Breite TB entspricht der Differenz
aus der Nennschrittzahl NZ und der Summe aus den beiden ermittelten
Schrittzahlen.
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Alternativ
dazu kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung die effektive tangentiale Breite TB der Markierung 3 wie
folgt bestimmt werden:
Es wird eine erste Schrittzahl ermittelt,
die während einer
einheitlichen Initialisierungsdrehung ab einem Flankenwechsel des
Detektorsignals DS bis zum nächsten
Flankenwechsel benötigt
wird. Es wird eine zweite Schrittzahl ermittelt, die während einer
einheitlichen entgegengesetzten Initialisierungsdrehung ab einem
Flankenwechsel des Detektorsignals DS bis zum nächsten Flankenwechsel benötigt wird.
In Abhängigkeit
vom Mittelwert aus erster und zweiter Schrittzahl wird die tangentiale
Breite TB der Markierung 3 ermittelt.
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Durch
die Bildung des Mittelwerts können vorteilhaft
mögliche
Schrittzählfehler
wegen der Schalthysterese des Detektors 4 zwischen zwei
Flankenwechseln reduziert werden. Die Schalthysterese kann zur Folge
haben, dass in Abhängigkeit
von der Drehrichtung eine jeweils – wenn auch nur geringfügig – unterschiedliche
Schrittzahl ermittelt wird.
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5 zeigt
beispielhaft die Ermittlung eines Schrittverlustes dS aus einer
rechnerisch ermittelten erwarteten Schrittposition RP und einer
aufgrund des Auslösens
des Detektorsignals DS ermittelten tatsächlichen Schrittposition AP.
Die rechnerisch ermittelte erwartete Schrittposition RP wird im
laufenden Betrieb anhand einer bekannten Startposition SP und einer
bekannten Anzahl von Schritten ermittelt.
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Bei
bekannter tangentialer Breite TB und bei bekannter Drehrichtung
ist es daher möglich,
durch Auswertung der Flankenwechsel die tatsächliche Schrittposition AP
der Rotorwelle 2 zu bestimmen. Die Bestimmung ist mit einer
Genauigkeit von ± 1 Schritt
möglich.
Dies ist sogar dann möglich,
wenn die tangentiale Breite TB im Vergleich zu dem minimalen Drehwinkel
bzw. zum Schritt groß ist.
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Die
im rechten Teil der 5 dargestellte Markierung 3 tritt
während
einer Rechtsdrehung gerade in die Lichtschranke LS ein. Es wird
ein Detektorsignal DS ausgelöst.
Die gezeigte Position der Markierung 3 entspricht der ermittelten
tatsächlichen Schrittposition
AP. Demgegenüber
ist die rechnerisch ermittelte erwartete Schrittposition RP um eine
Anzahl von Schritten vorgerückt,
die dem Schrittverlust dS entspricht.
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Im
Beispiel der 5 setzt sich der Schrittverlust
dS aus der rechnerischen erwarteten Schrittposition RP bzw. aus
dessen entsprechendem Drehwinkel RP' und einem Schrittversatz ½TB zusammen.
Der Schrittversatz ½TB
entspricht der Hälfte der
tangentialen Breite TB der Markierung 3.
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Im
Beispiel der 6 erfolgt die Ermittlung der
tatsächlichen
Schrittposition AP durch Ansteuern des Schrittmotors 1 um
eine zumindest in etwa dem Schrittverlust dS entsprechende Anzahl
dK von Korrekturschritten. Nach der Korrektur stimmt die tatsächliche
Schrittposition AP wieder mit der ermittelten rechnerischen erwarteten
Position RP überein. Der
Fehler ist behoben.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird die Korrektur der tatsächlichen Schrittposition AP
ausgeführt,
wenn der Schrittverlust dS einen ersten Vergleichswert V1 überschreitet.
Der Vergleichswert V1 kann anwendungs- oder prozessabhängig festgelegt
werden und einem Drehwinkel von z. B. 1° entsprechen. Bei höheren Anforderungen kann
der Vergleichswert V1 auch darunter liegende Drehwinkelwerte, wie
z. B. 0,5°,
aufweisen. Alternativ kann der Vergleichswert V1 ein auf die tangentiale Breite
TB der Markierung 3 bezogener Prozentwert sein, wie z.
B. auf 25 %. Je nach Anwendung kann der anteilige Wert auch 5 %
oder 50 % betragen. Es sind auch dazwischen liegende sowie größere oder kleinere
Prozentwerte möglich.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann eine Fehlermeldung FM ausgegeben werden, wenn der Schrittverlust
dS einen zweiten Vergleichswert V2 überschreitet, der vorzugsweise
größer ist
als der erste Vergleichswert V1. Der zweite Vergleichswert V2 entspricht
einem anwendungs- oder prozessabhängigen Wert, bei dem eine ordnungsgemäße Funktion
des Schrittmotors bzw. des Stellantriebs nicht mehr gewährleistet
werden kann. Der zweite Vergleichswert V2 kann z. B. einem Drehwinkel
von z. B. 3° entsprechen.
Bei höheren
Anforderungen kann der Vergleichswert V2 auch darunter liegende
Drehwinkelwerte, wie z. B. 1°,
annehmen. Sind die Anforderungen geringer, kann der zweite Vergleichswert
V2 auch Winkelwerte von 5° bis
10° annehmen.
Es sind auch dazwischen liegende sowie größere oder kleinere Winkelwerte
möglich.
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Die
Korrektur der aktuellen Schrittposition AP kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zumindest beim nächsten
Fahrbefehl ausgeführt
werden. Eine Korrektur wird erst dann ausgeführt, wenn eine solche für den aktuellen
Anwendungsfall relevant wird.
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Alternativ
dazu kann die Korrektur der aktuellen Schrittposition AP unmittelbar
nach Feststellung des Schrittverlustes dS ausgeführt werden. Dadurch bleibt
ein während
des Betriebs in Erscheinung tretender Schrittverlust minimal.
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7 zeigt
beispielhaft die Ermittlung einer Startposition SP bezüglich einer
Nullposition NP der Markierung 3. Mit SP' ist der korrespondierende Drehwinkel
SP' bezeichnet.
Die Nullposition NP ist im Bereich der tangentialen Breite TB der
Markierung 3 willkürlich
festgelegt. Mit VL ist ein Schrittversatz von der Nullposition NP
zum linken tangentialen Ende LE der Markierung 3 bezeichnet.
Mit VR ist ein Schrittversatz von der Nullposition NP zum rechten
tangentialen Ende RE der Markierung 3 bezeichnet. Gemäß der Erfindung
wird zur Ermittlung der Startposition SP der jeweilige Schrittversatz
VL, VR von der Nullposition NP zum jeweiligen tangentialen Ende
LE, RE berücksichtigt.
Dies geschieht in Abhängigkeit
von der Drehrichtung der Rotorwelle 2 bei der Ermittlung
der rechnerischen und der tatsächlichen
Schrittposition RP, AP.
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Vorzugsweise
wird gemäß der Erfindung
die Nullposition NP an einer Position im Bereich der tangentialen
Mitte der Markierung 3 festgelegt. Es wird der Schrittversatz
VL, VR, welcher um etwa die Hälfte der
tangentialen Breite TB versetzt ist, bei der Ermittlung der rechnerischen
und der tatsächlichen
Schrittposition RP',
AP' berücksichtigt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist besonders vorteilhaft in der Automatisierungs- und Fertigungstechnik
anwendbar, insbesondere zum Stellen von Ventilen oder von Positioniertischen.
Es ist darüber
hinaus eine Vielzahl von weiteren Anwendungen vorstellbar. Das Verfahren
kann z. B. zum Antrieb von Stellgliedern in der Fahrzeugtechnik
oder in der Anlagentechnik angewendet werden.