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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Dämpfung
einer auftretenden Ratterschwingung bei einer
Bearbeitungsmaschine mit wenigstens einem Vorschubsystem, das einen
stromrichtergespeisten Linearmotor aufweist, der mittels einer
feldorientierten Regelung geregelt wird und auf eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei der spanabhebenden Bearbeitung durch Werkzeugmaschinen
können Ratterschwingungen des Werkstücks oder des Werkzeugs
auftreten. Rattern führt zu unbrauchbaren Oberflächen und
somit zu Ausschuss. Oftmals liegt die Ursache für Rattern in
der mechanischen Nachgiebigkeit der Maschinenstruktur
gegenüber den Schnittkräften. Besonders bei
Schnittkraftanregungen, deren Frequenz im Bereich der Eigenresonanzen der
Maschine liegt, zeigen sich periodische Auslenkungen. Beim
Rattern erregen die periodischen Auslenkungen der Maschine
ihrerseits wiederum periodische Schnittkraftsprünge, die mit
passender Phasenlage in die Maschinenresonanzen treffen.
Dadurch wird das Rattern verstärkt bzw. aufrecht erhalten.
Besonders bei Werkstoff mit hohen Zerspankräften oder bei
großen Spantiefen limitiert das Einsetzen der Ratterschwingungen
die Produktivität. Die Schnitttiefe muss soweit reduziert
werden, dass Rattern sicher vermieden wird.
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Um die beabsichtigte Schnitttiefe zu halten und Rattern
dennoch zu vermeiden, muss die Maschinenstruktur entweder
steifer aufgebaut oder besser gedämpft werden. Oft ist eine
steifere Ausführung aus Gründen des Bauraumes, des Gewichts oder
der Kosten nur sehr eingeschränkt möglich. Auf die Dämpfung
hat man mit mechanischen Mitteln kaum Einfluss. Es ist
allgemein bekannt, dass die Eigendämpfung der Strukturwerkstoffe
sehr gering ist. Diese beträgt nur einige Prozent und ist im
Detail kaum voraussagbar.
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Aus der Veröffentlichung "Hochgenaue Regelung von
Linearmotoren durch optimierte Strommessung", abgedruckt in der DE-
Zeitschrift "antriebstechnik", Band 38 (1999), Nr. 9, Seiten
90 bis 93 ist ein Vorschubsystem mit einem permanenterregten
Synchronlinearmotor und einer feldorientierten Regelung mit
einem hochauflösenden PWM-Transistorumrichter und einer
synchronisierten, hochgenauen Strommessung bekannt. Bei einem
konventionell gesteuerten Linearmotor im geregelten Betrieb
bei Verwendung reibungsarmer Führungen, tritt eine
Störbewegung auf, die sich der Vorschubbewegung überlagert und auch
bei geforderten Stillstand auftritt. Für eine erreichbare
Bewegungsgüte ist die Strommessung in positionsgeregelten
Betrieb bei unterlagerter Stromregelung entscheidend.
Messrauschen führt bei geschlossenen Regelkreis zu einer
entsprechenden Vorschubkraft des Linearmotors und folglich zu einer
Störbewegung des Vorschubschlittens. Nur die Störanteile des
Stromes in der kraftbildenden q-Achse bewirken eine Störkraft
und damit eine Störbewegung. Die Störanteile des Stromes in
der feldbildenden d-Achse haben keinen Einfluss auf die
Störbewegung. Hohe Störfrequenzen haben aufgrund der
Massenträgheit des Schlittens nur geringe Auswirkung auf die Position
des Schlittens. Bei mittleren Frequenzen ergibt sich in
Abhängigkeit der Regelungsbandbreite der Geschwindigkeits- und
Positionsregelung ein Maximum des Störfrequenzgangs, bei dem
Störungen der Strommessung maximalen Einfluss auf die
Position des Schlittens haben. Durch eine synchronisierte, auch auf
Oversamplingmethode basierenden Strommessung mit einer
effektiven Auflösung von 12 Bit gelingt es, eine präzise
Vorschubbewegung mit einem einzigen Antriebssystem, bestehend aus
einem Synchronlinearmotor, zu realisieren. Durch diese
hochgenaue Strommessung in Verbindung mit einer feldorientierten
Regelung konnte die Störbewegung bei gleicher Regeldynamik um
den Faktor 20 verbessert werden.
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Linearmotoren, die für Vorschubachsen verwendet werden, haben
im Gegensatz zu drehenden Servomotoren, einen ebenen
Luftspalt. Linearmotoren besitzen eine Vorschubkraftrichtung, in
der die Vorschubkraft wirkt und eine Richtung, in der die
magnetische Anzugskraft wirkt. Die Vorschubrichtung der Achse
liegt in der Luftspaltebene und die Anzugskraftrichtung zeigt
in die Normalrichtungen der Luftspaltebene. Weil die
Anzugskraft in ihrer Richtung quer zur Vortriebskraft zeigt, wird
sie auch als Querkraft bezeichnet. Prinzipiell ist der
Linearmotor in der Lage, nicht nur in Vorschubrichtung
steuerbare Kräfte aufzubringen, sondern auch in der Querrichtung. Zur
Steuerung der Vortriebskraft wird die sogenannte q-Komponente
des Drehstroms verwendet, für die Anziehungskraft ist die d-
Komponente zuständig. Die beiden Komponenten liegen in
Drehstromsystem senkrecht aufeinander. Die Steuerung der
Vortriebskraft durch die q-Komponente des Motorstromes
beeinflusst nicht die Anziehungskraft und umgekehrt. Die beiden
Kraftrichtungen sind also voneinander entkoppelt. In im
Handel erhältlichen Werkzeugmaschinen wird ausschließlich die
Vorschubkraftrichtung, also die q-Komponente, betrieben, denn
die Vorschubkraftrichtung ist die Achsrichtung in welcher der
Maschinenschlitten verfahren wird. Die Anziehungskraft wird
in handelsüblichen Werkzeugmaschinen nicht angesteuert, d. h.,
der Strom der d-Komponente wird stets bei Null gehalten.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Dämpfung auftretender
Ratterschwingungen bei einer Bearbeitungsmaschine mit wenigstens einem
Vorschubsystem, das einen stromrichtergespeisten Linearmotor
aufweist, der mittels einer feldorientierten Regelung
geregelt wird, anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Verfahrensschritten des Anspruchs 1 und mit den Merkmalen des Anspruchs 5
gelöst.
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Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von der Erkenntnis
ausgegangen, dass Ratterschwingungen am Ort des Linearmotors eine
Auslenkung in Anzugskraftrichtung hervorrufen. Derartige
Auslenkungen können mit Kräften, die in Anzugskraftrichtung in
entgegengesetzter Richtung aufgeschaltet werden, bedämpft
werden. Zur Steuerung der Kräfte in Anzugskraftrichtung ist
die sogenannte d-Komponente des Motorstroms zuständig.
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Gemäß der Erfindung wird nun ein Strom-Sollwert für die d-
Komponente des Motorstromes in Abhängigkeit einer
auftretenden Ratterschwingung erzeugt. Dazu wird zunächst die
auftretende Ratterschwingung erfasst. Dieses Ist-Signal wird einem
vorbestimmten Sollwert für eine auftretende Ratterschwingung
nachgeführt, wobei eine Stellgröße entsteht, die als Strom-
Sollwert für die d-Komponente des Motorstroms einer
unterlagerten Stromregelung der d-Achse einer feldorientierten
Regelung des Linearmotors zugeführt wird. Dadurch generiert der
Linearmotor eine Querkraft, die der durch die
Ratterschwingung verursachte Auslenkung entspricht und der
Ratterschwingung entgegengesetzt ist.
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Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren kann bei jeder
Bearbeitungsmaschine, deren Vorschubsystem einen feldorientiert
betriebenen, stromrichtergespeisten Linearmotor aufweist,
auftretende Ratterschwingungen ohne größeren Aufwand gedämpft
werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
lediglich ein Erfassungssystem und ein Regelkreis benötigt, wobei
der Ausgang des Regelkreises mit einem Sollwert-Eingang eines
Stromregelkreises für die d-Komponente der feldorientierten
Regelung verbunden werden muss. Mit Hilfe des
Erfassungssystems wird ein Ist-Signal proportional zur auftretenden
Ratterschwingung generiert. Vorzugsweise wird der Regelkreis zur
Ausregelung der Ratterschwingungen in die d-Achse der
feldorientierten Regelung, beispielsweise als zuschaltbares
Softwaremodul, integriert. Somit muss nur noch am Ort der
Entstehung von Ratterschwingungen ein Erfassungssystem, bestehend
aus wenigstens einem Sensor, angebracht werden.
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Da es sich bei der Ratterschwingung um eine mechanische
Schwingung handelt, kann zu deren Erfassung deren
Geschwindigkeit oder deren Beschleunigung in Anzugskraftrichtung des
Linearmotors gemessen werden. Als Sensor können
handelsübliche Sensoren zur Messung einer Geschwindigkeit oder einer
Beschleunigung verwendet werden. Ein vorteilhafter Sensor zur
Beschleunigungsmessung ist ein seismischer Sensor, der direkt
am Ort der Ratterschwingung ohne einen Bezugspunkt angebracht
werden kann.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht ist.
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Fig. 1 zeigt eine Regelstruktur einer bekannten
feldorientierten Regelung eines permanenterregten Synchronmotors,
die
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Fig. 2 zeigt einen Linearmotor einer nicht näher dargestellten
Bearbeitungsmaschine mit einer Magnetfeldverteilung und
einem Primärfeld in Vorschubrichtung, in der
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Fig. 3 ist ein Linearmotor mit einer Magnetfeldverteilung und
einem Primärfeld in Anzugsrichtung dargestellt, und die
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Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in
der
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Fig. 5 eine zweite Ausführungsform dieser Vorrichtung
dargestellt ist.
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In der Fig. 1 sind mit 2 ein permanenterregter Synchronmotor,
mit 4 ein Rotorlagegeber, mit 6 eine Feststellbremse, mit 8
ein Umrichter, insbesondere ein Spannungszwischenkreis-
Umrichter, und mit 10 eine bekannte feldorientierte Regelung
gekennzeichnet. Dieser permanenterregte Synchronmotor wird
ständerseitig vom Umrichter 8 gespeist. Die bekannte
feldorientierte Regelung 10 weist einen Drehzahlregelkreis 12, zwei
Stromregelkreise 14, 16 und zwei Transformationseinrichtungen
18 und 20 auf. Außerdem sind in dieser Regelung 10 ein
Differenzierglied 22 und eine Umrecheneinrichtung 24 angeordnet.
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Der Drehzahlregelkreis 12 weist einen Drehzahlregler 26,
einen Vergleicher 28 und einen Begrenzer 30 auf. Am
nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers 28 steht ein vorbestimmte
Drehzahlsollwert n* an, wogegen am invertierenden Eingang ein
ermittelter Drehzahl-Istwert n ansteht. Dieser Drehzahl-
Istwert n wird mittels des Differenziergliedes 22 aus dem
Rotorlagegeber 4 generierten Lagesignal R erzeugt.
Ausgangsseitig ist dieser Vergleicher 28 mit einem Eingang des
Drehzahlreglers 26 verbunden, an dessen Ausgang der Begrenzer 30
geschaltet ist. Am Ausgang dieses Begrenzers 30 steht das
Sollsignal i*q des unterlagerten Stromregelkreises 14 an.
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Dieser Stromregelkreis 14 weist einen Stromregler 32, dem ein
Vergleicher 34 vorgeschaltet ist, auf. Der zweite
Stromregelkreis 16 weist ebenfalls einen Stromregler 36 auf, dem ein
Vergleicher 38 vorgeschaltet ist. Die Ausgänge dieser beiden
Stromregelkreise 14 und 16 sind mit einer ausgangsseitigen
Transformationseinrichtung 20 verknüpft, mit der aus den
beiden orthogonalen feldorientierten Spannungs-Stellgrößen U*q
und U*d drei ständerorientierte Spannungs-Stellgrößen U*r, U*s
und U*t generiert werden, die die Spannungs-Sollwerte des
permanenterregten Synchronmotors darstellen.
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Die eingangsseitige Transformationseinrichtung 18 generiert
aus zwei gemessenen Ständerströmen ir und is des
permanenterregten Synchronmotors 2 zwei orthogonale feldorientierte
Stromkomponenten iq und id eines Ständerstrom-Raumzeigers des
Synchronmotors 2. Diese Stromkomponenten iq und id werden
jeweils einem invertierenden Eingang eines Vergleichers 34 und
38 der beiden Stromregelkreise 14 und 16 zugeführt, wobei die
Stromkomponente iq, die auch als drehmomentbildende
Stromkomponente bezeichnet wird, dem invertierenden Eingang des
Vergleichers 34 des dem Drehzahlregelkreises 12 unterlagerten
Stromregelkreises 14 zugeführt wird. Am nichtinvertierenden
Eingang des Vergleichers 38 steht ein Sollwert der
Stromkomponente id, auch als flussbildende Stromkomponente
bezeichnet, an, die den Wert Null hat. Für die beiden
Transformationseinrichtungen 18 und 20 wird jeweils der Rotorlagewinkel φ
benötigt, der mittels der Umrecheneinrichtung 24 aus dem
Rotorlagesignal R des Rotorlagegebers 4 generiert wird.
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Die Fig. 2 zeigt einen Linearmotor 40 eines Vorschubsystems
einer nicht näher dargestellten Bearbeitungsmaschine. Vom
Linearmotor 40 ist ein Primärteil 42 und ein Sekundärteil 44
dargestellt. Das Sekundärteil 44 des Linearmotors 40 ist mit
einem Werkzeug 46, beispielsweise ein Drehstahl, versehen.
Das Sekundärteil 44 des Linearmotors 40 weist ebenfalls eine
Anzahl von Dauermagneten 48 auf, die entlang des
Sekundärteils 44 nebeneinander angeordnet sind. In Abhängigkeit
dieser Dauermagnete 48 stellt sich die dargestellte
Magnetfeldverteilung 50 ein. Im Primärteil 42 des Linearmotors 40
stellt sich ein Primärfeld ein, das eine q- und d-Komponente
52 und 54 aufweist.
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In der Fig. 2 ist die q-Komponente 52 des Primärfeldes des
Linearmotors 40 dargestellt. Diese q-Komponente 52 des
Primärfeldes ist um 90° el. zur Magnetverteilung 50 der
Dauermagnete 48 des Sekundärteils 44 des Linearmotors 40 versetzt. Die
d-Komponente 54 des Primärfeldes des Linearmotors 40 ist in
der Fig. 3 näher dargestellt. Diese d-Komponente 54 des
Primärfeldes ist in Phase zur Magnetfeldverteilung 50 der
Dauermagnete 48. Die q-Komponente 52 des Primärfeldes stellt sich
ein, wenn der Linearmotor 40 in Vortriebsrichtung geschaltet
ist. Wogegen die d-Komponente 54 des Primärfeldes des
Linearmotors 40 sich einstellt, wenn der Linearmotor 40 in
Anzugskraftrichtung geschaltet wird. Selbstverständlich ist das
gleichzeitige Aufschalten der q- und d-Komponenten durch
Linearkombination möglich. In der bekannten
Servoantriebstechnik wird ausschließlich die q-Komponente für die
Bewegungsführung genutzt.
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Außerdem ist in der Fig. 2 ein zu bearbeitendes Werkstück 56
dargestellt. In der Fig. 3 wurde wegen der Übersichtlichkeit
darauf verzichtet. Mittels des Werkzeugs 46 wird das
Werkstück 56 spanabhebend bearbeitet. Für eine Unrundbearbeitung
wird der Sekundärteil 44 des Linearmotors 40 in
Vorschubrichtung hin- und herbewegt. Diese Bewegung ist mittels des
Doppelpfeils 58 veranschaulicht. Bei dieser spanabhebenden
Bearbeitung des Werkstücks 56 treten Ratterschwingungen auf, die
durch die Pfeile 60 und 62 bildlich veranschaulicht sind.
Rattern führt zu unbrauchbaren Oberflächen des Werkstücks 56.
Oftmals liegt die Ursache für Rattern in der mechanischen
Nachgiebigkeit der Maschinenstruktur gegenüber den
Schnittkräften. Besonders bei Schnittkraftanregungen, deren Frequenz
im Bereich der Eigenresonanz der Maschine liegt, zeigen sich
periodische Auslenkungen. Beim Rattern erregen die
periodischen Auslenkungen der Maschine ihrerseits wiederum
periodische Schnittkraftsprünge, die mit passender Phasenlage in die
Maschinenresonanzen treffen. Dadurch wird das Rattern
verstärkt bzw. aufrecht erhalten. Besonders bei Werkstoffen mit
hohen Zerspankräften oder bei großen Spantiefen limitiert das
Einsetzen der Ratterschwingungen die Produktivität. Die
Schnitttiefe muss dementsprechend soweit reduziert werden,
dass Rattern sicher vermieden wird.
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In der Fig. 4 ist ein Linearmotor 40 eines Vorschubsystems
einer nicht näher dargestellten Bearbeitungsmaschine gemäß Fig.
2 dargestellt, der eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Diese Vorrichtung weist
ein Erfassungssystem 64 zur Generierung eines zur
Ratterschwingung proportionales Ist-Signal SRS und einem Regelkreis
66 auf. Dieser Regelkreis 66 ist dem Erfassungssystem 64
elektrisch nachgeschaltet. Der Regelkreis 66 weist in seiner
einfachsten Ausführungsform einen Vergleicher 68, einen
Regler 70, insbesondere einen PI-Regler, und einen Begrenzer 72auf. Am nichtinvertierenden Eingang steht ein Soll-Signal S*RS
für die Ratterschwingung an. Der Ausgang des
Erfassungssystems 64, an dem das ermittelte Ist-Signal SRS einer
auftretenden Ratterschwingung ansteht, ist mit dem invertierenden
Eingang des Vergleichers 68 des Regelkreises 66 verknüpft.
Ausgangsseitig ist dieser Vergleicher 68 mit dem Eingang des
Reglers 70 verbunden, dessen Ausgang der Begrenzer 72
angeschaltet ist. Am Ausgang dieses Begrenzers 72 steht eine
Stellgröße SRSY an, die als Soll-Signal i*d dem
Stromregelkreis 16 für die d-Komponente der feldorientierten Regelung
10 gemäß der Fig. 1 zugeführt wird. Diese Stellgröße SRSY zeigt
an, inwieweit das Ist-Signal SRS einer auftretenden
Ratterschwingung zu einem vorbestimmten Wert eines Soll-Signals S*RS
für diese Ratterschwingung nachgeführt werden muss. Da jede
auftretende Ratterschwingung zu unbrauchbaren Oberflächen des
Werkstücks 56 führt, ist der Wert dieses Soll-Signals S*RS auf
Null gesetzt.
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Das Erfassungssystem 60 zur Generierung eines zur
auftretenden Ratterschwingung proportionales Ist-Signals SRS besteht
in dieser Darstellung aus einem seismischen
Beschleunigungssensor 74 und einem Integrierglied 76. Dieser seismische
Beschleunigungssensor 74 ist ein Piezosensor, der keinen
Bezugspunkt benötigt. Dadurch kann dieser seismische
Beschleunigungssensor 74 direkt auf das Werkzeug 46 angebracht
werden. Das Ausgangssignal SRSa dieses seismischen
Beschleunigungssensor 74 ist die Beschleunigung a der auftretenden
Ratterschwingung in Richtung der Anzugskraft des Linearmotors
40. Aus diesem ermittelten Ausgangssignal SRSa wird mittels
des nachgeschalteten Integriergliedes 76 ein zugehöriges
Geschwindigkeitssignal generiert, das als Ist-Signal SRS dem
invertierenden Eingang des Vergleichers 68 des Regelkreises
66 zugeführt wird.
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Mit diesem Ist-Geschwindigkeitssignal SRS und einem
vorbestimmten Soll-Geschwindigkeitssignal S*RS wird eine Stellgröße
SRSY generiert und als Strom-Sollwert i*d dem unterlagerten
Stromregelkreis 16 für die d-Komponente des Motorstromes der
feldorientierten Regelung 10 zugeführt. Mittels diesem
unterlagerten Stromregelkreis 16 der d-Komponente wird eine
Anzugskraft im Linearmotor 40 in der Weise gesteuert, dass der
Geschwindigkeit der auftretenden Ratterschwingung entgegen
wirkt. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Ratterschwingung
auf den vorbestimmten Wert des Soll-Signals S*RS geregelt.
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In der Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zur Dämpfung einer
auftretenden Ratterschwingung bei einer Bearbeitungsmaschine mit
wenigstens einem Vorschubsystem dargestellt. Diese
Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 4
dadurch, dass das Erfassungssystem 60 einen optischen Sensor
78 und eine Signalaufbereitung 80 aufweist. Mittels dieses
optischen Sensors 78 wird die Geschwindigkeit der
auftretenden Ratterschwingung in Richtung der Motoranzugskraft
gemessen. Daraus wird mittels der nachgeschalteten
Signalverarbeitung 80 ein Ist-Signal SRS generiert, das proportional zur
auftretenden Ratterschwingung ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar, wenn sich
Ratterschwingungen mit einer Komponente in Anzugskraftrichtung
in den Luftspaltraum des Linearmotors 40 ausbreiten. Wie
diese auftretende Ratterschwingung erfasst wird, ist für das
erfindungsgemäße Verfahren unerheblich. Das Wesen des
erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die bisher nicht
genutzte d-Komponente der feldorientierten Regelung 10 zur
Dämpfung der auftretenden Ratterschwingung verwendet wird.
Ein wesentlicher Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt darin, dass zu dessen Durchführung nur ein
Erfassungssystem 64 und ein Regelkreis 66 benötigt wird. Dieser
Regelkreis 66 kann in jeder feldorientierten Regelung in Form
eines Softwaremoduls auch nachträglich integriert werden.
Außerdem kann man dieses Softwaremodul zuschaltbar machen,
damit das erfindungsgemäße Verfahren nur dann aktiviert ist,
wenn Ratterschwingungen auftreten. Zur Erfassung der
Geschwindigkeit einer auftretenden Rattergeschwindigkeit bietet
sich die Ausführungsform des Erfassungssystems 64 gemäß Fig.
4 an, da dieses mit einem Piezosensor arbeitet, der keinen
Bezugspunkt benötigt. Außerdem ist dieser seismische
Beschleunigungssensor 74 so klein, dass dieser in unmittelbarer
Nähe des Entstehungsortes einer Ratterschwingung angebracht
werden kann.