DE19534758C2 - Antriebssystem mit Linearmotor - Google Patents
Antriebssystem mit LinearmotorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Linearmotor-Antriebssystem
zur rückgekoppelten Regelung eines linearen
Schrittmotors.
Zunächst sollen ein dem Stand der Technik entsprechendes
Linearmotor-Antriebssystem und die damit verbundenen
Probleme erläutert werden.
Auf dem Gebiet der Fabrikautomation (FA) werden eine Reihe
von Schrittmotoren als Antriebsquelle für Industrieroboter,
Werkzeugmaschinen und dgl. eingesetzt. So ist es beispiels
weise vorteilhaft, einen linearen Schrittmotor für eine
Fördereinrichtung für Halbleiterbauteile zu verwenden, da
deren Transport linear erfolgt und der Kraftübertragungs
mechanismus vereinfacht werden kann. Verfügt der für solche
Zwecke verwendete lineare Schrittmotor über eine Rückkopp
lungsregelung, kann eine hohe Positioniergenauigkeit er
zielt werden.
Ein rückkopplungsgeregeltes Linearmotor-Antriebssystem
ist mit einem Sensor zur Erkennung einer Bewegung eines
Gleitankers des linearen Schrittmotors ausgerüstet. Als
Sensor dient z. B. ein linearer optischer Codierer. Die in
einem Codierlineal des linearen optischen Codierers vor
gesehenen Nuten werden durch Ätzen oder dgl. hergestellt.
Die Sensorgenauigkeit nimmt jedoch ab, wenn sich aufgrund
einer Unregelmäßigkeit beim Ätzen oder dgl. eine fehlerhaft
geformte Nut ergibt. Die Sensorgenauigkeit nimmt ebenfalls
ab, wenn die Verteilung einer Lichtmenge von einer Licht
quelle, die die Nuten bestrahlt, nicht gleichmäßig ist. Des
weiteren können im Sensorsignal enthaltene Harmonische hö
herer Ordnung ebenfalls einen Fehler verursachen.
Als ein anderer Sensor zur Erkennung der Position eines
Gleitankers des linearen Schrittmotors kann ein Phasen
modulations-Codierer dienen, der ein phasenmoduliertes
Signal absetzt, dessen Phase mit dem Verfahrweg des Gleit
ankers moduliert wird.
Bei dem Linearmotor-Antriebssystem mit Phasenmodulations-
Codierer wird die Position des Gleitankers wie folgt er
kannt: Die Phasendifferenz zwischen dem phasenmodulierten
Signal und einem Referenzsignal, dessen Phase nicht modu
liert ist, wird durch einen Zähltakt gemessen. Diese Mes
sung erfolgt für jede einzelne Periode. Die Position des
Gleitankers wird dann durch Addition der Unterschiede der
gemessenen Phasendifferenzen erkannt.
Ein Wert kleiner als eine Periode des Zähltaktes entfällt,
da er bei der Messung der Phasendifferenz nicht erkannt
werden kann. Dementsprechend entscheidet sich die Auflösung
zur Erkennung der Phasendifferenz durch die Frequenz des
Zähltaktes. Obwohl die Auflösung zur Positionserkennung
durch eine Verbesserung der Auflösung zur Erkennung der
Phasendifferenz durch Erhöhung der Frequenz des
Zähltaktes verbessert werden kann, wird die
Bereitstellung eines Hochfrequenz-Taktgenerators
erforderlich, der die Kosten der Schaltung erhöht.
Die Patentschrift US 4 595 870 zeigt ein
Linearmotorantriebssystem, bei dem zur Erkennung der
Bewegung eines bewickelten Teils relativ zu einem
unbewickelten Teil mit dem unbewickelten Teil ein
Skalenlineal verbunden ist, auf dem eine Vielzahl von
Nuten in Korrespondenz zum Stator angeordnet sind. Auf
einem mit dem unbewickelten Teil des Linearmotors
verbundenen Block sind Lichtquellen und Photosensoren
angeordnet, wobei das Skalenlineal dazwischen angeordnet
ist.
Aus der Patentschrift US 4 689 529 ist ein Antriebssystem
mit Linearmotor zur Bewegung einer Gleiteinrichtung eines
linearen Schrittmotors bekannt. Dabei wird die Position
der Gleiteinrichtung anhand eines mitbewegten
Skalenlineals mit rechteckigen Nuten und entsprechender
Detektoreinrichtung geregelt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
obengenannten Probleme durch die Verwirklichung eines
Linearmotor-Antriebssystems zu lösen, das kaum durch
Formfehler der Nuten, ungleichmäßige Verteilung der
Lichtmenge der Lichtquelle und harmonische Komponenten
höherer Ordnung im Sensorsignal beeinflußt wird, einen
linearen optischen Codierer mit einer hohen
Sensorgenauigkeit besitzt und die Verbesserung der
Auflösung zur Positionserkennung ohne einen Hochfrequenz-
Taktgenerator zuläßt.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1
und 4 definierten Linearmotorantriebssysteme gelöst.
Es sind folgende Verbesserungen des Linearmotor-Antriebs
systems zur Erkennung einer Bewegung des Gleitankers des
linearen Schrittmotors durch einen linearen optischen
Codierer und zur Rückkopplungsregelung des linearen
Schrittmotors auf Basis des Sensorsignals vorgenommen
worden:
- (1) Eine Photodiodenanordnung bzw. -matrix erstreckt sich über eine Vielzahl von Nutreihen in einem Skalenlineal;
- (2) ein Diffusor ist zwischen einer Lichtquelle und dem Skalenlineal angeordnet;
- (3) innerhalb einer Nutteilung sind n Photodioden vorge sehen, die Breite einer Photodiode in Richtung der Matrix ist als p₀/(n + 1) gewählt, und die Breite eines Spalts zwischen den Photodioden ist als p₀/n(n + 1) gewählt.
Zusätzlich dazu wird ein Linearmotor-Antriebssystem bereit
gestellt, in dem ein Phasenmodulations-Codierer als Codie
rer dient, und die Position des Gleitankers ergibt sich als
ein Mittelwert aus mehreren Meßwerten der Phasendifferenzen
zwischen einem von dem Codierer abgesetzten phasenmodulier
ten Signal, zu dem ein Zittersignal addiert wird, und einem
Referenzsignal, dessen Phase nicht moduliert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Antriebssystem
mit Linearmotor, das kaum durch Formfehler der Nuten,
ungleichmäßige Verteilung der Lichtmenge der Lichtquelle
und harmonische Komponenten höherer Ordnung im Sensorsignal
beeinflußt wird, einen linearen optischen Codierer mit
einer hohen Sensorgenauigkeit besitzt und die Verbesserung
der Auflösung zur Positionserkennung ohne einen Hochfre
quenz-Taktgenerator zuläßt, verwirklicht werden.
Obige und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeich
nungen, in denen identische Bezugszeichen gleiche Teile
kennzeichnen.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das die Struk
tur eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung zeigt;
Fig. 2a und 2b sind Vorder- und Seitenansichten eines kon
kreten Beispiels der Struktur eines Motorab
schnitts des Systems der Fig. 1;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines kon
kreten Beispiels der Struktur eines Codiererab
schnitts des Systems der Fig. 1;
Fig. 4 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels des
Codiererabschnitts des Systems der Fig. 1;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Phasenbeziehung
zwischen Nuten und Photodioden darstellt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine konkrete Struktur
des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Er
findung zeigt;
Fig. 7 ist eine beispielhafte Tabelle einer Verstär
kungsfaktor-Tabelle, die in einem Positions
steuerabschnitt gespeichert ist;
Fig. 8 ist ein Diagramm der Struktur eines Hauptteils
einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 9 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion
des Ausführungsbeispiels der Fig. 8;
Fig. 10 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion
des Ausführungsbeispiels der Fig. 8;
Fig. 11 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion
des Ausführungsbeispiels der Fig. 8; und
Fig. 12 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion
des Ausführungsbeispiels der Fig. 1.
Die vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand der
Zeichnungen erläutert.
Die Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur
eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
zeigt. In der Figur steuert eine Treiberschaltung 200 einen
Motorabschnitt 100, ein Codiererabschnitt 300 umfaßt einen
Codierer 300₁ zur Erkennung der Umdrehungen des Motorab
schnitts 100 und eine Codiererschnittstelle 300₂ (im fol
genden als Codierer-I/F bezeichnet) zur Ausgabe von durch
den Codierer 300₁ erkannten Signalen, ein Geschwindigkeits-
Regelabschnitt 400 regelt die Geschwindigkeit des Motor
abschnitts 100 mittels einer Rückkopplungsregelung, ein
Positions-Regelabschnitt 500 regelt die Rotationsposition
des Motorabschnitts 100 mittels einer Rückkopplungsrege
lung, und ein Abstimmabschnitt 600 stimmt die Servosysteme
des Geschwindigkeits-Regelabschnitts 400 und des Positions-Regel
abschnitts 500 aufeinander ab.
Die konkrete Struktur jeder Komponente des Systems in der
Fig. 1 wird nachstehend einzeln erläutert.
- (1) Motorabschnitt:
Die Fig. 2a und 2b sind Vorder- und Seitenansichten eines konkreten Beispiels der Struktur des Motorabschnitts der Fig. 1. Der Motorabschnitt 100 ist hier ein linearer Schrittmotor. Das Beispiel eines solchen Schrittmotors ist in der Fig. 2 dargestellt.
In dem Motorabschnitt 100 kennzeichnet das Bezugszeichen
(11) einen Stator und (12) einen Gleitanker. Der Motorab
schnitt 100 ist ein linearer Schrittmotor ohne Unterset
zungsgetriebe, bei dem ein anzutreibendes Objekt unmittel
bar an dem Gleitanker 12 befestigt ist.
Der Stator 11 besteht aus einem magnetischen Material und
ist in Längsrichtung mit Zähnen 111 mit konstanter Teilung
ausgeführt. Eine Gleitankerplatte 121 des Gleitankers 12
besteht aus magnetischem Material. Die Gleitankerplatte 121
ist mit Polschenkeln 122, 123 und 124 ausgeführt, und Zähne
mit derselben Teilung wie die der Zähne 111 sind am Ende
der Polschenkel ausgebildet. Die Phasen der am Ende der
Polschenkel 123 und 124 ausgebildeten Zähne sind um p/3
bzw. 2p/3 gegenüber der Phase der am Ende des Polschenkels
122 ausgebildeten Zähne versetzt (p: Teilung der Zähne
125). Die Spulen 126, 127 und 128 der drei Phasen sind um
die Polschenkel 123, 124 bzw. 125 gewickelt. Diese drei
Spulen sind in Sternschaltung verbunden und werden durch
Wechselstromsignale, deren Phasen jeweils um 120° versetzt
sind, erregt.
Eine in der Fig. 2b dargestellte Gleitankerplatte 129 ist
in derselben Weise ausgeführt wie die Gleitankerplatte 121.
Sie ist so angeordnet, daß die Phase ihrer Zähne gegenüber
der Gleitankerplatte 121 um p/2 versetzt ist. Es ist zu
beachten, daß die Spulen 126, 127 und 128 die Polschenkel
der Gleitankerplatten 121 und 129 umfassend gewickelt sind.
Ein Dauermagnet 130 verbindet die Gleitankerplatten 121 und
129 bringt einen Vormagnetisierungsfluß auf diese auf. Der
Dauermagnet 130 ist in Richtung von der Gleitankerplatte
121 zu der Gleitankerplatte 129 magnetisiert.
In dem wie oben beschrieben aufgebauten Motor bringt der
Dauermagnet 130 einen Vormagnetisierungsfluß auf den Stator
und die Polschenkelabschnitte des Gleitankers auf. Dieser
Vormagnetisierungsfluß wird durch eine der Gleitankerplat
ten 121 und 129 verstärkt und durch die andere aufgrund des
Magnetflusses der Spulen 126, 127 und 128 geschwächt; der
Gleitanker des Motors wird entsprechend des Wechsels zwi
schen verstärkter und geschwächter Seite verfahren.
Die Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines konkreten
Beispiels der Struktur des Codiererabschnitts 300 des
Systems der Fig. 1. Bei dem Codierabschnitt 300 handelt es
sich um einen linearen optischen Codierer.
In der Fig. 3 kennzeichnet das Bezugszeichen (301) einen
Schienenblock, dessen Position stationär ist, und (302) ein
auf dem Schienenblock 301 befestigtes Skalenlineal. Die
Form des Skalenlineals ist in der Figur mit gestrichelten
Linien angedeutet. Das Skalenlineal 302 ist mit einer Viel
zahl von Nutreihen versehen, die mit derselben Teilung an
geordnet sind wie die Zähne 111 in Längsrichtung des Sta
tors 11 im Motorabschnitt 100.
Ein Sockelblock 303 ist mit dem Gleitanker 12 des linearen
Schrittmotors verbunden und wird zusammen mit diesem ver
fahren. Ein Armblock 304 ist mit dem Sockelblock 302 ver
bunden. Der Schienenblock 301 führt die Bewegung des
Sockelblocks 303 und des Armblocks 304. Eine Lichtquelle
305, die beispielsweise eine LED sein kann, ist auf dem
Sockelblock 303 angebracht. Eine Photodiodenanordnung (im fol
genden als PDA bezeichnet) 306 ist so angeordnet, daß sie
zur Lichtquelle 305 weist, wobei das Skalenlineal 302 da
zwischen angeordnet ist. Die PDA 306 ist über eine Halte
platte 307 an dem Sockelblock 303 befestigt. Ein Diffusor
308 ist zwischen der Lichtquelle 304 und dem Skalenlineal
302 angeordnet. Der Diffusor 308 sorgt für eine gleich
mäßige Verteilung der von der Lichtquelle 305 abgestrahlten
Lichtmenge.
Die Fig. 4 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels der
Schaltung des Codiererabschnitts 300, in der identische
oder entsprechende Teile wie in den obigen Zeichnungen mit
identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
In der Fig. 4 sind zwei Reihen von Nuten 309 mit der Form
einer Sinuswelle mit konstanter Teilung in Längsrichtung
des Skalenlineals 302 ausgeformt. Die beiden Nutenreihen
sind gleichphasig. Die Teilung der Nuten 309 ist identisch
mit der der Teilung der Zähne 111 des Stators 11 in dem
linearen Schrittmotor.
Die in der Figur als Punkte dargestellte Teile sind Nutab
schnitte. Die Anordnungsrichtung der Nuten 309 ist iden
tisch mit der Anordnung der Zähne 111 des Stators 11. Die
PDA 306 umfaßt acht Photodioden 306₁ bis 306₈, die inner
halb einer Teilung der Nuten 309 angeordnet sind.
Jede der Photodioden 306₁ bis 306₈ ist jeweils zwei Nutrei
hen überbrückend angeordnet. Das heißt, daß das die beiden
Nutreihen passierende Licht von einer Photodiode erkannt
wird. Dadurch kann ein Formfehler der Nuten durch Mitteln
ausgeglichen und eine Streuung der erkannten Fehler ver
ringert werden.
Die Fig. 5 ist ein Diagramm zur Darstellung der Phasenbe
ziehung zwischen den Nuten 309 und den Photodioden 306₁ bis
306₈. Die Fig. 5 zeigt ein Fallbeispiel einer Phasenbezie
hung zur Beseitigung der in dem Sensorsignal enthaltenen
Harmonischen neunter Ordnung.
Wie die Fig. 5 zeigt, sind acht Photodioden 306₁ bis
einschl. 306₈ innerhalb einer Teilung P₀ der Nut 309 ange
ordnet. Die Breite jeder Photodiode beträgt P₀/9, und die
Spaltbreite zwischen den Photodioden beträgt P₀/72. Dieser
Spaltabschnitt ist eine unempfindliche Zone.
Nunmehr sei erneut auf die Fig. 4 verwiesen, in der Schal
ter SW1 bis einschl. SW8 in einer Signalverarbeitungsschal
tung 310 vorgesehen sind und nacheinander mit konstanter
Taktung durch achtphasige Takte von einem Taktgenerator 311
geschlossen werden, um die Lichtsensorsignale von den
Photodioden 306₁ bis einschl. 306₈ abzutasten.
Ein Operationsverstärker 312 verstärkt die über jeden der
Schalter SW1 bis einschl. SW8 gelieferten Signale. Ein Aus
gang des Operationsverstärkers 312 ist eine gestufte Welle,
deren Höhe sich proportional zu der Lichtmenge verhält, die
die Dioden empfangen haben. Die Schalter werden geöffnet/ge
schlossen, wobei bei jedem Schließvorgang die als Vie
rergruppe zu schließenden Schalter, z. B. SW1, SW2, SW3 und
SW4, mit dem ersten Takt und die Schalter SW2, SW3, SW4 und
SW5 mit dem zweiten Takt versetzt werden und so fort.
In der Codierer-I/F 300₂ extrahiert ein Tiefpaßfilter (im
folgenden als LPF bezeichnet) 321 niederfrequente Komponen
ten des Ausgangs des Operationsverstärkers 312, und ein
Komparator 322 formt die Welle des Ausgangssignals des LPF
321.
Eine Taktabfrageschaltung 323 fragt eine beliebige Takt
phase des achtphasigen Taktes des Taktgenerators 311 ab,
und eine Frequenzteilerschaltung 324 teilt den achtphasigen
Takt des Taktgenerators in Achtel. Ein Phasendifferenzzäh
ler 325 mißt die Phasendifferenz zwischen einem phasenmodu
lierten Signal vom Komparator 322 und einem von der Takt
abfrageschaltung 323 gelieferten Referenzsignal, dessen
Phase nicht moduliert ist, mit einer Taktung des geteilten
Taktes der Frequenzteilerschaltung 324. Eine Periode des
geteilten Taktes entspricht der Abtastperiode der acht
Schalter SW1 bis einschl. SW8.
Eine Positionsdetektoreinrichtung 504 besitzt eine Integra
tionsschaltung und erkennt die Position des Gleitankers des
Motor, indem sie die von dem Phasendifferenzzähler 325 pro
Abtastperiode gemessenen Phasendifferenzen aufaddiert. Ein
F/V-Wandler 402 erkennt auf Basis der vom Phasendifferenz
zähler 325 gemessenen Schwankungsfrequenz die Verfahrge
schwindigkeit des Gleitankers des Motors.
Der wie oben beschrieben aufgebaute Codierer wird nachste
hend erläutert. Der Taktgenerator 311 öffnet bzw. schließt
die Schalter SW1 bis einschl. SW8 mit der Taktung des acht
phasigen Taktes, um die Lichtsensorsignale der Photodioden
306₁ bis einschl. 306₈ abzutasten. Da die Photodioden 306₁
bis einschl. 306₈ einen Bildsensor darstellen, der die Bil
der der Nuten reflektiert, ändert sich die Phase des durch
Abtasten erhaltenen gestuften Wellensignals um 360°, wenn
die PDA 306 und die Lichtquelle 305 um eine Teilung ver
schoben werden. Dementsprechend wird das Signal, das sich
aus dem Durchgang des gestuften Wellensignals durch das LPF
321 und den Komparator 322 ergibt, zu einem phasenmodulier
ten Signal entsprechend der nachstehenden Gleichung:
f(t) = Asin{ωt + 2π(x/p₀)} (1).
Dabei ist A eine Konstante, t ist die Zeit, x eine relative
Verfahrstrecke, ω = 2πfs und fs eine Frequenz des achtpha
sigen Taktes des Taktgenerators 311.
Eine Phase des von der Taktabfrageschaltung 323 abgefragten
Referenzsignals ist ωt.
Da eine Abtastperiode endet, wenn die Schalter SW1 bis
einschl. SW8 achtmal geschaltet haben, wird die Periode des
geteilten Taktes der Frequenzteilerschaltung 324 die Ab
tastperiode.
Innerhalb jeweils einer Abtastperiode mißt der Phasendif
ferenzzähler 325 eine Phasendifferenz zwischen dem vom Kom
parator 322 gelieferten phasenmodulierten Signal und dem
von der Taktabfrageschaltung 323 gelieferten Referenzsignal
mit der Taktung des geteilten Taktes. Diese Phasendifferenz
beträgt gemäß der Gleichung (1) 2π(x/p₀).
Da gilt (Teilung der Codierernuten) = (Teilung der Zähne
des Stators des linearen Schrittmotors), wird die von dem
Phasendifferenzzähler 325 gemessene Phasendifferenz genau
der Phasenversatz zwischen den Zähnen des Stators und den
Zähnen des Gleitankers des Motors. Die Kommutation des
Motors wird auf Basis dieses Versatzes geregelt. Das be
deutet, daß der Phasendifferenzzähler 325 unmittelbar die
zur Kommutationsregelung verwendeten Signale erkennt. Die
vom Phasendifferenzzähler 325 gemessene Phasendifferenz
wird einer später zu beschreibenden Kommutations-Regel
einrichtung 507 in unveränderter Form als eine Kommuta
tionswinkel-Detektorsignal übergeben.
Die Positionsdetektoreinrichtung 504 addiert die Schwan
kungen der vom Phasendifferenzzähler 325 gemessenen Pha
sendifferenzen mit der Taktung des geteilten Takte s von der
Frequenzteilerschaltung 324. Dieser aufaddierte Wert wird
die Position des Gleitankers des Motors. Dementsprechend
wird der aufaddierte Wert der Positionsdetektoreinrichtung
504 zu einem Rückkopplungssignal, das zur rückgekoppelten
Regelung der Motorposition herangezogen wird.
Der F/V-Wandler 402 setzt ein zur Frequenzschwankung des
Ausgangs des Komparators 322 proportionales Spannungssignal
ab. Dieses Signal wird zu einem Rückkopplungssignal, das
zur rückgekoppelten Regelung der Motorgeschwindigkeit her
angezogen wird.
Die Signale zur Kommutations-, Positions- und Geschwindig
keitsregelung werden also gleichzeitig erkannt.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Entfernung der Harmo
nischen neunter Ordnung in dem Sensorsignal unter Bezug
nahme auf die Fig. 5 beschrieben.
Wie oben erläutert, wird eine Grundwelle des Sensorsignals
(Signalkomponente) durch die nachstehende Gleichung ausge
drückt:
f(t) = Asin{ωt + 2π(x/p₀)}.
Die Harmonischen neunter Ordnung in dem Sensorsignal lassen
sich wie folgt ausdrücken:
f₉(t) = A₉sin{ωt + 2π(9x/p₀)}
wobei A₉ eine Konstante ist.
Da die Breite einer Photodiode p₀/9 beträgt und die Phase
jeder Photodiode um jeweils p₀/8 versetzt wird, wird die
Signalkomponente des Sensorsignals der n-ten (n = 1, 2, . . . )
Photodiode wie folgt ausgedrückt:
(np₀/8) + (p₀/9)
I = K ∫ f(t)dx
np₀/8.
I = K ∫ f(t)dx
np₀/8.
Die Harmonische neunter Ordnung in dem Sensorsignal der n-ten
Photodiode wird wie folgt ausgedrückt:
(np₀/8) + (p₀/9)
I₉ = K ∫ f₉(t)dx
np₀/8
(np₀/8) + (p₀/9)
= K ∫ A₉ sin {ωt + 2π(9x/p₀)}dx
np₀/8
= 0.
I₉ = K ∫ f₉(t)dx
np₀/8
(np₀/8) + (p₀/9)
= K ∫ A₉ sin {ωt + 2π(9x/p₀)}dx
np₀/8
= 0.
Damit ist die Harmonische neunter Ordnung aufgehoben.
Die Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine konkrete Struktur des
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. Be
züglich der Fig. 6 wird auf eine Beschreibung der bereits
oben erläuterten identischen Komponenten verzichtet.
Stromdetektorschaltungen 201 und 202 der Treiberschaltung
200 erkennen Erregerströme, die durch zweiphasige Spulen
unter den dreiphasigen Spulen des Motorabschnitts 100 flie
ßen, und Subtrahierglieder 203 und 204 berechnen die Dif
ferenz zwischen einem Strombefehlswert von dem Geschwin
digkeitsregelabschnitt 400 und den von den Stromdetektor
schaltungen 201 und 202 erkannten Strömen. Eine Strom
verstärkerschaltung 205 schickt einen sinusförmigen Drei
phasenstrom an den Motor, so daß die Stromdifferenz der
Subtrahierglieder 203 und 204 durch Ein- und Abschalten von
Transistoren einer Erregerschaltung 207 mittels eines von
einer PWM-Schaltung 206 auf Basis der Signale von den Sub
trahiergliedern 203 und 204 generierten PWM-Signals Null
wird (PWM = Pulsbreitenmodulation).
Nunmehr wird der Aufbau des Geschwindigkeitsregelabschnitts
400 erläutert. Ein Schalter 401 in dem Geschwindigkeits
regelabschnitt 400 schaltet die Geschwindigkeit und Posi
tionsregelung. Ist eine Geschwindigkeitsregelung vorzu
nehmen, so ist dieser Schalter mit der Seite eines Kon
taktes h₁ verbunden, ist eine Positionsregelung vorzuneh
men, so ist dieser Schalter mit der Seite eines Kontaktes
h₂ verbunden. Der F/V-Wandler 402 wandelt das Ausgangs
signal der Codierer-I/F 300₂ in ein Geschwindigkeitssignal.
Ein Subtrahierglied 403 berechnet die Differenz zwischen
einem Signal vom Schalter 401 (dieses wird ein Geschwindig
keitsbefehlswert) und einem Signal vom F/V-Wandler 402.
Weiterhin ändert ein multiplizierender Digital-/Analog-
Wandler (im folgenden als MDA bezeichnet) 404 den Ver
stärkungsfaktor eines digitalen Signals und verstärkt ein
analoges Eingangssignal. Ein Signal zur Einstellung des
Verstärkungsfaktors wird vom Positionsregelabschnitt 500
oder vom Abstimmabschnitt 600 geliefert.
Ein Spannungsregel-Begrenzer (im folgenden als VCL bezeich
net) 405 vermeidet, daß ein Ausgang des MDA 404 einen be
stimmten oberen Grenzwert überschreitet bzw. einen unteren
Grenzwert unterschreitet. MDAs 406 und 407 empfangen ein
Signal vom VCL 405 und liefern ein Stromsignal Isinθe oder
Isin(θe + 120°) als einen Strombefehlswert nach dem Kommu
tationssteuersignal vom Positionsregelabschnitt 500 an die
Subtrahierglieder 203 und 204 (I: Strom).
Als nächstes wird der Aufbau des Positionsregelabschnitts
500 beschrieben.
In dem Positionsregelabschnitt 500 generiert ein Zähler 501
auf Basis eines Positionsbefehls-Impulssignals und eines
Drehrichtungssignals ein Positionsbefehlssignal. Ein Schal
ter 502 ist während des Normalbetriebs mit der Seite eines
Kontakts k₁ und während des Testmodus mit der Seite eines
Kontakts k₂, über den ein Testsignal von einer Testsignal-
Generatoreinrichtung 502′ bereitgestellt wird, verbunden.
Ein Subtrahierglied 503 berechnet die Differenz zwischen
einem Signal vom Schalter 502 (diese wird ein Positions
befehlssignal) und einem Signal von der Positionsdetektor
einrichtung 504, die bereits beschrieben worden ist.
Die Positionsregeleinrichtung 505 stimmt den Verstärkungs
faktor des MDA 404 auf Basis eines aus einer Verstärkungs
faktor-Tabelle 506 mittels eines Signals von der Codierer-
I/F 300₂ oder vom Abstimmabschnitt 600 ausgelesenen Para
meters ab. Die Positionsregeleinrichtung 505 stellt ein
tertiäres Servosystem dar, das mittels Software I-PD-(Inte
grations-, Proportionierungs- und Differenzierungs)-
Operationen ausführt.
Bei der Verstärkungsfaktor-Tabelle 506 handelt es sich um
eine Tabelle, die die Lasten M des Motors, die Eigenfre
quenzen fn des Positionsregelsystems und die optimalen
Steuerwerte x₁₁, x₁₂, x₁₃ und dgl. entsprechend z. B. den
Werten der Fig. 7 zeigt. Es gibt zwei Arten von Verstär
kungsfaktor-Tabellen 506: Tabellen zur Geschwindigkeits- und
Positionsregelung sowie zwei Arten von Tabellen zur
Geschwindigkeits- und Positionsregelung: Tabellen für P-(Pro
portionierungs-) und I-(Integrations-)-Operationen.
Die Kommutations-Regeleinrichtung 507 regelt die Kommu
tation des Motors, indem ein Signal auf Basis des Signals
von der Codierer-I/F 300₂ an Multiplizierer 406 und 407 ge
schickt wird; ein D/A-Wandler 508 wandelt den Ausgang der
Positionsregeleinrichtung 505 von digital nach analog, und
eine Abtast- und Halteschaltung (im folgenden als S/H-Schal
tung bezeichnet) 509 tastet den Ausgang des D/A-Wand
lers 508 ab bzw. hält ihn und schickt ihn an den Ab
stimmabschnitt 600.
Ist die Geschwindigkeit zu regeln, so ist der Schalter 401
mit der Seite des Kontaktes h₁ verbunden, so daß das Sub
trahierglied 403 die Differenz zwischen dem analogen Ge
schwindigkeitseingang als einen Geschwindigkeitsbefehlswert
und einem Geschwindigkeitssignal vom F/V-Wandler 402 be
rechnet. Der Verstärkungsfaktor des MDA 404 wird durch
einen Steuerparameterwert eingestellt, der mittels später
zu beschreibender Schalter 601 und 602 aus der Verstär
kungsfaktor-Tabelle 506 ausgelesen wird.
Ist die Position zu regeln, so ist der Schalter 401 mit der
Seite des Kontaktes h₂ und der Schalter 502 mit der Seite
eines Kontaktes k₁ verbunden. Damit wird die Differenz zwi
schen einem Positionsbefehlssignal und einem Ausgangssignal
der Positionsdetektoreinrichtung 504 durch das Subtrahier
glied 503 berechnet. Die Positionsregeleinrichtung 505
liest den Steuerparameter mittels der Schalter 601 und 602
aus der Verstärkungsfaktor-Tabelle 506 aus und stimmt den
Verstärkungsfaktor des MDA 404 auf Basis eines Positions
steueralgorithmus unter Verwendung dieses Steuerparameters
ab.
Als nächstes wird der Aufbau des Abstimmabschnitts 600 er
läutert. In dem Abstimmabschnitt 600 kennzeichnen die Be
zugszeichen (601) und (602) Servo-Abstimmschalter. Der
Schalter 601 zur Einstellung der Eigenfrequenz stellt die
Eigenfrequenz fn schrittweise innerhalb eines vorgegebenen
Bereichs ein. So wird die Eigenfrequenz durch diesen Schal
ter beispielsweise in 16 Schritten innerhalb eines Bereichs
von 5 bis 20 Hz eingestellt. Der Schalter 602 zur Einstel
lung der Belastung stellt die Belastung M schrittweise in
nerhalb eines vorgegebenen Bereichs ein.
Sind fn und M mittels dieser Schalter 601 und 602 einge
stellt, werden die optimalen den eingestellten Werten
entsprechenden Steuerparameterwerte aus der Verstärkungs
faktor-Tabelle 506 ausgelesen.
Erfolgt die Positionsregelung unter Verwendung der Schalter
601 und 602, stimmt die Positionsregeleinrichtung 505 den
Verstärkungsfaktor des MDA 404 auf Basis des aus der Tabel
le ausgelesenen Steuerparameterwertes für die Positions
regelung ab. Ist eine Geschwindigkeitsregelung auszuführen,
so wird der für die Geschwindigkeitsregelung aus der Tabel
le ausgelesene Steuerparameter zur Abstimmung des Verstär
kungsfaktors an den MDA 404 geschickt.
Das Bezugszeichen (603) kennzeichnet einen Schalter zur Be
tätigung des Schalters 502, (604) ist ein Schalter zur Be
tätigung des Schalters 401 und (605) ist ein Schalter zum
Umschalten der Geschwindigkeits- und Positionsregelung auf
die Integrations- oder Proportionierungsoperation. Die Ta
bellen für die Integrations- und Proportionierungsoperation
werden durch Betätigung dieses Schalters korrekt verwendet.
Ist ein Roboterarm mittels eines DD-Motors zu verfahren, so
erfolgt die Positionsregelung des Roboterarms durch die In
tegrationsoperation, während die Regelung zur Erfassung
eines Gegenstandes durch die Roboterhand durch die Propor
tionierungsoperation (Übereinstimmungskontrolle) erfolgt.
Ein Monitor-Ausgangsanschluß 606 fragt den Ausgang des
Positionsregelabschnitts 500 über die S/H-Schaltung 402 ab.
Dieser Ausgang wird an eine zu überwachende Anzeigeeinheit,
z. B. einen Oszillographen, geschickt.
Ein Impulsabfrageanschluß 607 dient zum Abfragen eines in
krementellen Impulssignals über einen Aufwärts-/Abwärts-
Impulsgenerator 608. Ein Ursprungssignalanschluß 609 dient
zur Abfrage der Ausgänge von Photodioden G₁ und G₂.
Die vom Impulsabfrageanschluß 607 und vom Ursprungssignal
anschluß 609 abgefragen Ausgänge werden an einen nicht dar
gestellten Controller geschickt. Der Controller erkennt an
hand des Ausgangs des Impulsabfrageanschlusses 607 die Ro
tationsposition des Motors und anhand des Ausgangs des Ur
sprungssignalanschlusses 609 die Ursprungsposition.
Ein Datenbus BS überträgt die Signale zwischen dem Codie
rerabschnitt 300, dem Geschwindigkeitsregelabschnitt 400,
dem Positionsregelabschnitt 500 und dem Abstimmabschnitt
600.
Bei unbekannter Belastung M des Motors wird der Schalter
502 mit der Seite des Kontakts k₂ verbunden, ein bekanntes
Testsignal wird an die Positionsregeleinrichtung 505 abge
setzt und ein zu diesem Zeitpunkt vom Positionsregelab
schnitt 500 abgesetztes Signal wird unter Verwendung eines
Motorausgangsanschlusses überwacht. Danach wird der einge
stellte Wert der Belastung M durch den Schalter 602 zur
Einstellung der Belastung so geregelt, daß eine Verzerrung
der überwachten Wellenform beseitigt wird. Es ist zu be
achten, daß fn und M mittels eines externen Controllers und
nicht durch den Schalter eingestellt werden können.
Obwohl im obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall
erläutert worden ist, in dem der Steuerparameter aus der
Verstärkungsfaktor-Tabelle 506 ausgelesen wird, wenn sowohl
die Eigenfrequenz fn als auch die Belastung M durch den
Servo-Abstimmschalter eingestellt worden sind, ist die vor
liegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann so
ausgeführt sein, daß der Steuerparameter gelesen wird, wenn
entweder fn oder M eingestellt ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den beschriebenen
Fall beschränkt, in dem zwei Nutreihen ausgeformt sind,
sondern kann so ausgeführt sein, daß mehr als drei Nutrei
hen ausgeformt und die Nuten jeder Reihe überbrückende
Photodioden vorgesehen sind.
Obwohl weiterhin der Fall beschrieben worden ist, in dem
die Nut die Form einer Sinuswelle hat, kann sie auch recht
eckig oder dgl. geformt sein.
Außerdem läßt sich der beschriebene Fall, in dem die Har
monischen neunter Ordnung entfernt werden, indem die Anzahl
der innerhalb einer Nutteilung angeordneten Photodioden mit
acht, die Breite einer Photodiode in Richtung der Anordnung
mit p₀/p und die Breite des Spalts zwischen den Photodioden
mit p₀/72 gewählt ist, weiter verallgemeinern. Das heißt,
es ist ein Aufbau möglich, so daß die Harmonischen (n + 1)-ter
Ordnung entfernt werden, indem indem die Anzahl der
innerhalb einer Nutteilung angeordneten Photodioden mit n
(n: ganze Zahl), die Breite einer Photodiode in Richtung
der Anordnung mit p₀/(n + 1) und die Breite des Spalts
zwischen den Photodioden mit p₀/n(n + 1) gewählt wird.
Folgende Effekte lassen sich durch die in Zusammenhang mit
den Fig. 1 bis 7 beschriebene Ausführungsform erzielen:
- (1) Da eine Vielzahl von Nutreihen ausgeformt und jede Photo diode so angeordnet ist, daß sie Vielzahl der Nutreihen überbrückt, wird das durch die Vielzahl der Nutreihen passierende Licht von einer Photodiode erkannt. Dadurch können durch Unregelmäßigkeiten beim Ätzen oder dgl. ver ursachte Formfehler der Nuten gemittelt werden, wodurch die Streuung der Erkennungsfehler verringert wird.
- (2) Da der Diffusor zwischen der Lichtquelle und dem Ska lenlineal angeordnet ist, kann die Verteilung der Licht menge aus der Lichtquelle ausgeglichen werden. Dadurch kann der durch eine unregelmäßige Verteilung der Lichtmenge aus der Lichtquelle verursachte Erkennungsfehler verringert werden.
- (3) Da innerhalb einer Nutteilung n Photodioden angeordnet, die Breite einer Photodiode als p₀/(n + 1) und die Breite des Spalts zwischen den Photodioden als p₀/n(n + 1) gewählt sind, können die in dem Detektorsignal enthaltenen Harmo nischen (n + 1)-ter Ordnung wirksam beseitigt werden. Da durch kann die Erkennungsgenauigkeit verbessert werden.
Die Fig. 8 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Haupt
teils eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung zeigt. Die Teile des Ausführungsbeispiels, die in
der Fig. 8 nicht dargestellt sind, sind identisch aufgebaut
wie diejenigen aus Ausführungsbeispiels der Fig. 6.
In der Fig. 8 generiert eine Hilfssignal- bzw. Zittersignal-Generatorein
richtung 326 Hilfs- bzw. Zittersignale. Eine Periode dieser Zitter
signale entspricht dem n-fachen (n: ganze Zahl größer 2)
der Periode des phasenmodulierten Signals, und ihre Ampli
tuden liegen im Bereich der Schwankungen der Phase des
phasenmodulierten Signals innerhalb eines Bereiches um die
Erkennungsauflösung des Phasendifferenzzählers. Die Fre
quenz des Zittersignals liegt in einem Band, das hinrei
chend höher ist als das Band, innerhalb dessen das Servo
system der Motorpositionsregelung anspricht.
Eine Addiereinrichtung 327 addiert das von der Zitter
signal-Generatoreinrichtung 326 generierte Zittersignal zu
einem Ausgang eines LPF 321, und ein Komparator 328 formt
das addierte Signal der Addiereinrichtung 327 und liefert
es an den Phasendifferenzzähler 325.
Eine Positionsdetektoreinrichtung 510 ermittelt einen
Durchschnittswert der n vom Phasendifferenzzähler 325 über
n Meßzyklen bei positioniertem Gleitanker gemessenen Werte
und ermittelt die Position des Gleitankers anhand dieses
Durchschnittswertes. Die Positionsdetektoreinrichtung 510
ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 anstelle der Posi
tionsdetektoreinrichtung 504 im Ausführungsbeispiel der
Fig. 6 vorgesehen.
Nachstehend wird die Funktion der wie oben beschrieben auf
gebauten Vorrichtung erläutert.
Das phasenmodulierte Signal schwankt, wenn das Zittersignal
zu dem phasenmodulierten Signal addiert wird. Wird das Zit
tersignal, wie z. B. in der Fig. 9 gezeigt, zu dem phasen
modulierten Signal addiert, schwankt das phasenmodulierte
Signal in dem in der Figur mit A gekennzeichneten Bereich,
wie durch die gestrichelten Linien in der Fig. 10 angedeu
tet. Das heißt, die Nulldurchgangsposition (Schnittpunkt
mit der Zeitachse) des phasenmodulierten Signals schwankt.
Die Schwankung bewegt sich um die Erkennungsauflösung des
Phasendifferenzzählers 325. Das Bezugszeichen (d) in der
Fig. 10 kennzeichnet die Erkennungsauflösung des Phasen
differenzzählers 325. Das Zittersignal ist hier nicht zum
Referenzsignal addiert. Dementsprechend schwankt die Pha
sendifferenz zwischen dem phasenmodulierten Signal und dem
Referenzsignal um das Zittersignal.
Ein Zählwert Φ(t) des Phasendifferenzzählers 325 wird mit
jeder Periode T des geteilten Taktes der Frequenzteiler
schaltung 324 abgetastet. Dementsprechend wird die zeit
liche Abfolge der Daten des Zählwerts Φ(t) unter der An
nahme, daß t = kT (wobei k = 0, 1, 2, 3, . . . ), als Φ(k)
repräsentiert. Es ist zu beachten, daß Φ(k) < 2π.
Bei der dem Stand der Technik entsprechenden Positions
detektorvorrichtung wird eine erkannte Position x(t) wie
folgt dargestellt:
x(t) = C · Φ(k) (2)
wobei C die Erkennungsauflösung [m/Digit] des Phasendif
ferenzzählers 325, eine Dimension von x(t) [m] und eine
Dimension von Φ(k) [Digit] ist. Die Erkennungsauflösung C
ist äquivalent der Periode des Zähltaktes des Phasendiffe
renzzählers 325.
Bei der Positionsdetektoreinrichtung der vorliegenden Er
findung dagegen wird eine erkannte Position x(t) wie folgt
dargestellt:
Während die erkannte Position x(t) in der minimalen Einheit
von C in der Gleichung 2 ermittelt wird, wird sie in der
Gleichung 3 in der minimalen Einheit von C/n ermittelt.
Dies bedeutet dementsprechend, daß die Erkennungsauflösung
der Positionsdetektorvorrichtung der vorliegenden Erfindung
um das n-fache gegenüber der dem Stand der Technik entspre
chenden Vorrichtung verbessert wird. Es ist zu beachten,
daß der Motor positioniert ist, wenn die erkannte Position
x(t) gemäß der vorliegenden Erfindung ermittelt wird.
Das Verfahren zur Positionserkennung wird anhand eines kon
kreten Beispiels erläutert. In dem betreffenden Fall gilt n = 5.
Beträgt ein wahrer Wert der Phasendifferenz zwischen
einem Referenzsignal und einem Positionsdetektorsignal z. B.
in dem Zustand, in dem der Motor positioniert ist, 2,5, wie
in der Fig. 11 dargestellt, wird der als 2 gezählt, da der
Phasendifferenzzähler 325 keinen Wert erkennen kann, der
kleiner als eine ganze Zahl ist. Dementsprechend wird beim
Stand der Technik die Position mit dem Zählwert 2 erkannt.
Bei der vorliegenden Erfindung dagegen wird ein in der Fig. 12
dargestelltes Hilfs- bzw. Zittersignal zu dem phasenmodulierten
Signal ab n = 5 addiert. Die Periode des in der Fig. 12
dargestellten Zittersignals beträgt 5T. Signalpegel a₁, a₂,
a₃, a₄ und a₅ in den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃, t₄ und t₅, die
pro Periode T abgefragt werden, sind Signalpegel, die eine
Phasenschwankung des phasenmodulierten Signals um das 0,1-,
0,3-, 0,5-, 0,7- bzw. 0,9fache der Erkennungsauflösung des
Phasendifferenzzählers verursachen. Durch Addieren dieses
Zittersignals zu dem phasenmodulierten Signal werden die
Zittersignale, deren Pegel pro Periode des geteilten Taktes
differieren, insgesamt über fünf Perioden zu dem phasen
modulierten Signal addiert. Die Phasendifferenz wird da
durch zu 2,6, 2,8, 3,0, 3,1 und 3,3. Der Phasendifferenz
zähler 325 zählt dementsprechend 2, 2, 3, 3 und 3. Werden
diese fünf Zählwerte gemittelt, so ergibt sich eine Phasen
differenz von 2,6. Da die Phasendifferenz bei der vorlie
genden Erfindung mit einer Auflösung von 0,2 ermittelt
wird, ist die Erkennungsauflösung um das Fünffache gegen
über dem Stand der Technik, bei dem die Phasendifferenz mit
einer Auflösung von 1 ermittelt wird, verbessert.
Es ist zu beachten, daß die Zittersignale, die eine Schwan
kung der Phasendifferenz des phasenmodulierten Signals um
das 0-, 0,2-, 0,4-, 0,6-, 0,8-, 0,1-, 0,3-, 0,5-, 0,7- und
0,9fache der Erkennungsauflösung des Phasendifferenzzäh
lers bewirken, zu dem phasenmodulierten Signal addiert wer
den können. Solche Zittersignale können von einer bereit
gestellten Verzögerungsschaltung generiert werden.
In diesem Fall zählt der Phasendifferenzzähler Zählwerte
von 3, 3, 3, 4, 4, 3, 3, 4, 4 und 4. Wenn n = 5, werden
abwechselnd Phasendifferenzen von 3,4 und 3,6 ermittelt. Da
die aus dieser Phasendifferenz ermittelte erkannte Position
x(t) in das Positionsregelsystem als Rückkopplungssignal
zurückgeschickt wird, erfolgt die Positionierung nahe einer
Phasendifferenz von 3,5. Da die Frequenz des Zittersignals
in dem Band liegt, das hinreichend höher ist als das Band,
innerhalb dem das Servosystem der Motorpositionsregelung
anspricht, wird die Motorposition aufgrund der abwechselnd
ermittelten Phasendifferenzen von 3,4 und 3,6 nicht schwan
ken.
Die Phasendifferenz kann somit mit einer höheren Erken
nungsauflösung als diejenige des Phasendifferenzzählers
erkannt werden, indem das Zittersignal entsprechend dem in
der Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel zu dem pha
senmodulierten Signal addiert wird. Das bedeutet, daß gemäß
dem in der Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel das Zitter
signal zu dem phasenmodulierten Signal addiert wird, um
dessen Phase innerhalb eines Bereichs von etwa der Erken
nungsauflösung des Phasendifferenzzählers zu variieren.
Die Phasendifferenz wird dann durch Mitteln der während der
Schwankung der Phasendifferenz gemessenen Phasendifferenzen
ermittelt. Dadurch kann die Phasendifferenz im wesentlichen
mit einer Auflösung von weniger als einem Zehntel des Pha
sendifferenzzählers erkannt werden. Aufgrund dieser Tatsa
che kann die Positionserkennungsauflösung ohne Erhöhung der
Erkennungsauflösung des Phasendifferenzzählers verbessert
werden. Dementsprechend kann die Positionserkennungsauf
lösung des Codierers ohne Verwendung eines Hochfrequenz-
Taktgenerators.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung
das Antriebssystem mit Linearmotor, das über einen linearen
optischen Codierer mit hoher Erkennungsgenauigkeit verfügt,
und das eine Verbesserung der Positionserkennungsauflösung
des Codierers gestattet ohne Verwendung eines Hochfrequenz-
Taktgenerators verwirklicht werden.
Claims (6)
1. Linearmotorantriebssystem zur Detektion von Signalen
der Bewegungsgrößen eines Gleitankers (12) eines
linearen Schrittmotors (100) und zur
Rückkopplungsregelung des linearen Schrittmotors
(100) auf Basis der Detektionssignale mit einem
linearen optischen Codierer (300₁) und einer
Codiererschnittstelle (300₂); wobei der Codierer
(300₁) umfaßt
- - ein Skalenlineal (302), dessen Position festliegt und auf dem sinusförmige lichtdurchlässige Flächen, im folgenden Nuten (309) genannt, in derselben Richtung und mit derselben Teilung angeordnet sind wie die Statorzähne (111) des linearen Schrittmotors (100);
- - einen Sockelblock (303), der mit dem Gleitanker (12) des linearen Schrittmotors (100) verbunden ist und mit diesem zusammen gleitet,
- - eine auf dem Sockelblock (303) angebrachte Lichtquelle (305) zur Abstrahlung von Licht auf die Nuten (309),
- - eine Photodiodenanordnung (306) auf dem Sockelblock (303), die zu der Lichtquelle (305) weisend angeordnet sind, wobei das Skalenlineal (302) zwischen Photodiodenanordnung (306) und Lichtquelle (305) angeordnet ist, und die aus einer Vielzahl von Photodioden (306₁-306₈) besteht, welche innerhalb einer Teilung der Nuten (309) angeordnet sind, und die das durch die Nuten passierende Licht detektiert, und
- - eine Signalverarbeitungsschaltung (310) zum Abtasten des Lichtdetektionssignals jeder Photodiode (306₁-306₈) und zum Ausgeben eines phasenmodulierten Signals, dessen Phasenlage einer Bewegung des Gleitankers (12) des linearen Schrittmotors folgend verschoben sind, und wobei
die Codiererschnittstelle (300₂) einen
Phasendifferenzzähler (325) enthält, der die
Phasendifferenz zwischen dem phasenmodulierten Signal
und einem Referenzsignal, dessen Phase nicht
moduliert ist, in jeder festgelegten Periode mißt,
wodurch die Signale folgender drei Bewegungsgrößen
ermittelt werden:
- - ein Signal der Position des linearen Schrittmotors (100) durch Integrieren der mit dem Phasendifferenzzähler (325) gemessenen Phasendifferenzen,
- - ein Signal der Geschwindigkeit des linearen Schrittmotors (100) auf der Basis der Schwankungsfrequenz der mit dem Phasendifferenzzähler (325) gemessenen Phasendifferenzen, und
- - ein Signal zur Kommutationsregelung oder -steuerung des linearen Schrittmotors (100) auf der Basis der mit dem Phasendifferenzzähler (325) gemessenen Phasendifferenzen.
2. Linearmotorantriebssystem gemäß Anspruch 1, welches
einen zwischen der Lichtquelle (305) und dem
Skalenlineal (302) angeordneten Diffusor (308) zum
Ausgleich der Verteilung der von der Lichtquelle
(305) abgegebenen Lichtmenge umfaßt.
3. Linearmotorantriebssystem gemäß Anspruch 1 oder 2,
bei dem n Photodioden (306₁-306₈) innerhalb einer
Nutteilung p₀ (309) vorgesehen sind, wobei n eine
ganze Zahl ist, die Breite einer Photodiode in
Richtung der Anordnung als p₀/(n + 1) gewählt und die
Breite eines Spalts zwischen den Photodioden als
p₀/n(n + 1) gewählt ist.
4. Linearmotorantriebssystem zur Detektion eines Signals
der Bewegung eines Gleitankers (12) eines linearen
Schrittmotors (100) und zur Rückkopplungsregelung des
linearen Schrittmotors (100) auf Basis des
Detektionssignals, mit einem linearen optischen
Codierer (300₁) und einer Codiererschnittstelle
(300₂); wobei der Codierer (300₁) umfaßt
- - ein Skalenlineal (302), dessen Position festliegt und auf dem sinusförmige lichtdurchlässige Flächen, im folgenden Nuten (309) genannt, in derselben Richtung und mit derselben Teilung angeordnet sind wie die Statorzähne (111) des linearen Schrittmotors (100);
- - einen Sockelblock (303), der mit dem Gleitanker (12) des linearen Schrittmotors (100) verbunden ist und mit diesem zusammen gleitet,
- - eine auf dem Sockelblock (303) angebrachte Lichtquelle (305) zur Abstrahlung von Licht auf die Nuten (309),
- - eine Photodiodenanordnung (306) auf dem Sockelblock (303), die zu der Lichtquelle (305) weisend angeordnet sind, wobei das Skalenlineal (302) zwischen Photodiodenanordnung (306) und Lichtquelle (304) angeordnet ist, und die aus einer Vielzahl von Photodioden (306₁-306₈) besteht, welche innerhalb einer Teilung der Nuten (309) angeordnet sind, und die das durch die Nuten passierende Licht detektiert, und
- - eine Signalverarbeitungsschaltung (310) zum Abtasten des Lichtdetektionssignals jeder Photodiode (306₁-306₈) und zum Ausgeben eines phasenmodulierten Signals, dessen Phasenlage einer Bewegung des Gleitankers (12) des linearen Schrittmotors folgend verschoben ist, wobei die Codiererschnittstelle (300₂) umfaßt
- - eine Hilfssignalgeneratoreinrichtung (326) zum Erzeugen eines Hilfssignals, dessen Periode das n-fache der Meßperiode eines Phasendifferenzzählers (325) beträgt, wobei n eine ganze Zahl größer als zwei ist, und dessen Amplitude ein Niveau besitzt, das innerhalb eines Bereichs von der Größenordnung der Detektionsauflösung des Phasendifferenzzählers (325) liegt, und
- - eine Additionseinrichtung (327) zum Addieren des von der Hilfssignalgeneratoreinrichtung (326) erzeugten Hilfssignals zum phasenmodulierten Signal, wobei der Phasendifferenzzähler (325) die Phasendifferenz zwischen dem mit dem Hilfssignal addierten phasenmodulierten Signal und einem Referenzsignal, dessen Phase nicht moduliert ist, in jeder festgesetzten Periode mißt, und
das Antriebssystem ebenfalls eine
Positionsdetektoreinrichtung (510) zum Bestimmen des
Signals der Position des Gleitankers (12) aus einem
Mittelwert von n Meßwerten umfaßt, welche mittels des
Phasendifferenzzählers (325) über n Meßperioden
gemessen sind.
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