DE19807085A1 - Direktantrieb mit internen Sensoren und Regeleinrichtung - Google Patents

Description

Direktantriebe für lineare, planare und rotatorische Bewegungen bestehen im wesentlichen aus einer Aktiveinheit mit Spulensystemen, Eisenkernen und Magnetsystemen zur Erzeugung von Magnetflüssen, einer Passiveinheit zur Leitung des Magnetflusses mit einer Strukturierung und einer Führungseinheit zur Gewährleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit. Dabei ist es üblich, daß die Aktiveinheit bewegt wird oder daß eine Bewegung der Passiveinheit erfolgt, wobei die Aktiveinheit feststeht.

Stand der Technik ist es, die Direktantriebe entweder in offener Steuerkette, ohne Sensoren, zu betreiben oder Regler zu verwenden, also z. B. mit Weg- oder Winkelmeßsystemen zu arbeiten.

Die Nachteile des Betriebes in offener Steuerkette bestehen bekannter Weise hauptsächlich darin, daß die erreichbaren Parameter, wie Positioniergenauigkeit, Steifigkeit und Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie, schlechter sind und bei Überlastung von Schrittmotoren Schrittfehler auftreten können.

Die Nachteile des geregelten Betriebes bestehen im höheren Fertigungsaufwand, insbesondere in den Mehrkosten des Meßsystems und der Regeleinrichtung. Die Position planarer Direktantriebe mit bewegtem Einmassesystem läßt sich bisher nur durch teure Dreikoordinaten-Laserwegmeßsysteme auf besser als ± 10 µm genau regeln.

In der deutschen Patentanmeldung "Regeleinheit für einen mehrphasigen Direktantrieb und Verfahren zur Ansteuerung eines solchen Antriebs" vom 22.10.96 Az. 196 43 519.6 wird ein geregelter Direktantrieb vorgestellt, der ein internes Wegmeßsystem besitzt, in dem Hallsensoren zur Anwendung kommen. Die Hallsensoren sind außerhalb des Magnetsystems der Aktiveinheit so angeordnet, daß ein Permanentmagnetfluß, von dem mindestens 2 Hallsensoren zugleich durchströmt werden, von der Stellung der Aktiveinheit gegenüber der Passiveinheit abhängig ist. Diese Sensorik wird zur Kommutierung verwendet, um den nach dem Prinzip des Hybridschrittmotors arbeitenden Antrieb wie einen Gleichstrommotor zu regeln, wobei ein externes Wegmeßsystem zusätzlich anzubringen ist. Das interne Wegmeßsystem eignet sich nur grob zur Positionsbestimmung.

Weiterhin ist eine Veröffentlichung von F. Langweiler und M. Richter in einer Firmenschrift der Siemens AG unter dem Titel "Flußerfassung in Asynchronmaschinen" bekannt. Die Hallsensoren sind in der Spulenmitte von Asynchronmotoren flächenhaft angeordnet. Die Zahnstruktur wird nicht als Maßverkörperung zur Positionserfassung ausgenutzt. Vielmehr wurde der Einfluß der Zahnstruktur als Störgröße eliminiert indem zwei Hallsensoren über eine Differenzverstärkerschaltung mit anschließender Addierschaltung so verknüpft wurden daß sie sich verhalten wie ein von der Zahnstruktur unabhängig messender Hallsensor.

Der Grundgedanke besteht hier darin, einen geeignetes Sensorsysteme zu finden, um die Drehzahl eines Asynchronmotors regeln zu können. Für eine genauere Positionserfassung ist das Sensorsystem nicht vorgesehen. Im Zusammenhang damit ist die Auslegeschrift 21 44 422 vom 4.9.71 P 21 44 422.4-32 zu nennen.

In der Patentschrift P 117 776 vom 26.1.77 wird ein Verfahren zur selbsttätigen Optimierung der Betriebsparameter von Schrittmotoren beschrieben. Die Meßsignale werden aus den Klemmengrößen gewonnen, und durch Vergleich mit Referenzwerten werden Steuergrößen ermittelt und verwendet.

Diese Erfindung baut auf der inneren Priorität der deutschen Anmeldung "Einrichtung und Verfahren zur Regelung der Magnetflüsse in Schrittmotoren" P 197 06 726.3 vom 20.2.97 auf.

Die 2 Hauptziele der Erfindung sind erstens durch geeignete Anordnungen und Verfahren die Magnetflüsse in Direktantrieben direkt zu regeln und zweitens ein integriertes Positionsmeßsystem (Weg oder Winkel) zu realisieren, daß die gemessenen Magnetflüsse zur Positionsermittlung nutzt, um bestehende Mängel des Standes der Technik zu mindern oder zu beheben und um die Eigenschaften des Antriebssystems grundsätzlich zu verbessern.

Im Mittelpunkt des ersten Hauptzieles steht der erfinderische Grundgedanke, die Vorteile der offenen Steuerkette mit den Vorteilen der Regelung zu verbinden, um die dynamischen Kennwerte zu verbessern.

Der Grundgedanke des zweiten Hauptzieles besteht darin, ein kostengünstiges Positionsmeßsystem mit ausreichender Genauigkeit zu schaffen.

Die Erfindung betrifft einen Direktantrieb mit internen Sensoren für lineare, planare und/oder rotatorische Bewegungen und übliche rotatorische Schrittmotoren.

In den Eisenkernen der Magnetsysteme sind Sensoren angeordnet, deren Signale zur Regelung des Magnetflusses und/oder zur Positionserfassung x, y, bzw. ϕ verwendet werden. Die Meßwerte werden Regeleinrichtungen zugeführt, die durch Ansteuerung der Leistungsendstufen genau solche Wicklungsströme einstellen, die exakt zu den von der Führungsgröße geforderten Magnetflüssen führen, so daß die Positioniergenauigkeit, die Steifigkeit, die Dynamik und weiter Parameter verbessert werden.

Wegen der Vielzahl von Zahnüberdeckungen läßt sich aus den Magnetflußmeßwerten die Lage zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit auf Mikrometer genau erfassen.

Die Magnetflußeinprägung und die Positionserfassung mit Hilfe interner Sensoren eignen sich auch besonders für Direktantriebssysteme mit großem Verfahrbereich, z. B. luftgelagerte, planare Hybridschrittmotoren, bei denen durch die flächenhafte Bewegung der Aktiveinheit ansonsten Laserwegmeßsysteme zur Positionserfassung verwendet werden müßten.

Unter der Verbesserung der Dynamik ist zu verstehen, daß die Schubkraft bei hoher Geschwindigkeit weniger stark absinkt und daß die Positionierzeit durch Erhöhung von Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie Verkürzung der Einschwingzeit verkürzt wird.

Zu dem Zweck werden die Motoren mit internen Sensoren ausgestattet, die in der Lage sind, die Magnetflüsse in den Antrieben zu erfassen. Die optimale Kurvenform der Magnetflüsse bestimmt die Eigenschaften des Antriebssystems gravierend.

Als solche Sensoren eignen sich besonders Hallsensoren. Sie werden mit geringem Spiel bzw. durch leichte Preßpassung in eine Aussparung im Eisenkern eingesetzt und in der Regel eingeklebt und zwar so, daß ein Meßwert aufgenommen wird, der im Zusammenhang mit dem Magnetfluß in einem Schenkel des Eisenkernes steht. Die Aussparung kann durch Senkerodieren oder durch Paketieren von geschlitzten Kernblechen realisiert werden.

Erfindungsgemäß kommt es auf die richtige Anordnung der Sensoren an. Die Sensoren sind in solchen Eisenkernbereichen anzuordnen, wo sowohl ein Magnetfluß vorliegt, der seinen Richtungssinn wechselt, verursacht durch stromdurchflossene Spulensysteme, als auch ein anderer Magnetfluß auftritt, der seinen Richtungssinn nicht wechselt, verursacht durch den Magnetfluß von Permanentmagneten.

Desweiteren ist bei der Wahl der Anordnung zu beachten, daß im Falle der Verwendung mehrerer interner Sensoren einer der Sensoren, zum Beispiel der Sensor 1, in einem Eisenkernbereich angeordnet ist, in dem die beiden Magnetflüsse gleichsinnig gerichtet sind und der Sensor 2 in einem Eisenkernbereich angeordnet ist, in dem zum gleichen Zeitpunkt die Magnetflüsse entgegen gerichtet wirken. Zu einem anderen Zeitpunkt soll der Sensor 1 von den gegensinnig gerichteten Magnetflüssen durchströmt werden, wobei der Sensor 2 von den gleichsinnig gerichteten Magnetflüssen durchflossen wird.

Diese Form der Anordnung läßt sich in verschiedenster Weise realisieren. Günstig für die Fertigung ist das Einbringen der Hallsensoren in solche Eisenkernbereiche, die nicht von Befestigungseinrichtungen zum Halten der Eisenkerne in der Aktiveinheit verdeckt sind. Wird eine Anordnung von Permanentmagneten verwendet, mit der der Permanentmagnetfluß symmetrisch in den Eisenkern eingeleitet wird, so verdecken Rückschlußplatten einen Teil der beiden Eisenkerne und die Sensoren können sehr gut seitlich in beiden Eisenkernen in den Bereichen angeordnet werden, die außerhalb der Rückschlußplatten liegen.

Die Hallsensoren können aber auch vor dem Befestigen der Eisenkerne in der Aktiveinheit in Aussparungen eingesetzt werden oder auch nur mit den Eisenkernen äußerlich in Kontakt gebracht werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, Hallsensoren zu verwenden, bei denen die Vorverstärkung bereits an der Meßstelle erfolgt, womit eine separaten Vorverstärkung in der Aktiveinheit entfallen kann.

Unter Beachtung des erläuterten Grundsatzes für die Sensoranordnung kann es bei kleinen Fahrwegen und hochfrequenten Bewegungen der Aktiveinheit vorteilhaft sein, die Sensoren in der Passiveinheit anzuordnen. Die beiden Sensoren sind im Abstand von weniger als 3 mm von der Funktionsfläche im Bereich zwischen den beiden Polschenkeln einer Phase anzuordnen.

Eine Übersicht zu Gestaltungsmöglichkeiten von Direktantrieben mit internen Sensoren zur Magnetflußeinprägung oder/und zur Positionserfassung gibt die nachfolgende Tabelle 1 an. Zur Magnetflußeinprägung bei luftgelagerten Hybridschrittmotoren sind in der Regel mindestens 2 Sensoren je Motorphase erforderlich. Falls die Signalverarbeitung Festwertspeicher aufweist, können Verfahren angewendet werden, die mit nur einem Sensor je Motorphase arbeiten. Durch die verstärkte Positionsabhängigkeit wird der Einfluß der Zahnüberdeckungsfläche auf den Magnetflußmeßwert verstärkt, indem der Einfluß des zugehörigen Phasenstromes verringert wird.

Zur Erfassung der Position aus den Magnetflußmeßwerten wird zunächst der positionsabhängige Anteil in den Magnetflußmeßwerten herausgelöst und dann der Winkel bzw. die Position aus den permanentmagnetbedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte ermittelt. Zur Erhöhung der Genauigkeit können systematische Fehler durch eine Kalibrierung, wie sie von der Arbeit in der offenen Steuerkette bekannt ist, korrigiert werden.

Bei mittleren bis hohen Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten wird die Einprägung der Wicklungsströme immer problematischer und die Magnetflüsse werden zunehmend nur noch mit verzerrter Kurvenform und meist mit geringerer Amplitude als von der Führungsgröße gefordert realisiert. Der starke Abfall der Kraft-Geschwindigkeits-Kenn­ linie beschränkt das Beschleunigungsvermögen und die praktisch erreichbare maximale Drehzahl bzw. Geschwindigkeit.

Insbesondere luftgelagerte Hybridschrittmotoren entwickeln mit zunehmender Drehzahl bzw. Geschwindigkeit ein sehr störendes Motorgeräusch, das sich auch auf vom Sollwert abweichende Magnetflüsse zurückführen läßt.

Es läßt sich keine Ansteuerfunktion finden, deren Werte als Führungsgröße für die stromeinprägenden Endstufen dienen, die zu höchster Positioniergenauigkeit und gleichzeitig bei hohen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen zu Magnetflüssen mit der optimalen Kurvenform führt. Vielmehr müßte die Ansteuerfunktion in Abhängigkeit von Drehzahl bzw. Geschwindigkeit ständig angepaßt werden. Im Stand der Technik ist bisher kein Verfahren bekannt, das eine automatische Anpassung der Ansteuerfunktion für die Leistungsendstufen bei Betrieb in offener Steuerkette realisiert.

Bei Anwendungen von Schrittmotoren in offener Steuerkette ohne Getriebe ist die Steifigkeit in Bewegungsrichtung für einige Antriebsaufgaben zu gering und führt bei Einwirkung von Störkräften zu inakzeptablen Positionierfehlern. Zum Beispiel wird bei Bahnfahrten der Läufer von luftgelagerten planaren Hybridschrittmotoren im Betrieb in offener Steuerkette wegen seiner begrenzten Steifigkeit durch Tangentialkräfte aus seiner Bewegungsbahn störend ausgelenkt.

Bekannt ist weiter, daß Schrittmotoren im Betrieb in offener Steuerkette zur Erreichung besserer Positioniergenauigkeit kalibriert werden können, z. B. DE 42 33 881 A1 der Firma PASIM Mikrosystemtechnik GmbH. Damit werden systematische Fehler ausgeglichen. Hystereseerscheinungen bzw. Restmagnetismus führen jedoch teilweise zu Positionierfehlern, die durch bekannte Kalibrierungsverfahren nicht oder nur ungenügend beseitigt werden können. Zum Beispiel spielt bei luftgelagerten planaren Hybridschrittmotoren bei der Positionierung die Vorgeschichte eine Rolle, da die vom Läufer überfahrenen Statorbereiche Restmagnetismus aufweisen können. Bei erneutem Überfahren oder Kreuzen dieser Statorbereiche kann dadurch die Positioniergenauigkeit negativ beeinflußt werden. Luftgelagerte planare Hybridschrittmotoren erreichen in offener Steuerkette durch die fehlende Reibung hervorragende Wiederholgenauigkeiten beim Anfahren eines Punktes aus einer Richtung. Jedoch ist es trotz Reibungsfreiheit auch durch bekannte Kalibrierungsverfahren nicht möglich, diesen Punkt aus verschiedenen, beliebigen Richtungen anzufahren und dabei in der offenen Steuerkette stets eine Positioniergenauigkeit zu erreichen, die der Wiederholgenauigkeit entspricht. Eine Umkehrspanne läßt sich bei diesem Typ von Schrittmotor auch durch bekannte Kalibrierungsmaßnahmen nicht vollständig beseitigen.

Für Schrittmotoren, die eine translatorische Bewegung ausführen, z. B. Hub-, Hubrotations-, Linear- und Planar-Hybridschrittmotoren ist bisher keine einfache, robuste Schrittfehlerüberwachung bzw. Überlastkontrolle für den Betrieb in der offenen Steuerkette bekannt, die ohne externes Wegmeßsystem bzw. Vergrößerung der äußeren Abmessungen des Motors realisiert wird. Es ist bekannt neben externen Wegmeßsystemen auch die Zahnstruktur der Passiveinheit des Schrittmotors als Maßverkörperung zu verwenden. Auf diesem Gedanken basieren die Entwicklungen von kapazitiven, optischen und magnetischen Wegmeßsystemen, z. B. für planare Hybridschrittmotoren, die in den Läufer integriert oder äußerlich angekoppelt sind. Zum Beispiel wird ein integriertes magnetisches Wegmeßsystem der Firma PASIM Mikrosystemtechnik GmbH in P 195 13 325.0 beschrieben. Die genannten zahnstrukturabtastenden Meßsysteme wurden jedoch aus verschiedenen Gründen, z. B. zu geringe Robustheit, zu geringe Genauigkeit oder zu hohe Kosten bisher nur in geringer Stückzahl oder nur zur Kommutierung eingesetzt. Diese Meßsysteme führen trotz Miniaturisierungsmaßnahmen zu einer Vergrößerung der Abmessungen und verschlechtern damit die Kompaktheit der Antriebe.

Eine Reihe von Antriebsaufgaben, die Bewegungen von kompakten Planarläufern erfordern, setzen Parameter der Antriebssysteme voraus, die mit herkömmlichen Lösungen in der offenen Steuerkette nicht realisierbar sind. Herkömmliche Regelungen, die für diese Aufgaben in Frage kommen, zum Beispiel Systeme die Laserwegmeßsysteme einsetzen, sind oftmals genauer als nötig und damit zu teuer. Bei der Regelung von mehreren Planarläufern auf einem Stator über den gesamten Verfahrbereich von beispielsweise 1 m² entstehen bei herkömmlicher Regelung mit Laserwegmeßsystemen sehr hohe Kosten für die Optik und Probleme durch gegenseitige Verdeckung der Laserstrahlen.

Eine direkte, separate Regelung der Magnetflüsse der einzelnen Phasen von Schrittmotoren ist im Stand der Technik nicht bekannt.

Für höhere Ansprüche, z. B. zur weiteren Verbesserung der Steifigkeit, ist die natürliche Abhängigkeit der Magnetflüsse von der Zahnüberdeckung nicht ausreichend und es ergibt sich die zusätzliche Aufgabe, durch ein geeignetes Verfahren und Änderungen an den Einrichtungen, Magnetfluß-Istwerte zu beschaffen, die verstärkt von der Position und weniger vom Wicklungsstrom abhängig sind. Diese Aufgaben werden durch die vorgeschlagenen Einrichtungen und Verfahren gelöst.

Erfindungsgemäß ist die Anzahl von Sensoren zur Messung der Magnetflüsse und deren Anordnung vom jeweiligen Typ von Schrittmotor und vom Verfahren der Meßwertverarbeitung abhängig. In den meisten Fällen ist es sinnvoll, Sensoren so zu platzieren bzw. die Meßwerte mehrerer Sensoren so zu verarbeiten, daß die Kurvenform des gewonnenen Magnetfluß-Istwertes im ungestörten bzw. wenig belasteten Zustand näherungsweise der Kurvenform des steuernden elektrischen Wicklungsstromes entspricht.

Die Magnetflußmeßwerte werden von optionalen Verstärkern dicht bei den Sensoren, bei luftgelagerten Hybridschrittmotoren oberhalb der Blechpakete angeordnet, verstärkt und über ein mehradriges, abgeschirmtes Kabel zur Signalverarbeitungseinheit übertragen. Gegebenenfalls können Sensoren mit integrierten Verstärkern verwendet werden.

Der Aufbau der Signalverarbeitung ist abhängig von den Anforderungen an die Magnetflußregelung. Einige Schrittmotortypen haben die Eigenschaft, daß die Magnetflüsse relativ wenig von der Zahnüberdeckung bzw. Position abhängig sind. Bei einer Auslenkung aus der Sollposition korrigiert deshalb eine Magnetflußregelung mit einer Signalverarbeitung ohne Verstärkung der Abhängigkeit von der Zahnüberdeckung die Wicklungsströme nur gering.

Dadurch kann die Steifigkeit nur wenig verbessert werden. Es ist jedoch möglich den aus den gemessenen Magnetflußwerten gewonnenen Magnetfluß-Istwert zum Beispiel durch zusätzliche Sensoren und eine erweiterte Signalverarbeitung verstärkt positionsabhängig zu machen.

Die gemessenen Magnetflußwerte sind sowohl vom steuernden Wicklungsstrom als auch von der lokalen Zahnüberdeckungsfläche abhängig. Je kleiner der Abstand zwischen Sensor und Wicklung, desto stärker ist in der Regel der wicklungsstrombedingte, weitgehend positionsunabhängige Anteil in den Magnetflußmeßwerten und desto geringer ist der permanentmagnetbedingte, weitgehend zahnüberdeckungsabhängige Anteil. Zur Gewinnung einer Positionsinformation aus den Magnetflußmeßwerten bzw. zur Erhöhung der Abhängigkeit der Magnetfluß-Istwerte von der Position, kann der permanentmagnetbedingte, weitgehend zahnüberdeckungsabhängige Anteil aus den Magnetflußmeßwerten, durch Ausnutzung der Abhängigkeit der Zusammensetzung der Magnetflüsse vom Abstand zwischen Wicklung und Sensoren und durch geeignete Differenzbildung von Signalen, herausgelöst werden. Die Abhängigkeit der Magnetflußmeßwerte von der Position bzw. der lokalen Zahnüberdeckung kann erhöht werden, indem vom Magnetfluß-Istwert der zugehörige, verstärkte Wicklungsstrom­ meßwert, der an einem Strommeßwiderstand als Spannungsabfall abgegriffen werden kann, subtrahiert wird, so daß der entstehende Wert wesentlich weniger wicklungsstromabhängig und stärker positionsabhängig wird.

Im Ausführungsbeispiel werden Verfahren beschrieben, die sich zur Anwendung bei luftgelagerten 2-Phasen-Hybridschrittmotoren eignen.

Die Magnetflußmeßwerte können auch digitalisiert und von einer digitalen Signalverarbeitung, gegebenenfalls unter Nutzung von Prozessoren verarbeitet werden. Über spezielle Algorithmen bzw. eine abgespeicherte Wissensbasis läßt sich der Zustand der Magnetflüsse bewerten und eine Stellgröße zur Ansteuerung der Leistungsendstufen generieren. Eine einfache Lösung für eine Wissensbasis ist der Inhalt eines EPROM's. Der Einsatz von ASIC's wird bei entsprechend großer Stückzahl rentabel.

Als Regler eignen sich übliche Analogregler mit P- oder PID-Verhalten. Es können auch digitale Regler verwendet werden, wenn die analogen Größen durch A/D-Wandler digitalisiert werden und die Ausgangsgrößen der Regler nach erfolgter D/A-Wandlung analog ausgegeben werden.

Die Führungsgrößengeber, die bei Betrieb in offener Steuerkette mit stromeinprägenden Endstufen zur Ansteuerung der Stromregler benutzt werden, eignen sich auch als Führungsgrößengeber für die Magnetflußregler.

Ausreichend leistungsfähige Endstufen sind Voraussetzung zur exakten Einprägung der Magnetflüsse auch bei höheren Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten. Die Endstufen sollten durch ausreichend hohe Betriebsspannung möglichst kurze Stromanstiegs- und Stromabfallzeiten auch bei hohen generierten Gegenspannungen realisieren können.

Sollen bei luftgelagerten planaren Hybridschrittmotoren neben höchster Dynamik auf einem großen Verfahrbereich in bestimmten kleineren Sektoren auch höchste Genauigkeiten im Nanometerbereich erreicht werden, so kann eine Magnetflußregelung mit einer Positionsregelung unter Nutzung von Laserwegmeßsystemen kombiniert werden.

Erfindungsgemäß können die Magnetflußmeßwerte der Sensoren nicht nur zur direkten Regelung der Magnetflüsse sondern auch zur Zustandsbeobachtung des Antriebes eingesetzt werden. Damit ist eine Reaktion der Steuerung des Schrittmotors auf die momentane Situation auch ohne Magnetflußregelung möglich. Ein Beispiel hierfür ist die Schrittfehlererkennung.

Durch die Magnetflußeinprägung bei Schrittmotoren ohne verstärkte Abhängigkeit der Magnetfluß-Istwerte von der Zahnüberdeckung ergeben sich folgende Vorteile:

Durch Einprägung der von der Führungsgröße vorgegebenen Magnetflüsse auch bei hohen Drehzahlen beziehungsweise Geschwindigkeiten ergibt sich eine weniger stark abfallende Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie.

Dadurch sind höhere Beschleunigungswerte bei hohen Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten realisierbar. Auch die Maximaldrehzahl bzw. Maximalgeschwindigkeit wird erhöht.

Durch Messung der Magnetflüsse wurde ermittelt, daß bei einigen Schrittmotortypen, z. B. luftgelagerten planaren Hybridschrittmotoren, die Spulensysteme Restmagnetismus auf dem Stator hinterlassen, dessen Stärke von der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit abhängig ist und insbesondere bei mittleren bis hohen Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten den Magnetfluß im nachfolgenden Magnetkreis stört. Durch eine unabhängige Regelung der Stromamplituden der einzelnen Phasen bzw. Wicklungen des Motors kann dieser Restmagnetismus ausgeregelt werden. Damit wird die Geschwindigkeitskonstanz bzw. Drehzahlkonstanz verbessert.

Ungenauigkeiten in der Zahnstruktur und das Überfahren von Statorplattenübergängen führen weniger stark zu Kraft- und Geschwindigkeitsschwankungen, da Abweichungen vom Sollwert der Magnetflußwerte durch Regelung der Wicklungsströme zumindest teilweise korrigiert werden.

Die Laufruhe wird verbessert, weil die Kurvenformen der Magnetflüsse exakter den Vorgaben der Führungsgrößen entsprechen.

Die Magnetkreise, insbesondere die ortsfeste Zahnstruktur, werden als Teil des Antriebes und gleichzeitig als Teil des Meßsystems genutzt. Damit wird die Funktions- und Strukturintegration der Antriebe erhöht.

Die Sensorik ist innerhalb des Antriebes geschützt angebracht, ist extrem leicht und robust und unterliegt keinerlei Verschleiß. Wartung und Pflege sind nicht erforderlich. In der Regel ist der vorhandene Bauraum im Antrieb ausreichend um Sensoren und eine optionale Signalvorverarbeitung aufzunehmen. Die Magnetflußeinprägung erfordert bei linearen und planaren Hybridschrittmotoren keine Vergrößerung der Läuferfläche.

Die erfindungsgemäße Messung der Magnetflüsse funktioniert auch unter widrigen Umgebungsbedingungen wie z. B. bei Feuchtigkeit und Staub.

Sämtliche Komponenten zur Generierung der Führungsgrößen, die Steuersoftware, die Entwicklungswerkzeuge und Hilfsmittel, wie z. B. Hard- und Software zur Kalibrierung, können ohne jegliche Änderung vom Betrieb in offener Steuerkette übernommen werden zur Verwendung für den magnetflußgeregelten Betrieb.

Der Gesamtaufbau von planaren Antriebssystemen auf Basis luftgelagerter Hybridschrittmotoren mit Magnetflußeinprägung bleibt sehr kompakt und behält einen äußerlich einfachen, leicht zu überschauenden Aufbau, da die Sensorik im Antrieb von außen nicht sichtbar ist, außer einer zusätzlichen Kabelverbindung zwischen Läufer und Steuerung. Sämtliche Befestigungspunkte zur Aufnahme von Nutzlasten bleiben erhalten und kein Teil der Sensorik schränkt den Bewegungsbereich bzw. den Bauraum für die Nutzlast ein.

Bei luftgelagerten linearen und planaren Hybridschrittmotoren können beliebig viele Läufer auf einem gemeinsamen Stator gleichzeitig und unabhängig voneinander magnetflußgeregelt und/oder positionsgeregelt betrieben werden, ohne daß sie sich bezüglich der Regelung gegenseitig behindern, wie das z. B. durch gegenseitige Verdeckung der Laserstrahlen bei der Nutzung von Laserwegmeßsystemen der Fall sein kann.

Durch die Magnetflußeinprägung mit verstärkter Abhängigkeit der Magnetfluß-Istwerte von der Zahnüberdeckung ergeben sich zusätzlich folgende Vorteile:

Die Steifigkeit in Bewegungsrichtung wird deutlich verbessert. Dadurch wird die Einschwingzeit deutlich verkürzt und damit ein Beitrag zur Verkürzung von Positionierzeiten erbracht.

Die Bahngenauigkeit luftgelagerter, planarer Hybridschrittmotoren wird erhöht, da die Läufer wegen der höheren Steifigkeit durch Tangential- und Störkräfte weniger stark ausgelenkt werden.

Die Statorstruktur als Maßverkörperung wird noch besser zur Erreichung einer hohen Positioniergenauigkeit genutzt.

Die Geschwindigkeitskonstanz wird verbessert, da eine Abweichung von der Sollposition über die Magnetfluß-Istwerte besser erkannt und dadurch besser ausgeregelt werden kann.

Eine aktive Schwingungsdämpfung läßt sich verwirklichen, indem durch die Regelung der Magnetflüsse die Zahnüberdeckung sowie die Größe des Luftspaltes zwischen Läufer- und Statorzahnstruktur luftgelagerter Motoren berücksichtigt werden. Abweichungen von den Sollgrößen führen zu Abweichungen im Magnetfluß, die vom Magnetflußregler korrigiert werden. Dadurch wird das Geräuschverhalten weiter verbessert.

Wenn die weitestgehend positionsabhängigen, permanentmagnetbedingten Magnetflüsse mit dem Wert der Führungsgröße übereinstimmen, kann davon ausgegangen werden daß auch die Position des Antriebs mit der Führungsgröße weitestgehend übereinstimmt. Durch Verwendung des vorwiegend positionsabhängigen Anteils der Magnetflußwerte kann indirekt die Position geregelt werden, realisiert durch die Regelung der Magnetflüsse.

Positionierfehler infolge magnetischer Hysterese werden minimiert, da der Restmagnetismus zusammen mit dem Magnetfluß gemessen und von den Magnetflußreglern berücksichtigt wird. Gegenüber der Magnetflußeinprägung mit der Signalverarbeitung ohne verstärkte Abhängigkeit von der Zahnüberdeckung ist der strombedingte Anteil im Magnetfluß-Istwert nicht mehr so dominant, so daß Restmagnetismus bei der Positionierung deutlicher erkannt und damit stärker berücksichtigt werden kann.

Ein Schrittmotor mit Magnetflußregelung läßt sich kalibrieren, wie von dem Betrieb in offener Steuerkette her bekannt. Die Ergebnisse bei der Kalibrierung zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit von Schrittmotoren mit Magnetflußeinprägung sind besser als die von Schrittmotoren in offener Steuerkette mit stromeinprägenden Endstufen. Effekte wie Umkehrspanne und Richtungsabhängigkeit beim Anfahren einer Zielposition sind deutlich gemindert.

Eine Positionsabweichung wird über die abweichende Zahnüberdeckungsfläche, anhand der Magnetfluß-Istwerte deutlicher erkannt und vom Magnetflußregler durch Nachregelung zumindest teilweise korrigiert.

Eine robuste, einfache Schrittfehlerüberwachung wird ohne die Nutzung von externen Wegmeßsystemen und ohne Vergrößerung der Läuferfläche bei translatorischen Schrittmotoren möglich und läßt sich durch Auswertung der Abweichung des ermittelten Magnetflusses vom Sollmagnetfluß realisieren. Eine vom Sollwert abweichende Position entspricht einer vom Sollwert abweichenden Fläche der Zahnüberdeckung und daraus resultiert ein vom Sollwert abweichender Magnetflußmeßwert. Die Überschreitung eines Grenzwertes der Abweichung vom Sollmagnetfluß kann als Schrittfehler interpretiert werden.

Durch die Überlast- bzw. Schrittfehlerüberwachung können unkontrollierte Zustände weitgehend vermieden werden. Damit kann z. B. ein Abfallen des Läufers eines planaren luftgelagerten Hybridschrittmotors, der an einem senkrecht stehenden Stator entlang fährt, durch sofortige Bremsrampe und Luftabschaltung bei Erkennung eines Schrittfehlers verhindert werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Schrittfehlererkennung ist die Nutzung der Sensoren und einer modifizierten Signalverarbeitung zur Beschaffung eines Positionswertes bzw. Winkelwertes aus den permanentmagnetbedingten Magnetflüssen, daß mit dem Positionssignal der Führungsgröße verglichen wird. Eine Regelung des Magnetflusses ist dabei nicht notwendig.

Durch Auswertung der Abweichung der Magnetflüsse von den Sollwerten ist eine Lasterkennung bzw. Belastungsanzeige realisierbar. Die Information über den Belastungszustand kann an die übergeordnete Steuerung bzw. den Führungsgrößengeber zurückgekoppelt werden, um bestimmte Parameter an die Situation anzupassen. Zum Beispiel kann die Beschleunigung reduziert werden, um einen sich anbahnenden Schrittfehler zu verhindern.

Durch die Magnetflußregelung werden die Leistungsendstufen optimaler angesteuert. Die Anpassung der Ansteuerfunktion für die Leistungsendstufen an die Situation erfolgt permanente stufenlos und in Echtzeit.

Durch die genannten Verbesserungen der Eigenschaften ergeben sich neue Anwendungsgebiete für Schrittmotoren.

Erfindungsgemäß wird ein Direktantrieb mit internen Sensoren zur Realisierung einer direkten Regelung der Magnetflüsse vorgeschlagen bestehend aus:

• - einer Aktiveinheit aus Spulensystemen mit Eisenkernen und Permanentmagnet­ systemen zur Erzeugung von Magnetflüssen,
• - einer Passiveinheit zur Leitung der Magnetflüsse,
• - einer Führungseinheit zur Gewährleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit,
• - mindestens einem Führungsgrößengeber für die Magnetflüsse,
• - mindestens einem internen Sensor je Motorphase, der zur Messung des Magnetflusses geeignet ist,
• - mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung je Motorphase zur Verarbeitung der Meßwerte von internen Sensoren,
• - mindestens einem Magnetflußregler je Motorphase, der Führungsgrößen und Signale von der Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet und eine Führungsgröße für das Leistungsstellglied ausgibt,
• - mindestens einem Leistungsstellglied je Motorphase zur Bereitstellung der Phasenströme.

Der Direktantrieb mit internen Sensoren zeichnet sich dadurch aus,
daß der Magnetfluß, der seinen Richtungssinn wechselt, durch ein Spulensystem erzeugt wird, das im Bereich von 2 benachbarten Eisenkernen angeordnet ist und einen Phasenstrom führt,
daß der Magnetfluß, der seinen Richtungssinn nicht ändert, durch ein Permentmagnetsystem erzeugt wird, das einen Magnetfluß zwischen 2 benachbarten, durch ein Spulensystem miteinander verbundene Eisenkerne, erzeugt,
daß bei der Bauart mit Rückschlußplatte mindestens 2 Permanentmagnete etwa symmetrisch an der der Funktionsfläche gegenüberliegenden Seite der Eisenkerne angeordnet und durch eine Rückschlußplatte verbunden sind und
daß mindestens ein Sensor in einem oder mehreren linken Schenkeln und/oder in einem oder mehreren rechten Schenkeln angeordnet ist.

Bei der Bauart ohne Rückschlußplatte ist das Permanentmagnetsystem zwischen 2 zugehörigen Eisenkernen (3) angeordnet und mindestens ein Sensor ist in einem oder mehreren linken Schenkeln und/oder in einem oder mehreren rechten Schenkel angeordnet.

Zum Einbau von Sensoren in die Eisenkerne bzw. die Schenkel sind Aussparungen eingebracht, die ein geringes Spiel beziehungsweise eine leichte Preßpassung gegenüber dem Sensor aufweisen, die Sensoren sind in den Aussparungen befestigt, und der Sensor wird von einem Teil des Magnetflusses durchströmt.

Zur Herauslösung des weitgehend positionsabhängigen, permanentmagnetbedingten Magnetflusses kann ein Strommeßwiderstand in Reihe zu den Wicklungen einer Motorphase geschaltet werden, dessen Spannungsabfall der Signalverarbeitungseinrichtung, die mit Herauslösung des Permanentmagnentanteils arbeitet, zugeführt wird.

Vorgeschlagen wird für besondere Direktantriebe, die für kleine Fahrwege vorgesehen sind, mindestens einen der Sensoren in der Passiveinheit zwischen den Polschenkeln der beiden Eisenkerne einer Motorphase, in einem Abstand von etwa kleiner als 3 mm von der Funktionsfläche anzuordnen.

Die Sensoren können im Bereich der vorgeschriebenen Eisenkernbereiche auch auf die Eisenkerne flach aufgebracht sein, so daß der Sensor von einem Teil des Magnetflusses durchströmt wird.

Vorteilhaft ist es, wenn für die Sensoren Hallsensoren verwendet werden, die ohne oder mit integriertem Vorverstärker ausgeführt sind.

Die Sensoren können auch in den Schenkeln der Eisenkerne einer Motorphase in 4 Zonen angeordnet sein, ein erster Sensor im linken Eisenkern links vom Zugang des Permanentmagnetflusses, ein anderer zweiter Sensor im linken Eisenkern rechts vom Zugang des Permanentmagnetflusses, ein dritter Sensor im rechten Eisenkern links vom Zugang des Permanentmagnetflusses und ein vierter Sensor im rechten Eisenkern rechts vom Zugang des Permanentmagnetflusses und die Sensoren sind mit einer Signalverarbeitung verbunden.

Die Signalverarbeitung, Magnetflußregler und Leistungsstellglied können zu einer Baugruppe, die als magnetflußeinprägende Leistungsendstufe bezeichnet wird, zusammengefaßt werden.

Die Erfindung wird dadurch ausgestaltet, daß mindestens ein Sensor je Motorphase die Magnetflüsse mißt, daß diese Meßwerte von mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet werden und daß der Magnetflußregler die verarbeiteten Magnetflußmeßwerte und die Führungsgrößen für die Magnetflüsse verknüpft, um durch Ansteuerung des Leistungsstellgliedes genau solche elektrischen Ströme durch die Wicklungen einzustellen, die möglichst exakt zu den von der Führungsgrößen geforderten Magnetflüssen führen.

Jeder Wicklung kann ein eigener Magnetflußregler zugeordnet sein. Falls mehrere Wicklungen zu einer Phase gehören, kann diesen Wicklungen ein gemeinsamer Magnetflußregler zugeordnet werden. Sensoren müssen dann nur in den Magnetkreisen rund um eine einzige der Wicklungen dieser Phase angeordnet sein. Es ist aber auch möglich weitere oder alle Magnetkreise dieser Phase mit Sensoren auszustatten und die gemittelten Meßwerte dem gemeinsamen Magnetflußregler zuzuführen.

Durch Auswertung der Differenz zwischen Soll- und Ist-Magnetfluß läßt sich ein Belastungssignal bilden und einer Auswerteeinheit zuführen.

Ein Direktantrieb mit einem internen Sensor je Motorphase und Magnetflußregelung ohne und mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte wird so aufgebaut, daß ein Sensor je Motorphase, der den Magnetfluß mißt, mit Eisenkernen einer Aktiveinheit verbunden ist und ein vom Magnetfluß in der Nähe des Sensors abhängiges Signal aufnimmt, der Sensor wird von einem Magnetfluß durchströmt, der seinen Richtungssinn wechselt, und einem Magnetfluß durchströmt, der seinen Richtungssinn nicht wechselt, eine Signalverarbeitungseinheit ist angeordnet, die bei verstärkter Positionsabhängigkeit den strombedingten Magnetfluß, z. B. durch Messung des Spannungsabfalles über einen Strommeßwiderstand ermittelt und aus den Sensormeßwerten herauslöst, um ein auswertbares Signal dem Magnetflußregler bereitzustellen. Die Anordnung besteht weiter aus einem Magnetflußregler, der die ermittelten Magnetfluß-Istwerte von der Signalverarbeitungseinheit und mindestens einer Führungsgröße empfängt, diese in üblicher Weise des Regelns verarbeitet und ein Signal an das Leistungsstellglied ab gibt, und mindestens ein Leistungsstellglied ist für jede Motorphase vorgesehen.

Ein Direktantrieb mit Magnetflußregelung unter Verwendung von 2 Sensoren je Motorphase ohne und mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Ist­ werte ist so aufzubauen, daß zwei Sensoren je Motorphase, die die Magnetflüsse messen, mit Eisenkernen einer Aktiveinheit verbunden sind und ein vom Magnetfluß in der Nähe der Sensoren abhängiges Signal aufnehmen, die Sensoren werden von einem Magnetfluß, der seinen Richtungssinn wechselt, und einem Magnetfluß, der seinen Richtungssinn nicht wechselt, durchströmt.

Einer der Sensoren ist im Eisenkernbereich angeordnet, in dem zu einem Zeitpunkt die Magnetflüsse gleichsinnig gerichtet sind, und der andere Sensor ist im Eisenkernbereich angeordnet, in dem zum gleichen Zeitpunkt die Magnetflüsse entgegengerichtet sind, und eine Signalverarbeitungseinheit ist so angeordnet, daß bei verstärkter Positionsabhängigkeit und ohne Gewinnung einer den Phasenstrom repräsentierenden Größe aus den Sensorwerten eine Ermittlung des strombedingten Magnetflusses durch Messung des Spannungsabfalles über einem Strommeßwiderstand ausgeführt wird, um ein auswertbares Signal dem Magnetflußregler bereitzustellen.

Ein Magnetflußregler, der die ermittelten Magnetfluß-Istwerte von der Signalverarbeitungseinheit und mindestens eine Führungsgröße empfängt, verarbeitet diese Signale in üblicher Weise des Regelns und gibt ein Signal an das Leistungsstellglied ab. Wiederum ist mindestens ein Leistungsstellglied für jede Phase erforderlich.

Nach der Erfindung wird eine Einrichtung zur Magnetflußeinprägung geschaffen, die je Motorphase mindestens aus einer Signalverarbeitungseinheit, mindestens einem Magnetflußregler, der als Eingangsgrößen mindestens einen Magnetflußmeßwert und mindestens eine Führungsgröße verarbeitet, sowie mindestens einem Leistungsstellglied besteht, um genau solche Phasenströme durch die Spulensysteme einzustellen, die möglichst exakt zu den von der Führungsgröße geforderten Magnetflüssen führen.

Im weiteren werden nun Verfahren vorgeschlagen. Ein Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit einem Sensor je Motorphase ohne verstärkte Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Der verstärkte Meßwert des Sensors wird digitalisiert.
• 2. Ein Vergleich dieses Meßwertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, wird durchgeführt, und es wird ein Index i bestimmt, bei dem die größte Übereinstimmung vorliegt.
• 3. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die den unverfälschten Ist-Magnetflüssen beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen.
• 4. Der ermittelte Wert repräsentiert den unverfälschten Ist-Magnetfluß und wird dem Magnetflußregler der zugehörigen Motorphase als Istwert zugeführt.
• 5. Der Magnetflußregler ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflusses die Führungsgröße für das Leistungsstellglied.

Ein weiteres Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit einem Sensor je Motorphase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Der verstärkte Meßwert des Sensors wird digitalisiert.
• 2. Ein Vergleich dieses Meßwertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, wird durchgeführt, und es wird ein Index i bestimmt, bei dem die größte Übereinstimmung vorliegt.
• 3. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die den unverfälschten Ist-Magnetflüssen beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantrieb es entsprechen und so stark verstärkt wurden, daß sie, wenn der strombedingte Anteil subtrahiert wird, in ihrer Amplitude dem Sollwert des Magnetflusses entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen. Der ermittelte Wert repräsentiert den unverfälschten Ist-Magnetfluß.
• 4. Es erfolgt die Digitalisierung des als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand ermittelten Wicklungsstromes der entsprechenden Motorphase.
• 5. Ein Vergleich dieses Wertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, ergibt einen Index i an der Stelle bester Übereinstimmung.
• 6. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die dem erwarteten Anteil des strombedingten Magnetflusses beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen. Der ermittelte Wert repräsentiert den momentanen Anteil des strombedingten Magnetflusses.
• 7. Der herausgelöste positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 3 und Schritt 6 ermittelten Werte, unverfälschter Ist-Magnetfluß minus Anteil des strombedingten Magnetflusses. Der positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgröße zugeführt.
• 8. Der Magnetflußregler ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflusses die Führungsgröße für das Leistungsstellglied.

Ein anderes Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motorphase ohne verstärkte Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte wird durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motorphase werden separat durch Offsetjustage und Verstärkung normiert. Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen, so daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes eine sinusähnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und dem halben maximalen Betrag der Führungsgröße des Leistungsstellgliedes Einheiten, zum Beispiel 0 Volt bis 5 Volt ergibt.
• 2. Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert, um ein bipolares offsetfreies Signal doppelter Amplitude zu erhalten. Im ungestörten Betriebsfall soll die Amplitude des subtrahierten Signals gut mit der Amplitude der Führungsgröße für das zugehörige Leistungsstellglied übereinstimmen. Das durch Subtraktion der normierten Sensorwerte ermittelte Signal wird im folgenden als Ist-Magnetfluß genutzt und dem Magnetflußregler als Istgröße zugeführt.
• 3. Der Magnetflußregler ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflusses die Führungsgröße für das Leistungsstellglied.

Ein Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motorphase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte mit Verwendung des gemessenen Phasenstromes wird durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motorphase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert. Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusähnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und dem halben maximaler Betrag der Führungsgröße des Leistungsstellgliedes Einheiten ergibt. Die Motorwicklung wird wieder normal bestromt.
• 2. Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert. Das Ergebnis wird als Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benötigt.
• 3. Es folgt die Digitalisierung des als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand ermittelten Wicklungsstromes der entsprechenden Motorphase.
• 4. Durch einen Vergleich dieses Wertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, wird der Index i an der Stelle bester Übereinstimmung ermittelt.
• 5. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die dem erwarteten Anteil des strombedingten Magnetflusses beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen. Der ermittelte Wert repräsentiert den momentanen Anteil des strombedingten Magnetflusses.
• 6. Der herausgelöste positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 2 und Schritt 5 ermittelten Werte, Magnetflußzwischenwert minus Anteil des strombedingten Magnetflusses. Der positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgröße zugeführt.
• 7. Der Magnetflußregler ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Führungsgröße für das jeweilige Leistungsstellglied.

Ein Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motorphase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte ohne die Notwendigkeit den Phasenstrom direkt zu messen wird durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motorphase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert. Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusähnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und halben maximalen Betrag der Führungsgröße des Leistungsstellgliedes Einheiten ergibt. Die Motorwicklung wird wieder normal bestromt.
• 2. Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert. Das Ergebnis wird als subtrahierter Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benötigt.
• 3. Die beiden normierten Sensormeßwerte werden addiert. Das Ergebnis wird als addierter Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benötigt.
• 4. Die addierten Magnetflußzwischenwerte werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert, so daß ein Wert zwischen etwa 0 und maximaler Betrag der Führungsgröße des Leistungsstellgliedes Einheiten entsteht, der nahezu keinen permanentmagnetbedingten Anteil aufweist, beziehungsweise fast ausschließlich vom Phasenstrom abhängig ist.
• 5. Der Offset des addierten Magnetflußzwischenwertes wird durch Subtraktion eines Offsetwertes beseitigt und das entstandene Signal wird verstärkt, so daß ein normierter addierter Magnetflußzwischenwert entsteht, dessen Wert etwa zwischen 0 und maximaler Betrag des strombedingten Anteils des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes Einheiten liegt, der nahezu keinen permanentmagnetbedingten Anteil aufweist, beziehungsweise fast ausschließlich vom Phasenstrom abhängig ist.
• 6. Wenn der subtrahierte Magnetflußzwischenwert einen positiven Wert aufweist wird der zugehörige normierte addierte Magnetflußzwischenwert subtrahiert, ansonsten werden subtrahierter Magnetflußzwischenwert und addierter Magnetflußzwischenwert addiert, so daß sich die phasenstrombedingten Anteile des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes und des addierten Magnetflußzwischenwertes gegenseitig aufheben und der gesuchte permanentmagnetbedingte Anteil des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes herausgelöst ist. Der positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgröße zugeführt.
• 7. Der Magnetflußregler ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Führungsgröße für das jeweilige Leistungsstellglied.

Ein weiteres Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 4 Sensoren je Motorphase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte wird durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Die beiden äußeren um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motorphase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert. Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgt so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusähnliche Kurve zwischen 0 Ein­ heiten und halben maximalen Betrag der Führungsgröße der Leistungsstellglieder Einheiten ergibt. Die jeweilige Motorwicklung wird wieder normal bestromt.
• 2. Die beiden äußeren normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert. Das Ergebnis wird als äußerer Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benötigt.
• 3. Der Verfahrensschritt 3 ist wie der Verfahrensschritt 1, jedoch für die beiden inneren Sensoren auszuführen.
• 4. Die beiden inneren normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert. Das Ergebnis wird als innerer Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benötigt.
• 5. Ein Signal, das stark vom Wicklungsstrom abhängt, erhält man, indem vom inneren Magnetflußzwischenwert der äußere Magnetflußzwischenwert subtrahiert wird. Durch Verstärkung dieses Signals erhält man den strombedingten Anteil des Magnetflusses.
• 6. Der herausgelöste positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 2 und Schritt 5 ermittelten Werte, äußerer oder innerer Magnetflußzwischenwert minus strombedingter Anteil des Magnetflusses. Der positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgröße zugeführt.
• 7. Der Magnetflußregler ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Führungsgröße für das Leistungsstellglied.

Die Verfahren zur Magnetflußregelung und zur Positionserfassung bei mehr als 2 Sensoren je Motorphase können noch dadurch ergänzt werden, daß

• 1. Sensormeßwerte gemittelt werden, indem n Sensormeßwerte addiert werden und die Summe durch die Anzahl n dividiert wird und/oder
• 2. daß mehrere Magnetflußregler je Motorphase verwendet werden, die autark arbeiten und die gleichen Magnetfluß-Sollwerte als Führungsgrößen erhalten.

Die Verfahren zur Magnetflußregelung zeichnen sich dadurch aus, daß durch die Abhängigkeit der Magnetflüsse von der positionsabhängigen, lokalen Zahnüberdeckungsfläche ein Positionierfehler in Form vom Sollwert abweichender Magnetflußmeßwerte erkannt wird und daß dieser Positionierfehler durch Nachregelung der Magnetflüsse zumindest teilweise korrigiert wird, was zu einer erhöhten Steifigkeit in Bewegungsrichtung führt.

Ein weiteres Verfahren zur Magnetflußregelung und zur Positionserfassung besteht darin, daß die Abhängigkeit der Magnetflußmeßwerte von der Position bzw. der lokalen Zahnüberdeckungsfläche erhöht wird, indem zusätzlich durch mindestens einen Sensor an einem oder mehreren anderen Meßpunkten des selben Magnetkreises ein Magnetfluß gemessen wird, der sich infolge eines anderen Abstandes zur Wicklung aus einem anderen Verhältnis von wicklungsstrombedingten und permanentmagnetbedingten Magnetfluß zusammensetzt und daß durch eine Signalverarbeitungseinrichtung aus den Magnetflußmeßwerten, der vorwiegend positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Magnetfluß herausgelöst wird.

Das Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung wird weiter dadurch ausgestaltet, daß durch die Abhängigkeit der Magnetflüsse vom Arbeitsluftspalt, anhand der Magnetflußmeßwerte eine Abweichung von der Sollgröße des Arbeitsluftspaltes erkannt und durch Nachregelung des Wicklungsstromes der Magnetfluß und der Arbeitsluftspalt zumindest teilweise korrigiert werden kann, wodurch sich auch eine aktive Schwingungsdämpfung realisieren läßt.

Ein Verfahren ist zur Zustandsbeobachtung von Schrittantrieben anwendbar, daß darin besteht, daß die Magnetflußmeßwerte der Sensoren in den Magnetkreisen nicht nur zur Regelung der Magnetflüsse sondern auch zur Zustandsbeobachtung des Antriebes eingesetzt werden können, um den Antrieb besser steuerbar zu machen und daß somit Schrittfehler auch ohne die Regelung der Magnetflüsse erkannt werden können, indem der durch Signalverarbeitung aus den weitestgehend positionsabhängigen permanentmagnetbedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte gewonnene Positions-Ist­ wert mit dem durch die Führungsgröße vorgegebenen Sollwert der Position verglichen wird.

Im weiteren wird eine Anordnung für einen Direktantrieb mit internen Sensoren zur Positionserfassung angegeben, die aus

• - einer Aktiveinheit aus Spulensystemen mit Eisenkernen und Permanentmagnetsystemen zur Erzeugung von Magnetflüssen,
• - einer Passiveinheit zur Leitung der Magnetflüsse beziehungsweise zur Erzeugung von Permanentmagnetflüssen,
• - einer Führungseinheit zur Gewährleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit,
• - mindestens einem Leistungsstellglied je Motorphase zur Bereitstellung der Phasenströme,
• - mindestens einem Führungsgrößengeber,
• - mindestens einem internen Sensor je Motorphase, der zur Messung des Magnetflusses geeignet ist,
• - mindestens zwei Signalverarbeitungseinrichtungen je Motor beziehungsweise je Koordinate bei Mehrkoordinatenantrieben, in der Regel eine Signalverarbeitungseinrichtung je Motorphase, zur Verarbeitung der Meßwerte der internen Sensoren,
• - mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Positionserfassung aus den von Signalverarbeitungseinrichtungen vorverarbeiteten Meßwerten von internen Sensoren der Motorphasen besteht.

Ein Verfahren zur Positionserfassung, mit dem durch Ausnutzung der Zahnteilung als Maßverkörperung, bei Schrittmotoren und Direktantrieben, die nach dem Schrittmotorprinzip arbeiten, aus den permanentmagnetbedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte von Sensoren Weg- oder Winkel-Informationen gewonnen werden können, ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Beschaffung der permanentmagnetbedingten Anteile der Magnetflußmeßwerte von Sensoren im Antrieb, so daß von mindestens 2 Motorphasen permanentmagnetbedingte Magnetflußsignale vorliegen, die weitgehend unabhängig vom Phasenstrom und nahezu nur von der Position abhängig sind;
• 2. Berechnung des Winkels α aus diesen Signalen nach einem Verfahren entsprechend dem Stand der Technik;
  bei 2 Phasen ergibt sich der Winkel α aus dem Arcustangens vom Magnetflußsignal der Sinusphase dividiert durch das Magnetflußsignal der Cosinusphase,
  bei linearen Direktantrieben wird der Winkel bekannterweise in einen Weg umgerechnet, indem der Winkel α in Grad multipliziert mit der Periodenlänge durch 360° dividiert wird;
• 3. Berechnung des Periodenzählerstandes durch Zählung von Periodenübergängen unter Benutzung des in Verfahrensschritt 2 berechneten Winkels α, indem der Periodenzähler bei einem Winkelsprung von etwa < 270° nach etwa < 90° inkrementiert wird und bei einem Winkelsprung von etwa < 90° nach etwa < 270° dekrementiert wird, das heißt wenn der momentane Winkel 3° beträgt und der vorhergehende Winkel 352° war, dann wird der Periodenzähler inkrementiert;
• 4. Berechnung der absoluten Position x durch Multiplikation der Länge der Teilungsperiode mit dem Periodenzählerstand und anschließende Addition des im Verfahrensschritt 2 berechneten Weges innerhalb der Periode,
  bei rotatorischen Direktantrieben wird zusätzlich zum Periodenzähler ein Umdrehungszähler verwendet, dessen Zählerstand sich berechnet aus dem abgerundeten, ganzzahligen Wert aus Periodenzählerstand geteilt durch Periodenanzahl einer Umdrehung.

Eine Ergänzung der Verfahren zur Positionserfassung besteht darin, daß systematische Fehler bei der Positionserfassung, wenn sie auf systematisch abweichende Winkel α zurückzuführen sind, korrigiert werden können, indem der in Verfahrensschritt 2 berechnete Winkel α als Index zur Ermittlung eines Korrekturwertes aus einer Korrekturtabelle genutzt wird, wobei die Korrekturtabelle nach im Stand der Technik bekannten Verfahren generiert wird.

Wenn die Signalverarbeitung digital erfolgt, werden die Sensorsignale von A/D-Wandlern digitalisiert und einem Rechner oder einer kombinatorischen Schaltung zugeführt, um die Verfahrensschritte 1 bis 4 des bereits angegebenen Verfahrens zur Positionsbestimmung abzuarbeiten und die ermittelte Position x oder den Winkel α auszugeben.

Es folgen vereinfachte mathematische Modelle zur prinzipiellen Beschreibung der Verfahren zur Signalverarbeitung.

Die Ermittlung der Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ nach einem Verfahren mit 2 Sensoren, ohne verstärkte Positionsabhängigkeit, beschreiben nachfolgende Gleichungen. Unter der Voraussetzung, daß die Sensoren 1 an den in Fig. 1 bzw. Fig. 15 dargestellten Meßpunkten angeordnet sind und die gemessenen Gleichanteile durch geeignete Vorverstärkung und Offsetjustage nahezu identische Werte aufweisen, haben die Meßwerte der Sensoren 1 und 2 etwa den in Fig. 9 dargestellten Verlauf und lassen sich näherungsweise wie folgt beschreiben:

Φ₁ = ((Φ_1Pmax + Φ_1Smax).sin(2πx/τ)) + Φ_Pgleich (1)

Φ₂ = -((Φ_2Pmax + Φ_2Smax).sin(2πx/τ) + Φ_Pgleich) (2)

Durch Differenzbildung der Meßwerte von Sensor 1 und Sensor 2 wird der zur Übergabe an den Regler geeignete Magnetfluß-Istwert Φ_Ist ermittelt:

Φ_Ist = Φ₁ - Φ₂ = (Φ_1Pmax + Φ_1Smax + Φ_2Pmax + Φ_2Smax).sin(2πx/τ) (3)

Die Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ läßt sich durch Differenzbildung von Führungsgröße Φ_soll und gewonnen Istwert des Magnetflusses Φ_ist ermitteln:

ΔΦ = Φ_soll - Φ_ist (4)

Die Ermittlung der Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ nach einem Verfahren mit 2 Sensoren, mit verstärkter Positionsabhängigkeit durch Nutzung von Strommeßwerten, beschreiben nachfolgende Gleichungen:

Φ₁ = ((Φ_1Pmax + Φ_1Smax).sin(2πx/τ)) + Φ_Pgleich (1)

Φ₂ = -((Φ_2Pmax + Φ_2Smax).sin(2πx/τ) + Φ_Pgleich) (2)

Für den wicklungsstrombedingten Anteil des Magnetflusses kann vereinfacht geschrieben werden:

Φ_S = (Φ_1Smax + Φ_2Smax).sin(2πx/τ) (3)

Die Strommeßwerte sind proportional zu den wicklungsstrombedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte Φ_S. Die mit einem Proportionalitätsfaktor v multiplizierten Strommeßwerte I werden als wicklungsstrombedingter Anteil des Magnetflusses Φ_S benutzt. Der Faktor v wird so gewählt, daß gilt:

I.v = (Φ_1Smax + Φ_2Smax).sin(2πx/τ) (4)

Durch Differenzbildung der Meßwerte von Sensor 1 und Sensor 2 und anschließende Subtraktion des wicklungsstrombedingter Anteil des Magnetflusses Φ_S wird der zur Übergabe an den Regler geeignete Magnetfluß-Istwert Φ_Ist ermittelt:

Φ_Ist = (Φ_1Pmax + Φ_1Smax + Φ_2Pmax + Φ_2Smax).sin(2πx/τ) - Φ_S (5)

Die Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ läßt sich durch Differenzbildung von Führungsgröße Φ_soll und gewonnenem Istwert des Magnetflusses Φ_ist ermitteln:

ΔΦ = Φ_soll - Φ_ist (6)

Es folgt die mathematische Beschreibung der Signalverarbeitung zur Gewinnung eines verstärkt positionsabhängigen Magnetfluß-Istwertes, aus den Meßwerten von 4 Sensoren in einem Magnetkreis eines luftgelagerten 2-Phasen-Hybridschrittmotors, der in Fig. 7 dargestellten Bauart. Unter der Voraussetzung, daß die Sensoren 1 an den in Fig. 2 bzw. Fig. 7 dargestellten Meßpunkten angeordnet sind und die gemessenen Gleichanteile, durch geeignete Vorverstärkung und Offsetjustage, nahezu identische Werte aufweisen, haben die Meßwerte der Sensoren 1, 2, 3 und 4 vereinfacht den in Fig. 9 und Fig. 10 dargestellten Verlauf und lassen sich näherungsweise wie folgt beschreiben:

Φ₁ = ((Φ_1Pmax + Φ_1Smax).sin(2πx/τ)) + Φ_Pgleich (1)

Φ₂ = -((Φ_2Pmax + Φ_2Smax).sin(2πx/τ) + Φ_Pgleich) (2)

Φ₃ = ((Φ_3Pmax + Φ_3Smax).sin(2πx/τ)) + Φ_Pgleich (3)

Φ₄ = -((Φ_4Pmax + Φ_4Smax).sin(2πx/τ) + Φ_Pgleich) (4)
Durch Differenzbildung der Meßwerte von Sensor 1 und Sensor 2 wird ein Wert Φ_A ermittelt:

Φ_A = Φ₁ - Φ₂ = (Φ_1Pmax + Φ_1Smax + Φ_2Pmax + Φ_2Smax).sin(2πx/τ) (5)

Durch Differenzbildung der Meßwerte von Sensor 3 und Sensor 4 wird ein Wert Φ_B ermittelt:

Φ_B = Φ₃ - Φ₄ = (Φ_3Pmax + Φ_3Smax + Φ_4Pmax + Φ_4Smax).sin(2πx/τ) (6)

Unter der Voraussetzung, daß der Maximalwert des positionsabhängigen permanentmagnetbedingten Anteils des Magnetflusses an allen 4 Meßstellen nahezu gleich groß ist, kann vereinfacht geschrieben werden:

Φ_1Pmax = Φ_2Pmax = Φ_3Pmax = Φ_4Pmax (7)

Durch Differenzbildung der Werte von Φ_B und Φ_A kann unter Berücksichtigung von Gleichung (7) der Wert Φ_Sdiff ermittelt werden, der weitgehend nur vom wicklungsstrombedingten Magnetfluß und nicht vom permanentmagnetbedingten Magnetfluß abhängig ist:

Φ_Sdiff = Φ_B - Φ_A = ((Φ_3Smax + Φ_4Smax) - (Φ_1Smax + Φ_2Smax)).sin(2πx/τ) (8)

Durch die Verstärkung des weitgehend nur wicklungsstromabhängigen Wertes Φ_Sdiff mit einem konstanten Verstärkungsfaktor k entsteht der Wert Φ_S:

Φ_S = k.Φ_Sdiff = ((Φ_3Smax + Φ_4Smax) -(Φ_1Smax + Φ_2Smax)).k.sin(2πx/τ) (9)

Der konstante Verstärkungsfaktor k ist so zu wählen, daß gilt:

k.Φ_Sdiff = (Φ_1Smax + Φ _2Smax).sin(2πx/τ) (10)

Durch Differenzbildung von Φ_A und Φ_S kann der gewünschte weitgehend positionsabhängige permanentmagnetbedingte Anteil aus dem Wert von Φ_A herausgelöst werden:

Φ_ist = Φ_A - Φ_S = (Φ_1Pmax + Φ_2Pmax).sin(2πx/τ) (11)

Die Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ läßt sich durch Differenzbildung von Führungsgröße Φ_soll und gewonnenem Istwert des Magnetflusses Φ_ist ermitteln.

ΔΦ = Φ_soll - Φ_ist (12)

In den Gleichungen wird ein sinusförmiger Verlauf der Meßwerte der Sensoren unterstellt, um ein einfaches, leicht verständliches Modell zu erhalten. In der Praxis ist eine Halbwelle des gemessenen Magnetflusses vor Ort betragsstärker als die andere Halbwelle. Durch die Subtraktion von Φ₁ und Φ₂ bzw. Φ₃ und Φ₄ erhält die Kurvenform des entstehenden Signals wieder ein sinusähnliches Aussehen, ähnlich der Kurvenform des Wicklungsstromes.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der 12306 00070 552 001000280000000200012000285911219500040 0002019807085 00004 12187 vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.

Es zeigen:

Fig. 1 bis 6 Möglichkeiten der Anordnung von Aussparungen in Eisenkernen von Aktiveinheiten am Beispiel eines Hybridschrittmotors;

Fig. 7 und 8 eine Aktiv- und eine Passiveinheit, die Anordnung der Magnetflußsensoren im Magnetfluß, der von Wicklungen und Permanentmagneten erzeugt wird;

Fig. 9 und 10 die Bestandteile und die Kurvenform von Sensorsignalen;

Fig. 11 und 12 die Verbindung der Sensoren mit der Signalverarbeitung und der Prinzipaufbau einer Signalverarbeitungseinheit;

Fig. 13 das Prinzipbild der Steuerung eines Schrittmotors unter Verwendung von Magnetflußreglern;

Fig. 14 die Bereitstellung der Sollwerte als Führungsgröße zur Magnetflußregelung;

Fig. 15 bis 17 geben eine Übersichtsdarstellung, was unter einem planaren Direktantrieb zu verstehen ist, wie die Spulensysteme mit Eisenkernen am Beispiel des Hybridschrittmotors aufgebaut sind und wo die Hallsensoren beispielsweise angeordnet sein können;

Fig. 18 stellt ein Blockschaltbild für eine Signalverarbeitung mit verstärkter Positionsabhängigkeit für einen 2-Phasenmotor dar;

Fig. 19 gibt ein Prinzipbild an, wie aus den permanentmagnetbedingten Signalen eine Positionsinformation gebildet wird;

Fig. 20 zeigt die Verwendung der Magnetflußeinprägung und der Positionsbestimmung am Beispiel eines geregelten planaren Direktantriebes;

Fig. 21 zeigt wie einem Meßwert ein passender Korrekturwert zugeordnet wird;

Fig. 22 gibt die Zonen A und B an, in der die Magnetflußsensoren beispielsweise anzuordnen sind;

Fig. 23 bis 28 stellen in Diagrammform Signalverläufe dar, wie sie in Verfahrensschritten von Magnetflußregelung und Positionsbestimmung vorkommen.

Im einzelnen zeigen die Figuren folgendes:

Fig. 1 zeigt die Aussparungen 8 in den äußeren Schenkeln der Eisenkernen 3 im unteren Bereich. Sie werden vorzugsweise mittig im Eisenkern 3 angeordnet.

In Fig. 2 sind 4 Aussparungen 8 für die internen Sensoren 1 gezeigt. Wegen des Verlegens der Sensoranschlüsse können die Aussparungen 8 in den inneren Schenkeln versetzt angeordnet sein.

Mit Hilfe der Fig. 3 wird die Strukturierung der Eisenkerne 3 verdeutlicht.

Die Fig. 4 zeigt noch weitere mögliche Anordnungsvarianten für 2 interne Sensoren 1 und 2 eines Magnetkreises.

In der Fig. 5 werden noch weitere Anordnungsvarianten bei Verwendung von 4 internen Sensoren 1 gezeigt.

Bei Fig. 6 werden Varianten für die Anordnung von 2 Sensoren 1 bei einem Direktantrieb der in Fig. 8 gezeigten Bauart dargestellt.

Fig. 7 gibt eine Aktiveinheit 12 und eine Passiveinheit 13 an, es wird die Führung 7 durch das Ausströmen der Luft verdeutlicht, die Anordnung von insgesamt 8 Sensoren 1 wird exemplarisch gezeigt. Zu erkennen ist die Wicklung 4 und die Permanentmagnete 5 sowie die Rückschlußplatten 6. Der strombedingte Magnetfluß 15 und auch der permanentmagnetbedingte Magnetfluß 14 sind eingezeichnet.

Im Unterschied zu Fig. 7 zeigt die Fig. 8 eine Anordnung der Permanentmagnete 5 zwischen den Eisenkernen 3, wodurch Rückschlußplatten 6 entfallen.

Fig. 9 beschreibt die Zusammensetzung und die Kurvenform von Sensorsignalen aus permanentmagnetbedingtem Magnetfluß und aus strombedingtem Magnetfluß. Erkennbar ist ein Offset (Gleichanteil). Die Permanentmagnetflüsse sind im Beispiel durch das exponentielle Meßverhalten der Sensoren 1 deutlich kleiner als die strombedingten Magnetflüsse.

Bei Fig. 10 sind die strombedingten Magnetflüsse stärker als in Fig. 9, weil die Sensoren einen geringeren Abstand zur Wicklung 4 aufweisen.

Mit der Fig. 11 wird die Verbindung der Sensoren 1 und 2 mit der Signalverarbeitung ohne verstärkte Positionsabhängigkeit dargestellt.

Die Fig. 12 zeigt den Anschluß von 4 Sensoren 1 mit einer Signalverarbeitung mit verstärkter Positionsabhängigkeit.

Durch Fig. 13 wird ein Prinzipbild der Steuerung eines Schrittmotors unter Verwendung von Magnetflußreglern 21 für die Motorphasen angegeben. Damit wird erläutert, was unter Magnetflußeinprägung 26 zu verstehen ist.

Die Fig. 14 gibt eine einfache Anordnung zur Bereitstellung von Führungsgrößen zur Magnetflußregelung an.

Fig. 15 zeigt 2 Eisenkerne 3 mit Wicklung 4 und eine Aussparung 8 zur Einbringung eines internen Sensors 1.

Mit Fig. 16 wird ein Eisenkern 3 aufgeklappt dargestellt, um die Aussparung 8 deutlich zu zeigen.

Die Fig. 17 zeigt einen planaren Direktantrieb mit 3 Aktiveinheiten 12 auf einer Passiveinheit 13.

Fig. 18 stellt ein Prinzipbild für die Signalverarbeitung 20 mit verstärkter Positionsabhängigkeit für einen 2-Phasenmotor mit 2 internen Sensoren 1 und 2 je Motorphase dar. Hier wird die Variante gezeigt, bei der die, als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand abgegriffenen, Strommeßwerte zur Herauslösung des permanentmagnetbedingten Anteils aus den Magnetflußwerten genutzt werden.

Bei der Fig. 19 wird der prinzipielle innere Aufbau einer Einrichtung zur Positionsbestimmung aus den permanentmagnetbedingten Signalen der beiden Motorphasen dargestellt.

In der Fig. 20 wird ein geregelter planarer Direktantrieb gezeigt, bei dem die Magnetflußeinprägung 26 und die Positionsbestimmung 28 zum Einsatz kommen.

Die Fig. 21 zeigt, wie einem Meßwert ein passender Korrekturwert zugeordnet wird. Ein Meßwert wird mit einem Feld von erwarteten Meßwerten verglichen und der Index mit der besten Übereinstimmung wird benutzt, um in einem Feld von Korrekturwerten den zum Meßwert passenden Korrekturwert zu ermitteln.

Fig. 22 gibt die Zonen A und B an, in der die Sensoren beispielsweise angeordnet sind. Gezeigt wird, wo der Permanentmagnetfluß in den Eisenkern 3 eingeleitet wird.

Die Fig. 23 zeigt die permanentmagnetbedingten Meßwerte des Sensors 1 beim Durchfahren von drei Teilungsperioden bei abgeschaltetem Phasenstrom.

Die Fig. 24 zeigt die bezüglich Sensor 1 um 180° phasenversetzten permanentmagnetbedingten Meßwerte des Sensors 2, die zur gleichen Zeit aufgenommen wurden wie die in Fig. 23 dargestellten Meßwerte.

Die Fig. 25 zeigt die Summe aus permanentmagnetbedingten und strombedingten Magnetflußmeßwerten von Sensor 1 beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode bei eingeschaltetem Phasenstrom.

Bei der Fig. 26 ist zeitgleich zur Fig. 25 der Meßwert des bezüglich Sensor 1 um 180° phasenversetzten Sensors 2 gezeigt.

Die Fig. 27 gibt zum gleichen Zeitpunkt, zu dem die Meßwerte in Fig. 25 und 26 aufgenommen wurden, die Meßwerte des Phasenstromes der zugehörigen Motorphase an.

Die Fig. 28 gibt zum gleichen Zeitpunkt, zu dem die Meßwerte in Fig. 25 bis 27 aufgenommen wurden, den Inhalt des Korrekturfeldes an. Das entsprechende Feld mit Korrekturwerten für die Cosinusphase ist auch in Fig. 18 zu erkennen.

Bezugszeichenliste

Φ₁

. . .Φ₄

Magnetflußmeßwert der Sensoren

1

bis

4

, vorverstärkt und Gleichanteil abgeglichen
τ Zahnteilungsperiode, z. B. 0,64 mm
Φ_P

Positionsabhängiger Anteil des permanentmagnetbedingten Magnetflusses
Φ_Pmax

Maximaler Betrag des positionsabhängigen Anteils des permanentmagnetbedingten Magnetflusses
Φ_1P

. . .Φ_4P

Positionsabhängiger Anteil des permanentmagnetbedingten Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor

1

,

2

,

3

und

4

Φ_1Pmax

. . .Φ_4Pmax

Maximaler Betrag des positionsabhängigen Anteils des permanentmagnetbedingten Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor

1

,

2

,

3

und

4

Φ_S

Wicklungsstrombedingter Anteil des Magnetflusses
Φ_Smax

Maximaler Betrag des wicklungsstrombedingten Anteils des Magnetflusses
Φ_1Smax

. . .Φ_4Smax

Maximaler Betrag des wicklungsstrombedingten Anteils des Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor

1

,

2

,

3

und

4

Φ_Pgleich

Gleichanteil des permanentmagnetbedingten Magnetflusses
Φ_A

Differenz der Meßwerte der Sensoren

1

und

2

Φ_B

Differenz der Meßwerte der Sensoren

3

und

4

k Konstanter Verstärkungsfaktor
Φ_Sdiff

Differenz der wicklungsstrombedingten Magnetflüsse von Φ_A

und Φ_B

Φ_ist

Istwert des Magnetflusses der dem Magnetflußregler zugeführt wird
Φ_1ist

, Φ_2ist

Istwerte der Magnetflüsse die den Magnetflußreglern der Motorphasen

1

,

2

zugeführt werden
Φ_soll

Sollwert des Magnetflusses (Führungsgröße)
Φ_1soll

, Φ_2soll

Sollwerte der Magnetflüsse (Führungsgrößen) der Motorphasen

1

,

2

ΔΦ Regelabweichung (Φ_soll

- Φ_ist

)
v Konstanter Verstärkungsfaktor
I Phasenstrom
I₁

Phasenstrom der Motorphase

1

I₂

Phasenstrom der Motorphase

2

I_1soll

Sollwert des Phasenstromes der Motorphase

1

I_2soll

Sollwert des Phasenstromes der Motorphase

2

α_old

Vorheriger Winkel, entspricht dem Winkel α der einen Takt zuvor ermittelt wurde
s Motorposition innerhalb der Zahnteilungsperiode
x Motorposition absolut
n Index eines Feldes

1

interner Sensor

2

interner Sensor (wie

1

, jedoch an anderer Stelle angeordnet)

3

Eisenkern

4

Wicklung, Spulensystem

5

Permanentmagnet

6

Rückschlußplatte

7

Führungseinheit

8

Aussparung

9

Funktionsfläche

10

linker Schenkel

11

rechter Schenkel

12

Aktiveinheit

13

Passiveinheit

14

permanentmagnetbedingter Magnetfluß

15

strombedingter Magnetfluß

16

Führungsgröße

17

Führungsgrößengeber, z. B. Rechner

18

D/A-Wandler

19

Signalverarbeitung

1

, ohne Herauslösung des permanentmagnetbedingten Anteils aus den Magnetflußmeßwerten der Sensoren

20

Signalverarbeitung

2

, mit Herauslösung des permanentmagnetbedingten Anteils aus den Magnetflußmeßwerten der Sensoren

21

Magnetflußregler

22

Leistungsstellglied

23

Lageregler

24

Geschwindigkeitsregler

25

Kommutierungseinrichtung

26

Einrichtung zur Magnetflußeinprägung

27

Strommeßwiderstand

28

Einrichtung zur Positionsbestimmung

Claims (33)

1. Direktantrieb mit internen Sensoren zur Realisierung einer direkten Regelung der Magnetflüsse bestehend aus:

• - einer Aktiveinheit (12) aus Spulensystemen (4) mit Eisenkernen (3) und Permanentmagnetsystemen (5) zur Erzeugung von Magnetflüssen (15, 14),
• - einer Passiveinheit (13) zur Leitung der Magnetflüsse (14, 15) bzw. zur Erzeugung von Permanentmagnetflüssen,
• - einer Führungseinheit (7) zur Gewährleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit (12) und Passiveinheit (13),
• - mindestens einem Führungsgrößengeber (17) für die Magnetflüsse (14, 15),
• - mindestens einem internen Sensor (1) je Motorphase, der zur Messung des Magnetflusses (14, 15) geeignet ist,
• - mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung (19, 20) je Motorphase zur Verarbeitung der Meßwerte von internen Sensoren (1),
• - mindestens einem Magnetflußregler (21) je Motorphase, der Führungsgrößen (16) und Signale von der Signalverarbeitungseinrichtung (19, 20) verarbeitet und eine Führungsgröße für das Leistungsstellglied (22) ausgibt,
• - mindestens einem Leistungsstellglied (22) je Motorphase zur Bereitstellung der Phasenströme.

2. Direktantrieb mit internen Sensoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß (15), der seinen Richtungssinn wechselt, durch ein Spulensystem (4) erzeugt wird, das im Bereich von 2 benachbarten Eisenkernen (3) angeordnet ist und einen Phasenstrom führt,
daß der Magnetfluß (14), der seinen Richtungssinn nicht ändert, durch ein Permanentmagnetsystem (5) erzeugt wird, das einen Magnetfluß zwischen 2 benachbarten, durch ein Spulensystem (4) miteinander verbundene Eisenkerne (3), erzeugt,
daß mindestens 2 Permanentmagnete (5) etwa symmetrisch an der der Funktionsfläche (9) gegenüberliegenden Seite der Eisenkerne (3) angeordnet und durch eine Rückschlußplatte verbunden sind und
daß mindestens ein Sensor (1) in einem oder mehreren linken Schenkeln (10) und/oder in einem oder mehreren rechten Schenkeln (11) angeordnet ist.

3. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Permanentmagnetsystem zwischen 2 zugehörigen Eisenkernen (3) ohne Rückschlußplatte angeordnet ist und
daß mindestens ein Sensor (1) in einem oder mehreren linken Schenkeln (10) und/oder in einem oder mehreren rechten Schenkeln (11) angeordnet ist.

4. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Einbau von Sensoren (1) in die Eisenkerne (3) bzw. die Schenkel (10 und/oder 11) Aussparungen (8) eingebracht sind, die ein geringes Spiel beziehungsweise eine leichte Preßpassung gegenüber dem Sensor (1) aufweisen und
daß die Sensoren (1) in den Aussparungen (8) befestigt sind und
daß der Sensor (1) von einem Teil des Magnetflusses (14, 15) durchströmt wird.

5. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herauslösung des weitgehend positionsabhängigen, permanentmagnetbedingten Magnetflusses (14) ein Strommeßwiderstand (27) in Reihe zu den Wicklungen (4) einer Motorphase geschaltet ist, dessen Spannungsabfall der Signalverarbeitungseinrichtung (20), die mit Herauslösung des Permanentmagnetanteils arbeitet, zugeführt wird.

6. Direktantrieb mit internen Sensoren für kleine Fahrwege nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Sensoren (1) in der Passiveinheit (13) zwischen den Polschenkeln (10, 11) der beiden Eisenkerne (3) einer Motorphase, in einem Abstand von etwa kleiner als 3 mm von der Funktionsfläche (9) angeordnet ist.

7. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (1) im Bereich der vorgeschriebenen Eisenkernbereiche (10, 11) auf die Eisenkerne (3) flach aufgebracht sind, so daß der Sensor (1) von einem Teil des Magnetflusses (14, 15) durchströmt wird.

8. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (1) Hallsensoren sind, die ohne oder mit integrierten Vorverstärker ausgeführt sind.

9. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß Sensoren (1) in den Schenkeln der Eisenkerne (3) einer Motorphase in 4 Zonen (10 links, 10 rechts, 11 links, 11 rechts) angeordnet sind, ein erster Sensor (1) im linken Eisenkern (3) links vom Zugang des Permanentmagnetflusses, ein anderer zweiter Sensor (2) im linken Eisenkern (3) rechts vom Zugang des Permanentmagnetflusses, ein dritter Sensor im rechten Eisenkern (3) links vom Zugang des Permanentmagnetflusses und ein vierter Sensor im rechten Eisenkern (3) rechts vom Zugang des Permanentmagnetflusses und
daß die Sensoren mit einer Signalverarbeitung (20, 19) verbunden sind.

10. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Signalverarbeitung (20, 19), Magnetflußregler (21) und Leistungsstellglied (22) zu einer Baugruppe, einer magnetflußeinprägenden Leistungsendstufe, zusammengefaßt sind.

11. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Sensor (1) je Motorphase die Magnetflüsse (14, 15) mißt,
daß diese Meßwerte von mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung (20, 19) verarbeitet werden und
daß der Magnetflußregler (21) die verarbeiteten Magnetflußmeßwerte und die Führungsgrößen (16) für die Magnetflüsse (14, 15) verknüpft, um durch Ansteuerung des Leistungsstellgliedes (22) genau solche elektrischen Ströme durch die Wicklungen (4) einzustellen, die möglichst exakt zu den von der Führungsgrößen geforderten Magnetflüssen (14, 15) führen.

12. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß zu einer Motorphase mehrere Wicklungen (4) gehören und
daß jeder Wicklung (4) ein eigener Magnetflußregler (21) zugeordnet ist.

13. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
falls mehrere Wicklungen (4) zu einer Phase gehören, diesen Wicklungen (4) ein gemeinsamer Magnetflußregler (21) zugeordnet ist und mindestens in einem Magnetkreis dieser Motorphase mindestens ein Sensor (1) zur Messung der Magnetflüsse (14, 15) eingebracht ist.

14. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß falls mehreren Wicklungen (4) der gleichen Phase ein gemeinsamer Magnetflußregler (21) zugeordnet ist, zur Erhöhung der Genauigkeit weitere oder alle Magnetkreise dieser Phase mit Sensoren (1) zur Messung der Magnetflüsse (14, 15) ausgestattet sind, deren gemittelte Meßwerte mindestens einem gemeinsamen Magnetflußregler (21) zugeführt werden.

15. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch Auswertung der Differenz zwischen Soll- und Ist-Magnetfluß ein Belastungssignal gebildet und einer Auswerteeinheit zugeführt wird.

16. Direktantrieb mit einem internen Sensor je Motorphase und Magnetflußregelung ohne und mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Sensor (1) je Motorphase, der den Magnetfluß (14, 15) mißt, mit Eisenkernen (3) einer Aktiveinheit (14) verbunden ist und ein vom Magnetfluß (14, 15) in der Nähe des Sensors abhängiges Signal aufnimmt,
der Sensor (1) von einem Magnetfluß (15) durchströmt wird, der seinen Richtungssinn wechselt, und einem Magnetfluß (14) durchströmt wird, der seinen Richtungssinn nicht wechselt,
eine Signalverarbeitungseinheit (20, 19) angeordnet ist, die in den Verfahrensansprüchen dargestellten Verfahrensschritte, bei verstärkter Positionsabhängigkeit inklusive Ermittlung des strombedingten Magnetflusses durch Messung des Spannungsabfalles über einem Strommeßwiderstand oder durch Herauslösung des strombedingten Magnetflusses aus den Sensormeßwerten ausführt, um ein auswertbares Signal dem Magnetflußregler (21) bereitzustellen,
aus einem Magnetflußregler (21) besteht, der die ermittelten Magnetfluß-Istwerte von der Signalverarbeitungseinheit (20, 19) und mindestens einer Führungsgröße (16) empfängt, diese in üblicher Weise des Regelns verarbeitet und ein Signal an das Leistungsstellglied (22) abgibt,
und daß mindestens ein Leistungsstellglied (22) für jede Phase angeordnet ist.

17. Direktantrieb mit Magnetflußregelung mit 2 Sensoren je Motorphase ohne und mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Sensoren je Motorphase, die die Magnetflüsse (14, 15) messen, mit Eisenkernen (3) einer Aktiveinheit (14) verbunden sind und ein vom Magnetfluß (14, 15) in der Nähe des Sensors (1) abhängiges Signal aufnehmen,
die Sensoren (1, 2) von einem Magnetfluß (15), der seinen Richtungssinn wechselt, und einem Magnetfluß (14), der seinen Richtungssinn nicht wechselt, durchströmt werden,
einer der Sensoren (1) im Eisenkernbereich (10) angeordnet ist, in dem zu einem Zeitpunkt die Magnetflüsse (14 und 15) gleichsinnig gerichtet sind,
und der andere Sensor (2) im Eisenkernbereich (11) angeordnet ist, in dem zum gleichen Zeitpunkt die Magnetflüsse (14 und 15) entgegengerichtet sind,
und eine Signalverarbeitungseinheit (20, 19) angeordnet ist, die die in den Verfahrensansprüchen dargestellten Verfahrensschritte ausführt, um ein auswertbares Signal dem Magnetflußregler (21) bereitzustellen und
die, bei verstärkter Positionsabhängigkeit und ohne Gewinnung einer den Phasenstrom repräsentierenden Größe aus den Sensorwerten, eine Ermittlung des strombedingten Magnetflusses (15) durch Messung des Spannungsabfalles über einem Strommeßwiderstand (27) ausführt,
einem Magnetflußregler (21), der die ermittelten Magnetfluß-Istwerte von der Signalverarbeitungseinheit (20) und mindestens eine Führungsgröße (16) empfängt, diese in üblicher Weise des Regelns verarbeitet und ein Signal an das Leistungsstellglied (22) abgibt,
und mindestens einem Leistungsstellglied (22) für jede Phase.

18. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Magnetflußeinprägung (26) geschaffen wird, die je Motorphase mindestens aus einer Signalverarbeitung (20, 19), mindestens einem Magnetflußregler (21), der als Eingangsgrößen mindestens einen Magnetfluß-Istwert und mindestens eine Führungsgröße (16) verarbeitet, sowie mindestens einem Leistungsstellglied (22) besteht, um genau solche Phasenströme durch die Spulensysteme (4) einzustellen, die möglichst exakt zu den von der Führungsgröße (16) geforderten Magnetflüssen (14, 15) führen.

19. Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 1 Sensor je Motorphase ohne verstärkte Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Der verstärkte Meßwert des Sensors (1) wird digitalisiert.
• 2. Ein Vergleich dieses Meßwertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, wird durchgeführt,
  und es wird ein Index i bestimmt, bei dem die größte Übereinstimmung vorliegt.
• 3. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die den unverfälschten Ist-Magnetflüssen beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen.
• 4. Der ermittelte Wert repräsentiert den unverfälschten, Ist-Magnetfluß und wird dem Magnetflußregler (21) der zugehörigen Motorphase als Istwert zugeführt.
• 5. Der Magnetflußregler (21) ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflusses die Führungsgröße für das Leistungsstellglied (22).

20. Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 1 Sensor je Motorphase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Der verstärkte Meßwert des Sensors (1) wird digitalisiert.
• 2. Ein Vergleich dieses Meßwertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, wird durchgeführt,
  und es wird ein Index i bestimmt, bei dem die größte Übereinstimmung vorliegt.
• 3. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die den unverfälschten Ist-Magnetflüssen beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen und so stark verstärkt wurden, daß sie, wenn der strombedingte Anteil subtrahiert wird, in ihrer Amplitude dem Sollwert des Magnetflusses entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen. Der ermittelte Wert repräsentiert den unverfälschten Ist-Magnetfluß.
• 4. Es erfolgt die Digitalisierung des als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand ermittelten Wicklungsstromes der entsprechenden Motorphase.
• 5. Ein Vergleich dieses Wertes mit Werten eines Feldes" das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, ergibt einen Index i an der Stelle bester Übereinstimmung.
• 6. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die dem erwarteten Anteil des strombedingten Magnetflusses (15) beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen. Der ermittelte Wert repräsentiert den momentanen Anteil des strombedingten Magnetflusses (15).
• 7. Der herausgelöste positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß (14) ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 3 und Schritt 6 ermittelten Werte, unverfälschter Ist-Magnetfluß minus Anteil des strombedingten Magnetflusses. Der positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgröße zugeführt.
• 8. Der Magnetflußregler (21) ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflusses die Führungsgröße für das Leistungsstellglied (22).

21. Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motorphase ohne verstärkte Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte (1, 2) einer Motorphase werden separat durch Offsetjustage und Verstärkung normiert. Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes eine sinusähnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und dem halben maximalen Betrag der Führungsgröße des Leistungsstellgliedes (22) Einheiten, zum Beispiel 0 Volt bis 5 Volt ergibt.
• 2. Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert, um ein bipolares offsetfreies Signal doppelter Amplitude zu erhalten. Im ungestörten Betriebsfall soll die Amplitude des subtrahierten Signals gut mit der Amplitude der Führungsgröße für das zugehörige Leistungsstellglied (22) übereinstimmen. Das durch Subtraktion der normierten Sensorwerte ermittelte Signal wird im folgenden als Ist-Magnetfluß genutzt und dem Magnetflußregler als Istgröße zugeführt.
• 3. Der Magnetflußregler (21) ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflusses die Führungsgröße für das Leistungsstellglied (22).

22. Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motorphase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte mit Verwendung des gemessenen Phasenstromes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte (1, 2) einer Motorphase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert. Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren (1) gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusähnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und dem halben maximalen Betrag der Führungsgröße des Leistungsstellgliedes (22) Einheiten ergibt. Die Motorwicklung wird wieder normal bestromt.
• 2. Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert. Das Ergebnis wird als Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benötigt.
• 3. Es folgt die Digitalisierung des als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand ermittelten Wicklungsstromes der entsprechenden Motorphase.
• 4. Durch einen Vergleich dieses Wertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, wird der Index i an der Stelle bester Übereinstimmung ermittelt.
• 5. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die dem erwarteten Anteil des strombedingten Magnetflusses beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen. Der ermittelte Wert repräsentiert den momentanen Anteil des strombedingten Magnetflusses (15).
• 6. Der herausgelöste positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil (14) im ermittelten Magnetfluß ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 2 und Schritt 5 ermittelten Werte, Magnetflußzwischenwert minus Anteil des strombedingten Magnetflusses. Der positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil (14) wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler (21) als Istgröße zugeführt.
• 7. Der Magnetflußregler (21) ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Führungsgröße für das jeweilige Leistungsstellglied (22).

23. Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motorphase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte ohne die Notwendigkeit den Phasenstrom direkt zu messen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte (1, 2) einer Motorphase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert. Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusähnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und halben maximalen Betrag der Führungsgröße des Leistungsstellgliedes (22) Einheiten ergibt. Die Motorwicklung wird wieder normal bestromt.
• 2. Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert. Das Ergebnis wird als subtrahierter Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrenschritte benötigt.
• 3. Die beiden normierten Sensormeßwerte werden addiert. Das Ergebnis wird als addierter Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrenschritte benötigt.
• 4. Die addierten Magnetflußzwischenwerte werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert, so daß ein Wert zwischen etwa 0 und maximaler Betrag der Führungsgröße des Leistungsstellgliedes (22) Einheiten entsteht, der nahezu keinen permanentmagnetbedingten Anteil aufweist, beziehungsweise fast ausschließlich vom Phasenstrom abhängig ist.
• 5. Der Offset des addierten Magnetflußzwischenwertes wird durch Subtraktion eines Offsetwertes beseitigt und das entstandene Signal wird verstärkt, so daß ein normierter addierter Magnetflußzwischenwert entsteht, dessen Wert etwa zwischen 0 und maximaler Betrag des strombedingten Anteils des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes Einheiten liegt, der nahezu keinen permanentmagnetbedingten Anteil aufweist, beziehungsweise fast ausschließlich vom Phasenstrom abhängig ist.
• 6. Wenn der subtrahierte Magnetflußzwischenwert einen positiven Wert aufweist, wird der zugehörige normierte addierte Magnetflußzwischenwert subtrahiert, ansonsten werden subtrahierter Magnetflußzwischenwert und addierter Magnetflußzwischenwert addiert, so daß sich die phasenstrombedingten Anteile des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes und des addierten Magnetflußzwischenwertes gegenseitig aufheben und der gesuchte permanentmagnetbedingte Anteil des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes herausgelöst ist. Der positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgröße zugeführt.
• 7. Der Magnetflußregler (21) ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Führungsgröße für das jeweilige Leistungsstellglied (22).

24. Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung mit 4 Sensoren je Motorphase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23 ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• 1. Die beiden äußeren um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motorphase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert. Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgt so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusähnliche Kurve zwischen 0 Einheiten und halben maximalen Betrag der Führungsgröße der Leistungsstellglieder (22) Einheiten ergibt. Die jeweilige Motorwicklung wird wieder normal bestromt.
• 2. Die beiden äußeren normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert. Das Ergebnis wird als äußerer Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benötigt.
• 3. Der Verfahrensschritt 3 ist wie der Verfahrensschritt 1, jedoch für die beiden inneren Sensoren (1) auszuführen.
• 4. Die beiden inneren normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert. Das Ergebnis wird als innerer Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrenschritte benötigt.
• 5. Ein Signal, das stark vom Wicklungsstrom abhängt, erhält man, indem vom inneren Magnetflußzwischenwert der äußere Magnetflußzwischenwert subtrahiert wird. Durch Verstärkung dieses Signals erhält man den strombedingten Anteil des Magnetflusses.
• 6. Der herausgelöste positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 2 und Schritt 5 ermittelten Werte, äußerer oder innerer Magnetflußzwischenwert minus strombedingter Anteil des Magnetflusses. Der positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgröße zugeführt.
• 7. Der Magnetflußregler ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Führungsgröße für das Leistungsstellglied (22).

25. Verfahren zur Magnetflußregelung und zur Positionserfassung bei mehr als 2 Sensoren je Motorphase nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. Sensormeßwerte gemittelt werden, indem n Sensormeßwerte addiert werden und die Summe durch die Anzahl n dividiert wird und/oder
• 2. daß mehrere Magnetflußregler je Motorphase verwendet werden, die autark arbeiten und die gleichen Magnetfluß-Sollwerte als Führungsgrößen erhalten.

26. Verfahren zur Magnetflußregelung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Abhängigkeit der Magnetflüsse von der positionsabhängigen, lokalen Zahnüberdeckungsfläche ein Positionierfehler in Form vom Sollwert abweichender Magnetflußmeßwerte erkannt wird und daß dieser Positionierfehler durch Nachregelung der Magnetflüsse zumindest teilweise korrigiert wird, was zu einer erhöhten Steifigkeit in Bewegungsrichtung führt.

27. Verfahren zur Magnetflußregelung und zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der Magnetflußmeßwerte von der Position bzw. der lokalen Zahnüberdeckungsfläche erhöht wird, indem zusätzlich durch mindestens einen Sensor (1) an einem oder mehreren anderen Meßpunkten des selben Magnetkreises ein Magnetfluß gemessen wird, der sich infolge eines anderen Abstandes zur Wicklung (4) aus einem anderen Verhältnis von wicklungsstrombedingten und permanentmagnetbedingten Magnetfluß (15, 14) zusammensetzt und daß durch eine Signalverarbeitungseinrichtung (20) aus den Magnetflußmeßwerten, der vorwiegend positionsabhängige, permanentmagnetbedingte Magnetfluß herausgelöst wird.

28. Verfahren zur Magnetflußeinprägung und zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Abhängigkeit der Magnetflüsse vom Arbeitsluftspalt, anhand der Magnetflußmeßwerte eine Abweichung von der Sollgröße des Arbeitsluftspaltes erkannt und durch Nachregelung des Wicklungsstromes der Magnetfluß und der Arbeitsluftspalt zumindest teilweise korrigiert werden kann, wodurch sich auch eine aktive Schwingungsdämpfung realisieren läßt.

29. Verfahren zur Zustandsbeobachtung von Schrittantrieben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetflußmeßwerte der Sensoren (1) in den Magnetkreisen nicht nur zur Regelung der Magnetflüsse sondern auch zur Zustandsbeobachtung des Antriebes eingesetzt werden können, um den Antrieb besser steuerbar zu machen und daß somit Schrittfehler auch ohne die Regelung der Magnetflüsse erkannt werden können, indem der durch Signalverarbeitung aus den weitestgehend positionsabhängigen, permanentmagnetbedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte gewonnene Positions-Istwert mit dem durch die Führungsgröße vorgegebenen Sollwert der Position verglichen wird.

30. Direktantrieb mit internen Sensoren zur Positionserfassung bei Schrittmotoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 29 bestehend aus:

• - einer Aktiveinheit (12) aus Spulensystemen (4) mit Eisenkernen (3) und Permanentmagnetsystemen (5) zur Erzeugung von Magnetflüssen (15, 14),
• - einer Passiveinheit (13) zur Leitung der Magnetflüsse (14, 15) beziehungsweise zur Erzeugung von Permanentmagnetflüssen,
• - einer Führungseinheit (7) zur Gewährleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit (12) und Passiveinheit (13),
• - mindestens einem Leistungsstellglied (22) je Motorphase zur Bereitstellung der Phasenströme.
• - mindestens einem Führungsgrößengeber (17) für die Leistungsstellglieder (22),
• - mindestens einem internen Sensor (1) je Motorphase, der zur Messung des Magnetflusses (14, 15) geeignet ist,
• - mindestens zwei Signalverarbeitungseinrichtungen (20) je Motor beziehungsweise je Koordinate bei Mehrkoordinatenantrieben, in der Regel eine Signalverarbeitungseinrichtung (20) je Motorphase, zur Verarbeitung der Meßwerte der internen Sensoren (1),
• - mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung (28) zur Positionserfassung aus den von Signalverarbeitungseinrichtungen (20) vorverarbeiteten Meßwerten von internen Sensoren (1) der Motorphasen,

31. Verfahren zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausnutzung der Zahnteilung als Maßverkörperung bei Schrittmotoren bzw. bei Direktantrieben, die nach dem Schrittmotorprinzip arbeiten, aus den permanentmagnetbedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte von Sensoren (1) Weg- oder Winkel-Informationen gewonnen werden können, bei Durchführung folgender Verfahrensschritte:

• 1. Beschaffung der permanentmagnetbedingten Anteile der Magnetflußmeßwerte von Sensoren (1) im Antrieb, so daß von mindestens 2 Motorphasen permanentmagnetbedingte Magnetflußsignale (14) vorliegen, die weitgehend unabhängig vom Phasenstrom und nahezu nur von der Position abhängig sind;
• 2. Berechnung des Winkels α aus diesen Signalen (14) nach einem Verfahren entsprechend dem Stand der Technik;
  bei 2 Phasen ergibt sich der Winkel α aus dem Arcustangens vom Magnetflußsignal (14) der Sinusphase dividiert durch das Magnetflußsignal (14) der Cosinusphase,
  bei linearen Direktantrieben wird der Winkel bekannterweise in einen Weg umgerechnet, indem der Winkel α in Grad multipliziert mit der Periodenlänge durch 360° dividiert wird;
• 3. Berechnung des Periodenzählerstandes durch Zählung von Periodenübergängen unter Benutzung des in Verfahrensschritt 2 berechneten Winkels α, indem der Periodenzähler bei einem Winkelsprung von etwa < 270° nach etwa < 90° inkrementiert wird und bei einem Winkelsprung von etwa < 90° nach etwa < 270° dekrementiert wird, das heißt wenn der momentane Winkel 3° beträgt und der vorhergehende Winkel 352° war, dann wird der Periodenzähler inkrementiert;
• 4. Berechnung der absoluten Position x durch Multiplikation der Länge der Teilungsperiode mit dem Periodenzählerstand und anschließende Addition des im Verfahrensschritt 2 berechneten Weges innerhalb der Periode; bei rotatorischen Direktantrieben wird zusätzlich zum Periodenzähler ein Umdrehungszähler verwendet, dessen Zählerstand sich berechnet aus dem abgerundeten, ganzzahligen Wert aus Periodenzählerstand geteilt durch Periodenanzahl einer Umdrehung.

32. Direktantrieb mit internen Sensoren zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß systematische Fehler bei der Positionserfassung, wenn sie auf systematisch abweichende Winkel α zurückzuführen sind, korrigiert werden können, indem der in Verfahrensschritt 2 berechnete Winkel α als Index zur Ermittlung eines Korrekturwertes aus einer Korrekturtabelle genutzt wird, wobei die Korrekturtabelle nach im Stand der Technik bekannten Verfahren generiert wird.

33. Verfahren zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß A/D-Wandler die analogen Meßwerte digitalisieren, ein Rechner oder eine kombinatorische Schaltung die Verfahrensschritte 1 bis 4 nach Anspruch 31 zur Positionsbestimmung abarbeitet und die ermittelte Position x oder den Winkel α ausgibt.