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 Magnetfüssen 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-Kennlinie 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 4233 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 Wicklungstromes 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 Wicklungströme
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 wicklungstrombedingte, 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
Wicklungsstrommeßwert,
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 permanent, 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
Regelun der Magnetflüsse
vorgeschlagen bestehend aus:
- • einer Aktiveinheit
aus Spulensystemen mit Eisenkernen und Permanentmagnetsystemen 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 Permanentmagnetsystem 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 Schenkeln
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
abgibt, 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-Istwerte 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 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 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 Wicklungstromes 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 subtrahieren 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 Einheiten 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-Istwert
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 folgender 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 1 bzw. 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 9 dargestellten
Verlauf und lassen sich näherungsweise
wie folgt beschreiben: Φ1 = ((Φ1Pmax + Φ1Smax)·sin(2πx/τ)) + ΦPgleich (1) Φ2 =
((Φ2Pmax + Φ2Smax)·sin(2πx/τ) + ΦPgleich) (2)
Durch
Differenzbildung der Meßwerte
von Sensor 1 und Sensor 2 wird der zur Übergabe
an den Regler geeignete Magnetfluß-Istwert ΦIst ermittelt: ΦIst = Φ1 – Φ2 = (Φ1Pmax + Φ1Smax + Φ2Pmax + Φ2Smax)·sin(2πx/τ) (3)
Die
Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ läßt sich durch Differenzbildung
von Führungsgröße Φsoll und gewonnen Istwert des Magnetflusses Φist ermitteln: ΔΦ = Φsoll – Φist (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 = ((Φ1Pmax + Φ1smax)·sin(2πx/τ)) + ΦPgleich (1) Φ2 =
((Φ2Pmax + Φ2Smax)·sin(2πx/τ) + ΦPgleich) (2)
Für den wicklungsstrombedingten
Anteil des Magnetflusses kann vereinfacht geschrieben werden: ΦS =
(Φ1Smax + Φ2Smax)·sin(2πx/τ) (3)
Die
Strommeßwerte
sind proportional zu den wicklungsstrombedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte ΦS. Die mit einem Proportionalitätsfaktor
v multiplizierten Strommeßwerte
I werden als wicklungsstrombedingter Anteil des Magnetflusses ΦS benutzt. Der Faktor v wird so gewählt, daß gilt: I·v = (Φ1Smax + Φ1Smax)·sin(2πx/τ) (4)
Durch
Differenzbildung der Meßwerte
von Sensor 1 und Sensor 2 und anschließende Subtraktion
des wicklungsstrombedingter Anteil des Magnetflusses ΦS wird der zur Übergabe an den Regler geeignete
Magnetfluß-Istwert ΦIst ermittelt: ΦIst = (Φ1Pmax + Φ1Smax + Φ2Pmax + Φ2smax)·sin(2πx/τ) – ΦS (5)
Die
Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ läßt sich durch Differenzbildung
von Führungsgröße Φsoll und gewonnen Istwert des Magnetflusses ΦIst ermitteln: ΔΦ = Φsoll – Φist (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 7 dargestellten Bauart. Unter der Voraussetzung,
daß die Sensoren 1 an
den in 2 bzw. 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 9 und 10 dargestellten
Verlauf und lassen sich näherungsweise
wie folgt beschreiben: Φ1 = ((Φ1Pmax + Φ1Smax)·sin(2πx/τ)) + ΦPgleich (1) Φ2 =
((Φ2Pmax + Φ2Smax)·sin(2πx/τ) + ΦPgleich) (2) Φ3 =
((Φ3Pmax + Φ3Smax)·sin(2πx/τ)) + ΦPgleich (3) Φ4 =
((Φ4Pmax + Φ4Smax)·sin(2πx/τ) + ΦPgleich) (4)
Durch
Differenzbildung der Meßwerte
von Sensor 1 und Sensor 2 wird ein Wert ΦA ermittelt: ΦA = Φ1 – Φ2 = (Φ1Pmax + Φ1Smax + Φ2Pmax + Φ2Smax)·sin(2πx/τ) (5)
Durch
Differenzbildung der Meßwerte
von Sensor 3 und Sensor 4 wird ein Wert ΦB ermittelt: ΦB = Φ3 – Φ4 = (Φ3Pmax + Φ3Smax + Φ4Pmax + Φ4Smax)·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: Φ1Pmax = Φ2Pmax = Φ3Pmax = Φ4Pmax (7)
Durch
Differenzbildung der Werte von ΦB und ΦA kann unter Berücksichtigung von Gleichung
(7) der Wert ΦSdiff ermittelt werden, der weitgehend nur
vom wicklungsstrombedingten Magnetfluß und nicht vom permanentmagnetbedingten
Magnetfluß abhängig ist: ΦSdiff = ΦB – ΦA = ((Φ3Smax + Φ4Smax) – (Φ1Smax + Φ2Smax))·sin(2πx/τ) (8)
Durch
die Verstärkung
des weitgehend nur wicklungsstromabhängigen Wertes ΦSdiff mit einem konstanten Verstärkungsfaktor
k entsteht der Wert ΦS: ΦS = k·ΦSdiff = ((Φ3Smax + Φ4Smax)·(Φ1Smax + Φ2Smax)·k·sin(2πx/τ) (9)
Der
konstante Verstärkungsfaktors
k ist so zu wählen,
daß gilt: k·ΦSdiff =
(Φ1Smax + Φ2Smax)·sin(2πx/τ) (10)
Durch
Differenzbildung von ΦA und ΦS kann der gewünschte weitgehend positionsabhängige permanentmagnetbedingte
Anteil aus dem Wert von ΦA herausgelöst werden: Φist = ΦA – ΦS = (Φ1Pmax + Φ2Pmax)·sin(2πx/τ) (11)
Die
Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ läßt sich durch Differenzbildung
von Führungsgröße Φsoll und gewonnen Istwert des Magnetflusses Φist ermitteln. ΔΦ = Φsoll – Φisc (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 Wicklungstromes.
