DE19944809C2 - Method for starting a three-phase electronically commutated electric motor and electric drive device therefor - Google Patents

Method for starting a three-phase electronically commutated electric motor and electric drive device therefor

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren eines dreiphasigen elektronisch kommutierten Elektromotors und eine elektrische Antriebsvorrichtung dafür.The invention relates to a method for starting a three-phase electronically commutated electric motor and one electric drive device therefor.

Bei Werkzeugmaschinen und bei Handhabungsvorrichtungen, insbesondere im Bereich der Halbleiterfertigung, ist es erforderlich, schnelle Bewegungen von Baugruppen mit hoher Positioniergenauigkeit zu ermöglichen.For machine tools and handling devices, especially in the field of semiconductor manufacturing, it is required rapid movements of assemblies with high To enable positioning accuracy.

Ein allgemein bekanntes Antriebssystem zum präzisen und hochdynamischen Positionieren besteht aus einer mechanischen Führungsvorrichtung zur. Führung und Wandlung einer Bewegung und einer elektrisch betriebenen Antriebsvorrichtung, mit der Kräfte und/oder Momente generiert werden, durch die die mechanische Führungsvorrichtung auf eine vorbestimmte Weise hinsichtlich Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu bewegen ist.A well known drive system for precise and highly dynamic positioning consists of a mechanical Guide device for. Leading and changing a movement and an electrically operated drive device with which Forces and / or moments are generated by which the mechanical guide device in a predetermined manner in terms of distance, speed and acceleration is moving.

Die elektrische Antriebsvorrichtung umfaßt dabei wenigstens eine Positionserfassungsvorrichtung, eine Bewegungsregelungs­ einrichtung, eine Stromregelungseinrichtung und einen elektronisch kommutierten Motor.The electric drive device comprises at least a position detection device, a motion control device, a current control device and one electronically commutated motor.

Die Positionserfassungsvorrichtung kann einen Inkrementalgeber (Encoder) und/oder einen Linearmaßstab umfassen, welche eine Positionsänderung erfassen und diese in Verbindung mit einer Referenzmarke (Indexsignal) der Bewegungsregelungseinrichtung die Informationen über die Position des bewegten mechanischen Systems bereitstellen.The position detection device can be one Incremental encoder (encoder) and / or a linear scale include, which detect a change in position and this in Connection with a reference mark (index signal) of the  Movement control device the information on the Provide the position of the moving mechanical system.

Die Bewegungsregelungseinrichtung vergleicht die aktuelle Sollposition des bewegten mechanischen Systems mit der von der Positionserfassungsvorrichtung gelieferten Istposition und berechnet daraus unter Berücksichtigung des vorgegebenen Bewegungsverlaufes und bekannter oder geschätzter Parameter der mechanischen Antriebsvorrichtung eine elektrische Stellgröße (vgl. CRAIG, J. J.: "Adaptive Control of Mechanical Manipulators", Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1988; SLOTINE, J. J und LI, W: "Adaptive Manipulator Control: A Case Study" in: IEEE Transactions on Automatic Control, AC33, pp. 995-1003, 1988). Eine bekannte Bewegungsregelungseinrich­ tung besteht aus einem digitalen Signalprozessor oder Industrie-PC, auf dem ein Regelalgorithmus in einem festen Reglertakt abgearbeitet wird. Darüber hinaus weist die Bewegungsregelungseinrichtung Schnittstellen für die Positionserfassung und die Stellgrößenausgabe auf. Die Stellgrößenausgabe kann über ein auf +/-10 V normiertes analoges Signal erfolgen, das von der nachgeschalteten Stromregelungseinrichtung als dem Stromsollwert proportional interpretiert wird. Hierbei entspricht eine Stellgröße von +10 V dem maximalen Motorimpulsstrom.The motion control device compares the current one Target position of the moving mechanical system with that of the position detection device delivered actual position and calculated from it taking into account the given Course of movement and known or estimated parameters the mechanical drive device an electrical Manipulated variable (cf. CRAIG, J. J .: "Adaptive Control of Mechanical Manipulators ", Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1988; SLOTINE, J.J and LI, W: "Adaptive Manipulator Control: A Case Study "in: IEEE Transactions on Automatic Control, AC33, pp. 995-1003, 1988). A well-known motion control device device consists of a digital signal processor or Industrial PC on which a control algorithm in a fixed Controller cycle is processed. In addition, the Movement control device interfaces for the Position detection and the manipulated variable output. The Command value output can be standardized via +/- 10 V. analogue signal made by the downstream Current control device as proportional to the current setpoint is interpreted. Here, a manipulated variable corresponds to +10 V the maximum motor pulse current.

Eine Bewegungsregelungseinrichtung kann die Bewegungsregelung für mehrere Antriebseinheiten (Achsen) durchführen. Dagegen werden für jede Achse je eine Positionserfassungsvorrichtung, eine Stromregelungseinrichtung sowie ein Motor benötigt.A motion control device can control the motion for several drive units (axes). On the other hand one position detection device for each axis, a current control device and a motor are required.

Die Stromregelungseinrichtung kommutiert den Strom entsprechend der Position des Läufers bei einem Linearmotor oder des Rotors bei einem AC-Servomotor auf die Motorphasen und bewirkt, daß der Motorstrom dem Stromsollwert folgt. Der Linearmotor generiert dabei eine seinem Motorstrom proportionale Kraft. Der AC-Servomotor generiert ein seinem Motorstrom proportionales Moment. Fertigungstoleranzen, endliche Leiterdurchmesser und/oder Umwelteinflüsse können bei beiden Motortypen Abweichungen von der Proportionalität bewirken.The current control device commutates the current according to the position of the rotor in a linear motor or the rotor in the case of an AC servo motor on the motor phases and causes the motor current to follow the current setpoint. The Linear motor generates one of its motor current proportional force. The AC servo motor generates one of his Torque proportional to motor current. Manufacturing tolerances, finite conductor diameters and / or environmental influences  deviations from the proportionality in both motor types cause.

Im Idealfall wird die elektrische Stellgröße den nachgeschalteten elektronisch kommutierten Motoren in eine zu der Stellgröße proportionale Kraft oder ein zu ihr proportionales Moment umgewandelt.Ideally, the electrical manipulated variable is the downstream electronically commutated motors in a force proportional to the manipulated variable or a force proportional to it proportional moment converted.

Auf diese Weise können selbst anspruchsvolle Bewegungsabläufe realisiert werden, deren maximalen Bahnabweichungen im µm- Bereich liegen.In this way, even demanding movements can be done whose maximum path deviations are realized in µm Range.

Wie präzise durch die oben beschriebene Konfiguration ein mechanisches System entlang einer vorgegebenen Bahn zu bewegen ist, hängt davon ab, inwieweit die Stromregelungs­ einrichtung und der Motor in der Lage sind, die Stellgrößen, die die Bewegungsregelungseinrichtung ausgibt, in den Stellgrößen proportionale Kräfte oder Momente umzuwandeln.How precise through the configuration described above mechanical system along a given path move depends on the extent to which the current regulation device and the motor are able to control the manipulated variables, which the motion control device outputs in the Convert manipulated variables proportional forces or moments.

Bei einem AC-Servomotor, beispielsweise einem festerregtem dreiphasigem AC-Servomotor mit Permanentmagneten auf dem Rotor, prägt die Stromregelungseinrichtung im Idealfall dem Motor einen Motorstrom i(t) ein, der der Stellgröße u(t) proportional ist, wobei er diesen Strom abhängig vom Drehwinkel ϕ(t) auf die drei Motorphasen verteilt (Kommutierung). Bei ϕ0 eine Motorkonstante, die vom gewählten Nullpunkt abhängt, dann gilt für die Ströme in den Phasen A, B und C, iA, iB bzw. iC,
In the case of an AC servo motor, for example a permanently excited three-phase AC servo motor with permanent magnets on the rotor, the current control device ideally impresses the motor with a motor current i (t) which is proportional to the manipulated variable u (t), which current depends on Angle of rotation ϕ (t) distributed over the three motor phases (commutation). If ϕ 0 is a motor constant that depends on the selected zero point, then the currents in phases A, B and C, i A , i B and i C ,

Ähnliches gilt für einen Linearmotor, beispielsweise einen Linearmotor mit festerregtem Stator und dreiphasigem Läufer. Auch hier ergibt sich im Idealfall eine sinusförmige Strom­ verteilung in den Motorphasen, die jedoch von der Position x(t) des Läufers abhängt. Mit der Pollänge p ergeben sich hier für die Motorphasen die Stromverläufe
The same applies to a linear motor, for example a linear motor with a permanently excited stator and a three-phase rotor. Here, too, there is ideally a sinusoidal current distribution in the motor phases, which, however, depends on the position x (t) of the rotor. With the pole length p, the current profiles result for the motor phases

Diese Stromverteilungen vorausgesetzt erzeugen handelsübliche Motoren beider Typen Momente bzw. Kräfte, die dem einge­ prägten Motorstrom i(t) nahezu proportional sind.These current distributions presuppose commercial ones Motors of both types shaped motor current i (t) are almost proportional.

Da für beide Motortypen die Summe der Ströme in den drei Motorphasen null ergibt, braucht die Stromregelungsein­ richtung nur die Ströme in den Phasen A und B zu regeln, während sich der Strom der dritten Phase automatisch ergibt. Wesentlich ist, daß der Stromregelungseinrichtung hierzu exakte Informationen über die Rotorposition bzw. die Läuferposition zur Verfügung stehen.As for both motor types the sum of the currents in the three Motor phases results in zero, the current control needs to be only to regulate the currents in phases A and B, while the current of the third phase arises automatically. It is essential that the current control device for this exact information about the rotor position or the Runner position are available.

Bei einem AC-Servomotor kann die Rotorlageposition auf einfache Weise bestimmt werden. Hierzu wird ein analoges Meßgerät, ein sog. Resolver, verwendet, das fest mit der Motorwelle verbunden ist und nach entsprechender Justierung die Ausgangssignale
With an AC servo motor, the rotor position can be easily determined. For this purpose, an analog measuring device, a so-called resolver, is used, which is firmly connected to the motor shaft and, after appropriate adjustment, the output signals

liefert. Zusammen mit dem Motorsollstrom i(t) können daraus die Sollströme
supplies. Together with the motor set current i (t), the set currents can be derived from this

der Motorphasen A und B berechnet werden.motor phases A and B can be calculated.

Die Berechnung der Phasensollströme erfolgt bei einer analogen Stromregelungseinrichtung über analoge Schaltkreise. Am Ausgang dieser Schaltkreise liegt für jede der beiden Phasen A und B ein analoges Signal als Stromsollwert vor. Wie beim Motorstromsollwertsignal besitzt dieses Signal einen Wertebereich von +/-10 V, wobei +10 V dem maximalen Impulsstrom der Phase entsprechen. The nominal phase currents are calculated at a analog current control device via analog circuits. The output of these circuits is for each of the two Phases A and B present an analog signal as the current setpoint. How this signal has one for the motor current setpoint signal Value range of +/- 10 V, where +10 V is the maximum Pulse current correspond to the phase.  

Bei einer digitalen Stromregelungseinrichtung können die Berechnungen auch von dessen Mikroprozessor durchgeführt werden.With a digital current control device, the Calculations also carried out by its microprocessor become.

Nachteilig sind jedoch die hohen Kosten eines digitalen Stromreglers.However, the high costs of a digital one are disadvantageous Current controller.

Bei einem Linearmotor ist die Gewinnung der exakten Läuferposition schwieriger, da hier kein dem Resolver vergleichbares einfaches Meßsystem zur Verfügung steht. Dem Antragssteller bekannt sind drei Verfahren, mit denen der Stromregelungseinrichtung die erforderlichen Informationen über die Läuferposition eines Linearmotors zugeführt werden.With a linear motor, the extraction is exact Runner position more difficult because there is no resolver comparable simple measuring system is available. the Applicants are aware of three methods by which the Current control device the necessary information are fed via the rotor position of a linear motor.

Das erste Verfahren wird in Verbindung mit analogen Stromregelungseinrichtungen eingesetzt. Hier wird mit zwei sinusförmigen Hallsensoren, die ein dem Magnetfeld proportionales analoges Ausgangssignal liefern, das Magnet­ feld des Stators gemessen. Zu diesem Zweck werden die beiden Hallsensoren um eine drittel Pollänge gegeneinander vesetzt in einem definierten Abstand zum Läufer fest mit diesem verbunden, so daß sie sämtliche Bewegungen des Läufers exakt mitvollziehen. Unter der Voraussetzung eines sinusförmigen erregenden Magnetfeldes besitzen deren Ausgangssignale die Form
The first method is used in connection with analog current control devices. Here, the magnetic field of the stator is measured with two sinusoidal Hall sensors, which deliver an analog output signal proportional to the magnetic field. For this purpose, the two Hall sensors are offset against each other by a third pole length at a defined distance from the rotor, so that they exactly follow all the movements of the rotor. Assuming a sinusoidal excitation magnetic field, their output signals have the form

Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist jedoch, daß die genannte Voraussetzung eines sinusförmigen erregenden Magnetfeldes bei derzeit verfügbaren Linearmotoren nicht erfüllt ist. Zwar ist das erregende Magnetfeld mit Ausnahme der Randbereiche des Motors periodisch mit der Pollänge p, aber nicht exakt sinusförmig (vgl. DUBBEL: Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Aufl., Seite T7).A disadvantage of the known method, however, is that the mentioned condition of a sinusoidal excitatory Magnetic field in currently available linear motors is satisfied. The excitatory magnetic field is one exception the edge areas of the motor periodically with the pole length p, but not exactly sinusoidal (cf. DUBBEL: paperback for mechanical engineering, 17th ed., page T7).

Für die Eigenschaft des Motors, eine dem Motorstrom proportionale Kraft zu erzeugen, ist die Abweichung von der Sinusform zwar nur von geringer Bedeutung. Da der Läufer des Motors sich gewöhnlich über mehr als eine Pollänge erstreckt, heben sich die Auswirkungen der Inhomogenitäten im erregenden Magnetfeld über den Läuferbereich weitgehend gegeneinander auf.For the property of the motor, one the motor current Generating proportional force is the deviation from the Sine shape is of little importance. Since the runner of the Motors usually extends over more than one pole length,  the effects of the inhomogeneities rise in the exciting Magnetic field over the rotor area largely against each other on.

Deutlicher machen sich diese Inhomogenitäten aber bei der Gewinnung der Information für die Stromkommutierung bemerkbar. Jeder der Hallsensoren mißt das Magnetfeld innerhalb eines verglichen mit den Läuferabmessungen nahezu punktförmigen Bereiches. Inhomogenitäten im erregenden Magnetfeld werden somit durch die Hallsensoren voll erfaßt. Abweichungen des erregenden Magnetfeldes vom sinusförmigen Verlaufs führen deshalb zu Fehlinformationen über die Position des Läufers und bewirken eine ortsabhängige falsche Kommutierung der Phasenströme.However, these inhomogeneities become clearer in the Obtaining information for current commutation noticeable. Each of the Hall sensors measures the magnetic field almost within a compared to the rotor dimensions punctiform area. Inhomogeneities in the exciting The magnetic field is thus fully detected by the Hall sensors. Deviations of the exciting magnetic field from the sinusoidal The course therefore leads to misinformation about the Position of the runner and cause a location-dependent wrong Commutation of the phase currents.

Als Folge davon ist bei gleichem Wert der Stellgröße die Kraft bzw. das Moment, die der Motor erzeugt, je nach Position des Läufers unterschiedlich.As a result, the value is the same for the manipulated variable Force or the moment that the motor generates depending on Position of the runner different.

Das zweite dem Antragssteller bekannte Verfahren kann sowohl bei analogen als auch bei digitalen Stromreglern eingesetzt werden. Hier werden die Ausgangssignale dreier trapezoider Hallsensoren, die bei einer positiven magnetischen Feldstärke ein 1-Signal sonst ein 0-Signal liefern, für eine sogenannte Blockkommutierung ausgewertet. Die trapezoiden Hallsensoren sind um jeweils eine drittel Pollänge versetzt fest mit dem Rotor bzw. Läufer verbunden und werden am ortfesten Magnetfeld ausgerichtet. Bei Verwendung dieser trapezoiden Hallsensoren ergibt sich jedoch eine Stromverteilung, die rechteckförmig von der Rotor- bzw. Läuferposition abhängt, wobei entsprechend der sechs Bereiche, die die Ausgangssignale der Hallsensoren festlegen, sechs verschiedene Stromverteilungen unterscheidbar sind.The second procedure known to the applicant can be either used in both analog and digital current controllers become. Here the output signals of three trapezoids become Hall sensors with a positive magnetic field strength a 1 signal otherwise provide a 0 signal for a so-called Block commutation evaluated. The trapezoidal Hall sensors are firmly offset by a third of the pole length Rotor or rotor connected and are stationary Magnetic field aligned. When using this trapezoid Hall sensors, however, result in a current distribution that depends rectangularly on the rotor or rotor position, being corresponding to the six areas that the Determine the output signals of the Hall sensors, six different power distributions are distinguishable.

Nachteilig ist, daß keine Stromverteilung erhalten wird, die sinusförmig von der Rotor- bzw. Läuferposition abbhängt. Daher ist keine ortsunabhängige konstante Momenten- bzw. Kraftabgabe des Motors bei konstantem Motorstrom möglich. The disadvantage is that no current distribution is obtained depends sinusoidally on the rotor or rotor position. Therefore, there is no constant torque or Power output of the motor possible with constant motor current.  

Bei einem Linearmotor ist ferner nachteilig, daß ein Linearmotor wegen der zu vernachlässigenden mechanischen Reibungsverluste sehr empfindlich auf den Kraftfehler reagiert, welcher sich bei der Blockkommutierung durch die Abweichung von der idealen sinusförmigen Kommutierung ergibt. Insbesondere an den Übergangsstellen zwischen den Polbereichen kommt es zu einem unruhigen Verhalten des Motors. Hierbei kann sich eine stabile Dauerschwingung mit kleiner Amplitude ausbilden, die hörbar ist.A disadvantage of a linear motor is that a Linear motor because of the negligible mechanical Loss of friction very sensitive to the force error reacts, which is in the block commutation by the Deviation from the ideal sinusoidal commutation results. Especially at the transition points between the There is a restless behavior of the polar areas Engine. A stable continuous vibration can occur here form small amplitude that is audible.

Für Anwendungen, bei denen die exakte Verfolgung einer Bahnkurve nicht im Vordergrund steht, ist diese Methode nichtsdestoweniger ein vergleichsweise robuster und kostengünstiger Weg, das Kommutierungsproblem zu lösen.For applications where the exact tracking of a This curve method is not in the foreground nonetheless a comparatively robust and inexpensive way to solve the commutation problem.

Das dritte dem Antragssteller bekannte Verfahren kann nur mittels digitalen Stromregelungseinrichtungen durchgeführt werden. Hier liefert die Positionsmessung über einen inkrementalen Linearmaßstab die Information über die Position des Läufers, die für die Kommutierung der Phasenströme benötigt wird. Ein inkrementaler Linearmaßstab ermöglicht jedoch nur eine relative Positionsbestimmung bezüglich einer Referenzposition, deren exakte Position nach dem Einschalten des Systems zunächst noch unbekannt ist. Grundsätzlich wird diese Position während eines Initialisierungsprozesses gesucht, indem der Motor auf geeignete Weise hin und her bewegt wird. Hier ist diese Möglichkeit jedoch nicht ohne weiteres gegeben, da die für den Initialisierungprozeß erforderliche Bewegung nur erzeugt werden kann, wenn der Motorstrom sinnvoll kommutiert wird, wozu bei dem o. g. Verfahren wiederum die Anfangsposition des Läufers bekannt sein muß. Zur Bestimmung dieser Anfangsposition sind die folgenden Vorgehensweisen Stand der Technik.The third procedure known to the applicant can only carried out by means of digital current control devices become. Here the position measurement delivers over a incremental linear scale the information about the position of the rotor, which is used for the commutation of the phase currents is needed. An incremental linear scale enables however only a relative position determination with respect to one Reference position, its exact position after switching on the system is initially unknown. Basically will this position during an initialization process sought by the engine back and forth in an appropriate manner is moved. Here, however, this possibility is not without given further because the for the initialization process required movement can only be generated if the Motor current is commutated sensibly, for which purpose the above-mentioned. In turn, the process known the start position of the runner have to be. To determine this starting position are the following procedures state of the art.

Zur Bestimmung der Anfangsposition des Läufers werden zwei Verfahren angewandt. To determine the starting position of the runner, two Procedure applied.  

Bei dem ersten, einfacheren Verfahren wird eine Motorphase bestromt, worauf der Läufer eine Ruheposition einnimmt, aus der der für die Kommutierung benötigte Kommutierungsoffset ϕ0 berechnet werden kann.In the first, simpler method, a motor phase is energized, whereupon the runner assumes a rest position from which the commutation offset ϕ 0 required for commutation can be calculated.

Dieses Verfahren versagt jedoch völlig, wenn der Linearmotor vertikal aufgestellt wird und gegen die Schwerkraft arbeiten muß, da durch den Einfluß der Gewichtskraft die Position der Ruhelage verändert wird.However, this procedure fails completely when the linear motor is placed vertically and work against gravity must, because of the influence of the weight, the position of the Rest position is changed.

Auch bei eisenbehafteten Linearmotoren führt dieses Verfahren zu groben Fehlern, da deren Cogging-Kräfte ebenfalls Einfluß auf die Ruheposition haben.This procedure also applies to linear motors with iron gross mistakes, because their cogging forces also influence to have the rest position.

Bei dem zweiten dem Antragssteller bekannten Verfahren wird der Kommutierungsoffset durch Messung der Induktivitäten der Motorphasen bestimmt. Da diese im Idealfall sinusförmig ortsabhängig sind, kann der Kommutierungsoffset durch Vergleich der Phaseninduktivitäten berechnet werden.In the second procedure known to the applicant the commutation offset by measuring the inductances of the Motor phases determined. Since these ideally sinusoidal are commutation offset dependent on location Comparison of the phase inductances can be calculated.

Auch diese Methode führt bei eisenbehafteten Linearmotoren zu einem unsicheren Ergebnis. Selbst bei eisenlosen Linear­ motoren führen Meßfehler bei der Induktivitätsbestimmung zu Problemen bei der Reproduzierbarkeit der Anfangspositions­ bestimmung.This method also leads to linear motors with iron an uncertain result. Even with ironless linear motors lead to measurement errors when determining inductance Problems with the reproducibility of the starting position determination.

Nach einer erfolgreichen Bestimmung des Kommutierungsoffsets ist dieses Verfahren zwar dem ersten in der Fähigkeit, Stellgrößen des Bewegungsregelungseinrichtung in Kräfte des Motors umzusetzen, überlegen.After a successful determination of the commutation offset this method is the first in the ability to Control variables of the motion control device in the forces of Implement motors, consider.

Nachteilig macht sich jedoch der gegenüber dem ersten Verfahren erhöhte technische Aufwand bemerkbar, der zu höheren Kosten führt.However, the disadvantage compared to the first Procedures increased noticeable technical effort, too leads to higher costs.

Es stellt sich daher die Aufgabe, die oben beschriebenen Probleme bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zu überwinden und eine zuverlässige und kostengünstige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. It is therefore the task described above Problems with a method of the type mentioned at the beginning overcome and a reliable and affordable Specify device for performing the method.  

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zum Anfahren eines elektronisch kommutierten Elektromotors, der wenigstens folgende Einzelteile umfasst:
The method according to the invention is suitable for starting an electronically commutated electric motor which comprises at least the following individual parts:

  • - einen ortsfesten Stator- a stationary stator
  • - einen beweglichen Rotor oder einen Läufer- a movable rotor or a rotor
  • - je Motorphase wenigstens einen mit dem Rotor oder mit dem Läufer verbundenen Lagesensor,- At least one with the rotor or with the per motor phase Position sensor connected to the rotor,

mit folgenden Verfahrensschritten:with the following process steps:

  • - Erfassung des ortsfesten Magnetfelds im Stator mittels trapezoider Hallsensoren,- Detection of the fixed magnetic field in the stator using trapezoidal Hall sensors,
  • - Ermittlung der Ausgangssignale der Lagesensoren,- determination of the output signals of the position sensors,
  • - Grobe Berechnung einer Startposition des Rotors oder des Läufers relativ zum ortsfesten Magnetfeld,- Rough calculation of a starting position of the rotor or Rotor relative to the fixed magnetic field,
  • - Auslösen einer Initialisierungsbewegung des Rotors oder des Läufers durch blockförmig kommutierende Bestromung der Motorphasen,- Triggering an initialization movement of the rotor or Runners through block-shaped commutation of the current Motor phases,
  • - Aufnahme der Lagesensorsignale während der Bewegung des Rotors oder Läufers und Bestimmung des Lagewertes wenigstens einer Übergangsstelle der Hallsignale- Recording the position sensor signals during the movement of the Rotor or rotor and determination of the position value at least one transition point of the Hall signals
  • - Berechnung eines Kommutierungsoffsetwertes aus den Lagewerten einer oder mehrerer Übergangsstellen- Calculation of a commutation offset value from the Position values of one or more transition points
  • - Einleiten einer geregelten Bewegung des Rotors oder Läufers mit sinusförmiger Kommutierung der Motorphasen durch Auswertung der Lagesensoren unter Einbeziehung des Kommutierungsoffsetwertes.- Initiate a regulated movement of the rotor or rotor with sinusoidal commutation of the motor phases Evaluation of the position sensors including the Kommutierungsoffsetwertes.

Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, daß das technisch einfach umzusetzende Verfahren einer Blockkommutierung als Vorbereitung für die anschließende Sinuskommutierung durchgeführt wird. Es werden demnach durch eine Initiali­ sierungsfahrt des Motors, bei der es nicht auf eine sehr genaue Bahnverfolgung ankommt, mittels der einfachen Block­ kommutierung nur diejenigen Daten, insbesondere der Kommutierungsoffset, ermittelt, die zur anschließenden präzisen Steuerung des elektronisch kommutierten Motors mittels Sinuskommutierung erforderlich sind. Die Vorteile der Block- und der Sinuskommutierung werden in neuer und erfinderischer Weise kombiniert.It is particularly advantageous that this is technical Block commutation methods that are easy to implement Preparation for the subsequent sinus commutation is carried out. Accordingly, an initiali drive of the engine, where it is not on a very accurate tracing arrives by means of the simple block commutation only those data, especially the Commutation offset, determined for subsequent precise control of the electronically commutated motor using sinus commutation are required. The advantages of  Block and sine commutation are new and combined in an inventive manner.

Eine elektrische Antriebsvorrichtung für einen dreiphasigen elektronisch kommutierten Elektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens folgende Einzelteile:
An electrical drive device for a three-phase electronically commutated electric motor according to the present invention comprises at least the following individual parts:

  • - eine Positionserfassungsvorrichtung mit wenigstens einem Meßsystem pro Achse,- A position detection device with at least one Measuring system per axis,
  • - eine Vorrichtung zu Erfassung des stationären Magnetfeldes mit wenigstens einem trapezoiden Hallsensor je Motorphase, wobei die Hallsensoren mit dem Rotor oder Läufer fest verbunden sind und um ein Drittel der Pollänge gegeneinander versetzt angeordnet sind,- A device for detecting the stationary magnetic field with at least one trapezoidal Hall sensor per motor phase, the Hall sensors fixed to the rotor or rotor connected and by a third of the pole length are offset from each other,
  • - eine Bewegungsregelungseinrichtung (50) und- A motion control device ( 50 ) and
  • - eine Stromregelungseinrichtung (40) zur Bestromung der Phasen des Elektromotors in Abhängigkeit von einem von der Bewegungsregelungseinrichtung vorgegebenen Stromsollwert.- A current control device ( 40 ) for energizing the phases of the electric motor as a function of a current setpoint specified by the motion control device.

Dabei erzeugt die Bewegungsregelungseinrichtung für zwei der drei Phasen des Elektromotors einen Stromsollwert in Abhängigkeit von den Signalen der Positionserfassungs­ vorrichtung.The motion control device generates two of the three phases of the electric motor a current setpoint in Dependence on the signals of the position detection contraption.

Vorteilhaft ist hierbei, daß handelsübliche und kosten­ günstige analoge Stromregelungsvorrichtungen verwendet können, bei der die analogen Schaltkreise zur Berechnung der Stromsollwerte der Phasen A und B entfernt oder gar nicht erst implementiert sind. Es sind also keine teuren digitalen Stromregelungseinrichtungen erforderlich. Die Stromsollwert­ berechnung kann in einem digitalen Bewegungsregler software­ mäßig realisiert werden. Durch die Stromreglungseinrichtung sind bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvor­ richtung nur noch die Ströme der Motorphasen gemäß den von der Bewegungsreglungseinrichtung vorgegebenen Sollwerten zu regeln.The advantage here is that commercial and cost cheap analog current control devices used can, in which the analog circuits to calculate the Current setpoints of phases A and B removed or not at all are only implemented. So they're not expensive digital ones Current control devices required. The current setpoint calculation can be done in a digital motion controller software be realized moderately. By the current control device are in an electric drive according to the invention direction only the currents of the motor phases according to the to the movement control device predetermined target values regulate.

Die Vorrichtung der Erfindung ist zur Bewegungsregelung von AC-Servomotoren und Linearmotoren gleichermaßen geeignet. The device of the invention is for movement control of AC servomotors and linear motors are equally suitable.  

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments are the sub claims.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:The invention is described below with reference to the drawing and explained in more detail using exemplary embodiments. The Figures show:

Fig. 1 eine elektrische Antriebsvorrichtung mit einem AC- Servomotor in einer schematischen Übersicht; und Fig. 1 is an electric drive device with an AC servo motor in a schematic overview; and

Fig. 2 der über der Zeit aufgetragene Signalverlauf bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten elektrischen Antriebsvorrichtung. Fig. 2, the coated versus time waveform for an inventive electrical drive device.

Fig. 1 zeigt ein Antriebssystem, das aus einer mechanischen Führungsvorrichtung, die hier als Linearführung 10 ausgebildet ist, und einer elektrischen Antriebsvor­ richtung 100 gebildet ist. Durch die Linearführung 10 wird eine translatorische Bewegung eines Werkzeugträgers 14 ermöglicht, der über eine rotierbare Spindel 12 bewegbar ist. Die Spindel 12 wird durch einen AC-Servomotor 20 angetrieben, der mit einem Encoder 22 zur Bestimmung der Rotorlage verbunden ist. Die vom Encoder 22 ausgehenden Signale werden einer Bewegungsregelungseinrichtung 50 zugeführt. Fig. 1 shows a drive system, which is formed from a mechanical guide device, which is designed here as a linear guide 10 , and an electric Antriebsvor direction 100 . The linear guide 10 enables a translatory movement of a tool carrier 14 , which can be moved via a rotatable spindle 12 . The spindle 12 is driven by an AC servo motor 20 which is connected to an encoder 22 for determining the rotor position. The signals coming from the encoder 22 are fed to a motion control device 50 .

Die für die Berechnung der Stromsollwerte benötigten In­ formationen werden dabei der Bewegungsregelungseinrichtung 50 in zwei Verfahrensschritten zugeführt.The information required for the calculation of the current setpoints is supplied to the motion control device 50 in two process steps.

Der erste führt zu einer Blockkommutierung und kommt ohne Positionsmessung aus, während der zweite nach einer durchgeführten Initialisierungsfahrt auf die Meßwerte der Positionserfassungsvorrichtung zurückgreift und eine nahezu exakte sinusförmige Kommutierung ermöglicht.The first leads to block commutation and comes without Position measurement, while the second after a carried out initialization run on the measured values of the Position detection device falls back and an almost enables exact sinusoidal commutation.

Beim Anfahren des elektronisch kommutierten Motors ist noch keine Sinuskommutierung möglich, da der Kommutierungsoffset zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt ist. When starting the electronically commutated motor is still no sinus commutation possible because of the commutation offset is not yet known at this time.  

Deshalb wird gemäß der Erfindung zunächst eine Initialisierungsfahrt durchgeführt, während der die einfachere Blockkommutierung durchgeführt wird.Therefore, according to the invention, first one Initialization run carried out during the simpler block commutation is performed.

Für die Realisierung dieser Verfahrensschritte werden drei trapezoide Hallsensoren benötigt, die jeweils um eine drittel Pollänge gegeneinander versetzt und fest mit dem Läufer verbunden sind. Die drei Hallsensoren sind wie die drei Motorwicklungen um eine drittel Pollänge, also einem elektrischen Phasenwinkel von 120° entsprechend, gegeneinander versetzt angeordnet. Da das erregende Magnetfeld näherungsweise sinusförmig ist, weisen ihre Ausgangssignale ebenfalls eine Phasenverschiebung von 120° auf. Die Funktionsweise der trapezoiden Hallsensoren ähnelt dem eines Schmitt-Triggers. Wenn das erregende Magnetfeld, das die Hallsensoren messen, eine positive Feldstärke (Richtung!) aufweisen, geben sie ein 1-Signal aus, andernfalls ein 0-Signal.For the implementation of these process steps, three trapezoidal Hall sensors required, each by a third Pole length offset against each other and fixed with the runner are connected. The three Hall sensors are like the three Motor windings by a third pole length, i.e. one corresponding electrical phase angle of 120 °, offset from each other. Because the exciting Magnetic field is approximately sinusoidal, have their Output signals also have a phase shift of 120 ° on. The function of the trapezoidal Hall sensors is similar that of a Schmitt trigger. If the exciting magnetic field, that the Hall sensors measure, a positive field strength (Direction!), They output a 1 signal, otherwise a 0 signal.

Daraus ergibt sich der in Fig. 2 gezeigte ortsabhängige Signalverlauf. Da sich alle 60° eine Änderung im Signalmuster aller drei Sensoren zusammen ergibt, können sechs ver­ schiedene Bereiche unterschieden werden.This results in the location-dependent signal curve shown in FIG. 2. Since there is a change in the signal pattern of all three sensors together every 60 °, six different areas can be distinguished.

Die Ausgangssignale dieser trapezoiden Hallsensoren unterteilen die Pollänge des Linearmotors in sechs Bereiche. Anhand der Ausgangssignale der Hallsensoren stellt die Bewegungsregelungseinrichtung 50 fest, in welchem dieser Bereiche sich der Läufer befindet, und berechnet daraus die Sollstromverteilung in den Motorphasen. Da die Bewegungs­ regelungseinrichtung nur sechs Bereiche unterscheiden kann, gibt es bei konstantem Motorsollstrom auch nur sechs verschiedene Stromverteilungen für die Motorphasen. Wegen des sich daraus ergebenen rechteckförmigen Stromverlaufs für die einzelnen Phasen spricht man hier von einer Blockkommutierung im Gegensatz zu der kontinuierlichen Sinuskommutierung, die oben beschrieben wurde. The output signals of these trapezoidal Hall sensors divide the pole length of the linear motor into six areas. On the basis of the output signals from the Hall sensors, the motion control device 50 determines in which of these areas the rotor is located and uses this to calculate the desired current distribution in the motor phases. Since the motion control device can only differentiate between six areas, there are only six different current distributions for the motor phases when the motor current is constant. Because of the resulting rectangular current profile for the individual phases, this is referred to as block commutation in contrast to the continuous sine commutation described above.

Zwar erlaubt eine Blockkommutierung zunächst noch keine anspruchsvollen Bewegungen des mechanischen Systems, da die Stellgrößen der Bewegungsregelungseinrichtung nicht durch die Stromregelungseinrichtung und den Motor in proportionale Kräfte bzw. Momente umgewandelt werden können.Block commutation does not initially allow any demanding movements of the mechanical system since the Control variables of the motion control device not by Current control device and the motor in proportional Forces or moments can be converted.

Die blockförmig kommutierende Bestromung der Pole reicht jedoch aus, um eine Initialisierungsbewegung zu ermöglichen, nach deren Abschluß das Meßsystem eine exakte Positions­ bestimmung des Läufers oder Rotors zulässt. Im Anschluss an die Initialisierungsbewegung kann aus den Positionen der Übergangsstellen zwischen den sechs Bereichen, die die Hallsensorsignale festlegen, der Kommutierungsoffset ϕ0 berechnet werden, so daß fortan eine sinusförmige Kommu­ tierung durch die Bewegungsregelungseinrichtung durchgeführt werden kann.The block-shaped commutating energization of the poles is sufficient, however, to enable an initialization movement, after the completion of which the measuring system permits an exact determination of the position of the rotor or rotor. Following the initialization movement, the commutation offset ϕ 0 can be calculated from the positions of the transition points between the six areas which define the Hall sensor signals, so that sinusoidal commutation can now be carried out by the motion control device.

Claims (5)

1. Elektrische Antriebsvorrichtung (100) für einen dreiphasigen elektronisch kommutierten Elektromotor (20) mit einer Spuleneinheit, welche in der Ausführung als Linearmotor der Läufer des Motors und in der Ausführung als AC-Servomotor der Stator des Motors ist, und einer Magneteinheit, welche in der Ausführung als Linearmotor der Stator des Motors und in der Ausführung als AC- Servomotor der Rotor des Motors ist,
mit einer ein inkrementelles Signal abgebenden Positionserfassungsvorrichtung (22), mit deren Hilfe Positionsänderungen des beweglichen Läufers oder Rotors relativ zum Stator erfaßt werden können,
mit einer Vorrichtung zur Erfassung des Magnetfeldes der Magneteinheit mit wenigstens einem Hallsensor mit trapezförmiger Ausgangscharakteristik je Motorphase, wobei die Hallsensoren mit der Spuleneinheit fest verbunden und um ein Drittel der Pollänge gegen­ einander versetzt angeordnet sind,
mit einer Bewegungsregelungseinrichtung (50) und
mit einer Stromregelungseinrichtung (40) zur Bestromung der Phasen des Elektromotors in Abhängig­ keit von einem von der Bewegungsregelungseinrichtung (50) gebildeten Stromsollwert,
wobei zum Anfahren des Elektromotors (20) zunächst aufgrund der Ausgangssignale der Hallsensoren eine Startposition des Läufers relativ zum stationären Magnetfeld bestimmt wird, danach die Motorphasen in Abhängigkeit der Ausgangssignale der Hallsensoren blockförmig bestromt werden und während der dadurch ausgelösten Bewegung des Läufers/des Rotors der Lagewert wenigsten einer Übergangsstelle der Ausgangs­ signale der Hallsensoren bestimmt wird, aus dem dann ein Kommutierungsoffsetwert berechnet wird, mit dem von der Bewegungsregelungseinrichtung (50) für mindestens zwei Phasen des Elektromotors ein Stromsollwert in Abhängig­ keit von den Signalen der Positionserfassungsvorrichtung (22) erzeugt wird.1. Electrical drive device ( 100 ) for a three-phase electronically commutated electric motor ( 20 ) with a coil unit, which is the rotor of the motor in the version as a linear motor and the stator of the motor in the version as an AC servo motor, and a magnet unit, which in the linear motor is the stator of the motor and the AC servomotor is the rotor of the motor,
with a position detection device ( 22 ) emitting an incremental signal, with the aid of which changes in position of the movable rotor or rotor relative to the stator can be detected,
with a device for detecting the magnetic field of the magnet unit with at least one Hall sensor with a trapezoidal output characteristic per motor phase, the Hall sensors being firmly connected to the coil unit and being arranged offset from one another by a third of the pole length,
with a movement control device ( 50 ) and
with a current control device ( 40 ) for energizing the phases of the electric motor as a function of a current setpoint value formed by the movement control device ( 50 ),
whereby to start the electric motor ( 20 ) a starting position of the rotor relative to the stationary magnetic field is first determined on the basis of the output signals of the Hall sensors, then the motor phases are energized in a block fashion depending on the output signals of the Hall sensors and the position value during the movement of the rotor / rotor triggered thereby at least one transition point of the output signals of the Hall sensors is determined, from which a commutation offset value is then calculated, with which the motion control device ( 50 ) generates a current setpoint value for at least two phases of the electric motor depending on the signals of the position detection device ( 22 ). 2. Elektrische Antriebsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsregelungseinrichtung (50) wenigstens zwei analoge Ausgänge aufweist, an der die Stromsollwerte als auf +/-10 V normierte Spannungssignale anliegen.2. The electrical drive device ( 100 ) according to claim 1, wherein the motion control device ( 50 ) has at least two analog outputs, at which the current setpoints are present as voltage signals standardized to +/- 10 V. 3. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Positions­ erfassungsvorrichtung einen Inkrementalgeber (Encoder 22) und/oder einen Linearmaßstab (30) umfaßt, welche eine Positionsänderung erfassen und diese in Verbindung mit einer Referenzmarke (Indexsignal) der Bewegungsregelungs­ einrichtung (50) die Informationen über die Position des zu bewegenden mechanischen Systems bereitstellt.3. Electrical drive device according to one of claims 1 to 2, wherein the position detection device comprises an incremental encoder (encoder 22 ) and / or a linear scale ( 30 ) which detect a change in position and this in connection with a reference mark (index signal) of the motion control device ( 50 ) provides the information about the position of the mechanical system to be moved. 4. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stromregelungs­ einrichtung (40) für mindestens zwei der drei Phasen des Elektromotors wenigstens eine analoge Regelungsvor­ richtung umfasst.4. Electrical drive device according to one of claims 1 to 3, wherein the current control device ( 40 ) for at least two of the three phases of the electric motor comprises at least one analog Regelungsvor direction. 5. Verfahren zum Anfahren eines dreiphasigen, elektronisch kommutierten Elektromotors (20)
mit einer Spuleneinheit, welche in der Ausführung als Linearmotor der Läufer des Motors und in der Ausführung als AC-Servomotor der Stator des Motors ist, und einer Magneteinheit, welche in der Ausführung als Linearmotor der Stator des Motors und in der Ausführung als AC-Servomotor der Rotor des Motors ist,
mit einer ein inkrementelles Signal abgebenden Positionserfasssungsvorrichtung (22), mit dessen Hilfe Positionsänderungen des beweglichen Läufers oder Rotors relativ zum Stator erfaßt werden können,
mit einer Vorrichtung zur Erfassung des Magnetfeldes der Magneteinheit mit wenigstens einem Hallsensor mit trapezförmiger Ausgangscharakteristik je Motorphase, wobei die Hallsensoren mit der Spuleneinheit fest verbunden und um ein Drittel der Pollänge gegeneinander versetzt angeordnet sind,
mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Bestimmen einer Startposition der Spuleneinheit relativ zum Magnetfeld der Magneteinheit aufgrund der Ausgangssignale der Hallsensoren,
  • - Blockförmiges Bestromen der Motorphasen in Abhängigkeit der Ausgangssignale der Hallsensoren,
  • - Bestimmung des Lagewertes wenigstens einer Übergangsstelle der Ausgangssignale der Hallsensoren während der dadurch ausgelösten Bewegung des Läufers/Rotors,
  • - Berechnung eines Kommutierungsoffsetwertes aus dem/­ den Lagewert(en),
  • - Einleiten einer geregelten Bewegung des Läufers/­ des Rotors mit sinusförmiger Bestromung der Motor­ phasen durch Auswertung des Signals der Positionser­ fassungseinrichtung (22) unter Einbeziehung des Kommutierungsoffsetwertes.
5. Method for starting a three-phase, electronically commutated electric motor ( 20 )
with a coil unit, which is the rotor of the motor in the version as a linear motor and the stator of the motor in the version as an AC servo motor, and a magnet unit, which is the stator of the motor in the version as a linear motor and in the version as an AC servo motor the rotor of the motor is
with a position detection device ( 22 ) emitting an incremental signal, with the aid of which changes in position of the movable rotor or rotor relative to the stator can be detected,
with a device for detecting the magnetic field of the magnet unit with at least one Hall sensor with a trapezoidal output characteristic per motor phase, the Hall sensors being firmly connected to the coil unit and being arranged offset from one another by a third of the pole length,
with the following process steps:
  • Determining a starting position of the coil unit relative to the magnetic field of the magnet unit on the basis of the output signals of the Hall sensors,
  • - Block-shaped energization of the motor phases depending on the output signals from the Hall sensors,
  • Determination of the position value of at least one transition point of the output signals of the Hall sensors during the movement of the rotor / rotor triggered thereby,
  • - Calculation of a commutation offset value from the position value (s),
  • - Initiate a regulated movement of the rotor / the rotor with sinusoidal energization of the motor phases by evaluating the signal of the position detection device ( 22 ), including the commutation offset value.
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