DE3221190A1

DE3221190A1 - Verfahren und anordnung zur regelung eines linearmotors

Info

Publication number: DE3221190A1
Application number: DE19823221190
Authority: DE
Inventors: Reinhard Ing.(grad.) 1000 Berlin Bock; Gerhard Ing.(Grad.) Oster; Olaf Turner
Original assignee: BERTHOLD AG H
Current assignee: BERTHOLD AG H
Priority date: 1982-05-29
Filing date: 1982-05-29
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE3221190C2

Description

H. B e r t h ο 1 d AG
Teltowkanal st r. 1-k

looo Berlin M6

Verfahren und Anordnung zur Regelung eines Linearmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelschaltung für einen Linearmotor, insbesondere für extrem schnelle und kurzhubige Bewegungen, wobei eine Positionsregelung auf eine wegabhängige Geschwindigkeitsregelung zurückgeführt wird, dergestalt, daß dem beweglichen Teil des Motors ein induktiver Wegaufnehmer zugeordnet ist, dieser ein Wegsignal abgibt, aus dem sowohl der Gesch'windigkeitssollwert als auch der Geschwindigkeitsistwert für den ortsabhängigen Geschwindigkeitsregler generiert wird.

Derartige Linearmotore finden dort Anwendung, wo mechanische Teile oder Systeme, beispielsweise Blenden oder A^erschlüsse in optischen Geräten, Maschinen oder in elektronischen Datenspeichern usw. unter Berücksichtigung von Verlustleistungsbeschränkungen sehr schnei von einem Endpunkt zu einem anderen Endpunkt gebracht werden müssen und umgekehrt, so z. B. in hochwertigen Fotosetzmaschinen, wo von einer ruhenden, mit transparenten Schriftzeichen versehenen Scheibe, jeweils einzelne Schriftzeichen mitteln eines Prismensystems auf einen gemeinsamen Abbildungsstrahlengang gebracht werden müssen, kommt es darauf an, dair- eine von mehreren Prismenebenen sehr schnell und absolut schwingungsfrei bewegt werden kann. Je schneller der Wechsel beendet ist, umso höher ist die Leistung einer derartigen Fotosetsmaschine.

Eine zurückzulegende Strecke eines Linearmotcrs-wird üblicherweise in Anlauf, P-eschwindinkeitskonstanthaltunr ur.ci AM-rer.sur,'- or.er Einlauf aufgegliedert. Eine Erhc-hunr der ^r;esonwinair;kC'i t bringt aber gleichseitig eine verstärkte Prell sei.winrr.ei runr; ar. Bevei;un~:;-ende mit. sich, so da^p wiederum besondere ^! l: t ϊ.' · .1 znr **·} Y-ywr-uvi : benötigt werden.

BADORiGINAL

I.;j G'nd bereits eine Vielzahl von Lösungen zur D[impfung dieser Prellschwingungen bekannt geworden, aber überwiegend Lösungen mechanischer Art, mittels Federn, Gummi oder Kompression von Luft. Derartige Einrichtungen sind für extrem schnelle und anspruchsvolle Bewegungen ungeeignet.

Auch elektrische Lösungen mittels zweier Spulen, wobei die eine Spule als Antrieb und die zweite Spule als Bremse wirken, bringen keine zufriedenstellenden Ergebnisse und sind daher ebenfalls für hochwertige Aufgaben ungeeignet.

Durch die DE-PS 21 18 lol ist ein Gleichstromlinearmotor bekannt, bestehend aus einem zweipoligen Stator mit konstantem Magnetfeld und einem Verschiebeanker mit an den Enden angeordneten Steuerwicklunpen. Die Regelung dieses Motors erfolgt derartig, daß beim Verschieben des Ankers zunächst die eine Wicklung mit einem Beschleunigungsimpuls und dann zur Abbremsung die andere Wicklung mit einem Bremsimpuls beaufschlagt wird. Zur Minderung des Prellens beim Erreichen der Endlage kann die zuerst mit einem Beschleunigungsimpuls beaufschlagte Steuerwicklung zusätzlich zum Bremsimpuls der anderen Wicklung auf einen Schiebeimpuls umgeschaltet werden.

Aus dieser Veröffentlichung sind aber keine, für die Regelung wichtigen schaltungstechnischen Zusammenhänge, aufgezeigt. Für die wenabhängige Impulssteuerung ist lediglich gesagt, daß eine fotoelektrische Rückmeldung von Anker benutzt werden kann.

Ein tatsächlicher Vergleich, zwischen einem Geschwindigkeitssollv;ert und dem tatsächlichen Istwert erfolgt hierbei nicht, so daß keine Anpassung oder Berücksichtigung der zu bewegenden Masse und/oder Störungen, wie Stromunterbrechungen, erfolgt.

^TT:r eine hochgenaue, exakt reproduzierbare Arbeitsweise, ist demnach diese bekannte Anordnung nicht geeignet.

Aufnabe der vorliegenden Erfindung ist es, zur Erzielung eines zeitoptimalen Bewegungsablaufes eines Linearnotors ein Verfahren

- COPV B*.D ORSÖ'NAL

. "■ -5-

und eine Anordnung aufzuzeigen, mit welcher ein geregelter Vorschub des zu bewegenden Teiles und insbesondere ein "weicher Einlauf" bzw. Abbremsung auf eine Geschwindigkeit erfolgt, so daß ein Prellen und damit überschwingen vermieden werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unabhängig von tatsächlichen Abstand des zu bewegenden Teiles von seiner Endposition, die jeweils richtige, dem verbleibenden Restabstand angepaßte Sollgeschwindigkeit zu berechnen.

Davon ausgehend wurde gemäß der Erfindung ein Verfahren und eine Regelschaltung für einen Linearmotor geschaffen, wobei prinzipiell eine wegabhängige Geschwindigkeit' des Motors derart erfolgt, daß der dem beweglichen Teil des Motors zugeordnete induktive Wegauf- ' nehmer von der tatsächlichen Position des bewegenden Teiles ausgehend im Bewegungsverlauf ein Wegsignal abgibt, aus dem sowohl der Geschwindigkeitssollwert als auch der Geschwindigkeitsistwert für den Geschwindigkeitsregler generiert wird.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß aus dem Wegaufnehmer gelieferte Signal die wegproportionale Spannung über einen sample+ hold-Verstärker erzeugt wird, anstelle der hier üblichen Anordnung mittels Tiefpaßfiltern. . -

Dies so erhaltene Signal wird einmal mittels eines analogen Wurzelnetzwerkes . als Geschwindigkeitssollwert dem Geschwindigkeitsregler" zugeführt. Damit wird, erreicht, daß je nach Abstand des beweglichen Teiles von der Zielposition immer die optimale Eollrr,eschvvindigkeit berechnet und vorgegeben werden kann. Der zeitoptimale Oeschwinrtir,-keitsverlauf ergibt sich nach Berücksichtigung vor. Energie- und Stroinbeschränkungen als Wurzelfunktion aus dem Abstand zur Endposition. Im Normalfall bewegt sich der Motor wechselweise zwischen zwei festvorgegebenen Endnositionen.- Diesen-mechanischer. NullnoEltionen sind jeweils elektrische Anschiene zugeordnet, derer, beaeutung und Arbeitsweise sich aus der v/eiteren -"-unchre; hur.:- er-ober.

Ein weiterer besonders vorteilhafter Anteil der· Crfindunr ber.teht darin, daß das von¹. sample.+hold-Verot'.'rker abrer-ebenc treppcnfür-

COPV ■BAD ORIGINAL

mine V.'egsignal über einen stark bandbreite^ begrenzten Differenzierer einem zweiten sample+hold-Verstärker zugeführt wird, welcher das Maximum der Sprungantwort entnimmt und der weiteren Schaltung als quasi stationären Geschwindigkeitswert zur Verfügung stellt.

V/eitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Es zeigen:

Fig. 1. ein Blockschaltbild der Regelung eines Linearmotors.

Der Aufbau eines Linearmotors ist weitgehend bekannt und nicht Gegenstand dieser Beschreibung.

Das in Fig. 1 gezeigte Blockschaltbild zeigt deshalb den Linearmotor 3d lediglich am Ende der Regelschaltung. Ein .Wegaufnehmer 1, welcher beispielsweise ein nach dem Differentialtrafo-Prinzip wirkenden induktiven Wegaufnehmer sein kann, wird von einem Sinusgenerator 2, beispielsweise mit einer Frequenz von Io kHz, gespeist. Die beiden Sekundärwicklungen des Wegaufnehmers sind antiseriell- geschaltet. Der mit dem beweglichen Teil des Motors verbundene Kern des Wegäufnehmers 1 bewegt sich sorr.it zwischen den beiden Ehdrositior.en.. Diese Endpositionen werden- auch mit mechanisch Null bezeichnet. Die Ausgangsspannung nimmt zur Wegmitte hin ab und steigt, nach erfolgter Drehung der Phasenlage un -if'.o ° j v.'ieder auf - den vorherigen V/ert an, sobald die andere Endlage erreicht ist. Von einer Steuereinrichtung 3 wirσ ein Laufr: chtunrrn-rto-uc-rsirn-'il abgegeben, . Vielehe c- in der- L-ar.rlerulsaufbereitung ^ r.it der: Vorzeichen des phasenverbundenen Co sinus signals eier, "iriufa^er.eratorn 2 logisch verknüpft (EXCLUEIV-ODEIR) und über ein nach r-e schaltete ε !;onoflo]^: als Sanplepuls cer. ersten -sample + hold-Verstcirker 5 zugeführt .wird..

Das EXCLUSIV-ODER bewirkt je nach Laufrichtung-Steuersignal eine Verzögerung der Monoflop-Triggerung um l8o° und somit eine wahlweise Invertierung des Ausgangssignales. Dadurch wird eine einheitliche Zählweise der Abstandsbeträge von der angestrebten Endlage in der gesamten Regelschaltung erreicht, wodurch sich der Aufwand beträchtlich reduziert.

Am Ausgang 6 dieses Verstärkers er.hält man eine wegproportionale Gleichspannung, die für beide Laufrichtungen bei etwa - 9 V beginnen sich proportional zum zurückgelegten Weg vergrößert, bis sie in der erreichten Endposition des Motors auf + 9 V angestiegen ist. Dieses Wegsignal 6 wird nun mit' einer negativen, in der Größe frei wählbaren Spannung überlagert, welche der betragsnäßigen Wegaufnehmerspannung in der gewünschten elektrischen Endposition (8 H, ?. L) entspricht. Die Differenz wird durch ein analoges Rechennetzwerk 9, im Beispiel einer Nachbildung der Wurzelfunktion und optionell auf eine Beschaltung zur Eingrenzung des Sollwertbereiches (Io ) geleitet, wodurch man den für eine maximale Geschwindigkeit und auch minimale Geschwindigkeit begrenzten, ortsabhängigen Sollwert erhält. .. ..

Aus dem Wegsignal 6 wird ferner durch das Zusammenwirken des modifizierten Differenzierers 12 und des s+h-Verstärkerr> 13 der augenblickliche Geschwindigkeitswert> gültig bis zur nächsten Meßperiode, abgeleitet, . ■

Am Eingang eines Reglers 17 stehen sowohl die, wie oben beschriebengewonnenen Signale des Geschwindigkeitssollwerts Vsoll an als auch der Geschwindigkeitsistwert Vist mit entrre^engesetzter Polarität.

Das Ausgangssignal 26 des Reglers 17 wird für die erste Bevepunnsrichtunf; direkt der Stronendstufe 18 zur.eführt. Für die zv:eite Bewegungsrichtung wird der Eingang der Strömend stufe rr.it einer: Analo,^schalter 19 auf das invertierte [■.UF.rr-Mr.ozi^r.ril urir.epchaltet und somit die invertierte V.'irkun^; dec e irr. ar iff".-ei Linen EXKLUi'TV-ODER Gatters wieder aufgehoben und dann der i-trorncndstufe 1" zugeführt .

BPP ORIGINAL

;:>er bewegliche Teil des Motors wird nun durch die Regelschaltung auf der wegabhSngigen Sollgeschwindigkeit gehalten, und zwar gil-fc bis Kurz vor Erreichen der elektrischen Anschläge 8 R, 8 L die Würze !funktion, wodurch ein konstanter Bremsstrom erreicht wird. Wegen der Unsicherheit der mechanischen Endposition übernimmt dann die Vmin-Begrenzung Io die Sollgeschi\^Tindigkeitsvorgabe bis zum Erreichen der mechanischen Endposition. Im Beispiel liegen die elektrischen Anschläge RR, 8 L ca. o,l - o,3 mm vor den mechanischen.

Wegen der konstanten Einlaufgeschwindigkeit ist damit, unabhän-.--ig vom Abstand zwischen den mechanischen und elektrischen Anschlägen ^c R, P L, ein sogenannter "weicher Einlauf" vorgegeben und ein "■relQen am mechanischen Anschlag wird verhindert.

!lach Lrrei chen der mechanischen Endpositionen wird der Regelkreis über einen Komparator 22 abgeschaltet. Der Komparator schaltet dann, wenn sowohl der Regelausgangswert infolge der abfallenden Istgeschwindigkeit ansteigt, als auch dann, wenn der bewegliche 'foil· des Motors 3o "sich nahe oder jenseits des ""jeweiligen el.ekt~ri sehen Anschlages P R,. R L befindet. Gleichzeitig". wird eine. Haltespannung an die "Stromendstufe l8 gelegt, mit der das bewegliche Teil definiert und kontinuierlich gegen die mechanische Lind Position gedrückt" wird.

,Ie Sfromendstufe lP wirkt direkt auf die Spule des Linearmotors

■".->-; terhin liefert der .Comparator-22 oir: - "ready"-Signal 23 an die Steuerzentrale des jeweiLiren. Qerätes,- z. L. an die bereits g-?-_ nannte Steuereinrichtung 3> viomit an.^ezei^t wird, daß der Bewe-"i;':-":'-Ό"·;ηη~ n!'-rer;ohlc?!5?r: irt.-unc⁵ nunr.elir v:ei ."-.ere funktionen

BAD ORIGINAL

Claims

3221 130

H. Berthold AG
Teltowkanal s tr. 1-*J

looo Berlin 46

Berlin, den 28. Mai 1982 Ag/Hg lo82

PATENTANSPRÜCHE

'1J Verfahren zur Positionsregelung eines wechselseitig betriebenen Linearmotors, dadurch gekennzeichnet, daß das während des Bewegungsablaufes erzeugte ortsabhSngige Wegsignal (6) sowohl dazu benutzt wird, das mittels einer vorgegebenen Rechenfunktion (9) ein ortsabhängiger Geschwindigkeitsscllwert bestimmt wird, als auch dazu, daß aus dem V/egsignal (6) der Geschwindigkeitsistwert (1*0 bestimmt wird und kontinuierlich mit dem Sollwert verglichen und angepaßt wird und bei Erreichen eines elektrisch vorgegebenen Minimalabstandes zur Endposition die Geschwindigkeit so weit gesenkt wird, daß mit einer vorgegebenen Minimalgeschwindickeit die mechanische Endposition angefahren wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SoIlgesehwinöigkeit je nach zugehörigem Abstand des beweglichen Teiles des Motors zu den elektrischen An/pchl£r;en (^p ^, ? L) berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da/: zur

Verringerung des Schaltungsaufv.'andes je nach gewählter Verfahrsollrichtung sowohl die Ein- als auch Ausr.anrsgrr-fte (6, 2*0 des Reglungsteiles invertiert werden und somit alle im Verarbeitungsteil (6, 9, lo, 1*1, l6, 17, 2o, 22) vorliegenden Signale in ihrer Polarität nicht rehr vor der Vcrfahrncllrichtung g, sind.

Anordnung zur .Positionsregelunfj cinei; gekennzeichnet, daß dem beweglicher. Teil nc .τ .Motors ein V;c,~aui'-nehrner (1) zugeordnet ist, dessen VJenn; mal ο (C) erstens durch

BAD ORIGINAL ^C0PY

ein Rf.vl'icriv.'crk (9) und einen Vraax - Vnin-Pcr.renzcr (lo) einem Regler (17) zugeführt werden, und daß zv.-eitens das V/egsignal (6) durch einen Differenzierer (12) ebenfalls dem Regler (17) zugeführt v;ird.

5. Anordnung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der induktive V/egaufnehmer (l) ein Differentialtrafo mit einem vorgeschalteten Sinusgenerator (2) ist.

6. Anordnung nach Anspruch h und 5₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdrückung der Signalträgerfrequenz durch phasenstarre

■ Taktung der sample+hold-Verstärker.(5>13) erfolgt.

7. Anordnung nach Anspruch k_y dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenv.'ork (9) ein Wurzelnetzv;erk ist.

'^c'. Anordnung nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß den Rechenwerk (9) eingangsseitig elektrische Anschlage (8 R, 8 L) vorgeschaltet sind.

9. Anordnung nach Anspruch ^J, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (22) durch Anstieg des Beschleunigungssignales (26) den Regelkreis unterbricht und die Strömendstufe (l8)mit einer Kaltespange beaufschlagt wird, jedoch nur, wenn sich der bewegliche Teil des Xotors nahe der elektrischer. Anschläge (Signal 2S) befindet.

Io. Anordnung nach Anspruch *l, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aussteuerung des Llneamotors (3o) ein eingeprägter Strom (18) verv.'endet v:ird.