DE3734938A1 - Sensoreinheit, insbesondere zum betrieb von elektrisch kommutierten synchronelektromotoren in servoregelkreisen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit, insbesondere zum Betrieb von elektronisch kommutierten Synchronelek­ tromotoren in Servoregelkreisen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Servoregelkreisen mit elektronisch kommutierten Syn­ chronelektromotoren ist es notwendig, bestimmte Infor­ mationen über den jeweiligen Zustand der Welle des Syn­ chronelektromotors zu ermitteln und als elektrische Meßwerte in digitaler oder analoger Form zur Verfügung zu stellen. Solche Informationen sind insbesondere die Motordrehzahl, die Motordrehrichtung, die Winkelstel­ lung der Motorwelle zur Steuerung der elektronischen Kommutierung innerhalb eines Polbereichs in drehfeld­ bildender 3-Phasen-Konfiguration und der Absolutwert der Motorwellenwinkelposition über mehrere Umdrehungen bezogen auf einen bestimmten Referenzwert.

Zu diesem Zweck ist eine Sensor-Einheit der eingangs genannten Gattung bekannt, bei welcher ein hochauflö­ sender Resolver (induktiver Drehwinkelgeber) an die Welle des Synchronelektromotors angekoppelt ist. Die Signale dieses Resolvers werden in der elektronischen Auswerteschaltung verarbeitet, um die Motordrehzahl, die Motordrehrichtung und die Winkelstellung der Motor­ welle innerhalb einer Umdrehung zu ermitteln. Um die Winkelstellung der Motorwelle über mehrere Umdrehungen zu ermitteln, ist diesem ersten Resolver über ein Un­ tersetzungsgetriebe ein zweiter Resolver nachgeschal­ tet, dessen Winkelposition zur Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen der Motorwelle dient. Um die Anzahl der Umdrehungen über einen ausreichend großen Meßbereich ermitteln zu können, muß der zweite Resolver ebenfalls eine hohe Winkelauflösung aufweisen und das Unterset­ zungsgetriebe muß ein hochpräzises spielfreies Meßge­ triebe sein. Sowohl der hochauflösende Resolver als auch das Meßgetriebe sind aufwendige Bauteile, die die Sensoreinheit kostspielig machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensor­ einheit zur Verfügung zu stellen, die die Winkelposi­ tion der Motorwelle (oder eines anderen rotierenden Meßobjektes) in preisgünstiger Weise über eine große Anzahl von Umdrehungen bestimmen kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Sensoreinheit der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Die erfindungsgemäße Sensoreinheit besteht aus mehreren Resolvern, von denen der erste, wie bei der bekannten Sensoreinheit ein hochauflösender Resolver ist, der direkt mit der Motorwelle gekoppelt ist. Dieser hoch­ auflösende Resolver (nachfolgend Resolver Typ A ge­ nannt) wird in herkömmlicher Weise zur Ermittlung der Motordrehzahl der Motordrehrichtung und der Winkel­ stellung der Motorwelle zur Steuerung der elektro­ nischen Kommutierung benutzt.

An diesem ersten Resolver Typ A sind über Unterset­ zungsgetriebe jeweils in Reihe ein oder vorzugsweise mehrere weitere Resolver (nachfolgend Resolver Typ B genannt) gekoppelt. An die Untersetzungsgetriebe und an die Winkelauflösung dieser Resolver Typ B sind erfin­ dungsgemäß jedoch nur geringe Genauigkeitsanforderungen gestellt. Es können somit äußerst preisgünstige Unter­ setzungsgetriebe und Resolver verwendet werden, so daß die Gesamtkosten für die Sensoreinheit stark reduziert sind, auch wenn mehrere Resolver Typ B mit Unterset­ zungsgetrieben hintereinander gekoppelt werden, um die erforderliche Anzahl von Umdrehungen der Motorwelle bestimmen zu können.

Um trotz der geringen Genauigkeit der Untersetzungsge­ triebe und der Resolver Typ B eine exakte Bestimmung der Umdrehungen der Welle zu erhalten, sind die Unter­ setzungsgetriebe so ausgebildet, daß sich die Winkelbe­ wegungen der aufeinanderfolgenden Resolver in Verhält­ nissen binärer Teilungen befinden, d. h. die Unterset­ zungsgetriebe weisen ein Untersetzungsverhältnis von 2ⁿ : 1 auf. Die Resolver Typ B weisen jeweils eine Winkel­ auflösung auf, die in binärer Darstellung um ein Bit größer ist als das Untersetzungsverhältnis des vorge­ schalteten Untersetzungsgetriebes. Die Resolver Typ B weisen daher eine Redundanz in ihrer Auflösung auf und können in ihrem Winkelwert durch das langsamste Bit des jeweils vorgeschalteten Solver synchronisiert werden. Hierzu werden in der elektronischen Auswerteeinheit die Codewörter des Winkelwertes der Resolver Typ B mit dem Synchronisationsbit des vorgeschalteten Resolvers zu einem Codewort eines einschrittigen Codes, z. B. Gray-Code, zusammengefügt.

Die Untersetzungsgetriebe und die Resolver Typ B können wegen der geringen Genauigkeitsanforderungen kleine Abmessungen haben, so daß sie konzentrisch zur Achse des hochauflösenden und damit im Durchmesser größeren ersten Resolvers Typ A in einer zweiten axialen Ebene angeordnet werden können. Dadurch ergibt sich trotz der größeren Anzahl von Resolvern eine kompakte Bauabmes­ sung der Sensoreinheit, die nicht größer ist als die der herkömmlichen Sensoreinheiten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des Ausführungs­ beispiels einer Sensor-Einheit zum Betrieb von elektro­ nisch kommutierten Synchronelektromotoren in Servore­ gelkreisen näher erläutert. Es ist selbstverständlich und aus der Beschreibung ohne weiteres ersichtlich, daß die Sensor-Einheit auch zur Bestimmung des Absolutwerts der Winkelposition eines beliebigen anderen rotierenden Meßobjektes über mehrere Umdrehungen geeignet ist. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Sensoreinheit und

Fig. 2 eine Darstellung der zulässigen Toleranz für das Getriebespiel der Untersetzungs­ getriebe.

Die Sensoreinheit weist einen hochauflösenden Resolver (Typ A) 10 mit einer Winkelauflösung von 12 Bit auf, d. h. eine Umdrehung des Resolvers 10 wird in 4096 Winkel­ schritte unterteilt. Jeweils über Untersetzungsgetriebe 12 mit einem Untersetzungsverhältnis von 2³ : 1, d. h. 8 : 1, sind an den ersten Resolver 10 weitere Resolver (Typ B) 14 in Reihe angekoppelt. Die Resolver 14 haben eine Winkelauflösung von 4 Bit , d. h. eine Umdrehung des Resolvers wird in 16 Winkelschritte unterteilt.

Alle Resolver 10 und 14 sind "One-Speed-Typen", d. h. ihre Auflösung erstreckt sich über eine gesamte Umdre­ hung. Die Resolver 10 und 14 arbeiten im Receiver-Be­ trieb. Die Sinus- und Kosinus-Statorwicklungen der Resolver sind parallel geschaltet.

Die Signale der Resolver 10 und 14 werden jeweils über ein Resolver-Interface 16 einer elektronischen Auswer­ teschaltung zugeführt, die, soweit sie bekannter Stand der Technik ist, nicht dargestellt und erläutert ist. Die Auswerteschaltung kann in einer größeren Entfernung von den Resolvern angeordnet sein. Dies ist insbeson­ dere deshalb von Vorteil, weil ausschließlich die Re­ solver als passive elektrische Bauelemente im Bereich der Synchronelektromotoren und der u.U. harten Umge­ bungsbedingungen des Einsatzes angeordnet werden müs­ sen.

Die elektronische Auswerteschaltung enthält den Resol­ vern jeweils zugeordnete Regelkreise (Resolver-Inter­ face) 16 zur Umsetzung der Resolversignale (Sinus, Kosinus, Referenz) in Winkelinformationen in digitaler Form in an sich bekannter Weise. In der Auswerteschal­ tung wird aus den Resolversignalen ein Signal entspre­ chend der Drehwinkeländerung pro Zeiteinheit und der Drehrichtung in analoger Form (Tachosignal) erzeugt. Weiter enthält die Auswerteschaltung eine Einrichtung, die die Winkelinformation entsprechend der gewünschten Motorpolzahl modifiziert und in Winkelbeziehung zum Motorpolbereich Ausgangssignale zur Steuerung der elek­ tronischen Stromkommutierung bereitstellt.

Diese Ausgangssignale können in bekannter Weise in ana­ loger Form zur Herstellung eines kontinuierlichen 3- Phasen-Drehfeldes bereitgestellt werden (sogenannte Sinus-Kommutierung) oder als Digitalsignale zum Aufbau eines in bestimmten Stellungen rastenden 3-Phasen-Dreh­ feldes (sogenannte Trapez-Kommutierung).

Erfindungsgemäß enthält die elektronische Auswerte­ schaltung weiter vorzugsweise Einrichtungen für die Betriebsarten "Neustart" und "Normalbetrieb". In der Betriebsart "Neustart" werden sequentiell alle Resol­ versignale ausgewertet und deren Werte digital ge­ speichert. In der Betriebsart "Normalbetrieb" wird permanent nur der hochauflösende Resolver 10 ausgewer­ tet. Die in der Funktion "Neustart" sequentiell gewon­ nen digitalen Winkelinformationen werden zu einer digi­ talen Gesamtinformation zusammengesetzt und bereitge­ stellt. Zu diesem Winkelwert kann in der Auswerteschal­ tung auf Befehl ein einstellbarer digitaler Festwert addiert werden (elektronische Referenzpunktjustage). Auf der Basis der Information des hochauflösenden Resolvers 10 wird im Normalbetrieb die bei der Funktion Neustart gewonnene Gesamtinformation ständig aktualisiert, ohne daß die Resolver Typ B 14 neu umgesetzt werden müssen.

Die Arbeitsweise in den zwei Funktionen "Neustart" und "Normalbetrieb" ermöglicht eine vorteilhafte Einsparung von Verkabelung. Um den über mehrere Umdrehungen ei­ mittelten absoluten Winkelwert zu Beginn des Betriebs des Synchronelektromotors in die Auswerteschaltung ein­ zulesen, werden einmal sequentiell die Winkelinforma­ tionen sämtlicher Resolver eingelesen. Hierzu ist nur ein einziger Übertragungskanal erfolderlich. Während des Normalbetriebs wird nur die Information des hoch­ auflösenden Resolvers Typ A über diesen einen Kanal übertragen und die Sensor-Einheit arbeitet im übrigen als inkrementaler Geber, um die beim Neustart einge­ lesene absolute Winkelinformation ständig zu aktua­ lisieren. Eine verkabelungsaufwendigere parallele Über­ tragung der Informationen der Resolver Typ B während des Betriebs ist selbstverständlich auch möglich.

Weiter kann die Auswerteschaltung eine digitale Adres­ sierung enthalten, um die Gesamtwinkelinformation meh­ rere Auswerteschaltungen im Parallelbetrieb an einem Bussystem weiterzuverarbeiten.

Die Betriebsweise der Sensoreinheit soll nachfolgend erläutert werden.

Vor dem Start eines Systems, z. B. eines Roboters oder einer sonstigen Automatisierungeinrichtung werden in der Betriebsart "Neustart" für alle Synchronelektro­ motoren des Systems alle Resolver Typ A und Typ B seri­ ell in die Auswerteschaltung eingelesen. Die auf diese Weise gewonnenen lnformationen werden in einem Digital­ speicher abgelegt, in später beschriebener Weise zur elektronischen Getriebespielkorrektur korrigiert, zu einem digitalen Wort von im dargestellten Ausführungs­ beispiel 21 Bit Länge zusammengesetzt, zur elektro­ nischen Referenzpunktjustage mit einem Korrekturwert addiert und in einem Ausgangsspeicher eingeschrieben. Die in dem Ausgangsspeicher stehende Information ist somit der Absolutwert der Motorwellenposition bezogen auf den Referenzwert mit einer Auflösung von 4096 Schritten (entsprechend der Winkelauflösung von 12 Bit des Resolvers 10) mal 512 Umdrehungen (entsprechend der drei achtfach untersetzenden Untersetzungsgetriebe 12). Nach Ablauf dieser Prozedur kann das System in der Betriebsart "Normalbetrieb" weiterarbeiten. In dieser Betriebsart werden lediglich die Signale des hochauflö­ senden Resolvers Typ A der Auswerteschaltung zugeführt. Die aus diesem Resolver 10 gewonnenen Informationen dienen drei verschiedenen Zwecken:

• a) Die im Ausgangsspeicher stehende Digitalinformation der absoluten Winkelposition wird inkremental stän­ dig der Bewegung der Motorwelle entsprechend aktua­ lisiert. Dadurch bleibt die Absolutwertinformation erhalten, ohne daß die Resolver Typ B neu gelesen werden müssen.
• b) Die durch den Resolver Typ A gewonnene 12 Bit-Win­ kelinformation wird in bekannter Weise dazu verwen­ det, die zur Steuerung der elektronischen Kommu­ tierung des Synchronelektromotors erforderlichen Signale bereitzustellen. Hierbei ist eine Anpassung an die Motorpolzahl und die gewünschte Kommutie­ rungsart (Sinus-Kommutierung oder Trapezstrom-Kommu­ tierung) durch Austausch eines Festwertspeicherbau­ steins möglich.
• c) Die Auswertung der im Receiver-Betrieb des Resolvers 10 arbeitenden Phasenregelkreise erlaubt in bekann­ ter Weise eine analoge Auswertung der Drehwinkel­ änderung pro Zeiteinheit und der Drehrichtung. Diese Informationen werden in analoger Form als Tachosi­ gnal bereitgestellt.

Die im Ausgangsspeicher stehende absolute 21 Bit- Positionsinformation kann über eine an sich bekannte serielle Schnittstelle oder eine parallele Schnitt­ stelle bereitgestellt werden. Die Auswerteschaltung kann eine Adressierlogik enthalten, die es erlaubt, mehrere Schnittstellen parallel an einem Bus zu betreiben.

Die erfindungsgemäß verwendeten einfachen preisgün­ stigen Untersetzungsgetriebe 12 weisen ein Umkehrspiel auf. Um einen Meßfehler aufgrund dieses Umkehrspiels zu vermeiden, wird erfindungsgemäß eine Redundanz in der Auflösung der nachgeschalteten Resolver Typ B zur Syn­ chronisation des Winkelwertes bzw. zum Ausgleich des Gebtriebespiels ausgenützt. Dieser Getriebespielaus­ gleich (Synchronisation) kann entweder durch eine mit einem Mikroprozessor erzeugte oder in einem Speicher abgelegte Code-Tabelle oder durch eine entsprechende Codierschaltung durchgeführt werden.

Die in der elektronischen Auswerteschaltung enthaltene Synchronisationsschaltung 18 erhält als Eingangsinfor­ mation einerseits das Code-Wort der zu synchronisie­ renden Winkelinformation des Resolvers Typ B , das im dargestellten Ausführungsbeispiel aus 4 Bit besteht, und andererseits das langsamste Bit der Winkelinfor­ mation des vorgeschalteten Resolvers als Synchroni­ sations-Bit.

Das Code-Wort der zu synchronisierenden Winkelinforma­ tion wird mit diesem Synchronisations-Bit der vorge­ schalteten Resolverstufe zu einem Code-Wort eines fest­ gelegten einschrittigen Codes, vorzugsweise des Gray- Codes zusammengesetzt und in ein synchronisiertes Aus­ gangscodewort umgewandelt, wie dies die nachfolgende Umcodierungstabelle beispielsweise zeigt:

Da das Untersetzungsverhältnis der Untersetzungsgetrie­ be 12, wie oben dargelegt, ein Bit weniger aufweist als die Auflösung der Resolver Typ B (im dargestellten Aus­ führungsbeispiel Untersetzungsverhältnis 8 : 1, Winkelauflösung 4 Bit) ist ein Bit der Winkelauflösung der Resolver Typ B redundant. Dieses für die Synchronisation verwendete redundante Bit geht für die vollständige Winkelanzeige verloren, so daß sich die zwölf Bit Winkelauflösung des Resolvers Typ A und die drei Resolver Typ B mit einer Winkelauflösung von 4 Bit nur zu einem Ausgangswort der absoluten Winkelinformation von 21 Bit zusammensetzen (4096 Winkelschritte x 512 Umdrehungen). Weiter folgt aus der Beziehung zwischen der Getriebeuntersetzung und der Winkelauflösung der Resolver Typ B, daß sich das Synchronisationsbit nur bei jedem zweiten Schritt ändert. Die Anzahl der Schritte am Eingang der Synchronisationsschaltung 18 ist daher doppelt so hoch wie die Anzahl der Schritte an deren Ausgang. Die oben angegebene Umkodierungstabelle ist daher so aufgebaut, daß

• - aufeinanderfolgende Werte am Eingang der Synchronisa­ tionsschaltung einem Wert an deren Ausgang zugeordnet sind und
• - daß sich der Wert am Ausgang nur ändert, wenn sich auch das Synchronisationsbit ändert.

Wenn der zu synchronisierende nachgeschaltete Resolver Typ B, wie in Fig. 2 gezeigt ist, auf die ideale Posi­ tion justiert ist, so kann sich diese Justierung infol­ ge des Umkehrspiels des Untersetzungsgetriebes 12 innerhalb der Breite des Synchronisationsbits, d. h. im vorliegenden Falle innerhalb einer Toleranz von 22,5 verschieben, ohne daß die festgelegte Reihenfolge der Codewörter des einschrittigen Codes verloren geht. Solange sich das Getriebespiel innerhalb dieser Tole­ ranz bewegt, bleibt somit die Synchronisation erhalten und das Getriebespiel ist ohne Einfluß auf den ausge­ gebenen absoluten Winkelpositionswert.

Die vorstehende Erläuterung zeigt, daß die erfindungs­ gemäße Sychronisation nicht auf ein Untersetzungsver­ hältnis von 8 : 1 und eine Winkelauflösung der Resolver Typ B von 4 Bit beschränkt ist. Notwendig ist nur, daß die Winkelauflösung jedes Resolvers Typ B um ein Bit größer ist als das Untersetzungsverhältnis des vorge­ schalteten Untersetzungsgetriebes. Weiter ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Zahl der Resolver Typ B nicht auf das Ausführungsbeispiel mit drei Resolvern Typ B beschränkt ist. Es können ebenso weniger oder auch mehr Resolver Typ B vorgesehen sein je nach der Anzahl der absolut zu erfassenden Drehungen der Motor­ welle. Aufgrund der Synchronisation wirkt sich auch eine Vergrößerung der Anzahl der Resolver Typ B nicht nachteilig auf die Genauigkeit aus.

Claims (3)

1. Sensor-Einheit, insbesondere zum Betrieb von elek­ tronisch kommutierten Synchronelektromotoren in Ser­ voregelkreisen mit einem ersten Resolver zur Ankopp­ lung an ein in seiner Winkelstellung zu bestimmendes Meßobjekt, insbesondere an die Welle des Synchron­ elektromotors, mit einem über ein Untersetzungsge­ triebe an den ersten Resolver angekoppelten zweiten Resolver und mit einer elektronischen Auswerteein­ heit, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungs­ getriebe (12) ein binäres Untersetzungsverhältnis 2ⁿ : 1 aufweist, daß der zweite Resolver (14) eine Winkelauflösung von (n + 1) Bit aufweist, daß ggf. an den zweiten Resolver ein oder mehrere weitere Resolver (14) über Untersetzungsgetriebe (12) ange­ kuppelt sind, wobei die Untersetzungsverhältnisse der Untersetzungsgetriebe jeweils 2^n′ : 1, 2^n′′ : 1 usw. und die Winkelauflösungen der weiteren Resolver (n′ + 1) Bit, (n′′ + 1) Bit usw. betragen, und daß das Code-Wort der Winkelposition jedes nachgeschalteten Resolvers (14) in der Auswerteeinheit mit vorzugs­ weise dem langsamsten Bit der Winkelposition des vorgeschalteten Resolvers zur Winkelsynchronisation zu einem Code-Wort in einem einschrittigen Code zu­ sammengesetzt wird.

2. Sensor-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Resolver eine hohe Winkelauflö­ sung von 12 Bit, die nachgeschalteten Resolver eine Winkelauflösung von 4 Bit und die Unterset­ zungsgetriebe ein Untersetzungsverhältnis von 8:1 aufweisen.

3. Sensor-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die nachgeschalteten Resolver (14) in einer gemeinsamen axial gegen den ersten Resolver (10) versetzten Ebene und konzentrisch zur Achse des ersten Resolvers (10) angeordnet sind.