DE3806752A1

DE3806752A1 - Direktantriebsmotoranordnung

Info

Publication number: DE3806752A1
Application number: DE3806752A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Ono; Yayoi Tsuchiya; Yutaka Koizumi; Hitoshi Morimoto; Hideo Banzai; Yasuhiko Muramatsu; Syotaro Shindo; Toshihiro Kanehara; Norihiko Hatano; Susumu Ohta; Mitsuhiro Nikaido
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Precision Corp
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1988-03-02
Publication date: 1988-09-15
Also published as: GB8804822D0; GB2202649B; DE3806752C2; FR2613886B1; KR880011990A; GB2202649A; FR2613886A1; US4843292A; KR910000099B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Direktantriebsmotoranordnung für den Antrieb der Gelenke eines Arbeitsroboters des Mehrgelenktyps und dgl.

Für den Antrieb der Gelenke eines Mehrgelenk-Arbeitsroboters bzw. -automaten, bei dem niedrige Drehzahl und hohes Drehmoment gefordert werden, wird hauptsächlich ein Arbeitssystem mit einem Gleichstrommotor und einem Bremsregler (decelerator) eingesetzt.

Ein ideales System ist jedoch ein solches unter Verwendung eines Direktantriebsystems mit einem Motor des Induktor- oder Induktionstyps, und zwar im Hinblick auf die Standzeit der Bürsten und des Bremsreglers des Gleichstrommotors sowie die Notwendigkeit für die Schmierölversorgung.

Es ist eine Schaltung für die Ansteuerung eines solchen Motors bekannt, bei welcher ein die Wicklung des Motors durchfließender Erregerstrom mittels einer Stromdetektorschaltung erfaßt oder gemessen wird. Die Differenz zwischen dem so erfaßten Strom und einer vorbestimmten Befehls- oder Soll-Stromgröße wird sodann einer Stromverstärkerschaltung zugeführt, wobei ein Erregerstrom durch die Motorwicklung in der Weise geleitet wird, daß das Differenzsignal zu Null wird, und zwar mittels eines Pulsbreitenmodulationssignals oder PBM-Signals.

Bei dieser Ansteuerschaltung muß ein Stromdetektorkreis vorzugsweise einen hohen Genauigkeitsgrad, Isolierfähigkeit und einen einfachen Aufbau aufweisen.

Eine bekannte Einrichtung zum Erfassen (Abgreifen) oder Messen der Drehung eines solchen Motors verwendet einen optischen Drehstellungsgeber (encoder) oder einen magnetischen Funktionsdrehmelder (resolver). Diese Einrichtung ist vorzugsweise in der Lage, mit hoher Auflösung die Drehstellung, die Drehgeschwindigkeit (oder Drehzahl) und die Stellung der Magnetpole des Motors zu erfassen. Weiterhin soll diese Einrichtung sicher den Ausgangspunkt der Drehstellung zu erfassen oder bestimmen vermögen.

Als Schaltung zur Steuerung der Drehung des Motors ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher Drehzahl und Drehstellung des Motors mittels Rückkoppelung in Abhängigkeit von einem Detektions- oder Meßsignal von der Drehdetektoreinrichtung geregelt werden. Eine Steuerschaltung der angegebenen Art vermag vorzugsweise die Servosysteme nach Maßgabe von Betriebsbedingungen des Motors, z. B. Kennfrequenz des Motors oder Lastträgheit, einzustellen.

Es ist auch eine Vorrichtung zum Anhalten des Motors bekannt, bei welcher die Wicklung des Motors von der Ansteuerschaltung getrennt wird, wenn der Motor angehalten werden soll, um damit einen Kurzschlußzustand einzuführen; dabei wird der Motor aufgrund des Verbrauchs der kinetischen Energie infolge des Jouleschen Effekts über den Widerstand der Wicklung angehalten oder abgestellt.

Wenn sich der Motor mit hoher Drehzahl dreht, wird bei der erwähnten Anhalte- oder Abschaltvorrichtung die Phasendifferenz zwischen dem Erregerstrom und der Erregerspannung aufgrund der Induktivität der Wicklung (coil) groß. Die kinetische Energie kann daher nicht wirksam verbraucht oder vernichtet werden. Ein für den Antrieb der Gelenke eines Arbeitsroboters verwendeter Motor wird aus einer Vielfalt von Drehzahlbereichen heraus angehalten. Die erwähnte Abschaltvorrichtung ist daher für diesen Zweck nicht geeignet.

Es ist bekannt, im optischen Drehstellungsgeber rechteckige Schlitze als Drehdetektor- oder -gebermittel vorzusehen.

Da jedoch derartige rechteckige Schlitze eine räumliche Verteilung des hindurchfallenden Lichts in Form einer Rechteck(wellen)form erzeugen, empfängt eine Einrichtung zum Abgreifen des hindurchfallenden Lichts das in Rechteckwellenform verteilte Licht. Das Meßsignal enthält daher im Prinzip höhere Harmonische. Wenn dieses Meßsignal für die Ansteuerung des Motors benutzt wird, wird Welligkeit in die Stellungs- und Drehzahlsignale eingeführt. Dies bedingt das Problem, das sich der Motor nicht zügig oder ruckartig zu drehen vermag.

Wie erwähnt, muß die Direktantriebsmotoranordnung somit zahlreiche Bedingungen erfüllen. Eine Anordnung, welche allen obigen Anforderungen gleichzeitig zu genügen vermag, ist jedoch bisher noch nicht realisiert worden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Direktantriebsmotoranordnung, welche alle vorstehend angegebenen Anforderungen zu erfüllen vermag.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Eine Direktantriebsmotoranordnung gemäß der Erfindung umfaßt einen Motorteil, einen Drehdetektorteil (rotation detecting portion), einen Stellungsregelteil, einen Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelteil, eine Ansteuerschaltung und einen Abstimmteil. Der Motorteil umfaßt einen Induktortypmotor, während der Drehdetektorteil einen optischen Drehstellungsgeber oder einen magnetischen Funktionsdrehmelder verwendet. Der Stellungsregelteil regelt die Drehstellung des Motors mittels Rückkoppelung mit Hilfe eines tertiären Servosystems mit Software. Die Treiber- oder Ansteuerschaltung enthält eine Rückkopplungschleife für den Strom der Motorwicklung, wobei die Detektorschaltung für diesen Strom einen Kleinsignaltrenner aufweist. Der Abstimmteil ist ausgelegt zum Abstimmen (to tune) der Servosysteme des Stellungsregelteils und des Drehzahlregelteils.

Infolge der angegebenen Eigenschaften vermag die erfindungsgemäße Anordnung gleichzeitig die verschiedenen Anforderungen zu erfüllen, denen der Direktantriebsmotor unterworfen ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer Direktantriebsmotoranordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein detailliertes Blockschaltbild des Aufbaus der erfindungsgemäßen Direktantriebsmotoranordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 detaillierte Darstellungen des Aufbaus eines Motorteils,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Stromdetektorkreises bei einer Ansteuerschaltung,

Fig. 5 bis 7 Darstellungen zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 4,

Fig. 8 bis 10 Darstellungen eines Drehdetektorteils,

Fig. 11 ein Beispiel für eine in einem Stellungsregelteil gespeicherte Verstärkungstabelle (gain table),

Fig. 12 ein Schaltbild eines wesentlichen Teils einer Direktantriebsmotoranordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 13 und 14 Äquivalentschaltbilder für den Steuerteil nach Fig. 12,

Fig. 15 graphische Darstellungen der Kennlinien eines Abschalt- oder Anhalteteils,

Fig. 16 eine Darstellung des Drehdetektorteils mit einer von den Fig. 8 bis 10 verschiedenen Ausgestaltung der Schlitze,

Fig. 17 und 18 schematische Darstellungen der Ausgestaltung der Schlitze nach Fig. 16,

Fig. 19 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels des Drehdetektorteils bei der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 20 eine graphische Darstellung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 19,

Fig. 21 eine graphische Wellenformdarstellung eines Ausgangssignals eines Drehstellungsgebers mit sinusförmigen Schlitzen,

Fig. 22 Darstellungen einer anderen Ausführungsform des Drehdetektorteils bei der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 23 ein Schaltbild der Anordnung nach Fig. 22,

Fig. 24 ein Blockschaltbild eines die Anordnung nach Fig. 22 verwendeten Zählerkreises,

Fig. 25 Darstellungen noch einer anderen Ausgestaltung des Drehdetektorteils bei der erfindungsgemäßen Direktantriebsmotoranordnung und

Fig. 26 bis 28 Schaltbilder beispielhafter Ausführungen des beim Drehdetektorteil gemäß Fig. 25 verwendeten Detektorkreises.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfaßt einen Motorteil 100, eine Treiber- oder Ansteuerschaltung 200 für die Drehung des Motorteils 100 und einen Drehdetektorteil 300 zum Erfassen der Drehung des Motorteils 100. Der Drehdetektorteil (rotation detecting portion) 300 umfaßt beispielsweise einen Drehstellungsgeber 300₁ und eine Drehstellungsgeber-Schnittstelle 300₂. Ein Drehzahlregelteil 400 dient zur Rückkopplungs-Regelung der Drehzahl des Motorteils 100. Ein Stellungsventil 500 dient zur Rückkopplungs-Regelung der Drehstellung des Motorteils 100. Ein Abstimmteil 600 dient zur Einstellung der Servosysteme des Drehzahlregelteils 400 und des Stellungsregelteils 500.

Der genaue Aufbau der vorstehend beschriebenen Elemente ist in Fig. 2 veranschaulicht.

Gemäß Fig. 2 besteht der Motorteil 100 aus einem Motor eines Dreiphasen-Induktor- oder -Induktionstyps, bei dem ein Läufer oder Rotor an der Außenseite, ein Ständer oder Stator an der Innenseite angeordnet sind. Der genaue Aufbau des Motorteils 100 ist in Fig. 3 dargestellt.

Die Fig. 3(a) und 3(b) veranschaulichen den Motorteil 100 in Vorderansicht bzw. in Schnittansicht.

Zur Vergrößerung des Radius des Rotors des Motors ist der Rotor außenseitig angeordnet, während der Stator innenseitig angeordnet ist. Außerdem ist an der Statorseite ein statischer Magnet vorgesehen.

Ein Innenstator 101 umfaßt zwei Magnetelemente 101 a und 101 b, einen statischen Magnet (Dauermagnet oder Elektromagnet) 102 und eine noch zu beschreibende Erregerwicklung.

Jedes Magnetelement 101 a und 101 b weist sechs ausgeprägte Pole 103 a₁ bis 105 a₁, 103 a₂ bis 105 a₂ und 103 b₁ bis 105 b₁ sowie 103 b₂ bis 105 b₂ auf. Die ausgeprägten Pole sind am Vorderende jeweils mit Zähnen eines Mitten- oder Teilungsabstands P versehen. Die Zähne an benachbarten ausgeprägten Polen, z. B. die Zähne an den Polen 103 a₁ und 104 a₂, sind um 1/3 Teilungsabstand (P/3) gegeneinander versetzt. Andererseits sind die einander gegenüberstehenden ausgeprägten Pole der beiden Magnetelemente 101 a und 101 b, z. B. die Pole 103 a₁ und 103 b₁, so angeordnet, daß sie in derselben Phase liegen. Mit 106 a - 106 c und 107 a - 107 c sind Erregerspulen oder -wicklungen bezeichnet, von denen jeweils zwei, d. h. die Erregerwicklung 106 a und 107 a und 106 b und 107 b sowie 106 c und 107 c, in Reihe geschaltet sind. Ein aus einem Magnetmaterial bestehender Rotor 108 ist an seiner Innenseite mit Zähnen eines Teilungsabstands P versehen. Der Rotor 108 umfaßt Elemente 108 a und 108 b, deren Zähne um 1/2 Teilungsabstand gegeneinander versetzt sind.

Der Motor mit dem beschriebenen Aufbau dreht sich, wenn Ströme (Sinuswelle, Impulswelle o. dgl.), deren Phasen um 120° gegeneinander verschoben sind, durch die Erregerwicklungen 106 a und 107 a, 106 b und 107 b, 106 c geleitet werden. Die Drehrichtung dieses Motors kann durch Änderung der Voreilung oder Nacheilung der Stromphasen umgeschaltet werden. Der durch den statischen Magnet 102 erzeugte Magnetfluß und der durch die Erregerwicklung 106 a erzeugte Magnetfluß werden an Luft-Spalten 109 a und 109 b zueinander addiert oder voneinander subtrahiert. Infolgedessen vermag sich der Impulsmotor mit hoher Auflösung zu drehen. Da der durch den statischen Magnet 102 erzeugte Magnetfluß die Hälfte des für die Drehung dieses Impulsmotors benötigten Magnetflußes liefert, kann der Stromverbrauch unter Erhöhung des Wirkungsgrads niedrig gehalten werden. Der als statischer Magnet verwendete Dauermagnet ist an der Statorseite angeordnet, weil die Magnetflußdichte an der Oberfläche des Magneten klein ist, d. h. höchstens 1T (Tesla) beträgt; aus diesem Grund muß der Dauermagnet eine bestimmte Größe aufweisen, doch wenn er an der Rotorseite angeordnet ist, ist seine Dicke in Radialrichtung entsprechend größer. Die Zahl der ausgeprägten Pole kann ein von sechs verschiedenes Mehrfaches von drei betragen.

Der beschriebene Motor vermag im Vergleich zu einem Motor desselben Außendurchmessers und des gleichen Wellendurchmessers ein erheblich höheres Drehmoment zu liefern.

Im folgenden ist anhand von Fig. 2 die Treiber- oder Ansteuerschaltung 200 beschrieben.

In der Ansteuerschaltung 200 vorgesehene Stromdetektorkreise 201, 202 dienen zum Detektieren oder Erfassen der die Wicklungen L₁ und L₂ des Motorteils durchfließenden Erregerströme. Subtrahierstufen 203 und 204 dienen zur Ableitung der Differenz zwischen der vom Drehzahlregelteil 400 gelieferten Strombefehls- oder Sollgröße und den durch die Stromdetektorkreise 201 und 202 gemessenen Strömen. Mit 205 ist ein Stromverstärkerkreis bezeichnet, der zum Durchschalten oder Sperren eines Transistors eines Erregerkreises 207 durch Lieferung eines von einem PWM-Kreis 206 erzeugten Pulsbreitenmodulations- bzw. PBM-Signals dient, das in Abhängigkeit von Signalen von den Subtrahierstufen 203 und 204 erzeugt wird. Infolgedessen wird dabei ein Dreiphasen-Sinuswellenstrom in der Weise durch den Motor geleitet, daß der Differenzialstrom bzw. die Stromdifferenz zwischen den Subtrahierstufen 203 und 204 zu Null wird.

Die Stromdetektorkreise 201 und 202 sind in Fig. 4 näher dargestellt.

Die Schaltung nach Fig. 4 umfaßt einen Eingangskreis X₁, einen Ausgangskreis X₂ und einen Transformator TR.

Der Transformator TR besteht aus einer Primärwicklung n₁, an welche der Eingangskreis X₁ angeschlossen ist, einer Sekundärwicklung n₂, mit welcher der Ausgangskreis X₂ verbunden ist, und einer dritten Wicklung n₃, die zwischen der Primärwicklung n₁ und der Sekundärwicklung n₂ angeordnet ist.

Im Eingangskreis X₁ vorgesehene Anschlüsse oder Klemmen d₁ und d₂ sind mit einer den Erregerstrom gemäß Fig. 2 führenden Leitung e verbunden.

Zwischen den Eingangsklemmen d₁ und d₂ ist ein Widerstand r geschaltet, der von Erregerströmen I von den Motorwicklungen L₁ und L₂ durchflossen wird. Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R₁ und einem Kondensator C₁ ist zum Widerstand r parallelgeschaltet. Die Größe des Widerstandswerts des Widerstands r beträgt z. B. praktisch 5 mΩ, und sie ist daher in bezug auf den Widerstandswert des Widerstands R₁ ausreichend klein. Weiterhin ist ein Reihenkreis aus einem Paralleldiodenkreis D₁ und der Primärwicklung n₁ zum Kondensator C₁ parallelgeschaltet. Der Paralleldiodenkreis D₁ umfaßt Dioden D₁₁ und D₁₂, die mit zueinander entgegengesetzter Polarität miteinander parallelgeschaltet sind.

Der Ausgangskreis X₂ enthält Ausgangsklemmen d₃ und d₄. Ein Reihenkreis aus einem Tiefpaßfilter (TPF) F, einem Widerstand R₂ und einem Kondensator C₂ ist zwischen die Ausgangsklemmen d₃ und d₄ geschaltet. Ein Reihenkreis aus einem Paralleldiodenkreis D₂ und der Wicklungen n₂ ist an die beiden Seiten des Kondensators C₂ angeschlossen, der eine Mittelwertstufe (averaging means) bildet. Der Paralleldiodenkreis D₂ ist ähnlich aufgebaut wie der beschriebene Paralleldiodenkreis D₁.

Die Beziehung zwischen der Spannung e₁ und dem fließenden Strom i₁, der an den Paralleldiodenkreisen D₁ und D₂ anliegt und durch diese hindurchfließt, ist gemäß Fig. 5 nichtlinear.

Ein Impulsgenerator OS ist über einen Widerstand R₃ und einen Kondensator C₃ mit der Wicklung n₃ verbunden.

Wenn bei der beschriebenen Schaltung das Verhältnis der Windungszahl der Primärwicklung n₁ und der Sekundärwicklung n₂ des Transformators TR mit 1 : 1 gewählt ist und an die dritte Wicklung n₃ positive und negative Impulssignale angelegt werden, entspricht die Äquivalentschaltung dieser Anordnung dem in Fig. 6 dargestellten Schaltbild.

In der Äquivalentschaltung gemäß Fig. 6 wird die Eingangsspannung E _i zu RI (der Widerstandswert des Widerstands r ist ebenfalls mit r angegeben).

Schalter S₁ und S₂ dienen zum Schalten der Dioden D₁₁, D₁₂, D₂₁ und D₂₂. Wenn ein positiver Eingangsimpuls (inpulse) vom Impulsgenerator OS an die Schalter S₁ und S₂ angelegt wird, werden diese auf die Seite eines Kontakts d₁ umgeschaltet (wobei die Dioden D₁₁ und D₂₁ leiten oder durchgeschaltet sind). Wenn dagegen ein negativer Eingangs- Impuls den Schaltern S₁ und S₂ aufgeprägt wird, werden diese auf die Seite des Kontakts g₃ umgeschaltet (Dioden D₁₁ und D₂₂ leiten). Wenn dagegen keiner dieser Impulse anliegt, sind die Schalter S₁ und S₂ auf die Seite ihres Kontakts g₃ umgeschaltet (wobei keine der Dioden leitet). Jede der Dioden D₁₁-D₂₂ ist durch eine Reihenschaltung durch eine Durchgangsspannung Δ und einen kinetischen Widerstand (Durchlaßwiderstand) r ausgedrückt.

Wenn ein positiver Eingangs-Impuls i _o vom Impulsgenerator OS angelegt wird, nehmen die Schalter S₁ und S₂ (mit leitenden Dioden D₁₁ und D₂₁) einen äquivalenten Zustand zu dem Zustand an, in welchem sie auf den Kontakt g₁ umgelegt sind; der Impuls i _o gelangt daher zur Seite der Diode D₁₁ und der Diode D₂₁ in der Weise, daß jeweils gleiche Größen i _o/2 zu den beiden genannten Seiten fließen. Unter diesen Bedingungen läßt sich eine Ausgangsspannung E₀₁ zwischen den Ausgangsklemmen d₃ und d₄ durch folgende Gleichung ausdrücken:

E₀₁ = E _i + Δ₁₁ + (r₁₁-r₂₁) - Δ₂₁ (1)

In einem Zustand, in welchem der negative Impuls i _o anliegt (wobei die Amplitude mit derselben Größe wie im Fall des positiven Impulses vorausgesetzt ist), läßt sich eine Ausgangsspannung E₀₂ zwischen den Ausgangsklemmen d₃ und d₄ durch folgende Gleichung ausdrücken:

Durch Anlegung der positiven und negativen Eingangs-Impulse vom Impulsgenerator OS, wie in Fig. 7(a) gezeigt, mit einer Wiederholungsperiode von T und durch Auslegung der Kapazitäten der Kondensatoren C₁ und C₂ mit einer ausreichenden Größe, um die Potentialänderung aufgrund des Aufladens oder Entladens durch die Impulse kleinzuhalten, nimmt die Ausgangsspannung E _o einen Mittelwert von E₀₁ und E₀₂ an, so daß er sich anhand der Gleichungen (1) und (2) durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

Wenn in Gleichung (3)

Δ₁₁ = Δ₁₂, Δ₂₁ = Δ₂₂
r₁₁ = r₁₂, r₂₁ = r₂₂ (4)

gilt, werden sowohl der zweite als auch der dritte Ausdruck zu Null, d. h. die Ausgangsspannung E _o und die Eingangsspannung E _i werden gleich. Die dem Eingangskreis zugeführte Spannung E _i kann daher von der Ausgangskreisseite in elektrisch isolierter Weise gewonnen oder abgenommen werden.

Die durch Gleichung (4) ausgedrückten Bedingungen können ohne weiteres dadurch gehalten werden, daß für die Vorrichtungen (Dioden) D₁₁ und D₁₂ sowie für die Vorrichtungen D₂₁ und D₂₂, welche den Paralleldiodenkreis bilden, jeweils gleiche standardisierte Bauteile verwendet werden oder eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten wird.

Fig. 7 veranschaulicht die bei Betätigung bzw. in Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 6 auftretenden Wellenformen. Dabei veranschaulichen Fig. 7(a) Eingangs-Impulse (inpulses) positiver und negativer Polarität, Fig. 7(b) die an der Seite von D₁ und D₂ des Paralleldiodenkreises geteilten Ströme und Fig. 7(c) eine Ausgangsspannung, in welcher die der Welligkeit der Ausgangspannung E _o entsprechende Größe in übertriebenem Maßstab eingezeichnet ist.

Im folgenden ist der Aufbau des Drehdetektorteils 300 gemäß Fig. 2 erläutert.

Der Aufbau eines Drehstellungsgebers I/F300₂ ist nachstehend anhand von Fig. 8 beispielhaft beschrieben.

Gemäß Fig. 8 ist eine ringförmige oder kreisförmige Code- Scheibe 301 vorgesehen, die in zwei in ihrer Umfangsrichtung verlaufenden Stufen angeordnete Lichtdurchlaßschlitze aufweist, die jeweils mit einem vorbestimmten gegenseitigen Mitten- oder Teilungsabstand angeordnet sind. Die äußere Schlitzreihe umfaßt eine Zahl von m₁ Lichtdurchlaßschlitzen 302, während die innere Schlitzreihe eine Zahl von m₂ Lichtdurchlaßschlitzen 303 aufweist. Diese Schlitzreihen 302 und 303 sind vorgesehen zur Erfassung der Verschiebung oder Bewegung der an Rotor 108 und Stator 101 des Motors vorgesehenen Zähne. An von der Schlitzreihe 302 verschiedenen Stellen sind Schlitze S zur Bestimmung des Ausgangspunkts vorgesehen, so daß damit die Drehstellung der Code- Scheibe 301 bestimmt oder erfaßt werden kann. Letztere ist mit der Ausgangs-Welle des Motors mitdrehbar angeordnet.

Die Anordnung gemäß Fig. 8 enthält Lichtquellen 304 und 305 sowie Linsen 306 und 307 zur Umwandlung der Lichtstrahlen von den Lichtquellen 304 und 305 in Parallelstrahlen.

Das durch die Linse 306 hindurchtretende Licht fällt auf die Schlitze 302 und die Schlitze S, während das durch die Linse 307 durchfallende Licht auf die Schlitze 303 geworfen wird.

Mit 308 ist ein Bildsensor bezeichnet, welcher das die Lichtdurchlaßschlitze 302 passierende Licht (Schlitzbild) abnimmt und der beispielsweise acht Photodioden 308₁- 308₈ aufweist, die in einer Arraykonfiguration angeordnet sind. Photodioden G₁ und G₂ dienen zum Erfassen der durch die Schlitze S hindurchtretenden Lichtstrahlen.

Ein Bildsensor 309 dient zum Abnehmen des durch die Lichtdurchlaßschlitze 303 hindurchfallenden Lichts (Schlitzbilds), und er besteht beispielsweise aus acht in einem Array angeordneten Photodioden 309₁-309₈.

Diese Photodioden sind gemäß Fig. 9 mit einem durch zwei Lichtdurchlaßschlitze bestimmten Mitten- oder Teilungsabstand P′ angeordnet.

In einer Signalverarbeitungsschaltung 310 wird eine Stellungs- oder Lagenbeziehung zwischen dem Rotor 108 und dem Stator 101 des Motors in Abhängigkeit von den Meßsignalen von den Photodioden 308-308₈ sowie von den Photodioden 309-309₈ berechnet.

Ein Beispiel für den speziellen Aufbau einer solchen Steuervorrichtung ist in Fig. 10 dargestellt. Dabei sind Schalter SW 1-SW 8 zur fortlaufenden Ableitung von Signalen von den betreffenden Photodioden 308₁-308₈ und den Photodioden 309₁-309₈ in einem vorbestimmten Zeittakt (timing) vorgesehen.

Operationsverstärker 311 und 312 dienen zum Verstärken der Signale, die ihnen über die betreffenden Schalter SW 1-SW 8 eingespeist werden. Die Ausgangssignale der Operationsverstärker 311 und 312 bilden eine stufenartige Wellenform. Die Höhe der Wellen wird jeweils entsprechend der Zahl der Photodioden bestimmt, welche das Licht erfaßt oder abgegriffen haben.

Der Aufbau des Drehstellungsgebers I/F300₂ ist im folgenden anhand von Fig. 2 erläutert.

Die Tiefpaßfilter 313 und 314 des Drehstellungsgebers I/F300₂ filtern die Niederfrequenzanteile der Ausgangssignale von den Operationsverstärkern 311 und 312 aus. Komparatoren 315 und 316 formen die Wellenformen der Ausgangssignale von den Tiefpaßfiltern 313 und 314. Periodenzähler 317 und 318 zählen die Periode der Wellenformen der Ausgangssignale 319 dient zum Zählen der Phasendifferenz zwischen den Ausgangswellenformen von den Komparatoren 315 und 316.

Nachstehend ist der Aufbau des Drehzahlregelteils 400 erläutert.

Ein Schalter 401 des Drehzahlregelteils 400 dient zum Umschalten zwischen einem Drehzahlregelmodus und einem Stellungsregelmodus. Für Drehzahlregelung wird der Schalter 401 auf den Kontakt h₁ umgelegt, während er für Laden oder Stellungsregelung auf den Kontakt h₂ umgeschaltet wird. Ein Frequenz/Drehzahl- bzw. F/V-Wandler dient zum Umwandeln des Ausgangssignals vom Drehstellungsgeber I/F300₂ in ein Geschwindigkeits- oder Drehzahlsignal.

Eine Subtrahierstufe 403 führt eine Subtraktion zwischen dem Signal (das als Sollgröße für die Drehzahl dient) vom Schalter 401 und einem Signal vom F/V-Wandler 402 durch.

Mit 404 ist ein multiplizierender Digital/Analog-Wandler (im folgenden als MDA-Wandler bezeichnet) bezeichnet, in welchem die Verstärkung (gain) in Abhängigkeit von einem Digitalsignal umgewandelt wird, wodurch analoge Eingangssignale verstärkt werden. Ein Signal zur Einstellung der Verstärkung wird vom Stellungsregelteil 500 oder vom Abstimmteil 600 geliefert.

Ein Spannungsregelbegrenzer 405 begrenzt das Ausgangssignal vom MDA-Wandler 404 auf einen vorbestimmten oberen Grenzwert oder einen vorbestimmten unteren Grenzwert.

Mit 406 und 407 sind multiplizierende Digital/Analog-Wandler bzw. MDA-Wandler bezeichnet, die ein Signal vom Spannungsregelbegrenzer (VCL) 405 abnehmen und Stromsignale I sin R e oder I sin ( R e + 120°) als Strom-Sollgröße zu den Subtrahierstufen 203 und 204 liefern, und zwar in Abhängigkeit vom Kommutationspegel- oder -steuersignal vom Stellungsregelteil 500 (wobei mit I ein Strom bezeichnet ist).

Nachstehend ist der Stellungsregelteil 500 näher erläutert.

Der Stellungsregelteil 500 enthält einen Zähler 501 zur Erzeugung eines Stellungsbefehls- oder -sollsignals in Abhängigkeit von einem Stellungsbefehlsimpulssignal und einem Drehrichtungssignal. Ein Schalter 502 ist in einem Normalmodus auf einen Kontakt k₁ und in einem Test- oder Prüfmodus auf einen Kontakt k₂ umgeschaltet, an den ein Testsignal durch eine Testsignalerzeugungseinheit 502′ angelegt wird.

Eine Subtrahierstufe 503 leitet die Differenz zwischen einem Signal (als Stellungsbefehls- oder -sollsignal dienend) vom Schalter 502 und einem Signal von einer Stellungsdetektoreinheit 504 ab.

Eine Stellungsregeleinheit 505 dient zur Einstellung einer Verstärkung des MDA-Wandlers 404 auf der Grundlage eines Parameters, der aus einer Verstärkungstabelle (gain table) 504 nach Maßgabe eines Signals vom Abstimmteil 600 ausgelesen wird. Die Stellungsregeleinheit 505 bildet ein tertitäres Servosystem zur Durchführung der I-PD (Integration, Proportionierung und Differenzierung) mittels Software.

Die Verstärkungstabelle 506 umfaßt Fig. 11 eine Tabelle, in welcher die Lastträgheit J des Motors, die charakteristische oder Kennfrequenz fn des Stellungsregelsystems und die zweckmäßigsten Steuer- oder Regelparameterwerte X₁₁, X₁₂, X₁₃ entsprechend der Lastträgheit J und der Kennfrequenz fn in miteinander korrespondierender Weise dargestellt sind. Die Verstärkungstabelle 506 umfaßt eine Drehzahlregeltabelle und eine Stellungsregeltabelle, von denen jede eine Proportion- oder P-Operationstabelle und eine Integrations- oder I-Operationstabelle aufweist.

Eine Kommutationsregeleinheit 507 dient zur Einstellung der Kommutation oder Kommutierung des Motors durch Anlegung von Signalen an die Multiplierstufen 406 und 407 in Abhängigkeit von einem Signal vom Drehstellungsgeber I/F300₁. Mit 508 ist ein D/A-Wandler zum Umwandeln eines digitalen Ausgangssignales von der Stellungsregeleinheit 505 in ein Analogsignal bezeichnet. Eine Abtast-Halteschaltung 509 (S/H-Schaltung) dient zum Abtasten-Halten eines Ausgangssignales vom D/A-Wandler 508 und zur Lieferung dieses Signals zum Abstimmteil 600.

Bei Durchführung der Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelung wird oder ist der Schalter 401 auf den Kontakt h₁ umgelegt, wobei die Differenz zwischen der analogen Drehzahl, als Drehzahlsollgröße eingegeben, und einem Drehzahlsignal vom F/V-Wandler 402 mittels der Subtrahierstufe 403 abgeleitet wird. Die Verstärkung des MDA-Wandlers 404 wird mittels einer Regelparametergröße gesetzt oder eingestellt, die mittels noch zu beschreibender Schalter 601 und 602 aus der Verstärkungstabelle 506 ausgelesen wird.

Bei Durchführung der Stellungsregelung ist der Schalter 401 mit dem Kontakt h₂ verbunden, während der Schalter 502 auf den Kontakt k₁ umgelegt ist. Die Differenz zwischen dem Stellungsbefehlssignal vom Zähler 501 und dem Ausgangssignal von der Stellungsdetektoreinheit 504 wird durch die Subtrahierstufe 503 abgeleitet. In der Stellungsregeleinheit 505 wird ein Regelparameter mittels der Schalter 601 und 602 aus der Verstärkungstabelle 506 ausgelesen. Der auf diese Weise ausgelesene Regelparameter wird zur Einstellung der Verstärkung des MDA-Wandlers 404 nach einer algorithmischen Stellungsregelmethode benutzt.

Im folgenden ist der Aufbau des Abstimmteils 600 beschrieben.

Der Abstimmteil 600 enthält Servoabstimmschalter 601 und 602. Der Schalter 601 ist dabei ein Kennfrequenz-Einstellschalter zum Einstellen der charakteristischen oder Kennfrequenz fn in einer Vielzahl von Stufen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs. Die Kennfrequenz wird dabei durch diesen Schalter 601 in beispielsweise 16 Stufen in einem Bereich von 5-20 Hz eingestellt. Der Schalter 602 ist ein Trägheitseinstellschalter zum Einstellen der Trägheit J in einer Anzahl von Stufen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs.

Wenn fn und J mittels dieser Schalter 601 und 602 eingestellt oder gesetzt werden, wird eine zweckmäßigste Regelparametergröße, die den eingestellten Größen oder Werten von fn und J entspricht, aus der Verstärkungstabelle 506 ausgelesen.

Wenn mittels der Schalter 601 und 602 die Stellungsregelung durchgeführt wird, stellt die Stellungsregeleinheit 505 die Verstärkung des MDA-Wandlers 404 in Abhängigkeit von der aus der Stellungsregeltabelle ausgelesenen Regelparametergröße ein. Bei der Drehzahlregelung erfolgt die Einstellung der Verstärkung durch Lieferung des aus der Drehzahlregeltabelle ausgelesenen Regelparameters zum MDA- Wandler 404.

Ein Schalter 603 dient zum Schließen oder Öffnen des Schalters 502. Ein Schalter 604 dient zum Schließen oder Öffnen des Schalters 401. Ein weiterer Schalter 605 dient zum Umschalten von Drehzahl- oder Stellungsregelung auf den Integrationsmodus oder den Proportioniermodus. Eine Integrationsopertionstabelle und eine Proportionieroperationstabelle der Verstärkungstabelle 506 werden mittels des Schalters 605 für Benutzung umgeschaltet. Wenn ein Roboterarm mittels eines Direktantriebsmotors betätigt wird, wird eine Integrationsoperationsmodusregelung oder -steuerung für das Positionieren des Roboterarms durchgeführt, während eine Proportionieroperationsmodusregelung (Anpassungsregelung) (compliance control) für das Festhalten eines Gegenstands durchgeführt wird.

Eine Monitorausgangsklemme 606 dient zum Gewinnen oder Abnehmen eines Ausgangssignales vom Stellungsregelteil 500 über eine Abtast-Halteschaltung 402. Das auf diese Weise abgenommene Ausgangssignal wird zur Betrachtung oder Überwachung einer Anzeigevorrichtung, z. B. einem Oszillographen, zugeführt.

Eine Impulsabnahmeklemme 607 dient zum Abnehmen eines zusätzlichen oder differenziellen Impulssignals über einen Aufwärts-Abwärtsimpulsgenerator 608.

Eine Ausgangspunktsignalklemme 609 dient zum Abnehmen von Ausgangssignalen von den Photodioden G₁ und G₂.

Die von den Klemmen 607 und 609 gewonnenen Ausgangssignale werden einer nicht dargestellten Steuereinheit zugeführt. Die Drehstellung des Motors wird mittels eines Ausgangssignals von der Impulsabnahmeklemme 607 in der Steuereinheit berechnet, während eine Ausgangsstellung mittels des Ausgangssignals von der Ausgangspunktsignalklemme 609 bestimmt oder erfaßt wird.

Ein Datenbus BS dient zu Übertragung von Signalen zwischen dem Drehdetektorteil 300, dem Drezahlregelteil 400, dem Stellungsregelteil 500 und dem Abstimmteil 600.

Wenn die Trägheit J des Motors schräg liegt, ist oder wird der Schalter 502 auf den Kontakt k₂ umgelegt, wobei ein bekanntes Testsignal der Stellungsregeleinheit 505 zugeführt und ein dabei vom Stellungsregelteil 500 ausgegebenes Signal mittels eines Ausgangsklemme des Motors überwacht werden. Der vorgegebene Trägheitswert wird sodann mittels des Trägheitseinstellschalters eingestellt, um die Verzerrung oder Verzeichnung der überwachten Wellenform zu unterdrücken.

Die Werte fn und J können durch eine externe Steuereinheit anstelle der Schalter gesetzt oder vorgegeben werden.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform der Regelparameter aus der Verstärkungstabelle 506 ausgelesen wird, wenn sowohl die Kennfrequenz fn als auch die Trägheit J mittels des Servoabstimmschalters gesetzt oder vorgegeben werden, kann auch eine Anordnung angewandt werden, bei welcher der Regelparameter ausgelesen wird, wenn entweder fn oder J gesetzt bzw. vorgegeben wird.

Mit der beschriebenen Anordnung lassen sich die nachstehend angegebenen Wirkungen erzielen:

1) Da im Motorteil 100 das Drehmoment durch die Magnetfehler der Erregerwicklung des Stators und des statischen Magnets erzeugt wird, kann das Verhältnis zwischen Drehmoment und Motorgewicht (Drehmoment/Gewichtsverhältnis) vergrößert werden. Weiterhin ist der statische Magnet, der zur Erzielung der erforderlichen Oberflächenmagnetschlußdichte auf eine bestimmte Größe vergrößert sein muß, an der Statorseite angeordnet, so daß demzufolge das Gewicht des Rotors verringert ist. Hierdurch kann das Drehmoment/ Gewichtsverhältnis weiter vergrößert werden.
2) Da in der Ansteuerschaltung 200 ein Stromdetektorkreis mit einem Kleinsignaltrenner als Stromdetektoreinheit (Detektoreinheit für Rückkopplungssignale) für die Motorwicklung verwendet wird, kann der Erregerstrom mit hoher Genauigkeit und in weitgehend isolierter Weise erfaßt oder abgegriffen werden, so daß der Motor mit kleiner Drehzahlgeschwindigkeit umlaufen kann.
3) Da im Drehzahldetektorteil 300 die Schlitze für die Stellungserfassung in zwei Stufen oder Reihen angeordnet sind und die Differenz der Schlitzzahlen in den beiden Reihen der Differenz der Zähnezahlen am Motor bzw. Rotor angepaßt ist, kann die Phasendifferenz zwischen den Zähnen des Stators und den Zähnen des Rotors unmittelbar abgeleitet oder ermittelt werden, indem die Phasendifferenz zwischen den wellengeformten Signalen des durch die Schlitze hindurchfallenden Lichts herangezogen wird. Infolgedessen können die Drehstellung des Motors und seine Drehgeschwindigkeit oder Drehzahl mit hoher Auflösung erfaßt werden.
Außerdem enthält der Drehstellungsgeber neben den Stellungsdetektorschlitzen auch die Ausgangspunktdetektorschlitze. Die Signale vom Drehstellungsgeber I/F300₂ werden dem Drehzahlregelteil 400 und dem Stellungsdetektorteil 500 zugeführt. Infolgedessen erfüllt der Drehdetektorteil 300 alle Drehzahldetektor-, Stellungsdetektor-, Ausgangspunktdetektor- und Magnetpoldetektorfunktionen.
4) Wenn im Servoabstimmteil 600 fn und J mittels des Servoabstimmschalters vorgegeben sind, wird die zweckmäßigste Parametergröße aus der Verstärkungstabelle ausgelesen. Die Drehung des Motors wird dann mit Hilfe der so ermittelten Parametergröße geregelt oder gesteuert. Demzufolge braucht der Anwender nicht jede Regelparametergröße vorzugeben, z. B. die Verstärkung der Schaltung einzustellen, so daß das Servosystem einfach eingestellt oder justiert werden kann. Durch Vorgabe nur von fn und J kann weiterhin die Verstärkungseinstellung oder -vorgabe des MDA-Wandlers 404, der tertiär-gesteuert werden soll, einfach, etwa auf quadratische Weise vorgenommen werden.
5) Wenn im Servosabstimmteil 600 die Lastträgheit des Motors schräg liegt (is oblique), wird ein bekanntes Testsignal an die Stellungsregeleinheit 505 angelegt, um das relevante Ausgangssignal vom Stellungsregelteil über die Monitorausgangsklemme 606 abzunehmen, so daß damit das Ausgangssignal überwacht wird. Demzufolge wird die vorgegebene Trägheitsgröße mittels des Schalters 602 eingestellt, so daß eine Auslenkung oder Abweichung der überwachten Wellenform verhindert wird. Als Ergebnis kann das Servosystem auch dann einfach eingestellt oder justiert werden, wenn die Lastträgheit des Motors schräg liegt.

Fig. 12 veranschaulicht den Aufbau eines wesentlichen Teils einer Anordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Abschalt- oder Anhalteteil (stopper potion) 700 zwischen dem Motorteil 100 und die Ansteuerschaltung 200 eingeschaltet ist.

Der Anhalteteil 700 dient zum Abschalten oder Anhalten des Motors 100 durch Unterbrechung der Erzeugung bzw. Zufuhr von elektrischer Energie. Wenn sich der Motor mit hoher Drehzahl dreht, d. h. wenn seine Drehzahl eine vorbestimmte Bezugsgröße übersteigt, wird eine Wicklung L des Motors gemäß Fig. 13 mit einem Parallelkreis aus einem Widerstand R₁₁ und einem Kondensator C verbunden. Wenn dagegen der Motor mit niedriger Drehzahl umläuft, d. h. wenn seine Drehzahl unter einer vorbestimmten Bezugsgröße liegt, wird die Motorwicklung gemäß Fig. 14 kurzgeschlossen. In Fig. 13 und 14 ist mit R₁₀ ein Spulen- oder Wicklungswiderstand der Wicklung L bezeichnet. Die Wicklung L entspricht den Wicklungen L₁ und L₂ gemäß Fig. 2.

Durch Verbindung der Schaltung auf die in Fig. 13 gezeigte Weise wird eine Reihenresonanz zwischen dem Kondensator C und der Wicklung L erzeugt, wodurch ein starker Anstieg der Phasendifferenz verhindert wird. Hindurch wird der Verbrauch an kinetischer Energie des Motors vergrößert. Um weiterhin die Größe Q der Resonanz zu verkleinern, ist der Widerstand R₁₁ zum Kondensator C parallelgeschaltet. Aufgrund dieser Ausgestaltung wird weitere kinetische Energie verbraucht.

Im folgenden ist anhand von Fig. 12 der Aufbau oder die Ausgestaltung des Anhalteteils näher erläutert.

Die Schaltung nach Fig. 12 umfaßt einen Anhaltekreis 710 zur Erzeugung elektrischer Energie und einen Kreis 720 zur Steuerung der Beendigung der Erzeugung von elektrischer Energie für die Steuerung oder Ansteuerung des genannten Anhaltekreises 710.

Im genannten Anhaltekreis 710 ist ein Dreh/Stopschalter SW 10 bei laufendem Motor auf einen Kontakt a₁ umgelegt, während er bei angehaltenem oder stillstehendem Motor auf einen Kontakt a₂ umgelegt ist.

Eine Anhalteart-Wählschalter SW 11 ist mit einem Kontakt b₁ verbunden, um den Anhaltevorgang mittels eines Parallelkreises (Resonanzkreises) aus dem Widerstand R₁₁ und dem Kondensator C durchzuführen. Wenn dagegen dieser Wählschalter SW 11 auf einen Kontakt b₂ umgelegt ist, erfolgt das Anhalten (des Motors) durch Kurzschließen der Motorwicklung L.

Der Stromunterbrech-Steuerkreis 720 enthält ein UND-Glied 721, an dessen einer Eingangsklemme ein Regel- oder Steuersignal BR anliegt, während an seiner anderen Eingangsklemme ein hochpegeliges Signal anliegt. Ein Relaisschalter 722 schaltet den Schalter SW 10 nach Maßgabe eines Eingangssignales vom UND-Glied 721 durch.

Eine Spannungserzeugungseinheit 723 dient zur Erzeugung einer Spannung in Abhängigkeit von einem Drehzahlsignal V vom Motor. Ein Komparator 724 vergleicht eine Ausgangsspannung von der Spannungserzeugungseinheit 723 mit einer Bezugsspannung V _R und erzeugt ein binäres Signal entsprechend dem Vergleichsergebnis. Ein UND-Glied 725 bewirkt eine UND-Verknüpfung eines Ausgangssignals vom Komparator 724 und eines Steuer- oder Regelsignals BR. Ein Relais 726 dient zum Umschalten des Schalters SW 11 nach Maßgabe eines Ausgangssignals vom UND-Glied 725.

Die beanspruchte Vergleichereinheit entspricht dem Komparator 724, während die beanspruchte Anhalteschaltereinheit dem aus den UND-Gliedern 721 und 725, den Relais 722 und 726 und dem Schalter SW 11 bestehenden Abschnitt entspricht.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des beschriebenen Abschalt- oder Anhalteabschnitts näher erläutert.

Wenn der Motor mit einem solchen Abschalt- oder Anhalteabschnitt umläuft, ist das Anhaltesignal BR auf einen niedrigen Pegel gesetzt. Infolgedessen geht ein Ausgangssignal vom UND-Glied 721 auf einen niedrigen Pegel über, so daß das Relais 722 den Schalter SW 10 auf den Kontakt a₁ umschaltet. Infolgedessen wird ein Erregerstrom von der Ansteuerschaltung 200 zum Motor 100 geliefert.

Wenn der Motor abgeschaltet bzw. angehalten wird, wird das Anhaltesignal BR auf einen hohen Pegel gesetzt. Daraufhin geht ein Ausgangssignal vom UND-Glied 721 auf einen hohen Pegel über, so daß das Relais 722 den Schalter SW 10 auf den Kontakt a₂ umschaltet.

Wenn dabei die Drehzahl V des Motors eine vorbestimmte Bezugsgröße übersteigt, schaltet das Relais 726 den Schalter SW 11 auf den Kontakt b₁ nach Maßgabe eines Ausgangssignals vom Komparator 724 um.

Infolgedessen wird ein Resonanzkreis (ein Parallelkreis aus dem Widerstand R₁₁ und dem Kondensator C) mit der Motorwicklung L verbunden. In diesem Resoanzkreis wird die kinetische Energie des Motors verbraucht bzw. verzehrt. Unter Voraussetzung der Phasendifferenz zu ψ läßt sich diese durch folgende Gleichung ausdrücken:

In obiger Gleichung bedeuten: ω = Nr. ·

ω:Kreisfrequenz der Induktionsspannung der WicklungNr.:eine Konstante :Drehzahl des Motors.

Die in obiger Gleichung enthaltenen Bezugszeichen stehen jeweils für Widerstand, Induktivität und statische Kapazität.

Ψ′′ ist gemäß Fig. 15(a) einer Alterung unterworfen. Die Drehzahl des Motors wird als Signal V zum Stromunterbrech- Steuerkreis 720 geliefert.

Wenn die Drehzahl V des Motors unter einer vorbestimmten Bezugsgröße liegt, schaltet das Realis 726 den Schalter SW 11 nach Maßgabe des Ausgangssignals vom Komparator 724 auf den Kontakt b₂ um.

Infolgedessen wird die Motorwicklung kurzgeschlossen, und die kinetische Energie des Motors wird, ähnlich wie bei der Schaltung gemäß Fig. 13, verbraucht. Unter der Voraussetzung der Phasendifferenz zu c′ in diesem Zustand läßt sich ψ′ wie folgt ausdrücken:

Die Phase oder Phasendifferenz ψ′ unterliegt einer Alterung (aging) gemäß Fig. 15(a).

Die Alterungen aufgrund der Drehzahl R des Motors, des Erregerstroms I der Wicklung und des Leistungsfaktors cos verlaufen auf die in Fig. 15(b) dargestellte Weise.

Wenn beim beschriebenen Abschalt- oder Anhalteteil die Drehzahl des Motors niedrig ist, entspricht die Phasendifferenz der Gleichung (6), während sie bei hoher Drehzahl der Gleichung (5) entspricht.

Die in diesen Schaltungen oder Kreisen verbrauchte Energie P entspricht

P = V · I · cos ψ (7)

Die Energie P wird daher im Fall von cos ψ = 1 am größten.

Wie sich aus der Kurve für cos ψ gemäß Fig. 3(b) und Gleichung (7) ergibt, nähert sich bei hoher Motordrehzahl cos ψ′′ der Größe 1 schneller an als cos ψ′. Demzufolge kann mit einer Methode zur Unterbrechung der elektrischen Energieerzeugung unter Verwendung einer Reihenresonanz zwischen einem Kondensator und einem Motor die kinetische Energie des Motors schneller verbraucht bzw. vernichtet werden.

Bei niedriger Drehzahl des Motors gewährleistet die Schaltung gemäß Fig. 14 eine bessere Leistung bzw. einen besseren Wirkungsgrad. Wenn daher die Drehzahl unter einer bestimmten Größe liegt, kann mit einer einfachen Anordnung durch Umschalten der Schaltungen nach Fig. 13 auf diejenigen nach Fig. 14 eine einer mechanischen Bremse äquivalente Anhaltecharakteristik erzielt werden.

Da bei der Abschalt- oder Anhalteanordnung ein Motor durch in Abhängigkeit von der Motordrehzahl erfolgende Wahl der Art des Kurzschließens der Motorwicklung unter Verbindung des RC-Resonanzkreises mit der Motorwicklung angehalten wird, kann der Motor über einen weiten Bereich von Drehzahlen hinweg jeweils wirksam abgeschaltet oder angehalten werden.

Fig. 16 verschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel des Drehdetektorteils bei der erfindungsgemäßen Anordnung. Dieser Drehdetektorteil verwendet einen Drehstellungsgeber mit sinuswellenförmigen Schlitzen.

Die Anordnung nach Fig. 16 umfaßt eine Anzahl von Lichtdurchlaßschlitzen 330 einer Sinuswellenform, die mit einem vorbestimmten Mitten- oder Teilungsabstand in Umfangsrichtung einer Code-Scheibe 301 angeordnet sind.

Die Photodioden 308₁-308₈ sind gemäß Fig. 17 in einem Teilungsabstand P₁ angeordnet, welcher dem der Schlitze 330 entspricht. Obgleich die Schlitze 330 (tatsächlich) in Umfangsrichtung verlaufend angeordnet sind, sind sie in Fig. 17 zur Vereinfachung der Erläuterung in Form einer Abwicklung dargestellt.

Im folgenden ist die Form der Lichtdurchlaßschlitze 330 erläutert.

Fig. 18 veranschaulicht die Form dieser Schlitze 330, wobei mit O ein Drehzentrum der Code-Scheibe 301 und mit den Symbolen X und Y jeweils eine Rechteckkoordinatenachse mit dem Punkt O als Ausgangspunkt bezeichnet sind. Die in dieser Figur verwendeten Zeichen oder Symbole besitzen folgende Bedeutung:

N= Zahl der Schlitze pro Umkreis (per round)R= Radius eines Kreises in der Schlitzform 2K= Differenz zwischen Radien von Kreisen innerhalb und außerhalb der Schlitzkonfiguration A= Punkte auf dem Innenumfang der Schlitze B= Schnittpunkte zwischen Verlängerungen der Segmente AO und den sinusförmigen Abschnitten R= durch die Segmente AO und die X-Koordinate bestimmter Winkel t= X-Koordinate des Punkts A (x, y)= Koordinate des Punkts B (x′, y′)= Koordinate des Punkts A

Im Fall von 0 ≦ R ≦ π/2 gilt

Daher lassen sich x und y wie folgt ausdrücken:

worin bedeuten:

x′ = t
y′ =

Der durch die Orte (locuses) der Punkte A und B umgebene oder umschlossene Bereich stellt den Lichtdurchlaßschlitz dar.

Dieser kann dem Bereich π/2 ≦ R ≦ 2 π entsprechen.

Fig. 19 veranschaulicht ein anderes Beispiel für den Drehdetektorteil bei der erfindungsgemäßen Anordnung. Dieser Drehdetektorteil enthält einen Drehstellungsgeber, bei dem Stellungsdetektor-Lichtdurchlaßschlitzformen zweistufig bzw. in zwei Reihen angeordnet und die Schlitze sinuswellenförmig ausgebildet sind.

Die äußere Schlitzform oder -reihe umfaßt eine Zahl von m₁ Lichtdurchlaßschlitzen 331, während die innere Schlitzreihe eine Zahl von m₂ derartigen Schlitzen 332 aufweist, wobei m₁-m₂ entsprechend der Zähnezahl des Motorteils 100 gewählt ist.

Die zweistufig oder in zwei Reihen angeordneten Schlitzreihen 331 und 332 dienen zur Erfassung des Versatzes zwischen den Zähnen des Rotors des Motors und den Zähnen des Stators.

Schieberegister SR 1 und SR 2 dienen zum sequentiellen Schließen und Öffnen der Schalter SW₁-SW₈, um die Ausgangssignale von den Photodioden 308₁-308₈ und 309₁- 309₈ in einem gewissen Zeittakt zu gewinnen.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Schaltung erläutert.

Die Abtastfrequenz der Schalter SW 1-SW 8 ist auf 8 fs gesetzt (mit fs = Frequenz der Wellenformen der Ausgangssignale von den Tiefpaßfiltern 313 und 314).

Ein durch die äußeren Lichtdurchlaßschlitze 331 hindurchfallender Lichtstrahl wird durch das Photodiodenarray 308 abgegriffen, während ein durch die inneren Schlitze 332 hindurchfallender Lichtstrahl durch das Photodiodenarray 309 abgegriffen wird. Durch Abtastung der Detektions- oder Meßsignale von den Photodiodenarrays mit der Frequenz 8 f _s bestimmen sich Signale f₁(t) und f₂(t), welche die Tiefpaßfilter 313 und 314 passiert haben, wie folgt:

f₁(t) = A₁ sin ( ω t + M₁R) (8)
f₂(t) = A₂ sin ( ω t + M₂R) (9)

darin bedeuten:

A₁, A₂= Konstante R= Drehwinkel der Code-Scheibe ω= 2 π f _s,

und die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen entspricht:

Φ = (M₁-M₂)R (10)

Die Beziehung zwischen der Phasendifferenz Φ und dem Drehwinkel R der Code-Scheibe ist nachstehend beschrieben.

Im folgenden ist ein Fall erläutert, in welchem vorausgesetzt, wird, daß die Zahl der äußeren Schlitze M₁ acht und die Zahl der inneren Schlitze M₂ sechs betragen. Dabei ist weiterhin die Zahl M der Zähne des Motors mit 2 gewählt, weil 8-6 = 2 gilt.

Die Beziehung zwischen den Detektions- oder Meßsignalen von den Photodiodenarrays 308 und 309 und dem Drehwinkel des Motors läßt sich auf die in den Fig. 20(a) und 20(b) dargestellte Weise ausdrücken. Wie aus diesen Figuren hervorgeht, vergrößert sich die Verschiebung bzw. der Versatz zwischen den Meßsignalen (elektrischer Winkel) als Φ₁, Φ₂, . . . . proportional zur Vergrößerung des tatsächlichen Drehwinkels R (mechanischer Winkel) der Code- Scheibe 301.

Die Verschiebung oder der Versatz Φ zwischen zwei Meßsignalen bei einer Drehung der Code-Scheibe um R läßt sich anhand von Gleichung (10) wie folgt ausdrücken:

Φ = (8-6) R

Andererseits dreht sich der Rotor des Motors ebenfalls um (den Drehwinkel) R, wenn sich die Code-Scheibe 301 um R verdreht. Da die Zähnezahl des Motors zwei beträgt, verschieben sich die Zähne des Rotors und des Stators um den Winkel 2R. Dies bedeutet, daß die mittels der Code- Scheibe erfaßte Phasendifferenz der Verschiebung des elektrischen Winkels zwischen den Zähnen des Rotors und den Zähnen des Stators entspricht. In Abhängigkeit von dieser Beziehung wird die Stellungs- oder Lagenbeziehung zwischen den Rotorzähnen und den Statorzähnen erfaßt, und die Kommutierung des Motors wird auf dieser Grundlage gesteuert.

Da beim beschriebenen Drehstellungsgeber die einzelnen Schlitze mit einer Sinuswellenform ausgebildet sind, liegt das die Photodiode erreichende Licht in einer Sinuswellenform vor. Da jede Photodiode ein Ausgangssignal entsprechend der mit Licht bestrahlten Fläche erzeugt, erhält das in Fig. 21 dargestellte Detektions- oder Meßsignal vom Drehstellungsgeber eine Sinuswellenform, welche sich der Form der Referenzwelle entsprechend der Anordnung der Photodioden 308₁-308₈ annähert. Infolgedessen kann ein Detektions- oder Meßsignal des Verschiebungswandlers mit hoher Genauigkeit und ohne Hochfrequenzanteile erhalten werden.

Der beschriebene Drehstellungsgeber ist für die Vergleichmäßigung der Motordrehzahlung zweckmäßig, wenn er für die Regelung der Drehzahl des Motors eingesetzt wird.

Fig. 22 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel des Drehdetektorteils bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem magnetischen Funktionsdrehmelder. Dabei zeigen Fig. 22(a) eine Vorderansicht der Vorrichtung und Fig. 22(b) einen Schnitt längs der Linie Z-Z in Fig. 22(a).

Gemäß diesen Figuren ist ein Stator 810 vorgesehen, bei dem nichtmagnetische Elemente 814, 815 jeweils zwischen drei Magnetelemente 811 und 812 bzw. 812 und 813 eingefügt sind. Jedes Magnetelement 811-813 weist drei ausgeprägte Pole 811₁-811₃, 812₁-812₃ und 812₁-813₃ auf. An den oberen Enden dieser ausgeprägten Pole sind jeweils Zähne 816 ausgebildet. Die Zähne der ausgeprägten Pole am einen Magnetelement sind in der gleichen Phase angeordnet, während die Zähne an den Magnetelementen 811, 812 und 813 um {(1/3) + m _a} p _a gegeneinander versetzt sind (dabei bedeuten: p _a = Zahnteilung und m = eine ganze Zahl).

Um die einzelnen Magnetelemente 811-813 sind jeweils Spulen bzw. Wicklungen 817₁-817₃, 818₁-818₃ und 819₁- 819₃ herumgewickelt. Mit 820 ist ein Rotor bezeichnet, der aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt und außenseitig um den Stator 810 herum angeordnet ist. Der Rotor 820 ist mit Zähnen 821 versehen, welche den Zähnen 816 gegenüberstehen und welche praktisch denselben Teilungs- oder Mittenabstand wie die Zähne 816 aufweisen.

Ein Dreiphasen-Oszillator 822 dient zum Anlegen von Sinuswellenspannungen Vo sin ω t, Vo sin ( ω t + 120°) und Vo sin ( ω t-120°) an die Spulen 817₁-817₃, 818₁-818₃ bzw. 819₁-819₃.

Eine Recheneinheit 823 berechnet den Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Rotors 810 mittels der die Wicklungen 817₁-817₃, 818₁-818₃ und 819₁- 819₃ durchfließenden Ströme. Die einzelnen, jede Wicklung durchfließenden Ströme werden jeweils mittels eines mit jeder Wicklung in Reihe geschalteten Widerstands und durch Messen der Spannungen an den beiden Seiten des betreffenden Widerstands erfaßt oder bestimmt.

Bei Verwendung einer Dreiphasenwicklung ist die Zahl der ausgeprägten Pole nicht auf 9 beschränkt, vielmehr kann sie wahlweise auch nur 3n _a betragen (mit: n _a = Zahl der ausgeprägten Pole pro Stator).

Das Schaltbild der oben beschriebenen Anordnung ist in Fig. 23 dargestellt. Dabei stehen die Bezugsziffern 822₁, 822₂ und 822₃ für Oszillatoren zum Anlegen von Sinuswellenspannungen Vo sin ω t, Vo sin (ω t + 120°) und Vo sin ω t-120°) an die Wicklungen 817₁-817₃, 818₁- 818₃ bzw. 819₁-819₃.

Die beanspruchte Signalquelle entspricht den Oszillatoren 822₁-822₃.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung erläutert.

Die Induktivitäten L₁₇, L₁₈ und L₁₉ der betreffenden Spulen oder Wicklungen 817₁-817₃, 818₁-818₃ und 819₁-819₃ werden jeweils anhand des jeweiligen bestimmt; sie lassen sich daher wie folgt ausdrücken:

L₁₇= n²/R₁₇
= n²/Ro + r _o sin R) L₁₈= n²/R₁₈
= n²/{Ro + r _o sin (R + 120°)} L₁₉= n²/R₁₉
= n²/{Ro + r _o sin (R-120°)}

darin bedeuten:

Ro, r _o = magnetischer Widerstand n = Windungszahl.

Wenn jede Wicklung durch den Dreiphasen-Oszillator 822 erregt wird, lassen sich die Ströme I₁₇, I₁₈ und I₁₉, die durch die betreffenden Wicklungen 817₁-817₃, 818₁- 818₃ und 819₁-819₃ fließen, wie folgt ausdrücken:

= (a + b sin R)sin l t
I₁₈= {a + b sin (R + 120°)} sin (ω t + 120°) I₁₉= {a + b sin ( R-120°)} sin (ω t-120°)

darin bedeuten: a, b = Konstante.

Sodann läßt sich die Summe der Ströme I₁₇, I₁₈ und I₁₉ wie folgt berechnen und ausdrücken:

I = I₁₇ + I₁₈ + I₁₉
= a {sin ω t + sin( ω t + 120°) + sin (ω t-120°)}
+b {sin R sin ω t + sin( R + 120°)sin(ω + 120°)
+sin( R + -120°)sin( ω t-120°)}= {cos(R - ω t)-cos(R + ω t) + cos(R-ω t)
-cos(R + ω t + 240°) + cos( ω t-R)-
cos(R + ω t-240°)}= b cos(R-ω t) (13)

Da Gleichung (13) der Gleichung des Ausgangssignals des Funktionsdrehmelders entspricht, dessen Phase beim Drehwinkel R umgewandelt wird, wird der R/D-Wandler (oder A/D-Wandler) überflüssig. Weiterhin werden der beschriebene Drehstellungsgeber und eine Schnittstelle für das Signal dabei gleich, weshalb eine gemeinsame Steuerschaltung verwendet wird.

Nach Gleichung (13) wird der Drehwinkel R abgeleitet. Da weiterhin R = Vo t gilt (wobei Vo die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Rotors darstellt), wird die Drehzahl des Rotors unter Heranziehung der Frequenz von R berechnet.

Fig. 24 veranschaulicht ein Beispiel für einen Zählerkreis unter Verwendung der Stellungs- und Drehzahldetektoreinheiten gemäß der Erfindung.

Die Anordnung gemäß Fig. 24 umfaßt eine Stellungs- und Drehzahldetektoreinheit 830 gemäß der Erfindung und eine Wellenformeinheit zum Formen der Wellenform eines Ausgangssignals von der Einheit 830. Ein Zähler (Periodenzähler) 832 dient zum Zählen der Periode des geformten Signals. Ein Mikroprozessor 833 dient zur Ableitung des Drehwinkels R unter Heranziehung des Zählstands des Periodenzählers 832 als Daten.

Unter der Voraussetzung, daß eine Frequenz des Ausgangssignals von der Stellungs- und Drehzahldetektoreinheit 830 bei angehaltenem Rotor 3 kHz und eine durch den Periodenzähler 832 gezählte Frequenz 3 MHz betragen, berechnet der Mikroprozessor 833 den Drehwinkel R nach der folgenden Gleichung:

R = Σ(Data-1000)

Darin bedeutet: Data = Zählstand (value counted) des Periodenzählers 832.

Die um den ausgeprägten Pol herumgewickelte Wicklung ist nicht auf die Dreiphasen-Wicklung beschränkt, vielmehr kann sie eine ka-Phasenwicklung sein (ka = eine ganze Zahl). In diesem Fall wird die Zahl der ausgeprägten Pole mit k _a n _a gewählt.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform eine Anordnung gewählt ist, bei welcher die Phasen der Zähne benachbarter ausgeprägter Statorpole um P _a/3 gegeneinander versetzt sind, kann der Rotor in drei Lagen oder Schichten ausgebildet sein, oder die Phasen der Zähne in den Justierlagen können um P _a/3 (gegeneinander) versetzt sein.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die Anordnung so getroffen ist, daß die Wicklung mittels der Spannung angesteuert wird, wobei der Drehwinkel von dem die Wicklung durchfließenden Strom abgeleitet wird, kann die Wicklung auch durch einen Strom angesteuert werden, wobei der Drehwinkel anhand der an die Wicklung angelegten Spannung erfaßt wird.

Mittels des beschriebenen Drehdetektorteils können Fehler aufgrund von Exzentrizität des Rotors ausgeschaltet werden, weil der Drehwinkel anhand der Summe der Signale berechnet wird, die von den mehreren in Umfangsrichtung des Rotors angeordneten Wicklungen abgegriffen werden. Da weiterhin an der Innenseite des Drehdetektorteils keine elektrische Schaltung vorgesehen ist, wird ein guter Wärmewiderstand bzw. eine gute Wärmbeständigkeit erzielt. Außerdem ist die Anordnung dieses Teils entsprechend der des Motors getroffen, so daß sich Zusammenbau und Einstellung oder Justierung desselben einfach durchführen lassen.

Fig. 25 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel der Anordnung des Drehdetektorteils, bei dem wiederum ein magnetischer Funktionsdrehmelder verwendet wird. Dabei sind Fig. 25(a) eine Vorderansicht und Fig. 25(b) ein Schnitt längs der Linie Z₁-Z₁ in Fig. 25(a).

Gemäß Fig. 25 sind zwei aus Magnetmaterial bestehende, ringförmige Statorelemente 901 und 902 vorgesehen, von denen jedes ausgeprägte Pole 903₁-903₄ und 904₁-904₄ in einem Drehwinkelabstand von 90° aufweist. Die Vorder- bzw. Außenenden der ausgeprägten Pole sind jeweils mit Zähnen 905 in einem Mitten- oder Teilungsabstand P _b versehen.

Die benachbarten Zähne eines Statorelements sind um (1/2) P _b zueinander versetzt. Beispielsweise sind die Phasen der jeweiligen Zähne des Pols 903₁ und des Pols 903₂ um (1/2)P _b zueinander versetzt.

Die Statorelemente 901 und 902 sowie ein dazwischen eingefügtes nichtmagnetisches Element 906 bilden einen Stator 907. Die Elemente sind dabei so zusammengesetzt, daß die Phasen der Zähne benachbarter ausgeprägter Pole um (1/4)P _b zueinander versetzt sind. Beispielsweise sind die Phasen der Zähne des Pols 903₁ und des Pols 904₁ um (1/4)P _b zueinander verschoben oder versetzt.

Um die ausgeprägten Pole 903₁ und 903₃ ist eine Wicklung 908₁ herumgewickelt, während die ausgeprägten Pole 903₂ und 903₄ mit einer Wicklung 908₂ bewickelt sind. Diese Wicklungen oder Spulen 908₁ und 908₂ bilden eine Wicklungsphase. Auf ähnliche Weise ist das Statorelement 902 mit Wicklungen 909₁ und 909₂ bewickelt.

Um die Außenseite der Statorelemente 901 und 902 herum ist ein Rotor 910 angeordnet, der mit den Zähnen 905 gegenüberstehenden Zähnen 911 versehen ist, die im gleichen Teilungsabstand wie die Zähne 905 angeordnet sind.

Eine Signalquelle 912 legt wechselnde oder Wechselspannungssignale oder aber Wechselstromsignale an die verschiedenphasigen Wicklungen 908 und 909 an. Die an die Wicklungen 90ß8 und 909 angelegten Wechselstromsignale sind in ihrer Phase um 90° zueinander verschoben.

Eine Recheneinheit 913 dient zum Erfassen sowie zum Addieren und Subtrahieren der Spannungen oder Ströme zwischen den Enden der Wicklungen 908 und 909, so daß die Drehstellung des Rotors 910 anhand der Phase des addierten oder subtrahierten Signals berechnet wird, während die Drehzahl (oder Drehgeschwindigkeit) anhand der Frequenz berechnet wird.

Als Detektorschaltung zur Erfassung des Stroms oder der Spannung an den beiden Enden der (betreffenden) Wicklung werden beispielsweise die Anordnungen nach Fig. 26 bis 28 verwendet. Die Schaltung gemäß Fig. 26 kennzeichnet sich dadurch, daß Spannungen an den beiden Enden der Wicklung erfaßt oder abgegriffen werden. Mit der Schaltung gemäß Fig. 27 werden Ströme an den beiden Enden der (betreffenden) Wicklung abgegriffen. Bei der Schaltung gemäß Fig. 28 ist ein Transformator für Abgreif- oder Detektionszwecke vorgesehen.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des beschriebenen Drehdetektorteils erläutert.

Eine Strom- oder Signalquelle 912 legt eine Wechselspannung V₁ cos ( ω t + Δ _A) an die Wicklungen 908₁ und 908₂ sowie eine Wechselspannung V₁ cos ( ω t + Δ _B + 90°) an die Wicklungen 909₁ und 909₂ an (dabei stehen V₁ für die Amplitudenspannung und Δ _A, Δ _B für Fehler im elektrischen Winkel).

Wenn sich der Rotor 910 über den Winkel R dreht, lassen sich die jeweiligen Spannungen V _S₁, V _S₂, V _C₁ und V _C₂ an den beiden Enden jeder Wicklung 908₁, 908₂, 909₁ bzw. 909₂ wie folgt ausdrücken:

V _S₁ = V₁ {1 + m _b sin(R + δ _A)}cos( l t + Δ A) (14)
V _S₂ = V₁ {1-m _b sin(R + δ _A)}sin( ω t + Δ A) (15)
V _C₁ = V₁ {1 + m _b cos(R + δ _B)}sin( l t + Δ B) (16)
V _C₂ = V₁ {1-m _b cos(R + δ _B)}sin( ω t + Δ B) (17)

In obigen Gleichungen bedeuten:

m _b= Konstanteδ _A, δ _B= Fehler in den mechanischen Winkeln.

Die Recheneinheit 913 greift die Spannung an den beiden Enden ab und führt eine Berechnung nach Gleichungen (14) bis (15) und (16) bis (17) durch, wobei die berechnete Größe V _b wie folgt erhalten oder abgeleitet wird:

Durch Einstellung des elektrischen Winkels nach Gleichung (18) und Vorgabe der folgenden Beziehung

Δ _B-δ _B-Δ _A + δ _A = 0

wird der zweite Ausdruck an der rechten Seite von Gleichung (18) zu Null, wodurch die Phasengenauigkeit verbessert werden kann.

Die beschriebene Ausführungsform ist nicht auf die Zahl der an jedem Statorelement vorgesehenen ausgeprägten Pole und die angegeben Zahl der Statorelemente beschränkt.

Wenn ein Statorelement mit n _b ausgeprägten Polen versehen ist (n _b = ein Faktor von zwei), während die Zahl der Statorelemente K _b beträgt, läßt sich jede Größe wie folgt ausdrücken:
Phasenverschiebung der Zähne an benachbarten ausgeprägten Polen eines Statorelements = P _b/2
Phasenverschiebung der Zähne an benachbarten ausgeprägten Polen bei gestapelten bzw. zusammengesetzten Statorelementen =

{(1/2k _b) + m _b} (mit K _b = 2)
{(1/k _b) + m _b} (mit k _b = eine von 2 verschiedene ganze Zahl)

darin bedeuten:

m _b = eine ganze Zahl k _b = Phasenzahl der Wicklung

Phasendifferenz zwischen Phasen der Wechselspannung oder des Wechselstroms für die Ansteuerung der Wicklung =

360°/2k _b (mit k _b = 2)
360°/k _b (mit k _b = eine von 2 verschiedene ganze Zahl)

Obgleich vorstehend eine Anordnung beschrieben ist, bei welcher die Phasen der Zähne benachbarter ausgeprägter Pole des Stators (gegeneinander) versetzt sind, kann der Rotor aus k _b Lagen oder Schichten stapelweise zusammengesetzt sein, wobei die Phasen der Zähne benachbarter Lagen oder Schichten, ähnlich wie bei den beschriebenen ausgeprägten Polen, gegeneinander versetzt sein können.

Da mit dem beschriebenen Detektorteil die Spannungs- oder Stromdifferenz an zwei Enden einer Wicklung, die um die ausgeprägten Pole herumgewickelt ist, deren Zähne um p _b/2 verschoben oder versetzt sind, abgegriffen wird, kann die Hochfrequenz gerader Zahl aufgehoben oder unterdrückt werden, so daß die Drehung oder Drehzahl des Motors mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann.

Da weiterhin bei der Berechnung zur Auflösung von Gleichung (18) die Trägerwelle (carrier) in differenzieller Weise aufgehoben oder unterdrückt wird, kann die Temperaturcharakteristik verbessert sein.

Außerdem kann die Zahl der Kerne und Schaltungen oder Schaltkreise im Vergleich zum Dreiphasen-Drehdektorteil gemäß Fig. 22 auf zwei Drittel verringert sein.

Da weiterhin die Zähnezahl des Motors und des Funktionsdrehmelders jeweils gleich ist, kann die Kommutationssteuerung unter Heranziehung der Phase des Signals vom Funktionsdrehmelder durchgeführt werden.

Die vorstehend beschriebene Anordnung gemäß der Erfindung eignet sich somit vorteilhaft für den Antrieb der Gelenke eines Mehrgelenk-Arbeitsroboters.

Claims

1. Direktantriebsmotoranordnung, gekennzeichnet durch einen Motorteil des Induktor- oder Induktortyps,
einen Drehdetektorteil zum Erfassen (oder Messen) der Drehung eines Rotors des Motorteils,
einen Stellungsregelteil zur Ableitung der Differenz zwischen einem Befehlssignal für die Drehstellung und einem Detektions- oder Meßsignal vom Drehdetektorteil und zum Ausgeben eines Regelsignals in Abhängigkeit von der so abgeleiteten Differenz unter Verwendung eines tertiären Servosystems mit Software,
einen Drehzahlregelteil zur Ableitung der Differenz zwischen einem Ausgangssignal vom Stellungsregelteil und dem Meßsignal vom Drehdetektorteil und zum Ausgeben eines Regelsignals in Abhängigkeit von der so abgeleiteten Differenz,
eine Treiber- oder Ansteuerschaltung zum Abgreifen (detecting) eines eine Spule oder Wicklung des Motorteils durchfließenden Erregerstroms, zur Ableitung der Differenz zwischen einem Meßsignal für den Erregerstrom und einem Ausgangssignal vom Drehzahlregelteil und zur Regelung des Erregerstroms in Abhängigkeit von der so abgeleiteten Differenz sowie
einen Abstimmteil zum Einstellen von Servosystemen des Drehzahlregelteils und des Stellungsregelteils.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorteil einen außenseitig angeordneten Rotor und einen innenseitig angeordneten Stator aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorteil ein Dreiphasenmotor eines Induktor- oder Induktionstyps ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahldetektorteil während der (Motor-)Drehung ein Stellungsdetektions- oder -meßsignal und ein Drehzahldetektions- oder -meßsignal ausgibt oder liefert, von denen das Stellungsmeßsignal dem Stellungsregelteil und das Drehzahlmeßsignal dem Drehzahldetektorteil eingespeist werden.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahldetektorteil einen optischen Drehstellungsgeber (rotary encoder), eine am Rotor des Motorteils angebrachte Code-Scheibe, Schlitze zur Erfassung eines Ausgangspunkts, die mit einem vorbestimmten gegenseitigen Mitten- oder Teilungsabstand in Umfangsrichtung der Code-Scheibe angeordnet sind, und zur Erfassung der Drehstellung dienende Schlitze aufweist, die zweistufig bzw. in zwei Reihen mit einem vorbestimmten gegenseitigen Teilungsabstand in Umfangsrichtung der Code-Scheibe angeordnet sind, wobei die Differenz zwischen der Zahl der äußeren Schlitze und der inneren Schlitze in den beiden Reihen der Zahl von am Motorteil vorgegebenen Zähnen entspricht.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erfassung der Drehstellung dienenden Schlitze mit einer Sinuswellenform ausgebildet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehdetektorteil folgendes umfaßt:
einen Stator mit K _a n _a ausgeprägten Polen (mit K _a = Zahl der Lagen oder Schichten des Stators und n _a = Zahl der ausgeprägten Pole pro Lage oder Schicht), die jeweils am oberen Ende mit Zähnen eines vorbestimmten Teilungsabstands (Zahnteilung) versehen sind, deren Phasen um {(1/k _a) + m _a} P _a (mit: m _a = eine ganze Zahl und P _a = Teilungsabstand der Zähne) in Übereinstimmung mit der Anordnungsreihenfolge der ausgeprägten Pole (zueinander) versetzt sind,
einen Rotor, dessen Zähne den Zähnen des Stators gegenüberstehen und mit im wesentlichen demselben Teilungsabstand wie die Statorzähne ausgebildet sind,
eine um die ausgeprägten Pole herumgewickelte k _a-Phasen- Spule oder -Wicklung, deren eine Phase durch eine Wicklung gebildet ist, die um ausgeprägte Pole derselben Phase herumgewickelt ist,
eine Signalquelle zur Lieferung von K _a-Phasen-Wechselspannungen oder -Wechselströmen, deren Phasen um (360/K _a)° verschoben sind, zu den Wicklungen in jeder Phase und
ein(n) Recheneinheit oder -teil zum Abgreifen und Addieren des Stroms oder zu der Spannung, der bzw. die an die Wicklungen in jeder Phase angelegt wird, sowie zum Ableiten der Drehstellung von der Phase eines addierten Signals und zum Ableiten der Drehzahl des Rotors von der Frequenz.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahldetektorteil folgendes umfaßt:
Statorelemente mit jeweils n _b (n _b = ein Vielfaches von 2) ausgeprägten Polen, die am vorderen oder oberen Ende in einem vorbestimmten Teilungsabstand angeordnete Zähne aufweisen, wobei die Phasen der Zähne an benachbarten ausgeprägten Polen um P _b (P _b = Zahnteilungsabstand) (gegeneinander) versetzt sind und Spulen oder Wicklungen um benachbarte ausgeprägte Pole so herumgewickelt sind, daß die zusammengesetzten Phasen der Reluktanzänderung um P _b/2 zwischen den benachbarten vorspringenden Polen verschoben sind,
einen durch k _b stapelartig zusammengesetzte Statorelemente gebildeten Stator, wobei die Phasen der Zähne benachbarter ausgeprägter Pole um {(1/2K _b) + m _b} P _b (mit K _b = 2)
{(1/K _b) + m _b} P _b (mit k _b = eine von 2 verschiedene ganze Zahl)mit: m _b = eine ganze Zahl
zueinander verschoben sind,
einen Rotor mit den Statorzähnen gegenüberstehenden Zähnen, die mit demselben Teilungsabstand wie die Statorzähne angeordnet sind,
eine K _b-Phasen-Wicklung mit zwei Wicklungssätzen, deren Phasen um P _b/2 verschoben sind und von denen der eine Wicklungssatz durch die Wicklung gebildet ist, die um die Zähne gleicher Phase des einen Statorelements herum angeordnet ist,
eine Signalquelle zur Lieferung von Wechselspannungen oder Wechselströmen, deren Phasen um360°/2k _b (mit K _b = 2)
360°/k _b (mit K _b = eine von 2 verschiedene ganze Zahl)verschoben sind, zu jeder Phasenwicklung sowie einen Rechenteil zum Abgreifen und Addieren sowie Subtrahieren der Ströme oder Spannungen an den beiden Enden der Wicklung jeder Phase (each-phase coil) und zum Berechnen der Drehstellung des Rotors anhand der Phase der Addier- und Subtrahiersignale und zum Berechnen der Drehzahl (oder Drehgeschwindigkeit) anhand der Frequenz.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregelteil eine Verstärkertabelle (gain) table) aufweist, in welcher die charakteristische Frequenz oder Kennfrequenz des Motorteils, die Lastträgheitsgröße desselben und die zweckmäßigste Parametergröße entsprechend der Kennfrequenz und der Lastträgheit in Beziehung zueinander enthalten sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstimmteil einen Kennfrequenz-Einstellschalter aufweist, in welchem die Kennfrequenz und die Lastträgheit in einer Vielzahl von Stufen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs vorgegeben sind und welcher die zweckmäßigste Regelparametergröße aus der Verstärkungstabelle in Abhängigkeit von zumindest der Kennfrequenz oder der Lastträgheit, die für die Regelung der Drehung des Motorteils vorgegeben worden ist, ausliest, und weiterhin einen Lastträgheit-Einstellschalter umfaßt.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregelteil eine Verstärkungstabelle, in welcher die auf dem Motorteil ausgeübte oder einwirkende Lastträgheitsgröße und die zweckmäßigste, der Lastträgheitsgröße entsprechende Regelparametergröße in miteinander korrespondierender Weise angeordnet bzw. enthalten sind, und eine Testsignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines bekannten Prüf- oder Testsignals als Stellungsbefehlssignal aufweist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstimmteil einen Trägheitseinstellschalter zum Einstellen bzw. Vorgeben einer Trägheitsgröße innerhalb eines vorbestimmten Bereichs in einer vorbestimmten Vielzahl von Schritten und zum Auslesen der zweckmäßigsten Regelparametergröße aus der Verstärkungstabelle bei der vorgegebenen Größe bzw. Sollgröße für die Regelung der Drehung des Motorteils sowie eine Monitorausgangsklemme aufweist, von welcher ein Regelsignal abnehmbar ist, das vom Stellungsregelteil bei angelegtem Testsignal ausgegeben oder geliefert wird.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelteil einen multiplizierenden D/A- oder MDA-Wandler aufweist, dem ein Differenzsignal zwischen einem Regelsignal vom Stellungsregelteil und ein Meßsignal vom Drehdetektorteil eingegeben wird und dessen Verstärkung (gain) mittels des Signals vom Abstimmteil eingestellt wird.

14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung mit einem Kreis zum Erfassen oder Abgreifen eines Erregerstroms für die Motorwicklung folgendes umfaßt:
einen Transformator mit Primär- und Sekundärwicklungen,
eine zwischen Primär- und Sekundärwicklung eingefügte dritte Wicklung, einen mit der dritten Wicklung verbundenen Impulsgenerator, erste und zweite nichtlineare Kreise, in denen nichtlineare Elemente gegenpolig zueinander parallelgeschaltet sind und nichtlineare Spannungs-Stromcharakteristika aufweisen, die einen Stromfluß zulassen, wenn eine eine vorbestimmte Größe übersteigende Spannung über Klemmen fließt, eine Mittelwerteinrichtung und einen Widerstand, wobei ein Eingangskreis der Schaltung durch eine Schaltkreisschleife aus der Primärwicklung, dem ersten nichtlinearen Kreis und dem Widerstand gebildet ist,
während ein Ausgangskreis derselben durch eine Schaltkreisschleife aus der Sekundärwicklung, dem zweiten nichtlinearen Kreis und der Mittelwerteinrichtung gebildet ist, und wobei durch Reihenschaltung des in der Primärwicklung vorgesehenen Widerstand zur Motorwicklung eine der Spannung an den beiden Enden oder Seiten des Widerstands äquivalente Spannung an den beiden Seiten der Mittelwerteinrichtung des sekundären Kreises erzeugbar ist.

15. Direktantriebsmotoranordnung , gekennzeichnet durch
einen Motorteil eines Induktor- oder Induktionstyps,
einen Drehdetektorteil zum Erfassen der Drehung eines Rotors des Motorteils,
einen Stellungsregelteil zum Ableiten der Differenz zwischen einem Befehlssignal für die Drehstellung und einem Detektions- oder Meßsignal vom Drehdetektorteil und zum Ausgeben eines Regelsignals unter Verwendung eines tertiären Servosystems mit Software in Abhängigkeit von der abgeleiteten Differenz,
einen Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelteil zur Ableitung der Differenz zwischen einem Ausgangssignal vom Stellungsregelteil und einem Meßsignal vom Drehdetektorteil und zum Ausgeben eines Regelsignals auf der Grundlage der abgeleiteten Differenz,
eine Ansteuerschaltung zum Erfassen oder Abgreifen eines eine Wicklung des Motorteils durchfließenden Erregerstroms und zur Ableitung der Differenz zwischen einem Meßsignal für den Erregerstrom und eines Ausgangssignals vom Drehzahlregelteil sowie zur Regelung des Erregerstroms auf der Grundlage dieser Differenz,
einen Abstimmteil zum Einstellen oder Justieren von Servostrom des Drehzahlregelteils und des Stellungsregelteils und
einen Abschalt- oder Anhalteteil aus einer Vergleichereinheit zum Vergleichen der Drehzahl des Motors mit einer Bezugsgröße zwecks Ausgabe eines dem Vergleichsergebnis entsprechenden Signals und zum Verbinden oder Schließen einer Schaltereinheit nach Maßgabe eines Ausgangssignals von der Vergleichereinheit zum Kurzschließen der Wicklung des Motors, wenn dessen Drehzahl unterhalb der Bezugsgröße liegt, und zum Verbinden der Motorwicklung mit einem durch einen Widerstand und einen Kondensator gebildeten Parallelkreis, wenn die Drehzahl des Motors unterhalb der Bezugsgröße liegt, um damit den Motor anzuhalten.

16. Direktantriebsmotoranordnung, gekennzeichnet durch
einen Motorteil eines Induktor- oder Induktionstyps, bei dem ein Rotor außenseitig und ein Stator innenseitig angeordnet sind,
einen Drehdetektorteil zum Erfassen der Drehung des Rotors des Motorteils und zum Ausgeben eines Stellungs- und eines Drehzahldetektions- oder -meßsignals,
einen Stellungsregelteil mit einer Verstärkungstabelle, in welcher die charakteristische Frequenz oder Kennfrequenz des Motorteils, die Lastträgheitsgröße desselben und die zweckmäßigste Regelparametergröße entsprechend der Kennfrequenz und der Trägheitsgröße in miteinander korrespondierender Weise angeordnet bzw. enthalten sind, und einer Testsignalerzeugungseinheit zum Erzeugen eines bekannten Prüf- oder Testsignals als Stellungsbefehlssignal, in welchem die Differenz zwischen dem Befehlssignal für die Drehstellung und dem Stellungsmeßsignal erhalten oder abgeleitet ist, zwecks Ausgabe eines Regelsignals unter Verwendung eines tertiären Servosystems mit Software in Abhängigkeit von der abgeleiteten Differenz,
einen Drehzahlregelteil, dem die Differenz zwischen einem Ausgangssignal vom Stellungsregelteil und dem Stellungsmeßsignal eingebbar ist und der ein Regelsignal unter Verwendung eines multiplizierenden D/A- oder MDA-Wandlers ausgibt, dessen Verstärkung mittels eines Signals von einem Abstimmsignal vorgebbar ist,
eine Ansteuerschaltung zum Erfassen oder Abgreifen eines die Wicklung des Motorteils durchfließenden Erregerstroms mittels eines Stromdetektorkreises, der einen Kleinsignaltrenner zum Ableiten der Differenz zwischen dem Meßgsignal für den Erregerstrom und einem Ausgangssignal vom Drehzahlregelteil aufweist, wobei der Erregerstrom in Abhängigkeit von dieser Differenz geregelt wird, und
einen Abstimmteil mit einem Kennfrequenzeinstellschalter, in welchem die Kennfrequenz und die Lastträgheit in einer Vielzahl von Stufen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gesetzt bzw. vorgebbar sind, um den zweckmäßigsten Regelparameter aus der Verstärkungstabelle in Abhängigkeit von zumindest der vorgegebenen Kennfrequenz oder der Lastträgheit auszulesen und damit die Drehung des Motorteils zu regeln, und einem Lastträgheiteinstellschalter sowie einer Monitorausgangsklemme, an welcher ein vom Stellungsregelteil ausgebenes Regelsignal erhalten wird, wenn das Testsignal anliegt, wodurch die Servosysteme des Stellungsregelteils und des Drehzahlregelteils abgestimmt werden.