DE3806752C2

DE3806752C2 -

Info

Publication number: DE3806752C2
Application number: DE3806752A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Musashino Tokio/Tokyo Jp Ono; Yayoi Tsuchiya; Yutaka Tokio/Tokyo Jp Koizumi; Hitoshi Higashimurayama Tokio/Tokyo Jp Morimoto; Hideo Tokio/Tokyo Jp Banzai; Yasuhiko Machida Tokio/Tokyo Jp Muramatsu; Syotaro Hino Tokio/Tokyo Jp Shindo; Toshihiro Chiba Jp Kanehara; Norihiko Kokubunji Tokio/Tokyo Jp Hatano; Susumu Tokio/Tokyo Jp Ohta; Mitsuhiro Musashino Tokio/Tokyo Jp Nikaido
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Precision Corp
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1988-03-02
Publication date: 1993-01-21
Also published as: US4843292A; KR910000099B1; KR880011990A; FR2613886B1; GB2202649B; GB8804822D0; DE3806752A1; GB2202649A; FR2613886A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Motoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine solche Motoranordnung ist aus der WO 86/03 629 bekannt und kann für den Antrieb der Gelenke eines Arbeitsroboters des Mehrgelenktyps und dgl. dienen.

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 eingesetzt.

Ein ideales System ist im Hinblick auf die Standzeit der Bürsten und des Bremsreglers des Gleichstrommotors sowie die Notwendigkeit für die Schmierölversorgung jedoch ein solches unter Verwendung eines Direktantriebs mit einem magnetisch untersetzten Synchronmotor.

Aus der GB-PS 21 35 078 ist ein Antrieb mit Synchronmotor für Servozwecke, eine Drehzahl- und Stellungsregelung sowie einem Pulswechselrichter mit Stromregelung bekannt.

Weiterhin ist aus der WO 86/03 629 eine Motoranordnung mit einem magnetisch untersetzten Direktantriebs-Motor bekannt. Diese Motoranordnung hat einen Ständer mit ausgeprägten Polen, deren Polschuhe gezahnt sind, eine Dreiphasenwicklung, die phasenweise auf den Polschuhen aufgewickelt ist, und einen Außenrotor, der eine der Polschuhverzahnung entsprechende Zahnung aufweist. Die Zähne an den Polschuhen sind phasenweise um einen Winkel versetzt, der dem Zahnabstand, geteilt durch die Phasenzahl, entspricht. Das Statorblechpaket ist in axialer Richtung zweigeteilt, und zwischen den Teilen befindet sich ein axial magnetisierter Dauermagnet. Außerdem ist für den Rotor ein Lagegeber vorgesehen. Schließlich sind die Ströme durch die Dreiphasenwicklung sinusförmig mit einem Phasenversatz von je 120°.

Weiterhin ist aus der DE-AS 20 09 558 ein Schrittmotor mit einer Codescheibe bekannt, auf der zwei Schlitzreihen angeordnet sind, und die DE-OS 1 38 832 beschreibt ein Antriebssystem für einen Schrittmotor, bei dem in Umfangsrichtung einer Scheibe an deren Rand mehrere Fotodioden nebeneinander liegen.

Schließlich ist aus der EP 01 70 368 A1 ein magnetischer Stellungsgeber für die Kommutierung einer Synchronmaschine bekannt. Bei diesem Stellungsgeber wird über die Trägerfrequenz die drehwinkelabhängige Änderung der Gegeninduktivität ausgenutzt und aus einem Ausgangssignal der Drehwinkel bestimmt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem mit einem magnetisch hochuntersetzten Motor so weiterzuentwickeln, daß Stellungsregelung, Drehzahlregelung und Kommutierungsregelung mit nur einem Geber möglich sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Motoranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

Die Motoranordnung gemäß der Erfindung umfaßt einen Direktantriebs-Motor, einen Drehcodierer, einen Stellungsregelteil und einen Drehzahlregelteil. Der Drehcodierer kann ein optischer Drehcodierer sein. Der Stellungsregelteil regelt die Drehstellung des Motors mittels Rückkopplung mit Hilfe einer digitalen Steuerschaltung. Eine Steuerschaltung enthält eine Rückkopplungsregelschleife für den Strom der Motorwicklung, wobei ein Stromwandler für diesen Strom einen Kleinsignaltrenner aufweist. Der Stellungsregelteil und der Drehzahlregelteil sind aufeinander abgestimmt.

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 Motoranordnung gemäß der Erfindung,

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

Fig. 3 detaillierte Darstellungen des Aufbaus eines Motorteils,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Stromwandlers 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 Tabelle,

Fig. 12 ein Schaltbild einer Bremsschaltung für einen Direktantriebsmotor,

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

Fig. 15 graphische Darstellungen der Kennlinien der Bremsschaltung,

Fig. 16 eine Darstellung des Drehdetektorteils mit einer von der 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 Motoranordnung,

Fig. 20 eine graphische Darstellung der zeitlichen Abläufe von Variablen der Schaltung nach Fig. 19 und

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

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfaßt einen Motorteil 100, eine Ansteuerschaltung 200 für den Motor 100 und einen Drehdetektorteil 300 für den Motor 100. Der Drehdetektorteil 300 umfaßt beispielsweise einen Drehstellungsgeber 300₁ und eine Drehstellungsgeber-Schnittstelle 300₂. Ein Drehzahlregelteil 400 dient zur Regelung der Drehzahl des Motors 100. Ein Stellungsregelteil 500 dient zur Regelung der Drehstellung des Motors 100. Ein Abstimmteil 600 dient zur Einstellung der Regler des Drehzahlregelteils 400 und des Stellungsregelteils 500.

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

Gemäß Fig. 2 besteht der Motor 100 aus einem Synchronmotor mit ständerseitiger Erregung (Reluktanzmotor), bei dem ein Rotor an der Außenseite und ein Stator an der Innenseite angeordnet sind. Der genaue Aufbau des Motors 100 ist in Fig. 3 dargestellt.

Die Fig. 3(a) und 3(b) veranschaulichen den Motor 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 Dauermagnet vorgesehen.

Ein Innenstator 101 umfaßt zwei Magnetjoche 101a und 101b, einen Dauermagnet oder Elektromagnet 102 und eine noch zu beschreibende Drehstromwicklung.

Jedes Magnetjoch 101a und 101b weist sechs ausgeprägte Pole 103a₁ bis 105a₁, 103a₂ bis 105a₂ und 103b₁ bis 105b₁ sowie 103b₂ bis 105b₂ auf. Die ausgeprägten Pole sind am Vorderende jeweils mit Zähnen versehen, die von Mitte zu Mitte einen Abstand P haben. Die Zähne an benachbarten ausgeprägten Polen, z. B. die Zähne an den Polen 103a₁ und 104a₂, sind um 1/3 des genannten Abstands (P/3) gegeneinander versetzt. Andererseits sind die einander gegenüberstehenden ausgeprägten Pole der beiden Magnete 101a und 101b, z. B. die Pole 103a₁ und 103b₁, so angeordnet, daß sie in der derselben Phase liegen. Mit 106a-106c und 107a-107c sind Drehstromwicklungen bezeichnet, von denen jeweils zwei, d. h. die Wicklung 106 a und 107a, 106b und 107b sowie 106c und 107c, in Reihe geschaltet sind. Ein aus einem Magnetmaterial bestehender Rotor 108 ist an seiner Innenseite mit Zähnen im Abstand P versehen. Der Rotor 108 umfaßt Elemente 108a und 108b, deren Zähne um 1/2 Abstand (P/2) gegeneinander versetzt sind.

Der Motor mit dem beschriebenen Aufbau dreht sich, wenn ein dreiphasiger Drehstrom durch die Wicklungen 106a und 107a, 106b und 107b, 106c und 107c fließt. Die Drehrichtung dieses Motors kann durch Änderung der Phasenfolge des Stroms umgeschaltet werden. Der durch den Dauermagnet 102 erzeugte Magnetfluß und der durch die Erregerwicklung 106a erzeugte Magnetfluß werden an Luft-Spalten 109a und 109b zueinander addiert oder voneinander subtrahiert. Infolgedessen vermag sich der Motor mit hoher Auflösung zu drehen. Da der durch den Dauermagnet 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 Dauermagnet ist an der Statorseite angeordnet, weil die Magnetflußdichte an der Oberfläche des Magneten klein ist, d. h. höchstens 1 T (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 Ansteuerschaltung 200 beschrieben.

In der Ansteuerschaltung 200 vorgesehene Stromwandler 201, 202 dienen zum Erfassen der die Wicklungen L₁ und L₂ des Motors durchfließenden Erregerströme. Subtrahierstufen 203 und 204 dienen zur Ableitung der Differenz zwischen der vom Drehzahlregelteil 400 gelieferten Sollgröße und den durch die Stromwandler 201 und 202 gemessenen Strömen. Mit 205 ist ein Leistungsteil bezeichnet, der einen Transistor-Pulswechselrichter 207 mit einer Ansteuerschaltung 206 enthält.

Die Stromwandler 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 Klemmen d₁ und d₂ sind mit einer den Statorstrom gemäß Fig. 2 führenden Leitung ℓ verbunden.

Zwischen die Eingangsklemmen d₁ und d₂ ist ein Widerstand r geschaltet, der von Strömen 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. Sie ist in bezug auf den Widerstandswert des Widerstands R₁ 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 antiparallel zueinander geschaltet sind, und dient dem Schutz der Wicklungen n₁ vor Gleichströmen.

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 Wicklung n₂ ist an die beiden Seiten des Mittelwert bildenden Kondensators C₂ angeschlossen. 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. Dies erlaubt auch eine Übertragung von Gleichspannungen und -strömen.

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 Ersatzschaltung dieser Anordnung dem in Fig. 6 dargestellten Schaltbild.

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

Schalter S₁ und S₂ repräsentieren die Ventilfunktion der Dioden D₁₁, D₁₂, D₂₁ und D₂₂. Wenn ein positiver Eingangsimpuls vom Impulsgenerator OS an die Schalter S₁ und S₂ angelegt wird, werden diese auf die Seite eines Kontakts d₁ umgeschaltet, (d. h. die Dioden D₁₁ und D₂₁ leiten). Wenn dagegen ein negativer Eingangsimpuls 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, leitet keine der Dioden. Jede der Dioden D₁₁-D₂₂ ist durch eine Reihenschaltung durch eine Durchgangsspannung Δ und einen kinetischen Widerstand (Durchlaßwiderstand) r ausgedrückt.

Wenn ein positiver Eingangsimpuls 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 ₂₁ in der Weise, daß jeweils Ströme i_o/2 gleicher Größe zu den beiden genannten Seiten fließen. Unter diesen Bedingungen läßt sich eine Ausgangsspannung E₀₁ zwischen den Ausgangsklemmen d₃ und d₄ durch folgende Gleichung ausdrücken:

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 Eingangsimpulse 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 dieser 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 abgenommen werden.

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

Fig. 7 veranschaulicht die in der Schaltung gemäß Fig. 6 auftretenden Impulse. Dabei veranschaulichen Fig. 7(a) Eingangsimpulse 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 Ausgangsspannung E_o entsprechende Größe in übertriebenem Maßstab eingezeichnet ist.

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

Gemäß Fig. 8 ist eine ring- bzw. kreisförmige Code- Scheibe 301 vorgesehen, die in zwei in ihrer Umfangsrichtung verlaufenden Bereichen Lichtdurchlaßschlitze aufweist, die jeweils mit einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand von Mitte zu Mitte ("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 Bewegung des Rotors 108.

Außerhalb der genannten Bereiche sind Schlitze S zur Bestimmung des Ausgangspunkts vorgesehen, so daß damit die Drehstellung der Code- Scheibe 301 erfaßt werden kann. Letztere ist mit dem Rotor des Motors verbunden.

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.

Ein Bildsensor 308 nimmt das die Lichtdurchlaßschlitze 302 passierende Licht (Schlitzbild) und weist beispielsweise acht Photodioden 308₁- 308₈ auf, 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 Mittenabstand 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 308₁-308₈ sowie von den Photodioden 309₁-309₈ berechnet.

Ein Beispiel für den speziellen Aufbau einer solchen Steuervorrichtung ist in Fig. 10 dargestellt. Dabei sind Schalter SW1-SW8 zur fortlaufenden Abtastung der Signale von den betreffenden Photodioden 308₁-308₈ und den Photodioden 309₁-309₈ in einem vorbestimmten Zeittakt vorgesehen.

Operationsverstärker 311 und 312 dienen zum Verstärken der Signale, die ihnen über die betreffenen Schalter SW1-SW8 eingespeist werden.

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 den Verlauf der Ausgangssignale von den Tiefpaßfiltern 313 und 314. Periodenzähler 317 und 318 zählen die Periodenlänge der Ausgangssignale von den Komparatoren 315 und 316 aus. Ein Phasendifferenzzähler 319 dient zum Auszählen der Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen von den Komparatoren 315 und 316. Die Periodenlänge, die von den Zählern 317 und 318 ermittelt wird, entspricht der Drehzahl. Durch Integration der Ausgangssignale kann die Drehstellung ermittelt werden. Das Ausgangssignal des Phasendifferenzzählers wird als Eingangssignal für die Kommutierungsschaltung 507 benutzt.

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 Drehzahlsignal.

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

In einem multiplizierenden Digital/Analog-Wandler (im folgenden als MDA-Wandler bezeichnet) 404 werden analoge Eingangssignale verstärkt. 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.

Multiplizierende Digital/Analog-Wandler bzw. MDA-Wandler 406 und 407 erhalten ein analoges Signal vom Spannungsregelbegrenzer (VCL) 405 und digitale Winkelsignale sin R_e bzw. sin (R_e+120°) vom Stellungsregelteil 500 und liefern Stromsignale I sin R_e oder I sin (R_e+120°) als Strom-Sollwert zu den Subtrahierstufen 203 und 204 in Abhängigkeit vom Kommutationsregelsignal (wobei mit I ein Strom bezeichnet ist.

Nachstehend ist der Stellungsregelteil 500 näher erläutert.

Der Stellungsregelteil 500 enthält einen Zähler 501 zur Erzeugung eines Stellungssollsignals 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 dem Stellungssollsignal vom Schalter 502 und einem Ist-Signal von einer Stellungsdetektoreinheit 504 ab.

Außerdem dient sie zur Einstellung der Verstärkung des MDA-Wandlers 404 auf der Grundlage eines Parameters, der aus einer Verstärkungstabelle 506 nach Maßgabe eines Signals vom Abstimmteil 600 ausgelesen wird. Die Stellungsregeleinheit 505 enthält einen numerischen PID-Lageregler.

Die Verstärkungstabelle 506 umfaßt gemäß Fig. 11 eine Tabelle, in welcher die Lastträgheit J des Motors, die Kennfrequenz fn des Stellungsregelsystems und die zweckmäßigsten Regelparameterwerte X₁₁, X₁₂, X₁₃ entsprechend der Lastträgheit J und der Kennfrequenz fn in miteinander korrespondierender Weise dargestellt sind. Die Parameter X₁₁, X₁₂, X₁₃ . . . sind die Verstärkungen des als Drehzahlregler arbeitenden MDA-Wandlers 404 und des Stellungsreglers, wobei letztere mindestens einen Proportional- und einen Integralanteil aufweisen.

Eine Kommutierungschaltung 507 dient zur Einstellung der Kommutierung des Motors durch Anlegen von Signalen sin R bzw. sin (R+120°) an die Multiplizierstufen 406 und 407 in Abhängigkeit von einem hoch aufgelösten Drehstellungssignal von dem Phasendifferenzzähler 319. Ein D/A-Wandler 508 dient zum Umwandeln eines digitalen Ausgangssignals von der Stellungsregeleinheit 505 in ein Analogsignal. Eine Abtast-Halteschaltung 509 (S/H-Schaltung) dient zum Abtasten-Halten eines Ausgangssignals vom D/A-Wandler 508 und zur Lieferung dieses Signals zum Abstimmteil 600.

Bei Durchführung der Drehzahlregelung 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 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 Stellungssollwert vom Zähler 501 und dem Ausgangssignal von der Stellungsdetektoreinheit 504 wird durch die Subtrahierstufe 503 gebildet. In der Stellungsregeleinheit 505 werden Regelparameter mittels der Schalter 601 und 602 aus der Verstärkungstabelle 506 ausgelesen und der Stellungsregler entsprechend eingestellt. Gleichzeitig wird der Regelparameter zur Einstellung der Verstärkung des MDA-Wandlers 404 ausgelesen.

Im folgenden ist der Aufbau des Abstimmteils 600 beschrieben.

Der Abstimmteil 600 enthält Servoabstimmschalter 601 und 602. Der Schalter 601 ist dabei ein Nennfrequenz-Einstellschalter zum Einstellen der Nennfrequenz fn in einer Vielzahl von Stufen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs. Die Nennfrequenz 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 sind, werden die zugehörigen Regelparametergrößen, die den eingestellten Größen von fn und J entsprechen, aus der Verstärkungstabelle 506 ausgelesen.

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 zur Einstellung des Stellungsreglers auf P-Regler oder PI-Regler. Die Verstärkungstabelle 506 wird mittels des Schalters 605 entsprechend umgeschaltet. Während der Bewegung des Roboterarms oder für das Positionieren des Roboterarms arbeitet der Regler als PI-Regler, während des Festhaltens eines Gegenstands als P-Regler.

Eine Monitorausgangsklemme 606 dient zum Abnehmen eines Ausgangssignals vom Stellungsregelteil 500 über eine Abtast-Halteschaltung 402. Das auf diese Weise abgenommene Ausgangssignal wird zur 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 wird.

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

Wenn die Trägheit J des Motors unbekannt oder nicht angepaßt ist, 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 einer Ausgangsklemme des Motors überwacht werden. Der vorgegebene Trägheitswert wird sodann mittels des Trägheitseinstellschalters eingestellt.

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

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die Regelparameter aus der Verstärkungstabelle 506 ausgelesen werden, wenn sowohl die Kennfrequenz fn als auch die Trägheit J mittels des Servoabstimmschalters vorgegeben werden, können die Regelparameter ausgelesen werden, wenn entweder nur fn oder nur J vorgegeben wird.

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

1. Da im Motor 100 das Drehmoment durch die Magnetfelder der Erregerwicklung des Stators und des Dauermagnets erzeugt wird, kann das Verhältnis zwischen Drehmoment und Motorgewicht (Drehmoment/Gewichtsverhältnis) vergrößert werden. Weiterhin ist der Dauermagnet, der zur Erzielung der erforderlichen Oberflächenmagnetflußdichte 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 Stromwandler 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 werden, so daß der Motor mit kleiner Drehzahlwelligkeit umlaufen kann.
3. Da im Drehzahldetektorteil 300 die Schlitze für die Stellungserfassung in zwei Reihen angeordnet sind und die Differenz der Schlitzzahlen in den beiden Reihen der Zähnezahl am Rotor angepaßt ist, kann die Phasendifferenz zwischen den Zähnen des Stators und den Zähnen des Rotors unmittelbar 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 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, werden die zweckmäßigsten Parameter aus der Verstärkungstabelle ausgelesen. Der Motor wird dann mit Hilfe der so ermittelten Parameter geregelt. Demzufolge braucht der Anwender nicht jeden Regelparameter vorzugeben, z. B. die Verstärkung der Schaltung einzustellen, so daß das Servosystem einfach eingestellt werden kann. Durch Vorgabe nur von fn und J kann weiterhin die Verstärkungseinstellung des MDA-Wandlers 404 vorgenommen werden.
5. Wenn im Servoabstimmteil 600 die Lastträgheit des Motors unbekannt ist, 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.

Fig. 12 veranschaulicht den Aufbau eines wesentlichen Teils einer Anordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Bremsschaltung 700 zwischen dem Motor 100 und die Ansteuerschaltung 200 eingeschaltet ist.

Die Bremsschaltung 700 dient zum Abschalten des Motors 100 durch Unterbrechung der 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 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. Hierdurch wird der Verbrauch an kinetischer Energie des Motors vergrößert. Um weiterhin die Dämpfung des Schwingkreises zu vergrößern, 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 der Bremsschaltung näher erläutert.

Die Schaltung nach Fig. 12 umfaßt einen Leistungsschaltkreis 710 und einen Steuerkreis 720.

Im genannten Leistungskreis 710 liegt ein Bremsschalter SW10 bei laufendem Motor an den Kontakten a₁, während er während der Bremsung oder stillstehendem Motor an den Kontakten a₂ liegt.

Ein Umschalter SW11 ist über Kontakte: b₁ mit einem Parallelkreis (Resonanzkreis) aus dem Widerstand R₁₁ und dem Kondensator C verbunden. Wenn der Umschalter SW11 an den Kontakten b₂ liegt, erfolgt das Anhalten des Motors durch Kurzschließen der Motorwicklung L.

Der Steuerkreis 720 enthält ein UND-Glied 721, an dessen einer Eingangsklemme ein Bremssignal BR anliegt, während an seiner anderen Eingangsklemme ein hochpegeliges Signal anliegt. Ein Relais 722 schaltet den Schalter SW10 nach Maßgabe eines Eingangssignals 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 die Ausgangsspannung von der Spannungserzeugungseinheit 723 mit einer Bezugsspannung V_R und erzeugt ein binäres Signal entsprechend dem Vergleichsergebnis. Ein UND-Glied 725 verknüpft das Ausgangssignal vom Komparator 724 mit dem Bremssignal BR. Ein Relais 726 dient zum Umschalten des Schalters SW11 nach Maßgabe eines Ausgangssignals vom UND-Glied 725.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der beschriebenen Bremsschaltung näher erläutert.

Wenn der Motor läuft, ist das Bremssignal BR auf einen niedrigen Pegel gesetzt. Infolgedessen ist auch das Ausgangssignal vom UND-Glied 721 auf einen niedrigen Pegel und das Relais 722 hält den Schalter SW10 auf den Kontakt a₁. Infolgedessen wird ein Strom von der Ansteuerschaltung 200 zum Motor 100 geliefert.

Wenn der Motor abgeschaltet wird, wird das Bremssignal BR auf einen hohen Pegel gesetzt. Daraufhin geht das Ausgangssignal vom UND-Glied 721 auf einen hohen Pegel über, so daß das Relais 722 den Schalter SW10 auf den Kontakt a₂ umschaltet.

Wenn dabei die Drehzahl V des Motors eine vorbestimmte Bezugsgröße übersteigt, schaltet das Relais 726 den Schalter SW11 auf den Kontakt b₁ nach Maßgabe eines Ausgangssignals vom Komparator 724 um.

Infolgedessen wird der Resonanzkreis (ein Parallelkreis aus dem Widerstand R₁₁ und dem Kondensator C) mit der Motorwicklung L verbunden. In diesem Resonanzkreis wird die kinetische Energie des Motors verbraucht. Die Phasendifferenz ϕ läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

In obiger Gleichung bedeuten:ω=Nr. ;
ω: Kreisfrequenz der Induktionsspannung der Wicklung;
Nr.: eine Konstante;
: Drehzahl des Motors.

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

γ′′ ist gemäß Fig. 15(a) einer Änderung 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 Relais 726 den Schalter SW11 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. Die Phasendifferenz γ′ in diesem Zustand läßt sich wie folgt ausdrücken:

Die Phasendifferenz γ′ unterliegt einer Änderung gemäß Fig. 15(a).

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

Die in diesen Schaltungen verbrauchte Energie P entspricht

P=V · I · cos γ (7)

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

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

Bei niedriger Drehzahl des Motors gewährleistet die Schaltung gemäß Fig. 14 eine bessere Wirkung. 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 bessere Bremscharakteristik erzielt werden.

Fig. 16 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel des Drehdetektorteils bei der erfindungsgemäßen Motoranordnung. Dieser Drehdetektorteil verwendet einen Drehstellungsgeber mit sinusförmigen Schlitzen.

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

Die Photodioden 308₁-308₈ sind gemäß Fig. 17 in einem Mittenabstand P₁ angeordnet, welche 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;
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

Der durch die Orte der Punkte A und B umgebene Bereich stellt den Lichtdurchlaßschlitz dar.

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

Fig. 19 zeigt den kompletten Drehdetektorteil bei der erfindungsgemäßen Motoranordnung. Dieser Drehdetektorteil enthält einen Drehstellungsgeber, bei dem Stellungsdetektor-Lichtdurchlaßschlitze in zwei Reihen angeordnet und die Schlitze sinuswellenförmig ausgebildet sind.

Die äußere Schlitzreihe 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 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 SR1 und SR2 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 SW1-SW8 ist auf 8fs gesetzt (mit fs=Frequenz der Wellenformen der Ausgangssignale von den Tiefpaßfiltern 313 und 314 bei Stillstand der Codescheibe).

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 Meßsignale von der Photodiodenarrays mit der Frequenz 8_fs bestimmen sich Signale f₁(t) und f₂(t), welche die Tiefpaßfilter 313 und 314 passiert haben, wie folgt:

f₁(t)=A₁ sin (ωt+m₁R)^- (8)

f₂(t)=A₂ sin (ωt+m₂R)^- (9)

darin bedeuten:
A₁, A₂=Konstante;
R=Drehwinkel der Code-Scheibe;
ω=2π_fs,
m₁, m₂=Zahl der Lichtdurchlaßschlitze;

und die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen entspricht:

Φ=(m₁-m₂) R (10)

Diese Phasendifferenz wird zur Bereitstellung eines Kommutierungssignals mit einer der Polteilung entsprechenden Periodenlänge genutzt, wie im folgenden ein theoretischer Fall erläutert wird. Dabei wird vorausgesetzt, 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. In Wirklichkeit ist die Zahn- und Schlitzzahl natürlich viel höher.

Die Beziehung zwischen den Meßsignalen von den Photodiodenarrays 308 und 309 und dem Drehwinkel des Motors läßt sich dann auf die in den Fig. 20(a) und 20(b) dargestellte Weise ausdrücken. Die Wellenform entspricht nicht der tatsächlichen Wellenform von den Photodiodenarrays. Die Fig. 20a, b sollen lediglich die Wirkung unterschiedlicher Schlitzzahlen auf die Phasenverschiebung deutlich machen. Wie aus diesen Figuren hervorgeht, vergrößert sich die Verschiebung zwischen den Meßsignalen (elektrischer Winkel) als Φ₁, Φ₂, . . . proportional zur Vergrößerung des tatsächlichen Drehwinkels R (mechanischer Winkel) der Code- Scheibe 301.

Die Verschiebung 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 im gewählten Beispiel zwei beträgt, verschieben sich die Zähne des Rotors und des Stators um den Winkels 2R. Dies bedeutet, daß die mittels der Code- Scheibe erfaßte Phasendifferenz der mechanische Drehwinkel, multipliziert mit der Differenz der Schlitzzahlen ist, und damit der Verschiebung des "elektrischen Winkel" zwischen den Zähnen des Rotors und den Zähnen des Stators entspricht. So kann die Lagenbeziehung zwischen den Rotorzähnen und den Statorzähnen erfaßt, und die Kommutierung des Motors auf dieser Grundlage gesteuert werden.

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

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

Claims

1. Motoranordnung mit:

- einem durch Polzähne auf Polschuhen von Stator (100) und Rotor (108) magnetisch stark untersetztem Direktantriebs-Motor,
- einem optischen Drehcodierer und
- einem Stellungsregelteil mit einer Kommutierungsschaltung, die aus dem Signal des optischen Drehcodierers ein Kommutierungssignal gewinnt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- eine scheibenförmige Codeplatte (301) des Drehcodierers am Rotor (108) des Motors angebracht ist und eine innere und eine äußere Reihe (303, 302) von Schlitzen aufweist, wobei die Differenz in der Anzahl der Schlitze zwischen der inneren Reihe (303) und der äußeren Reihe (302) mit der Anzahl der Zähne des Rotors (108) des Motors übereinstimmt,
- der optische Drehcodierer außerdem aufweist:
- - eine Lichtquelle (304, 305) zum Beleuchten der Schlitze (302, 303),
- - zwei Photodiodenarrays (308, 309) auf der anderen Seite der Codeplatte (301) zum Erfassen der Lichtstrahlen, mit einer Mehrzahl von Photodioden und
- - eine Signalverarbeitungsschaltung (310) zum aufeinanderfolgenden Abnehmen der Fühlersignale der einzelnen Photodioden bezüglich der beiden Photodiodenarrays (308, 309),
- eine Codierer-Schnittstelle aufweist:
- - zwei Periodenzähler (317, 318) zum Zählen der Perioden der durch die Signalverarbeitungsschaltung (310) abgenommenen beiden Fühlersignale und
- - einen Phasendifferenzzähler (319) zum Zählen der Phasendifferenz zwischen den beiden Fühlersignalen für die Kommutierungsschaltung,
- der Stellungsregelteil (500) eine Detektoreinrichtung (504) zum Erfassen der Drehstellung des Motors auf der Grundlage der Zählerstände der Periodenzähler (317, 318) aufweist,
- ein Drehzahlregelteil (400) seinen Ist-Wert über einen Frequenz/Drehzahl-Wandler (402) aus einem der beiden Periodenzähler (317, 318) erhält.

2. Motoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze einen sinusförmigen Rand haben.

3. Motoranordnung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregelteil eine Verstärkungstabelle aufweist, die die Werte einer Kennfrequenz und der Lastträgheit des bewegten Teiles sowie die entsprechenden Werte für die Reglerverstärkung enthält.

4. Motoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Abstimmteil (600) die Kennfrequenz und die Lastträgheit eingestellt werden.

5. Motoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregelteil außerdem eine Testsignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines bekannten Testsignales als ein Stellungs- Sollwert aufweist.

6. Motoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstimmteil (600) aufweist:
eine Monitorausgangsklemme zum Liefern des vom Stellungsregelteil ausgegebenen Regelsignales, wenn das Testsignal anliegt, um einen geeigneten Wert für die Regelverstärkung in der Verstärkungsstelle auszuwählen.

7. Motoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlregelteil (400) außerdem als Drehzahlregler einen multiplizierenden D/A-Wandler aufweist, wobei der Verstärkungsfaktor entsprechend der Verstärkungstabelle eingestellt ist.

8. Motoranordnung nach einem der Ansprüche 1, gekennzeichnet durch einen Motorteil mit einem außenliegenden Rotor und einem innenliegenden Stator.