DE3924004A1

DE3924004A1 - Motorregelanordnung

Info

Publication number: DE3924004A1
Application number: DE3924004A
Authority: DE
Inventors: Hideo Banzai; Shigeru Niiza Saitama Hashida; Haruo Musashino Tokio/Tokyo Higuchi; Yoichi Tokio/Tokyo Kikukawa; Yasuhiko Machida Tokio/Tokyo Muramatsu; Mitsuhiro Niiza Saitama Nikaido; Yutaka Komae Tokio/Tokyo Ono; Koichi Tokorozawa Saitama Sato; Shotaro Hino Tokio/Tokyo Shindo; Hiroyuki Kawagoe Saitama Shinomiya
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Precision Corp
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1990-01-25
Also published as: GB8916525D0; KR930005881B1; GB2222277B; KR910003905A; FR2639774B1; FR2639774A1; US5012169A; GB2222277A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motoransteuer- oder -regelanordnung zur Verwendung bei einem Industrieroboter (oder -arbeitsautomaten), einer Bearbeitungsmaschine o. dgl. Die Anordnung umfaßt einen externen Schnittstellenteil zum Anschließen einer Anzahl von Führungs(größen)signale erzeugenden Hilfsreglern, einen Sensorschnittstellenteil, mit dem ein die Motordrehung detektierender oder erfassender Sensor verbunden ist, einen Hauptregelteil für die Rückkopplungs-Regelung eines Motors nach Maßgabe von über diese Schnittstellen gelieferten Signalen und einen Energie- oder Stromverstärkungsteil zum Zuspeisen von Strom zu Motorwicklungen nach Maßgabe eines Regelsignals vom Hauptregelteil, wobei Sensorschnittstellenteil, Hauptregelteil und Stromverstärkungsteil (voneinander) getrennt und in Modulbauweise mit Steck-Karten ausgeführt sind. Bei dieser Anordnung können eine Vielfalt von Hilfsreglern, Sensoren (Meßfühlern) und Energie- oder Stromsystemen verwendet werden, um flexibel verschiedenartigen Anwender-Anforderungen entsprechen zu können.

Description

Die Erfindung betrifft ein(e) Motorregel- oder -ansteueranordnung bei einem Industrieroboter, einer Verarbeitungsmaschine und dgl.
Bei einer solchen Motorregelanordnung werden die Motordrehungen mittels eines Sensors erfaßt oder gemessen; unter Verwendung des Meßsignals als Rückkopplungssignal erzeugt ein(e) Hilfsregel bzw. -regeleinheit ein Befehlssignal für die Regelung (Einstellung) von Drehstellung und Drehzahl des Motors. Ein Antriebsobjekt, z. B. ein Roboterarm o. dgl., wird durch den dieser Rückkopplungs-Regelung unterworfenen Motor mit einer gewünschten oder Soll-Geschwindigkeit zu einer Zielposition verschoben bzw. geführt.
Bei einer solchen Anordnung ist es wünschenswert, daß die Spezifikationen für die Bauelemente, wie Motortreiberschaltung, Stromquelle und dgl., in Anpassung an die verschiedenen Anwendererfordernisse abwandelbar sind.
Die Hilfsregeleinheit (host controller) zur Lieferung von Befehlen oder Führungsgrößen kann dabei verschiedene Arten umfassen, beispielsweise zur Lieferung von Führungsgrößen in Form eines Digitalsignals, in Form eines Analogsignals o. dgl. Es ist wünschenswert, daß die Motorregelanordnung mit diesen verschiedenen Hilfsregeleinheitsarten verbindbar ist.
Ein optischer und ein magnetischer Funktionsdrehmelder (resolver) werden als Sensor zum Erfassen bzw. Messen der Motordrehungen eingesetzt.
Allgemein bietet der optische Funktionsdrehmelder hohe Genauigkeit und hohe Auflösung, er ist aber kostenaufwendig; der magnetische Funktionsdrehmelder ist zwar kostengünstig, aber bezüglich Genauigkeit und Auflösung dem optischen Funktionsdrehmelder unterlegen. Im Hinblick auf diese unterschiedlichen Charakteristika werden der optische und der magnetische Funktionsdrehmelder selektiv je nachdem, ob Genauigkeit oder Kostenfaktor von Bedeutung ist, eingesetzt.
Bisher wurde für optischen und magnetischen Funktionsdrehmelder jeweils eine getrennte, dem jeweiligen Funktionsdrehmelder speziell angepaßte (peculiar) Motorregelanordnung verwendet.
Bei diesen Anordnungen muß jedoch die Motorregelanordnung jeweils zweckmäßig gewählt werden, um einem bestimmten, bei ihr zu verwendenden Sensor zu entsprechen. Da die Motorregelanordnung an sich sehr kostenaufwendig ist, kann die Notwendigkeit für ein Auswechseln der gesamten Anordnung im Hinblick auf ein Kostenfaktor sehr nachteilig sein, wenn die Anordnung für verschiedene Anwendungszwecke vorgesehen ist.
Für die Ansteuerung eines Roboterarms an der bzw. durch die Motorregelanordnung kann es sich dabei als erforderlich erweisen, u. a. eine Absolutdrehstellung des Motors zu identifizieren bzw. zu bestimmen, um damit eine bestimmte Stellung des Arms sicherzustellen.
Ein Absoluttyp-Sensor ist allerdings an sich sehr kostenaufwendig. Demzufolge besteht ein Bedarf nach einer kostengünstigen und für die Erfassung der Absolutdrehstellung geeigneten Anordnung.
Falls andererseits als Sensor ein solcher des Inkremental- oder Schrittweitentyps verwendet wird, wird ein Ausgangs- oder Nullpunkt der Drehstellung benötigt; hierfür wird aber eine Nullpunkt-Detektions- oder -Meßeinrichtung bevorzugt, die mäßige Kosten bedingt und hohe Genauigkeit gewährleistet.
Wie erwähnt, unterliegt die Motorregelanordnung zahlreichen Anforderungen. Eine allen diesen Anforderungen genügende Anordnung ist jedoch noch nicht realisiert worden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Motorregelanordnung mit zahlreichen Betriebsarten (-möglichkeiten) für Hilfsregeleinheit, Sensor und Stromspeisesystem, die somit flexibel verschiedenen Anwenderanforderungen zu genügen vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer Motorregelanordnung für die Rückkopplungs-Regelung eines (Elektro-)Motors erfindungsgemäß gelöst durch einen externen Schnittstellenteil, der mit mehreren Schnittstellen entsprechend der Art von Hilfsreglern zum Erzeugen oder Liefern von Führungs(größen)signalen versehen ist, einen Sensorschnittstellenteil mit einer Schnittstelle für einen Sensor bzw. Meßfühler zum Erfassen der Drehungen des Motors, einen Hauptregelteil zum Erzeugen eines Regelsignals, das zur Rückkopplungs-Regelung des Motors nach Maßgabe eines vom externen Schnittstellenteil empfangenen Führungssignals und eines vom Sensorschnittstellenteil empfangenen Detektions- oder Meßsignals dient, und einen Strom- oder Energieregelteil zum Verstärken eines Stroms nach Maßgabe des Regelsignals und zum Zuspeisen des verstärkten Stroms zu Wicklungen des Motors, sowie dadurch, daß der externe Schnittstellenteil, der Sensorschnittstellenteil, der Hauptregelteil und der Stromregelteil (voneinander) getrennt und mit Steck-Karten in Modulbauweise ausgeführt sind.

Mit dem oben umrissenen Aufbau vermag die erfindungsgemäße Motorregelanordnung allen eingangs genannten Anforderungen gleichzeitig bzw. selektiv zu genügen.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Motorregelanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ein konkretes Blockschaltbild der Motorregelanordnung gemäß der Erfindung und
Fig. 3 bis 55 Darstellungen jeweils des konkreten Aufbaus der einzelnen Bauelemente bei der Anordnung nach Fig. 2.
Fig. 1 veranschaulicht schematisch in einem Blockschaltbild eine Motorregelanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Darin bezeichnen die Bezugsziffern 1 und 2 einen Motor bzw. einen Sensor zum Messen der Drehungen bzw. der Drehzahl des Motors 1. Eine Hilfsregeleinheit 3 dient zum Erzeugen bzw. Liefern eines Führungs(größen)signals für Rückkopplungs-Regelung. Ein Steuer- oder Treiberblock 4 dient zur Rückkopplungs- Regelung (im folgenden auch einfach als Regelung bezeichnet) des Motors 1 nach Maßgabe des Führungssignals von der Hilfsregeleinheit 3 und des vom Sensor 2 rückgekoppelten Signals. Mit 6 ist eine dynamische Bremse zum Abbremsen des Motors 1 bezeichnet.
Im folgenden ist der konkrete Aufbau jedes Blocks erläutert.
Der Sensor 2 ist von einem Phasenmodulationstyp; hierfür wird ein optischer oder ein magnetischer Funktionsdrehmelder verwendet.
Die Hilfsregeleinheit 3 enthält einen Personal-Rechner 31 zur Lieferung von Führungsgrößen (commands) zum Anfahren und Abstellen des Motors über eine Verbindungsleitung RS232C, einen Servoregler 32 zum Erzeugen eines analogen Führungssignals und zum Regeln der Drehzahl des Motors 1, einen Positionierregler 33 zum Liefern eines Reihenimpuls-Führungssignals und einen Roboterregler 34 zur Lieferung eines Führungssignals zu einem 8-Bit-Bus. Die Hilfssteuereinheit ist somit mit verschiedenen Systemen versehen.
Im Treiberblock 4 bezeichnen die Ziffern 41, 42, 43, 44 eine einachsige (uniaxial) Schnittstelle, eine Drehzahl/ Drehmoment-Schnittstelle, eine Reihenimpuls- Schnittstelle bzw. eine 8-Bit-Mikrorechnerbus-Schnittstelle, die jeweils den Personal-Rechner 31, den Servoregler 32, den Positionierregler 33 bzw. den Roboterregler 34 mit dem Treiberblock 4 verbinden.
Die Ziffern 45 und 46 bezeichnen eine optische oder Optik-Schnittstelle bzw. eine Funktionsdrehmelder-Schnittstelle zur Verbindung des Sensors 2 mit dem Treiberblock (driver box) 4. Wenn als Sensor ein optischer Funktionsdrehmelder Verwendung findet, wird die Schnittstelle 45 benutzt; bei Verwendung eines magnetischen Funktionsdrehmelders wird die Schnittstelle 46 benutzt. Die Schnittstellen 45 und 46 geben Signale mit verarbeiteten Detektions- bzw. Meßsignalen vom optischen und vom magnetischen Funktionsdrehmelder 45 bzw. 46 aus.
Mit 47 ist ein Hauptregelteil bezeichnet, welcher den Motor 1 einer (Rückkopplungs-)Regelung für Drehstellung, Drehzahl und erzeugtes Drehmoment nach Maßgabe der Führungs(größen)signale von den Schnittstellen 45 und 46 unterwirft und ein Regelsignal in einem bzw. als ein Pulsbreitenmodulations- oder PBM-Signal ausgibt. Der Hauptregelteil 47 dient auch zum Kommutieren und Regeln (oder Steuern) des Motors.
Mit 48 ist ein Stromregelteil bezeichnet, der aus einem Wechselrichter-Motortreiberkreis zum Verstärken von Strom nach Maßgabe des PBM-Signals vom Hauptregelteil 47 besteht und der mit einem Hoch- und einem Niederdrehzahlteil 48&sub1; bzw. 48&sub2; versehen ist.
Eine Hauptstromversorgung 49 zum Liefern einer aus einer Speise-Wechselspannung umgewandelten Gleichspannung ist mit drei Stromquellen 49&sub1;-49&sub3; entsprechend einer Speise- und einer Ausgangsspannung versehen. Die Motortreiberkreise 48&sub1; und 48&sub2; werden durch die Hauptstromquellen 49&sub1;-49&sub3; entsprechend gespeist.
Eine Regelstromquelle 50 erzeugt eine Ansteuer- oder Treiberspannung des Hauptregelteils 47 aus einem Ausgangssignal von der Hauptstromquelle 49.
Ein Minimumsystem besteht aus einem externen Schnittstellenanteil 400 mit Schnittstellen 41-44, einem Sensorschnittstellenteil 401 mit Schnittstellen 45 und 46, dem Hauptregelteil 47 und dem Stromregelteil 48 und ist in Modulbauweise ausgeführt.
Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild eine Motorregelanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet.
Fig. 2 setzt sich aus drei Zeichnungsblättern Fig. 2(a) bis 2(c) zusammen, die längs Signalleitungen T&sub1;-T&sub1;&sub3; miteinander verbunden sind.
Der externe Schnittstellenanteil 400 gemäß Fig. 2 ist mit mehreren, z. B. drei Schnittstellen versehen. Der Sensorschnittstellenteil 401 umfaßt eine magnetische Funktionsdrehmelder- ID-Karte bzw. -Steckkarte 402 und eine optische Funktionsdrehmelder-ID-Karte 403, an welche der magnetische bzw. der optische Funktionsdrehmelder angeschlossen sind, und einen Zählerkreis 404 zum Zählen einer Impulszahl des von diesen Karten abgenommenen Signals.
Der Hauptregelteil 47 umfaßt einen Positionsregelteil 470 und einen Drehzahlregelteil 490, um den Motor einer (Rückkopplungs-)Regelung für Drehstellung bzw. Drehzahl zu unterwerfen.
Ein Einstellteil 7 dient für verschiedene Einstellungen an einem Schalter oder einem Hilfsregler.
Die einzelnen Bauteile der Anordnung nach Fig. 2 sind nachstehend getrennt beschrieben.

1. Motor

Fig. 3 veranschaulicht ein Beispiel für den konkreten Aufbau des Motors 1, der mit einem außenseitigen Rotor und einem innenseitigen Stator aufgebaut ist, wobei an der Statorseite ein feststehender Magnet angeordnet ist, so daß der Rotor eine große radiale Größe aufweist.
Der innere Stator 101 umfaßt zwei Magnetstücke 101 a, 101 b und einen feststehenden Magneten (z. B. einen Dauermagneten, einen Elektromagneten o. dgl.) 102 zur Verbindung der beiden Magnetstücke und einer noch zu beschreibenden Erregerwicklung oder -spule.
Die Magnetstücke 101 a und 102 a sind mit sechs ausgeprägten Polen 103 a&sub1;-105 a&sub1;, 103 a&sub2;-105 a&sub2; bzw. 103 b&sub1;-105 b&sub1;, 103 b&sub2;-105 b&sub2; versehen, wobei jeder ausgeprägte Pol außenseitig (on the trip) mit Zähnen eines Teilungsabstands P versehen ist. Die Zähne benachbarter ausgeprägter Pole, z. B. 103 a&sub1; und 104 a&sub2;, sind mit einem 1/3-Teilungsabstand bzw. einer (P /3)-Phasenverschiebung zueinander angeordnet, während z. B. die ausgeprägten Pole 103 a&sub1; und 103 b&sub1; der beiden gegenüberstehenden Magnetstücke 101 a und 101 b gleichphasig sind. An jedem ausgesprägten Polteil sind Erregerwicklungen 106 a-106 c und 107 a-107 c angeordnet, von denen jeweils zwei 106 a und 107 a, 106 b und 107 b, 106 c und 107 c in Reihe geschaltet sind. Der aus einem magnetischen Werkstoff bestehende Rotor 108 ist mit innenseitigen Zähnen eines Teilungsabstands P versehen. Der Rotor 108 weist Teile 108 a, 108 b auf, deren Zähne jeweils um 1/2 Teilungsabstand gegeneinander versetzt sind.
Der beschriebene Motor wird durch Zuführung eines Stroms (Sinuswelle, Impulswelle o. dgl.) mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 120° zu den Erregerwicklungen 106 a und 107 a, 106 b und 107 b, 106 c und 107 c in Drehung versetzt. Die Drehrichtung kann durch Voreilung und Nacheilung der Phase geändert werden. Ein Magnetfluß oder -feld vom feststehenden Magneten 102 und ein Magnetfluß von der Erregerwicklung 106 a werden in Luft-Spalten 109 a und 109 b abwechselnd addiert oder subtrahiert, so daß der Impuls- oder Schrittmotor mit hoher Auflösung in Drehung versetzbar ist.
Der durch den feststehenden Magneten 102 erzeugte Magnetfluß beträgt die Hälfte des für die Drehung erforderlichen Magnetflusses, so daß damit der Stromverbrauch minimiert und der Wirkungsgrad weiter verbessert wird. Der Grund für die Verwendung des Dauermagneten als feststehender Magnet an der Statorseite besteht darin, daß deshalb, weil eine Oberflächenmagnetflußdichte des Magneten klein ist und höchstens 1 T (Tesla) beträgt, beträchtliche Abmessungen nötig sind und daher der Magnet, wenn er an der Rotorseite angeordnet ist, eine große radiale Dicke erhält. Die Zahl der ausgeprägten Pole kann dann beliebig gewählt (subject) werden, so daß sie ein von 6 verschiedenes Vielfaches von 3 beträgt.
Im Vergleich zu Motoren gleichen Außendurchmessers und auch gleichen Wellendurchmessers kann ein Motor der beschriebenen Bauart ein größeres Drehmoment liefern.
Ein Beispiel einer Doppelsternkonstruktion, bei welcher zwei Magnetstücke jeweils an Rotor und Stator vorgesehen sind, ist in Fig. 3 dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt, vielmehr ist auch eine Einzelkonstruktion anwendbar, bei welcher je ein Magnetstück an Rotor und Stator vorgesehen ist.
Ein anderes Beispiel für den Aufbau des Motors 1 ist in Fig. 4 dargestellt, die eine Anordnung zeigt, bei welcher der Motor mit dem magnetischen Funktionsdrehmelder verbunden ist und dabei als Stellbetrieb oder Betätigungsglied (actuator) arbeitet.
In Fig. 4 sind mit 1 ein Außenrotor-Direktantriebsmotor und mit 2 ein magnetischer Funktionsdrehmelder zum Abgreifen der Drehungen des Motors 1 bezeichnet. Der Motor 1 umfaßt einen Stator 11, einen Rotor 12 und ein Lager 13 zur drehbaren Lagerung des Rotors 12 am Stator 11.
Der Stator 11 umfaßt einen zylindrischen Stator-Flansch 111, einen an einer Außenumfangsfläche des Flansches 111 angebrachten Abschirmring 112 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff und einen an einer Außenumfangsfläche des Abschirmrings 112 angebrachten Statorkern 113. Letzterer besteht aus einem Stahlblechpaket und ist mit einem ausgeprägten Pol mit einen konstanten Teilungsabstand aufweisenden Zähnen an der Außenseite (on the tip) versehen. Um den Statorkern 113 ist eine Spule oder Wicklung 114 herumgewickelt, und zwischen die Pakete (stacks) des Statorkerns 113 ist ein Dauermagnet 115 eingefügt. Der Statorkern 113 bildet einen Magnetkreis für ein von der Wicklung 114 und vom Dauermagneten 115 erzeugtes Magnetfeld. An einem unteren Flansch 116 ist der Stator-Flansch 111 befestigt. Ein Spannstück (clamp) 117 dient zum Verspannen des Lagers 13 an der Seite des einen Endes.
Der Rotor 12 umfaßt einen zylindrischen Rotorflansch 121, einen an dessen Innenumfangsfläche befestigten und einen Magnetkreis des Rotors bildenden Rotorkern 122, einen oberen Flansch 123 und einen Tragflansch 124, an deren gegenüberliegenden Enden der Rotorflansch 121 befestigt ist, sowie ein Spannstück 125 zum Verspannen des Lagers 13 an der Seite des einen Endes. Der Rotorkern 122 besteht aus einem Stahlblechpaket, an dem einen konstanten Teilungsabstand aufweisende Zähne in den Zähnen des Statorkerns 113 gegenüberstehenden Stellungen angeformt sind.
Statorkern 113 und Rotorkern 122 sind jeweils angeschweißt.
Der magnetische Funktionsdrehmelder 2 umfaßt einen Statorteil 21 und einen Rotorteil 22, die einheitlich mit dem Stator 11 bzw. dem Rotor 12 verbunden sind.
Der Statorteil 21 umfaßt einen nichtmagnetischen Ring 211, einen Kern 212 mit daran angebrachten Magnet(material)stücken und eine unter Zwischenfügung eines Isoliermaterials 214 auf den Kern 212 gewickelte Spule oder Wicklung 213. Der nichtmagnetische Ring 211 und der Kern 212 sind mit Hilfe eines Klebmittels aneinander befestigt. Der Kern 212 ist mit einem ausgeprägten Pol versehen, an dessen Außenseite Zähne mit einem konstanten Teilungsabstand ausgebildet sind.
Der Rotorteil 22 umfaßt einen nichtmagnetischen Ring 221 und einen Kern 222 mit daran angebrachten Magnet(material)stücken, wobei die Elemente 221 und 222, wie im Fall des Statorteils, mit Hilfe eines Klebmittels befestigt sind. In den Zähnen des Statorkerns gegenüberliegenden Stellungen sind am Kern 222 Zähne eines konstanten Teilungsabstands angeformt.
Rotor- und Statorteil sind jeweils so ausgebildet, daß die Kernnase (core nose) und der nichtmagnetische Ring auf einem konzentrischen Kreis liegen.
Das Lager 13 ist ein Kreuzrollenlager, welches den Rotor des Motors 1 und den Rotor des magnetischen Funktionsdrehmelder 2 jeweils an deren einer Seite lagert.
Fig. 5 zeigt den Motor nach Fig. 4 in auseinandergezogener Darstellung. Jedes Einzelelement bildet ein Modul. Dabei sind die Modulbausteine aus oberem Flansch 123, unterem Flansch 116 und Tragflansch 124 jeweils nach Kundenvorschrift abwandelbar. Bei Verwendung eines langen Rotorflansches 121 und eines langen Statorflansches 111 kann ein Motor mit einem langen Kernteil unter Verwendung des oberen Flansches 123, des unteren Flansches 116 und des Tragflansches 124 gebaut werden. Dabei werden die einzelnen Module des Motors durch Schweißen befestigt.
Die einzelnen Bauelemente des Motors sind somit in Modulbauweise gehalten, so daß ein Zusammenbau in beliebigen vorbestimmten Einheiten möglich ist.
Im folgenden ist ein diese Modulbauweise anwendendes Ausführungsbeispiel beschrieben. Gemäß Fig. 6 ist der obere Flansch 123 zylindrisch geformt. Gemäß Fig. 7 ist der Tragflansch 124 geflanscht bzw. mit einem äußeren Flansch versehen. Gemäß Fig. 8 sind der Rotorflansch 121 und der Statorflansch 111 zur Verlängerung des Kernteils verlängert. Gemäß Fig. 9 ist ein Roboterarm am oberen Flansch 123 angebracht.
Aufgrund der Modulbauweise der Bauelemente des beschriebenen Motors kann der in Modulbauweise gehaltene (entsprechende) Flansch nach Anwendervorschrift ausgeführt werden. Eine Verbindungsanordnung (coupling structure) des Motors ist somit flexibel an Anforderungen anpaßbar. Da die Rotorteile des Motors intern koppelbar sind, ergeben sich eine Verringerung der Teilezahl und eine Kostensenkung.
Beim Zusammensetzen des Motors nach Fig. 10 kann der in Modulbauweise gehaltene magnetische Funktionsdrehmelder in den Stellbetrieb (actuator) integriert werden. Für diesen Zweck werden der nichtmagnetische Ring 211 in den Flansch 116 und der nichtmagnetische Ring 221 in den Flansch 124 eingesetzt bzw. eingepaßt und sodann damit verbunden bzw. verklebt (bonded).
Der magnetische Funktionsdrehmelder ist für von außen einwirkende Beanspruchungen nicht sehr beständig; aus diesem Grund wird er durch Einpassen und Verkleben (bonding) befestigt.
Fig. 11 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Motors. Der Motor weist dabei aufwärts verlängerte Rotor- und Statorflansche auf, wobei der magnetische Funktionsdrehmelder in diesem Abschnitt festgelegt ist. Bei dieser Konstruktion können ein oberer und ein unterer Abschnitt des Motors als Stelle für die Befestigung des magnetischen Funktionsdrehmelders gewählt werden, wodurch die Anpaßbarkeit an Vorschriften erweitert wird.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Motors. Dabei ist mit 130 ein Stellbetrieb oder Betätigungsglied (actuator) mit dem Innenaufbau gemäß Fig. 4 bezeichnet, an dessen Außenumfangsfläche ein Flansch 131 angeformt ist, der um eine Längsmittellinie L (vgl. auch Fig. 4) des Lagers im Betätigungsglied herum angeordnet ist. Da die Mittellinie L und ihr Bereich zwischen Motor und magnetischem Funktionsdrehmelder liegen, wird eine Änderung des magnetischen Widerstands auch bei Ausbildung des Flansches an diesem Abschnitt minimiert; weiterhin ist der Rotor in diesem Abschnitt besonders dick ausgebildet, und er besitzt eine hohe Festigkeit in diesem Bereich; dieser Abschnitt ist daher für die Ausbildung des Flansches optimal.
Am Flansch 131 ist ein abgestufter Abschnitt oder Stufenabschnitt 132 ausgebildet, an welchem ein einen L-förmigen Querschnitt aufweisendes Ringgehäuse 133 durch Anschrauben befestigt ist.
An einem festen Abschnitt ist ein Photokoppler (optoelektronischer Koppler) 134 montiert. Ein Empfangselement (douser member) 135 empfängt Licht vom Photokoppler, wenn eine Drehstellung des am Ringgehäuse 133 montierten Betätigungsglieds einen Null- oder Ausgangspunkt (origin) erreicht. Ein Ausgangsstellungssensor umfaßt (somit) den Photokoppler (134) und das Empfangselement 135.
Am festen Abschnitt ist ein Element 136 angebracht. Am Ringgehäuse 133 ist ein Element 137 zum Regeln eines Drehbereichs des Betätigungsglieds durch Kontaktierung mit dem Element 136 vorgesehen. Die Elemente 136 und 137 bilden eine Anhaltevorrichtung (stopper).
An der Nase des Ringgehäuses 133 ist eine Staubdichtung 138 vorgesehen, die über ein magnetisches Fluidium mit dem Stator in Berührung steht.
Als Element zur Anbringung einer peripheren Ausrüstung, wie eines Ausgangsstellungssensors, einer Anhaltevorrichtung o. dgl., am Flansch kann anstelle des Ringgehäuses ein O-ringartiges Element verwendet werden. In diesem Fall sind mehrere Gewindebohrungen im Ringelement vorgesehen; durch Wahl der (betreffenden) Gewindebohrung für die Anbringung der genannten Ausrüstung über diese Gewindebohrung kann der Betriebsbereich dieser Ausrüstung beliebig eingestellt werden. Die periphere Ausrüstung kann dabei unmittelbar am Flansch montiert werden.
Fig. 13 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Motors, bei dem nicht nur der untere Flansch 116, sondern auch der Statorflansch 111 teilweise vom Rotor 12 absteht.
Beim Zusammenbau des Motors werden eine Mittelachse L&sub1; des unteren Flansches 116, eine Mittelachse L&sub2; des Statorflansches 111 und eine Mittelachse L&sub3; des oberen Flansches 123 gleichzeitig miteinander ausgefluchtet. Der obere und der untere Flansch 1213 bzw. 116 werden damit in gegenseitige Ausfluchtung gebracht.
Eine Mittelachse des Tragflansches 124 kann dabei in diese Ausfluchtung einbezogen werden.
Bei diesem Motor wird mithin eine zufriedenstellende Konzentrizität zwischen dem oberen Flansch des Rotors und dem unteren Flansch des Stators, die einander gegenüberstehen (which are counter each other), erzielt, so daß eine Abweichung (ein Unrundlaufen) von am Rotor befestigten, anzutreibenden Objekten vermindert werden kann.
Fig. 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Motors. Dabei ist ein Aussparung für Phasenabgleich-Zähne oder für Phasenabgleich der Zähne (for phasing teeth) des Stators an bzw. in jedem der den Statorkern 113 bildenden Stahlblechpakete ausgebildet. Da die Stahlbleche mit miteinander koinzidierenden Aussparungen geschichtet sind, wird im zusammengesetzten Zustand des Statorkerns beim Motor nach Fig. 14 eine Nut 118 gebildet.
Bei 119 ist ein Ansatz(element) angedeutet, der (das) schaft- oder stiftartig aus einem magnetischen Werkstoff oder z. B. aus einem Werkstoff der Eisengruppe geformt ist. Gemäß Fig. ist der Ansatz 119 am einen Ende in der Nut 118 festgeschweißt und am anderen Ende mit dem Statorflansch 111 verschweißt, so daß der Statorkern 113 damit am Statorflansch 111 befestigt ist. Der Befestigungszustand ist in Fig. 16 dargestellt.
Der Ansatz 119 ist ausreichend lang, um beim Anschweißen seines anderen Endes einen Schweißlichtbogen (torch) in einem ausreichend großen Abstand zu halten, so daß ein Ablenken des Lichtbogens durch ein Magnetfeld des Dauermagneten 115 verhindert wird. In diesem Fall wird ein TIG- bzw. Wolfram-Schutzgasschweißverfahren angewandt.
Wenn in diesem Fall der Statorkern 113, wie in Fig. 17 gezeigt, ohne Verwendung des Ansatzes 119 an einem Abschnitt a am Statorflansch 111 angeschweißt wird, wird eine Schweißflamme oder ein -lichtbogen (torch) t auf die in gestrichelten Linien angedeutete Weise durch ein Magnetfeld des Dauermagneten umgebogen bzw. abgelenkt, weil der aus einem Schweißstab b austretende Lichtbogen t nicht ausreichend weit vom Dauermagneten 115 entfernt ist. Das Schweißen am Abschnitt a erweist sich daher als schwierig.
Da nun gemäß Fig. 18 der Lichtbogen (torch) t in einem der Länge des Ansatzes 119 entsprechenden Abstand vom Dauermagneten 115 angeordnet ist und das Schweißen an einem Abschnitt c erfolgt, findet keine Ablenkung durch das Magnetfeld statt, so daß die Schweißarbeit entsprechend erleichtert wird. Da zudem der Ansatz unter Ausrichtung desselben durch die Positionier-Aussparungen im Stahlblechpaket befestigt wird, ist seine Anbringung ohne Vergrößerung der Zahl der Arbeitsgänge möglich.
Anstatt für den Ansatz einen Stift zu verwenden, kann er auch aus einer magnetischen Platte oder einem magnetischen Blech gebogen (gerollt) sein.
Im folgenden ist ein Wärmedehnungskoeffizient der Schichtanordnung (sandwich structural portion) beschrieben, bei welcher gegenüberliegende Seiten des Abschirmrings 112 zwischen den Statorflansch 11 und den Statorkern 113 eingefügt sind.
Fig. 19 veranschaulicht schematisch die den Abschirmring einschließende Schichtanordnung. Dabei haben die Symbole folgende Bedeutung:
α&sub1; = Wärmedehnungskoeffizient des Statorflansches 111
α&sub2; = Wärmedehnungskoeffizient des Abschrimrings 112
α&sub3; = Wärmedehnungskoeffizient des Statorkern 113
r&sub1; = Innendurchmesser bzw. -radius des Abschirmrings 112 = Außendurchmesser bzw. -radius des Statorflansches 11
r&sub2; = Außendurchmesser bzw. -radius des Abschirmrings 112 = Innendurchmesser bzw. -radius des Statorkerns 113
Um den Abschirmring 112 an einem Trennen der Bauelemente auf beiden Seiten auch bei einer Temperaturänderung zu hindern, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des Abschirmrings 112 wie folgt eingestellt bzw. gewählt:
α&sub3; r&sub2; Δ T - α&sub1; r&sub1; Δ T = α&sub2; (r&sub2; - r&sub1;) Δ T
α&sub3; r&sub2; - α&sub1; r&sub1; = α&sub2; (r&sub2; - r&sub1;)
α&sub2; = (α&sub3; r&sub2; - α&sub1; r&sub1;)/(r&sub2; - r&sub1;)
Eine einfache Konstruktion zur Realisierung der Schichtanordnung ist mithin ausreichend wirksam, um das Auftreten eines Spalts oder Zwischenraums zwischen dem Statorkern und dem aus einem davon verschiedenen Werkstoff bestehenden Abschirmring einer Temperaturänderung zu verhindern.

2. Sensor

2.1. Für den Fall eines magnetischen Funktionsdrehmelders

Fig. 20 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines als Sensor verwendeten magnetischen Funktionsdrehmelders. Dabei zeigen Fig. 20(a) eine Aufsicht bzw. Stirnansicht und Fig. 20(b) einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 20(a).
Gemäß Fig. 20 ist ein zylindrischer Rotor 231 an seinem Innenumfang mit einen konstanten Teilungsabstand P _r aufweisenden Zähnen 232 versehen, wobei Rotor-Teile 231&sub1; und 231&sub2; übereinander angeordnet sind. Im Inneren des Rotors 231 befindet sich ein Stator 233, der mit 4N (N = eine ganze Zahl) Einheiten, z. B. 16 Einheiten von ausgeprägten Polen 231&sub1;-234&sub1;&sub6; versehen ist, an deren Spitzen bzw. Oberseiten den Zähnen 232 gegenüberstehende Zähne 235 vorgesehen sind. Um die einzelnen ausgeprägten Pole sind Spulen bzw. Wicklungen 236&sub1;-236&sub1;&sub6; herumgewickelt, von denen nur die Wicklung 236&sub1; am ausgeprägten Pol 234&sub1; dargestellt ist. Dieser Stator 233 weist unter Zwischenfügung eines Isolierelements 237 übereinander liegende bzw. benachbarte Stator-Teile 233&sub1; und 233&sub2; auf. Rotor 231 und Stator 233 sind dabei jeweils aus Stahlblechpakten geformt.
Mit 238&sub1; und 238&sub2; sind Signalgeber (signaling sources) zur Lieferung von Wechselspannungen E _c = V cos ω t und E _s = V sin ω t (V = Spannungsamplitude) an die Wicklungen der Statorteile 233&sub1; und 233&sub2; bezeichnet.
Der Aufbau von Rotor und Stator ist in Fig. 21 detailliert dargestellt, welche Rotor und Stator in Abwicklung veranschaulicht.
Gemäß Fig. 21 sind n _s Einheiten von Zähnen in (je) einem ausgeprägten Pol ausgebildet (im dargestellten Fall gilt: n _s = 4). Die ausgeprägten Pole 234&sub1;, 234&sub2;, 234&sub3;, 234&sub4; besitzen dabei jeweils einen Phasenversatz von 0, (1/4) P _r, (2/4) P _r, (3/4) P _r zu den Zähnen 232 des Rotors 231.
Die ausgeprägten Pole sind in einer Gesamtzahl (all told) von 16 Einheiten vorgesehen; jede Phase weist dabei 4 derartige Pole auf. Die um die ausgeprägten Pole einer Phase herumgewickelten Wicklungen bilden jeweils eine Phase (bzw. Phasenwicklung).
Die um die ausgeprägten Pole mit dem Phasenversatz von 0, (1/4) P _r, (2/4) P _r, (3/4) P _r herumgewickelten Wicklungen werden als Wicklungen von Phase A, Phase B, Phase C bzw. Phase D bezeichnet.
Der Teilungsabstand (pitch) P _s der Zähne 235 der ausgeprägten Pole entspricht:
P _s = P _r - (P _r/3n _s)
Diese Zähne 235 sind somit in ihrer Anordnungsrichtung um P _r/3n _s phasenverschoben. Die Zähne können somit als Feineinsteller (vernier) benutzt werden.
Die Rotorteile 231&sub1; und 231&sub2; sind mit in Phase angeordneten Zähnen 232 übereinander angeordnet. Die Statorteile 233&sub1; und 233&sub2; sind dagegen mit um P _r/4 phasenverschobenen Zähnen übereinander angeordnet.
Jede Stator-Wicklung (coil) ist auf die in Fig. 22 gezeigte Weise geschaltet. Fig. 22 veranschaulicht eine Wicklung L&sub1;, in welcher die Wicklung von Phase A und Phase B miteinander in Reihe geschaltet sind, und eine Wicklung L&sub2;, in welcher Wicklungen der Phasen C und D in Reihe geschaltet sind. Den Wicklungen des Statorteils 233&sub1; wird eine Spannung V cos ω t, den Wicklungen des Statorteils 233&sub2; eine Spannung V sin ω t aufgeprägt. Die an den Wicklungen erzeugten Spannungen werden dann durch Widerstand, Verstärker und Subtrahierstufe(n) detektiert.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der beschriebenen Anordnung erläutert.
An bzw. in den Wicklungen der Phasen A, B, C und D erzeugte Spannungen S&sub1;, S&sub2;, S&sub3; bzw. S&sub4; lassen sich wie folgt ausdrücken:
In obigen Gleichungen bedeuten:
l = Reihenfolge bzw. Ordnungszahl (order) der Zähne;
E = Amplitudenspannung bzw. Spannungamplitude,
m&sub1;, m&sub2;, . . . , m _n = Konstanten.
Eine durch Addieren und Subtrahieren dieser Spannungen als S&sub1; + S&sub2; - S&sub3; - S&sub4; erhaltene Spannung entspricht folgender Gleichung:
Die 2n&sub1;ten und 3n&sub2;ten (n&sub1;, n&sub2; = ganze Zahlen) harmonischen Komponenten oder Anteile werden in Gleichung (5) unterdrückt. Die fünften und höheren Harmonischen können vernachlässigt werden, weil ihr Einfluß geringer ist. Die Detektionsspannung läßt sich wie folgt ausdrücken:
S&sub1; + S&sub2; - S&sub3; - S&sub4; = A&sub0; sin (R + φ)
Darin bedeuten: A&sub0; = Konstante; φ = Anfangsphase, entsprechend:

in Gleichung (5).
Fig. 23 ist ein Vektordiagramm der Spannungen S&sub1;-S&sub4;. Wie dargestellt, ist die zweite Harmonische durch die Differenz zwischen einem Vektor der zusammengesetzen Spannungen S&sub1; und S&sub2; sowie einem Vektor der zusammengesetzten Spannungen S&sub3; und S&sub4; unterdrückt, und die dritte Harmonische ist und durch die als Feineinsteller (vernier) an den ausgeprägten Polen vorgesehenen Zähne unterdrückt.
Die am Statorteil 233&sub1; detektierte oder abgegriffene Spannung entspricht daher:
V _s = E _c (S&sub1; + S&sub2; - S&sub3; - S&sub4;)
= V cos ω t · A sin (R + φ)
Die Detektionssignale V _{s 1} und V _{s 2} gemäß Fig. 22 entsprechen S&sub1; + S&sub2; bzw. S&sub3; + S&sub4;.
Die am Statorteil 233&sub2; abgegriffene Spannung entspricht dann:
V _s = E _s (S&sub1; + S&sub2; - S&sub3; - S&sub4;)
= V sin ω t · A cos (R + φ)
Die Detektionssignale V _{c 1} und V _{c 2} gemäß Fig. 22 entsprechen S&sub1; + S&sub2; bzw. S&sub3; + S&sub4;.
Das an der Schaltung gemäß Fig. 22 abgegriffene (detektierte) Signal entspricht daher:
V _T = V _s - V _c
= V cos ω t · A sin (R + φ) - V sin ω t · A cos (R + φ)
= AV sin (R + φ - ω t)
Eine Phase des Detektionssignals wird in Übereinstimmung mit einem Drehwinkel R des Rotors moduliert. Der Drehwinkel kann entsprechend durch Auslesen der Phase detektiert werden.
Obgleich vorstehend der Fall einer Vierphasen-Wicklung beschrieben ist, ist die Phasenzahl der Wicklung nicht notwendigerweise auf die Zahl 4 beschränkt. Im Fall z. B. einer Dreiphasen-Wicklung sind die Phasen der Zähne benachbarter ausgeprägter Pole zur Unterdrückung der dritten Harmonischen um P _r/3 versetzt, und die Zähne der ausgeprägten Pole sind um P _r/2n _s zu einem Teilungsabstand des Rotors für eine Feineinstellerkonstruktion verschoben oder versetzt, wodurch die zweite Harmonische unterdrückt wird.
Obgleich vorstehend der Fall beschrieben ist, in welchem das Signal S&sub1; + S&sub2; - S&sub3; - S&sub4; zur Unterdrückung der Harmonischen von beiden Statorteilen 233&sub1; und 233&sub2; abgegriffen wird, kann die Harmonische auch durch andere Addition und Subtraktion unterdrückt werden. Beispielsweise kann die Harmonische am Statorteil 233&sub1; durch S&sub1; + S&sub2; - S&sub3; - S&sub4; unterdrückt werden, und die höhere Harmonische am Statorteil 233&sub2; kann durch S&sub2; + S&sub3; - S&sub4; - S&sub1; unterdrückt werden. In diesem Fall sind beim Statorteil 233&sub2; die Wicklungen der Phasen B und C und die Wicklungen der Phasen A und D (jeweils) in Reihe geschaltet.
Die Zahnteilung des ausgeprägten Pols ist nicht notwendigerweise auf P _r - (P _r/3n _s) beschränkt, sondern kann auch P _r + (P _r/3n _s) betragen.
Weiterhin können die Zähne der ausgeprägten Pole des Statorteils 233&sub2; mit denen der entsprechenden Pole des Statorteils 233&sub1; in Phase sein.
Bei dem beschriebenen magnetischen Funktionsdrehmelder werden eine höhere zweite Harmonische und eine höhere dritte Harmonische, die in der Detektionsspannung der (von den) Wicklungen auftreten, durch Mehrphasenwicklungen und an den ausgeprägten Polen als Feineinsteller (vernier) zu den Zähnen des Stators angeordnete Zähne unterdrückt, wodurch ein Fehler des Detektionssignals minimiert und die Linearität der Winkeldetektion oder -messung verbessert werden.
Fig. 24 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Funktionsdrehmelders. Dabei sind ein zylindrischer Rotor 241 und ein in diesem angeordneter Stator 242 vorgesehen. Der Rotor 241 rotiert um ein Zentrum O des Zylinders.
Ein Zentrum O&sub1; des Stators 242 ist um δ gegenüber dem Drehwinkel O des Rotors 241 versetzt. Am Stator 242 sind in Winkelabständen von 90° ausgeprägte Pole 243&sub1;-243&sub4; angeformt. Die Oberseite (tip) jedes dieser Pole ist einer Innenumfangsfläche des Rotors 241 zugewandt. Aufgrund dieser Anordnung ändert sich ein Spalt oder Abstand zwischen der Oberseite jedes ausgeprägten Pols und der Rotor-Innenumfangsfläche in Abhängigkeit (after a) von einem Drehwinkel des Rotors.
Im magnetischen Funktionsdrehmelder sind am Rotor und an den ausgeprägten Polen keine Zähne angeformt. Mit 244&sub1;-244&sub4; sind um diese Pole 243&sub1;-2243&sub4; herumgewickelte Wicklungen bezeichnet.
Die Ziffer 245 bezeichnet einen Signalgeber (signaling source) zur Ansteuerung zweier einander gegenüberliegend angeordneter Wicklungen 244&sub1; und 244&sub3; mit einem Wechselspannungssignal A sin ω t (A = Amplitude der Spannung oder des Stroms; ω = Winkelgeschwindigkeit; t = Zeit) und eines anderen Paars der Wicklungen 244&sub2; und 244&sub4; mit einem Wechselspannungssignal A cos ω t.
Ein arithmetischer oder Rechenoperationsteil 246 dient zum Berechnen eines Rotationsdetektions- oder -meßsignals des Rotors entsprechend einem zu jeder Wicklung fließenden Strom. Ein Beispiel für den Rechenoperationsteil ist in Fig. 25 dargestellt.
Im folgenden ist die Arbeitsweise des beschriebenen Funktionsdrehmelders erläutert.
Da das Zentrum des Stators 242 gegenüber dem Rotationszentrum des Rotors außermittig oder exzentrisch angeordnet ist, bestimmen sich Induktivitäten L&sub1;-L&sub4; der Wicklungen 244&sub1;-244&sub4; wie folgt:
L&sub1; = L&sub0; (1 + m sin R)
L&sub2; = L&sub0; {1 + m sin (R + 90°)}
L&sub3; = L&sub0; (1 + m sin R)
L&sub4; = L&sub0; {1 + m sin (R - 90°)}
Darin bedeuten: L&sub0;, m = Konstanten; R = Drehwinkel.
Die die Wicklungen 244&sub1; und 244&sub3; mit dem Signal A sin ω t erregt und die Wicklungen 244&sub2; und 244&sub4; mit dem Signal A cos ω t angesteuert werden, lassen sich die zu den Wicklungen 244&sub1;-244&sub4; fließenden Ströme I&sub1;-I&sub4; wie folgt ausdrücken:
I&sub1; = K (1 + m sin R) sin ω t
I&sub2; = K (1 + m cos R) cos ω t
I&sub3; = K (1 + m sin R) sin ω t
I&sub4; = K (1 + m cos R) cos ω t
Darin bedeutet: K = Konstante.
Anhand dieser Ströme führt der Rechenoperationsteil 246 die folgende Operation aus:
(I&sub1; - I&sub3;) + (I&sub2; - I&sub4;)
= 2m _K sin R sin ω t + 2m _K cos R cos ω t
= 2m _K sin (ω t - R + 90°) (6)
Das durch Gleichung (6) ausgedrückte Signal erfährt eine Phasenmodulation von 360° bei je einer Umdrehung des Rotors; demzufolge kann ein Absolutwinkel pro Umdrehung durch Messung einer Phasendifferenz mit dem Ansteuersignal in einem Phasendifferenzzähler C gemäß Fig. 25 detektiert oder gemessen werden. Weiterhin kann die Drehzahl durch Messen einer variierenden Geschwindigkeit der Phase gemessen werden.
Vorstehend ist der Fall beschrieben, in welchem vier Einheiten von ausgeprägten Polen vorgesehen sind; die ausgeprägten Pole können jedoch (auch) in 4n Einheiten vorgesehen sein, indem ein Statorelement gemäß der Erfindung in n Einheiten (mit n = eine ganze Zahl) mit einem oder mehreren anderen zusammengesetzt wird, wobei ein magnetischer Funktionsdrehmelder mit diesem Aufbau die folgenden Wirkungen oder Vorteile gewährleistet:

1. Da keine spezielle Wicklungsweise für die Wicklung nötig ist, kann der Wickelvorgang unter deutlicher Kostensenkung automatisiert werden.
2. Die Anordnung ist so getroffen, daß Drehstellung und Drehzahl anhand einer Phasendifferenz zwischen einem durch den Rechenoperationsteil berechneten Signal und einem Ansteuersignal vom Signalgeber erfaßt werden; der Rauschabstand ist daher für die Realisierung einer digitalen Schnittstellenkonstruktion ausreichend (groß).
3. In Kombination mit einem magnetischen Inkrementtyp- Funktionsdrehmelder einer hohen Auflösung mit mehreren Null- oder Ausgangspunkten (origins) der Drehstellung wird ein durch Ausgangspunktrückstelloperation erfaßter Ausgangspunkt durch den erfindungsgemäßen magnetischen Funktionsdrehmelder spezifiziert oder bezeichnet, und eine Verschiebung vom spezifizierten Ausgangspunkt zur Drehstellung wird durch den magnetischen Funktionsdrehmelder hoher Auflösung genau erfaßt, so daß eine Absolutstellungs-Detektoreinheit hoher Präzision gewährleistet wird.
4. Ein Statorkern und ein Schaltungsteil können gemeinsam mit denjenigen eines magnetischen nX-Typ-Funktionsdrehmelders benutzt werden (wobei sich eine Phase des Meßsignals mit n Perioden pro Umdrehung des Rotors ändert).

Fig. 26 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des magnetischen Funktionsdrehmelders, wobei sich der Motor 1 durch die Zahl der übereinander gestapelten Statorkerne unterscheidet, während jedoch die Konstruktion derjenigen des Motors nach Fig. 4 entspricht.
Der magnetische Funktionsdrehmelder 2 umfaßt einen hochauflösenden magnetischen Funktionsdrehmelder 2&sub1; (mehrpoliger Funktionsdrehmelder) und einen magnetischen Funktionsdrehmelder 2&sub2; (einpoliger Funktionsdrehmelder), dessen Detektions- oder Meßauflösung geringer ist als die des magnetischen Funktionsdrehmelders 2&sub1;.
Hierbei ist die Meßauflösung um so größer, je größer die Zahl der Impulse ist, die der magnetische Funktionsdrehmelder bei einer Umdrehung des Motors erzeugt.
Die Anordnung umfaßt Statoren oder Statorteile 21 und 25 sowie Rotoren oder Rotorteile 22 und 26. Die Statorteile 21 und 25 sind zur Bildung des Stators 11, die Rotorteile 22 und 26 zur Bildung des Rotors 12 gekoppelt. Die Rotorteile 22 und 26 sind dabei einseitig (auskragend) durch das Lager 13 gelagert.
Der magnetische Funktionsdrehmelder 2&sub1; nimmt mehrere Drehstellungen jeweils als Ausgangspunkt oder Nullpunkt (origin) ab. Der magnetische Funktionsdrehmelder 2&sub2; identifiziert sodann die durch den Funktionsdrehmelder 2&sub1; detektierte Quelle (source) bezüglich der Reihenfolge oder Ordnungszahl bzw. für Feststellung der (Dreh-)Richtung.
Eine Treiberschaltung 273 dient zum Ansteuern des Motor 1 nach Maßgabe eines von außen eingespeisten Impulses.
Ein Speicher 274 dient zum Speichern von Daten für die dem Motor zugespeiste Impulszahl für Positionierung einer Nullpunktzahl, eine Phasendifferenz von einer Bezugsstellung des Ausgangs- oder Nullpunkts (im folgenden als "Absolutstellungsdaten" bezeichnet) und eine Drehstellung zum Nullpunkt (vgl. Fig. 27) für die Anzahl der erwähnten Nullpunkte. Als Bezugsstellung wird einer der mehreren Nullpunkte gewählt.
Ein Stellungsberechnungskreis 275 dient zum Ableiten einer Impulszahl aus den im Speicher 274 gespeicherten Daten in Übereinstimmung mit den durch den magnetischen Funktionsdrehmelder 2&sub2; erfaßten Absolutstellungdaten, wenn der Ausgangs- oder Nullpunkt erfaßt wird. Unter Heranziehung der Impulszahl als Bezugsgröße wird eine Absolutdrehstellung in Abhängigkeit von einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Impulses ermittelt (obtained).
Die Treiberschaltung 273 ist auf der ID- oder Steck-Karte 402 (Fig. 2) des magnetischen Funktionsdrehmelders vorgesehen, während Speicher 274 und Stellungsberechnungsschaltung 275 am Stellungsregelteil 470 vorgesehen sind.
Die Arbeitsweise der Anordnung mit dem beschriebenen Aufbau ist nachstehend erläutert.
Es sei beispielsweise angenommen, daß die Zahl der Ausgangs- oder Nullpunkte 10 und die Zahl der für eine Umdrehung des Motors 1 vorgegebenen Impulse 10 000 betragen, die Nullpunkte in Winkelabständen von 36° vorliegen und der Motor sich über die Strecke der Nullpunkte mit den für ihn vorgegebenen 10 000 Impulsen dreht.
Nach dem Schließen bzw. Einschalten einer Stromversorgung wird der Nullpunkt rückgesetzt; der Motor 1 erfaßt den Nullpunkt und hält nach einer Drehung von maximal 36° an. Dabei erfaßt der magnetische Funktionsdrehmelder 2&sub2; Absolutstellungdaten des erfaßten Nullpunkts. Wenn diese Daten 180° anzeigen, stellt die Stellungsberechnungsschaltung 275 fest, daß der erfaßte Nullpunkt der sechste ist, d. h. der Motor in der Stellung angehalten hat, in welcher gemäß den Daten nach Fig. 27 5000 Impulse geliefert wurden.
Dementsprechend wird eine Absolutdrehstellung des Motors anschließend entsprechend einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Impulszahl unter Heranziehung der 5000 Impulse als Bezugsgröße erfaßt.
Die Treiberschaltung 273 bestimmt durch Rückkopplungs-Regelung eine Drehstellung des Motors 1 aus der erfaßten Absolutdrehstellung.
Beim beschriebenen magnetischen Funktionsdrehmelder sind Stellungsdetektoreinheiten hoher und niedriger Auflösung vorgesehen, wobei eine Drehstellung des Motors durch den Stellungsdetektoreinheit hoher Auflösung und eine Diskriminierung der Nullpunktzahl durch die Stellungsdetektoreinheit niedriger Auflösung detektiert oder erfaßt werden. Der Nullpunkt kann somit mehrfach vorliegen, und da im Abstand der Nullpunkte eine maximale Zahl von Nullpunkten liegt, kann die für den Nullpunktrücksetzvorgang erforderliche Zeit verkürzt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des magnetischen Funktionsdrehmelders ist in den Fig. 28(a) und 28(b) dargestellt, die eine Vorderansicht bzw. einen Schnitt längs der Linie Z&sub1;-Z&sub1; in Fig. 28(a) zeigen.
Gemäß Fig. 28 sind zwei jeweils aus einem magnetischen Werkstoff bestehende Scheiben-Statorelemente 281, 281 vorgesehen, an denen in Drehwinkelabständen von 90° ausgeprägte Pole 283&sub1;-283&sub4; und 284&sub1;-284&sub4; ausgebildet sind. An den Oberseiten dieser Pole sind Zähne 285 eines konstanten Teilungsabstands Pb angeformt.
Die Phasen der Zähne benachbarter ausgeprägter Pole sind im gleichen Statorelement um (1/2) Pb versetzt.
Mit einem dazwischen eingefügten nichtmagnetischen Element 286 werden die Statorelemente 281, 282 zur Bildung eines Stators 287 übereinander gesetzt bzw. parallel zueinander angeordnet. Dabei werden oder sind die Phasen der Zähne benachbarter ausgeprägter Pole um (1/4) Pb zueinander versetzt. Beispielsweise sind die Phasen der Zähne der Pole 283&sub1; und 284&sub1; um (1/4) Pb versetzt.
Um die (ausgeprägten) Pole 283&sub1; und 283&sub3; ist eine Wicklung 288&sub1;, um die Pole 283&sub2; und 283&sub4; eine Wicklung 288&sub2; herumgewickelt. Die Wicklungen 288&sub1; und 288&sub2; bilden eine Einphasenwicklung. Auf das Statorelement 282 sind auf ähnliche Weise Wicklungen 289&sub1; und 289&sub2; gewickelt.
Ein Rotor 290 ist außenseitig um die Statorelemente 281, 282 herum angeordnet. Am Rotor 290 sind den Zähnen 285 zugewandte und nahezu den gleichen Teilungsabstand (wie diese) aufweisende Zähne 291 ausgebildet.
Fig. 29 veranschaulicht ein Beispiel für einen Sensorschnittstellenteil, mit dem der erfindungsgemäße magnetische Funktionsdrehmelder verbunden ist. Dabei ist mit 280 der Funktionsdrehmelderabschnitt nach Fig. 28 bezeichnet.
Die Anordnung umfaßt einen Takt(signal)generator 441 als Ansteuerungssignalquelle für die Wicklungen des magnetischen Funktionsdrehmelders, einen Frequenzteiler 442 zum Teilen eines durch den Taktgenerator 441 gelieferten Takts, ein Tießpaßfilter 411 zum Aussieben einer Niederfrequenzkomponente des geteilten Tanks und einen Komparator 412 zum Formen (shaping) des ausgesiebten Signals. Das geformte Signal entwickelt sich zu einer Wechselspannung E sin ω t (E = Spannungsamplitude; ω = Winkelgeschwindigkeit; t = Zeit) und steuert die Wicklungen 288&sub1;, 288&sub2; an:
Ein Phaseneinstelleinheit 413 verschiebt die Phase der Wechselspannung E sin ω t um 90° zu einer Wechselspannung E cos ω t und korrigiert elektrisch einen mechanischen Fehler der Einbauposition der Statorelemente 281 und 282 (sin Kern und cos Kern). Die Wicklungen 289&sub1; und 289&sub2; werden durch die Wechselspannung E cos ω t erregt.
Eine Amplituden- und eine Phaseneinstelleinheit 414 bzw. 415 dienen zum Einstellen von Amplitude bzw. Phase der Wechselspannung E sin ω t. Durch diese Einstellungen wird eine Trägerkomponente der Wechselspannung E sin ω t gelöscht oder aufgehoben.
Eine Subtrahierstufe 416 dient zur Differenzbildung zwischen den zu den Wicklungen 288&sub1; und 288&sub2; fließenden Strömen und zum Erzeugen einer dieser Differenz proportionalen Spannung. Eine Subtrahierstufe 417 dient zur Differenzbildung zwischen den zu den Wicklungen 289&sub1; und 289&sub2; fließenden Strömen und zum Erzeugen einer dieser Differenz proportionalen Spannung.
Eine Addierstufe 418 dient zum Addieren der von den Subtrahierstufen 416 und 417 abgenommenen subtrahierten Größen oder Werte und zum Addieren eines Signals, das die Phaseneinstelleinheit 415 durchlaufen hat, zum addierten Signal für Korrektur. Hierbei ist das so korrigierte addierte Signal ein Signal K sin (ω t + R) (mit K = Konstante), dessen Phase mit dem Drehwinkel R des Rotors des magnetischen Funktionsdrehmelders moduliert ist.
Ein Bandpaßfilter 419 dient zum Aussieben einer spezifischen oder bezeichneten Frequenzkomponente des Korrektursignals der Addierstufe 418; Komparatoren 420, 421 dienen zum Formen der Ausgangssignale vom Frequenzteiler 442 und vom Bandpaßfilter 419.
Ein Phasendifferenzzähler 443 zählt eine Phasendifferenz des durch die Komparatoren 420 und 421 geformten Signals mit dem Takt des Taktgenerators 441. Ein Periodenzähler 444 mißt eine Periode des geformten Signals (shaping signal) vom Komparator 421 mit dem Takt des Taktgenerators 441. Eine Stellungsberechnungseinheit 471 berechnet eine Drehstellung des Rotors 290 während einer Umdrehung in Übereinstimmung mit der durch den Periodenzähler 444 gemessenen Periode.
Von den beschriebenen Bauelementen sind die Elemente 411-420 auf der Funktionsdrehmelder-ID-Karte 402 gemäß Fig. 2, die Elemente 441-444 in der Zählerschaltung 404 und das Element 471 am Stellungsreglerteil 470 angeordnet.
Der beschriebene magnetische Funktionsdrehmelder arbeitet wie folgt:
Da zwischen den Wechselspannungssignalen E sin ω t und E cos ω t ein Fehler eines relativen elektrischen Winkels enthalten ist, werden die Wicklungen 288&sub1;, 288&sub2; und 289&sub1;, 289&sub2; mit den Wechselspannungen E sin (ω t + Δ _A) und E cos ω t (Δ A = Fehler des elektrischen Winkels) angesteuert.
Wenn sich der Rotor 290 um R dreht, bestimmen sich zu den Wicklungen 288&sub1;, 288&sub2;, 289&sub1;, 289&sub2; fließenden Ströme I&sub8;&sub1;, I&sub8;&sub2;, I&sub9;&sub1;, I&sub9;&sub2; wie folgt:
I&sub8;&sub1; = I&sub0; {1 + m cos (R + δ _A) } × sin (ωt +Δ _A) (7)
I&sub8;&sub2; = I&sub0; {1 - m cos (R + δ _A) } × sin (ωt I&sub9;&sub1; = I&sub0; {1 + m sin R) cos ω t (8)
I&sub9;&sub1; = I&sub0; (1 + m sin R) cos ω t (9)
I&sub9;&sub2; = I&sub0; (1 - m sin R) cos ω t (10)
Darin bedeutet: m = Konstante.
Hierbei steht δ _A für einen relativen mechanischen Fehler der Einbauposition von sin Kern und cos Kern.
Durch Ausführung einer Rechenoperation mit Gleichung (7) - Gleichung (8) + Gleichung (9) - Gleichung (10) in den Subtrahierstufen 416, 417 und der Addierstufe 418 wird die folgende berechnete Größe V&sub1; erhalten:
V&sub1; = m {sin (ω t + R + δ _A + Δ _A) + sin (ω t + R)}+ 2 sin &udf53;sl21,1&udf54;&udf53;sg18&udf54;&udf53;sf10&udf54;&udf53;st1&udf54;(&udf53;st&udf54;&udf53;sl21,1&udf54;&udf53;sg9&udf54;@O:&udf57;°Kd&udf56;°T°KA°t°k¤^¤&udf57;°KD&udf56;°T°KA°t°k:2&udf54;&udf53;sl21,1&udf54;&udf53;sg18&udf54;&udf53;sf10&udf54;&udf53;st1&udf54;)&udf53;st&udf54;&udf53;sl21,1&udf54;-&udf53;sg9&udf54; cos &udf53;sl21,1&udf54;&udf53;sg18&udf54;&udf53;sf10&udf54;&udf53;st1&udf54;(&udf53;st&udf54;&udf53;sl21,1&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf57;°Kw&udf56;°Kt°k¤^¤&udf57;°KV&udf56; + @O:&udf57;°KD&udf56;°T°KA°t°k¤^¤&udf57;°Kd&udf56;°T°KA°t°k:2&udf54;&udf53;sl21,1&udf54;&udf53;sg18&udf54;&udf53;sf10&udf54;&udf53;st1&udf54;)&udf53;st&udf54;&udf53;sl21,1&udf54;&udf53;sg9&udf54; + e sin ω t (11)
Darin bedeutet: e sin ω t = eine in der Wechselspannung E sin ω t enthaltene Trägerkomponente.
Durch Einstellung des elektrischen Winkels nach Gleichung (11) auf
Δ _A = δ _A
macht die Phaseneinstelleinheit 413 den zweiten Term an der rechten Seite von Gleichung (11) zu Null.
Weiterhin wird ein Signal -e sin ω t mit für die Wechselspannung E sin ω t eingestellten Amplitude oder Phase zum obigen Signal addiert, wodurch eine restliche Trägerkomponente negiert wird.
Der Phasendifferenzzähler 443 mißt eine Phasendifferenz zwischen dem Signal R&sub0; mit negierter Trägerkomponente und dem Erregungssignal R&sub1; mit dem Takt des Taktgenerators 441. Da ein elektrischer Winkel des Erregungssignals R&sub1; von 360° einem Zahnteilungsabstand des Rotors 290 entspricht, entspricht die vom Phasendifferenzzähler 443 gemessene Phasendifferenz einer Drehstellung innerhalb des einen Zahnteilungsabstands des Rotors 290. Eine Größe eines Festwertspeichers oder ROMs, in den eine sin- bzw. Sinus-Größe geladen ist, wird mit der gemessenen Phasendifferenz als Adreßzeiger ausgelesen, und die durch den magnetischen Funktionsdrehmelder erfaßten Motordrehungen werden für Kommutierung mit den Auslesedaten geregelt.
Der Periodenzähler 444 mißt eine Periode des Signals R&sub0; mit dem vom Taktgenerator 441 erzeugten oder gelieferten Takt.
Die Stellungsberechnungseinheit 471 berechnet eine Differenz in der Periode zwischen dem Signal R&sub0; mit modulierter Phase und dem Erregungssignal R&sub1; zu jeweils konstanten Perioden entsprechend einer gemessenen Periode des Periodenzählers 444.
Damit der Drehwinkel R des Rotors 290 zu vt (v = konstant) wird, wird das modulierte Signal zu E sin (ω + v) transformiert. Eine Periode des modulierten Signals variiert somit entsprechend dem Drehwinkel R. Demzufolge ist eine Drehstellung des Rotors 290 während der bei einer Umdrehung durch Integrieren der Perioden-Differenz zwischen dem modulierten Signal E sin (ω + v) tund dem Erregungssignal E sin ω t ableitbar.
Falls beispielsweise die Zahl der für das Zählen einer Periode des Erregungssignals R&sub1; nötigen Takte gleich 4096 ist und die Zahl der Rotorzähne des magnetischen Funktionsdrehmelders 124 beträgt, berechnet die Stellungsberechnungseinheit 471 die Drehstellung wie folgt:

Darin bedeuten: P = Drehstellung; DATAi = i te Meßperiode.
In diesem Fall werden bei einer Umdrehung des Rotors 124×4096 = 507 904 Takte (Taktsignale) erfaßt.
Da bei dem beschriebenen Funktionsdrehmelder das Signaldetektionssystem auf der Phasenmodulation beruht, läßt sich eine digitale Schnittstelle einfach aufbauen, so daß Stellungsdetektion oder -messung und Kommutationsregelung des Motors realisierbar sind.

2.2 Falls der Sensor ein optischer Funktionsdrehmelder ist

Fig. 30 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des als Sensor verwendeten optischen Funktionsdrehmelders. Dabei ist eine Schlitzcodeplatte oder -scheibe 301 vorgesehen, die mit zwei Reihen von lichtdurchlässigen Schlitzen, welche mit jeweils vorbestimmten Teilungsabstand in Umfangsrichtung angeordnet sind, versehen ist. Eine Schlitzreihe 302 mit m&sub1; Schlitzen ist dabei am Außenrand vorgesehen, während eine Schlitzreihe 303 mit m&sub2; Schlitzen einwärts der Schlitzreihe 302 angeordnet ist.
Die Differenz der Zahl der Schlitze zwischen innerer und äußerer Schlitzreihe entspricht der Zahl der Rotorzähne des Motors 1.
Auswärts der Schlitzreihe 302 befindet sich ein Nullpunktmeßschlitz S zum Erfassen einer Drehstellung der Codescheibe 301, die sich mit einer Antriebswelle des Motors mitdreht.
Dabei sind Lichtquellen 304, 305 und Linsen 306, 307 zum Beschneiden (trimming) der Lichtstrahlen von den Lichtquellen zu parallelen Lichtstrahlen vorgesehen.
Das durch die Linsen 306 und 307 hindurchtretende Licht fällt auf die Schlitzreihe 302 und den (die) Schlitz(e) S bzw. auf die Schlitzreihe 303.
Ein Bildsensor 308 empfängt das durch die Schlitzreihe 302 hindurchfallende Licht (Schlitzbild) und umfaßt z. B. eine Anordnung von 8 Photodioden 308&sub1;-308&sub8;. Photodioden G&sub1;, G&sub2; dienen zum Erfassen des durch die Schlitze S hindurchfallenden Lichts. Ein Bildsensor 309 empfängt das durch die Schlitzreihe 303 hindurchfallende Licht (Schlitzbild) und enthält z. B. eine Anordnung aus 8 Photodioden 309&sub1;-309&sub8;. Diese Photodioden sind gemäß Fig. 31 innerhalb eines Teilungsabstands P&min; der Schlitzscheibe angeordnet.
Eine Signalverarbeitungsschaltung 310 berechnet eine Relativstellung der Rotor- und Statorzähne des Motors in Abhängigkeit von den Detektions- oder Meßsignalen der Photodioden 308&sub1;-308&sub8; und 309&sub1;-309&sub8;.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel dieser Regler- oder Regeleinheit ist in Fig. 38 dargestellt.
Gemäß Fig. 32 sind Schalter SW&sub1;-SW&sub8; zum aufeinanderfolgenden und in einem vorbestimmten Zeittakt stattfindenden Ausziehen von Signalen von den Photodioden 308&sub1;-308&sub8; und 309&sub1;-309&sub8; vorgesehen.
Operationsverstärker 311, 312 verstärken die über die Schalter SW&sub1;-SW&sub8; aufgeprägten Signale. Die Ausgangssignale der Operationsverstärker 311, 312 weisen jeweils eine stufenförmige Wellenform auf, deren Höhe der Zahl der Photodioden entspricht, die Licht abgegriffen haben.
Fig. 33 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines bei einem solchen System verwendeten Rotationsdetektorteils, der einen Drehstellungsgeber (encoder) verwendet, der mit zwei in verschiedenen Ebenen angeordneten, sinuswellenförmigen (sine waveform) lichtdurchlässigen Lagendetektor-Schlitzreihen versehen ist. Die eine Schlitzreihe 331 befindet sich im Bereich des Außenumfangs und enthält m&sub1; Schlitze, während die andere Schlitzreihe 332 einwärts davon angeordnet ist und m&sub2; Schlitze aufweist.
Bei diesem Drehstellungsgeber ist die Differenz zwischen den Schlitzen der inneren Reihe und den Schlitzen der äußeren Reihe entsprechend der Zahl der Rotorzähne des Motors 1 eingestellt.
Schieberegister SR&sub1; und SR&sub2; dienen zum Ausziehen (oder Abnehmen) von Ausgangssignalen der Photodioden 308&sub1;-308&sub8; und 309&sub1;-309&sub8; mit einem vorbestimmten Zeittakt durch aufeinanderfolgende Betätigung der Schalter SW&sub1;-SW&sub8;. Mit 430 ist eine auch in Fig. 2 gezeigte optische Funktionsdrehmelder-IC- oder -Steck-Karte bezeichnet, welche Tiefpaßfilter 431, 432 zum Ausziehen einer niederfrequenten Komponente aus den Ausgangssignalen der Operationsverstärker 311, 312 und Komparatoren 433, 434zum Formen der Ausgangssignale von den Tiefpaßfiltern 431, 432 enthält.
Mit 404 ist ein auch in Fig. 2 gezeigter Zählerkreis bezeichnet, der Periodenzähler 444 und 445 zum Zählen einer Periode von Ausgangswellenformen der Komparatoren 433, 434 und einen Phasendifferenzzähler 443 zum Zählen der Phasendifferenz der Ausgangswellenformen der Komparatoren 433 und 434 enthält.
Im folgenden ist die Arbeitsweise dieser Schaltung beschrieben.
Eine Abtastfrequenz der Schalter SW&sub1;-SW&sub8; ist auf 8 f _s gesetzt (mit f _s = Frequenz der Ausgangswellenformen oder -signals der Tiefpaßfilter 431, 432).
Das durch die äußere Schlitzreihe 331 hindurchfallende Licht wird vom Photodiodenarray 308, das durch die innere Schlitzreihe 332 hindurchfallende Licht vom Photodiodenarray 309 abgegriffen. Aus den Abtastdetektions- oder -abgreifsignalen dieser Photodiodenarrays bei der Frequenz 8 f _s ergeben sich die durch die Tiefpaßfilter 431, 432 hindurchgelaufenen Signale f&sub1; (t), f&sub2; (t) wie folgt:
f&sub1; (t) = A&sub1; sin (ω t + M&sub1; R) (12)
f&sub2; (t) = A&sub2; sin (ω t + M&sub2; R) (13)
Darin bedeuten: A&sub1;, A&sub2; = Konstanten; R = Drehwinkel der Codescheibe; ω = 2τ f _s.
Eine Phasendifferenz Φ zwischen den beiden Signalen entspricht:
Φ = (M&sub1; - M&sub2;) R (14)
Im folgenden ist eine Beziehung zwischen der Phasendifferenz Φ und dem Drehwinkel R der Codescheibe erläutert.
Im folgenden sei beispielhaft der Fall angenommen, daß die Zahl M&sub1; der äußeren Schlitze 8 und die Zahl M&sub2; der inneren Schlitze 6 betragen. In diesem Fall ist die Zahl M der Zähne des Motors aufgrund von 8 - 6 auf (die Zahl) 2 gesetzt.
Die Beziehung zwischen den Meßsignalen der Photodiodenarrays 308 und 309 und dem Drehwinkel des Motors entspricht der Darstellung von Fig. 34(a) und (b). Wie dargestellt, vergrößert sich eine Vergrößerung (elektrischer Winkel) dieser Meßsignale zu Φ&sub1;, Φ&sub2;, . . . proportional zum tatsächlichen oder Ist-Drehwinkel Φ (mechanischer Winkel) der Codescheibe 301. Die Verschiebung beider Signale bei einer Drehung der Codescheibe über Φ ergibt sich nach Gleichung (14) wie folgt:
Φ = (8 - 6) Φ
Wenn sich andererseits die Codescheibe 301 über einen mechanischen Winkel R dreht, dreht sich auch der Rotor des Motors über einen mechanischen Winkel R. Da die Zahl der Motor-Zähne 2 beträgt, verschieben sich dabei die Zähne von Rotor und Stator des Motors um einen elektrischen Winkel von 2R. Dies bedeutet, daß die vom Phasendifferenzzähler 443 erfaßte Phasendifferenz Φ mit der tatsächlichen (very) Verschiebung nach elektrischem Winkel der Zähne von Rotor und Stator koinzidiert. Die Phasenverschiebung der Zähne von Rotor und Stator wird mithin unmittelbar detektiert bzw. erfaßt, und der Motor wird entsprechend einer Kommutierungsregelung unterworfen.
Bei diesem Funktionsdrehmelder weist die (jede) Schlitzreihe eine Sinuswellenform auf, so daß auch das auf das Photodiodenarray auftreffende Licht sinus(wellen)förmig geformt ist. Da die Photodiode ein analoges Meßsignal erzeugt, das sich entsprechend einer Lichtauftrefffläche kontinuierlich ändert, ändert sich ein Meßsignal des Funktionsdrehmelders stufenweise nahezu als Sinuswelle mit einer Dominant- oder Hauptwelle längs des Arrays der Photodioden 308&sub1;-308&sub8; (vgl. Fig. 35). Ein Meßsignal des Verschiebungs- oder Versatzwandlers stellt somit ein Signal hoher Genauigkeit und ohne Harmonische dar.
Bei Verwendung eines solchen Funktionsdrehmelders für die Motordrehzahlregelung kann der Motor einwandfrei (smoothly) in Drehung versetzt werden.
Es kann selektiv ein magnetischer oder ein optischer Funktionsdrehmelder an die Motortreiber- oder -regelanordnung angeschlossen werden.

3. Sensor-Schnittstellenteil

Obgleich die Beschreibung des Sensors anhand der Fig. 29 und 33 auch eine Beschreibung des Sensor- Schnittstellenteils enthält, soll letzterer zusätzlich anhand von Fig. 2 erläutert werden.
Im Sensor-Schnittstellenteil 401 nach Fig. 2 nimmt die magnetische Funktionsdrehmelder-ID-Karte 402 ein Detektions- oder Meßsignal des phasenmodulierten magnetischen Funktionsdrehmelders und ein Bezugssignal ohne Phasenmodulation als (Signale) SIG&sub0; bzw. SIG&sub1; ab.
Die optische Funktionsdrehmelder-ID-Karte 403 nimmt Licht-Meßsignale von den der äußeren und der inneren Schlitzreihe der Codescheibe gegenüberstehenden Photodiodenarrays als (Signale) SIG&sub0; bzw. SIG&sub1; ab.
Im Zählerkreis 404 zählt der Phasendifferenzzähler 443 eine Phasendifferenz zwischen SIG&sub0; und SIG&sub1;. Die Periodenzähler 444 und 445 zählen Perioden von SIG&sub0; und SIG&sub1;.
Ein vom Taktgenerator 441 erzeugter Takt dient als im Frequenzteiler 442 geteiltes Erregungssignal des magnetischen Funktionsdrehmelders für die Wicklungen und als Bezugssignal.
Eine Phasenverschiebung der Zähne von Rotor und Stator des Motors wird durch (on) Zählen durch den Phasendifferenzzähler 443 erfaßt, und die Kommutationsregelung erfolgt entsprechend der so erfaßten Phasenverschiebung. Durch (from) Integrieren der Phasenverschiebung wird dann eine Drehstellung des Motors berechnet, und der Motor wird bezüglich seiner Drehstellung entsprechend (an)gesteuert. Weiterhin wird eine Motordrehzahl anhand der Frequenz eines Meßsignals vom phasenmodulierten Sensor erfaßt bzw. gemessen, und die Motordrehzahl wird entsprechend geregelt.
Wie beschrieben, werden Signale für Positions-, Drehzahl- und Kommutationsregelung im Sensor-Schnittstellenteil gleichzeitig erfaßt oder abgenommen (detected). Weiterhin können für diese drei Regelungen benutzte Signale für bzw. von (for) zwei Sensorarten, wie magnetischer und optischer Funktionsdrehmelder, erfaßt werden.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der magnetischen Funktionsdrehmelder- ID-Karte oder -Steckkarte 402 ist in Fig. 36 dargestellt. Diese ID-Karte (ID card) weist ein Substrat auf. Anschlüsse 422 und 423 dienen zum Verbinden der ID-Karte mit dem Zählerkreis 404 bzw. dem magnetischen Funktionsdrehmelder.
Eine Erregungssignal-Erzeugungsschaltung 424 dient zum Teilen eines vom Taktgenerator 441 gelieferten Takts bzw. Taktsignals zum Formen desselben zu einem Sinus(wellen)signal über ein Bandpaßfilter und Liefern eines aus (on) dem Sinussignal erzeugten Erregungssignals zum magnetischen Funktionsdrehmelder über den Anschluß 423. Das Erregungssignal wird auch als Bezugssignal SIG&sub1; dem Zählerkreis 404 zugespeist. Zum Bestimmen einer Amplitude des Erregungssignals wird eine Bezugsspannung V _ref benutzt.
Eine Kommutationswinkel-Einstellschaltung 425 umfaßt einen Tauchschalter (dip switch) und einen Puffer und arbeitet zur Lieferung von Daten eines Kommutationswinkels, durch den Tauchschalter vorgegeben, zum Zählerkreis 404. Ein Schnittstellenkreis in dieser Einstellschaltung wird auf ein Chip-Wählsignal CS hin gewählt.
Eine Signaldetektorschaltung 426 dient zum Formen eines über den Anschluß 423 gelieferten Meßsignals des magnetischen Funktionsdrehmelders zu einem Sinus(wellen)signal und zu dessen Lieferung zum Zählerkreis 404 als Meßsignal SIG&sub0;.
Fig. 37 zeigt ein Ausführungsbeispiel der ebenfalls ein Substrat aufweisenden optischen Funktionsdrehmelder-ID-Karte 403, wobei der Anschluß 423 mit dem optischen Funktionsdrehmelder verbunden ist. Ein Takttreiber (clock driver) 435 wird durch einen vom Zählerkreis 404 gelieferten Takt CLK zur Erzeugung eines Takts oder Taktsignals angesteuert. Das erzeugte Taktsignal wird zum optischen Funktionsdrehmelder geliefert, und ein Meßsignal von jeder Photodiode der Photodiodenarrays wird mit dem Zeittakt des Taktsignals abgetastet.
Eine Signalverarbeitungsschaltung 436 dient zum Formen von Meßsignalen von den den äußeren und inneren Schlitzreihen gegenüberstehenden Photodioden zu Sinussignalen SIG&sub0; und SIG&sub1; und zum Übertragen derselben zum Zählerkreis 404.
Von den über den Anschluß 422 gelieferten Signalen entsprechend die folgenden Signale unabhängig von der magnetischen oder der optischen Funktionsdrehmelder-ID-Karte einer elektrischen Spezifikation:

1. Takt(signal) CLK

Wird benutzt zum Erzeugen von Erregungssignalen in der magnetischen Funktionsdrehmelder-ID-Karte und für ein Abtastsignal der Photodiode in der optischen Funktionsdrehmelder-ID-Karte.

2. Signale SIG&sub0; und SIG&sub1;

Dies sind Sinus(wellen)signale; ein Drehwinkel des Motors wird anhand ihrer Phasendifferenz ermittelt (obtained).

3. Daten von Kommutationswinkel und Chip-Wählsignal CS

Der Kommuitationswinkel-Einstellschaltung 4, die bei magnetischer und optischer Funktionsdrehmelder-ID-Karte gleichen Aufbau aufweist, eingegeben und von ihr ausgegeben.
Stromversorgung und Masseanschluß können für beide ID-Karten oder Steckkarten gemeinsam benutzt werden.
Andererseits sind von den jeweiligen ID-Karten unabhängig benutzte Signale die folgenden:

1. Bezugsspannung V _ref

Benutzt zur Bestimmung der Amplitude von Erregungssignalen des magnetischen Funktionsdrehmelder

2. Rücksetzsignal RST

Benutzt für Initialisierung einer Abtastung (scan) der Photodiodenausgangssignale des optischen Funktionsdrehmelders

Wie erwähnt, kann der Anschluß (oder Steckverbinder) 422 bei Verwendung eines solchen mit etwa 30 Stiften für magnetische und optische Funktionsdrehmelder-ID-Karte gemeinsam benutzt werden. Der an den Anschluß 422 angeschlossene Zählerkreis 404 kann somit auch (für beide Karten) gemeinsam benutzt werden.
Wenn sich der Kommutationswinkel bei einem Winkel des Motors ändert, kann er ohne Auswechseln einer Platine (board) des Zählerkreises 404 durch Ersetzen mit der ID-Karte, die auf den geänderten Kommutationswinkel eingestellt ist, eingestellt werden.
Aufgrund dieser Ausgestaltung der ID-Karte oder Steckkarte ist eine Einstellfunktion für (of) Kommutationswinkeldaten auf der ID-Karte vorgesehen, so daß bei einem Auswechseln (des Motors) gegen einen Motor eines anderen Kommutationswinkels nur die ID-Karte, nicht aber die gesamte Anordnung ausgewechselt zu werden braucht.
Die optischen und magnetischen Funktionsdrehmelder-ID-Karten verwenden dabei spezifizierte Zählerkreis-Anschlüsse. Bei einem Wechsel des betreffenden Sensors wird daher nur die (jeweilige) ID-Karte ausgewechselt, während die anderen Abschnitte der Motortreiberanordnung weiterbenutzt werden können.

4. Externer Schnittstellenteil

Im externen Schnittstellenteil gemäß Fig. 2 sind drei Arten von Schnittstellen vorgesehen.
Ein Hilfsregler zur Lieferung eines analogen Drehzahlführungssignals und eines analogen Drehmomentführungssignals ist an die Drehzahl-/Drehmoment-Schnittstelle 42 angeschlossen.
Ein Hilfsregler zur Lieferung eines Stellungsführungssignals als Impulsreihe (in serial pulse) ist mit der Reihenimpuls-Schnittstelle 43 verbunden, welche ein Meßsignal des Sensors 3 zum Hilfsregler als Rückkopplungsimpuls liefert, der wiederum die Form eines Aufwärtsimpulses und eines Abwärtsimpulses bzw. Phase-A-Impulses und Phase-B-Impulses besitzt. Der Hilfsregler unterwirft den Motor einer Rückkopplungs-Regelung entsprechend der zu sendenden Stellungsführungsgröße (command) und dem zu empfangenden Rückkopplungsbefehl.
Ein Hilfsregler (host controller) zur Lieferung einer Stellungsführungsgröße über einen 8-Bit-Mikrorechnerbus ist mit der 8-Bit-Bus-Schnittstelle 44 verbunden, die einen Impulsgenerator 44&sub1; zum Erzeugen vom Impulsen in einer Zahl entsprechend den gelieferten (provided) 8-Bit-Daten aufweist. Ein Rückkopplungsimpulszähler 44&sub2; dient zum Zählen der (Zahl der) Rückkopplungsimpulse vom Sensor 2 und zum Liefern von Daten entsprechend dem Zählstand zum Hilfsregler über den 8-Bit-Mikrorechnerbus.
Der Hilfsregler vermag auch den Motor über die genannten Schnittstellen 43 und 44 zu regeln oder anzusteuern.

5. Stellungsregelteil

Der Stellungsregelteil 470 gemäß Fig. 2 enthält eine Stellungsrecheneinheit 471 zum Ermitteln (obtaining) einer Phasenverschiebung der Zähne von Motor-Rotor und -Stator aus einem Zählstand des Phasendifferenzzählers 443 zum Integrieren der Phasenverschiebung zum Berechnen einer Drehstellung des Motors. Ein Ergebnis dieser Operation dient als Stellungsrückkopplungssignal.
Eine Kommutationsrecheneinheit 472 berechnet eine Phasenverschiebung der Zähne von Rotor und Stator anhand eines Zählstands des Phasendifferenzzählers 443 zum Erzeugen eines Signals für Kommutationsregelung.
In einer Sinustabelle (sin tabelle) 473 sind eine Phasenverschiebungs- oder -versatzgröße und ein Sinuswert koordiniert gespeichert, um ein Signal des Sinuswerts entsprechend einem Rechenergebnis der Kommutationsrecheneinheit 472 zu erzeugen.
Eine Null- oder Ausgangspunktverarbeitungseinheit 474 verarbeitet ein Ausgangspunktmeßsignal der Drehstellung. Dieser Einheit werden ein von einem Ausgangspunktdetektorschlitz des optischen Funktionsdrehmelders erfaßtes Signal und dgl. zugeliefert.
Ein Stellungs-Zähler 475 dient zum Zählen der Zahl der Stellungsführungsimpulse, die von der Reihenimpuls-Schnittstelle 43 oder der 8-Bit-Bus-Schnittstelle 44 geliefert werden.
Eine Impulserzeugerschaltung 476 besitzt eine Glättungsfunktion zum Glätten des vom Sensor 2 kommenden Rückkopplungssignals zu einem Signal mit in vergleichmäßigten Abständen angeordneten Impulsen und zur Lieferung dieses Signals zu den Schnittstellen 43 und 44.
Ein Schalter 477 dient zum Wählen der durch einen Zählstand des Stellungszählers 475 gelieferten (provided) Stellungsführungsgröße oder der durch ein Ausgangssignal von einer Testsignal-Erzeugereinheit 478 gelieferten Stellungsführungsgröße. Das Testsignal ist ein Impulssignal einer vorbestimmten Frequenz zur Lieferung der Stellungsführungsgröße, und es wird gewählt, wenn ein Servosystem des Stellungsregelteils in einen Testmodus eingestellt ist.
Eine Subtrahierstufe 479 dient zum Ableiten einer Abweichung zwischen der dem Schalter 478 gewählten Stellungsführungsgröße und der durch die Stellungsrecheneinheit 471 berechneten Meßstellung.
Eine Stellungsregeleinheit 480 arbeitet zur Rückkopplungs-Regelung einer Drehstellung des Motors 1 abhängig von der durch die Subtrahierstufe 479 ermittelten Abweichung. Die Einheit 480 bildet ein tertiäres Servosystem, das für I-PD (Integral, Proportion(al), Differential) mit Software arbeitet.
Ein D/A-Wandler 481 wandelt ein von der Stellungsregeleinheit 480 ausgegebenes Regelsignal von einem digitalen in ein analoges Signal um.
Die Ziffer 482 bezeichnet eine Verstärkungstabelle (gain table) zum koordinierten Speichern einer Eigenfrequenz fn der Motorregelanordnung, einer Gleichspannungsverstärkung G _DC, einer integralen Begrenzergröße ILIM und optimaler Regelparameter x&sub1;&sub1;, x&sub1;&sub2;, x&sub1;&sub3; usw., welche diesen Größen oder Werten entsprechen (vgl. z. B. Fig. 38). Die Stellungsregeleinheit 480 arbeitet anhand der aus dieser Tabelle 482 ausgelesenen Regelparameter. Die Gleichspannungsverstärkung G _DC und die integrale Begrenzergröße ILIM werden zusammen mit dem Aufbau des noch zu beschreibenden Einstellteils 7 erläutert werden.
Die Tabelle 482 enthält die Größen für Integral-, Proportional- und Differenztialoperation, die zweckmäßig entsprechend der Art der Regeloperationen benutzt werden.

6. Drehzahlregelteil

Der Drehzahlregelteil 490 gemäß Fig. 9 enthält einen Frequenz/Spannung- bzw. F/V-Wandler 491 zum Erzeugen eines analogen Spannungssignals entsprechend einer Frequenz des Rotationsmeßsignals SIG&sub0; vom Sensor. Das Ausgangssignal dient als Drehzahlrückkopplungssignal.
Ein Schalter 492 ist mit einer Ausgangsseite eines D/A-Wandlers 488 für Stellungsregelung und mit einer Seite der Drehzahl/Drehmoment-Schnittstelle 42 für Drehzahlregelung verbunden bzw. verbindbar.
Eine Subtrahierstufe 493 dient zum Bilden (taking) einer Abweichung (Differenz) zwischen dem mittels des Schalters 492 gewählten Führungssignal und dem über den F/V-Wandler 491 gelieferten Drehzahlrückkopplungssignal.
In einem im folgenden als MDA-Einheit bezeichneten Multiplizier- Digital/Analogwandler 494 wird eine Verstärkung am (on) Digitalsignal eingestellt und ein analoges Eingangssignal verstärkt. Das analoge Eingangssignal der MDA-Einheit 494 ist ein von der Subtrahierstufe 493 geliefertes Abweichungssignal; ein digitales Verstärkungseinstellsignal wird durch die Stellungsregeleinheit 480 oder den Einstellteil 7 geliefert (provided). Wenn z. B. das Verstärkungseinstellsignal ein 8-Bit-Signal ist, wird die Verstärkung (gain) der MDA-Einheit auf bzw. in 256 Stufen eingestellt.
Ein Begrenzer 485 begrenzt eine zum Leistungsregelteil 48 gelieferte Stromführungsgröße durch Regelung einer Ausgangsspannung der MDA-Einheit 494 innerhalb eines vorbestimmten oberen oder unteren Grenzwerts.
MDA-Einheiten 496, 497 dienen zum Ausgeben von Stromführungsgrößen I sin R e und I sin (R e + 120°) mit einer durch den Begrenzer 495 begrenzten Stromamplitude I als analoges Eingangssignal und aus der Signaltabelle 473 ausgelesenen Werten oder Größen sin R e und sin (R e + 120°) als Verstärkungseinstellsignal. Da es sich beim Motor um einen Dreiphasenmotor handelt, sind hierbei die Phasen der beiden Führungsgrößen (command values) um 120° verschoben bzw. versetzt; im Fall einer anderen Phasenzahl ergibt sich ein anderer Wert der Phasenverschiebung.

7. Stromregelteil

Der Stromregelteil 48 gemäß Fig. 2 enthält Stromdetektorkreise 501, 502 zum Detektieren oder Messen der jeweils zu Wicklungen von zwei Phasen des Motors 1 fließenden Ströme sowie Subtrahierstufen 503, 504 zur Bildung von Abweichungen (Differenzen) zwischen den Stromführungssignalen von den MDA-Signalen 496, 497 und Meßstromsignalen der Stromdetektorkreise 501, 502.
Ein Pulsbreitenmodulations- bzw. PBM-Kreis 505 dient zum Erzeugen und Ausgeben eines Pulsbreitenmodulations- bzw. PBM-Signals, das zur Rückkopplungsregelung der Erregungsströme der (für die) Motorwicklungen dient, entsprechend der genannten Abweichungen.
Ein(e) Treiberschaltung oder -kreis 506 besteht aus Transistoren, die durch ein PBM-Signal vom PBM-Kreis 505 angesteuert werden, um einen Erregungsstrom zu den Wicklungen des Motors 1 zu führen.
Fig. 39 zeigt den Aufbau des Treiberkreises 506. Dabei handelt es sich um einen Brückenwechselrichter (ridge type inverter circuit), von dem in Fig. 39 nur eine Hälfte dargestellt und der durch Schaltelemente Q&sub1;, Q&sub2; gebildet ist und eine Motorspule oder Wicklung L und Stromquellen E&sub1;, E&sub2; zur Lieferung einer Spannung für die Zuführung eines Stroms zur Wicklung umfaßt.
Gatetreiberkreise G&sub1; und G&sub2; dienen zum Ansteuern (driving) der Schaltelemente Q&sub1;, Q&sub2; mittels des PBM-Signals, und eine Stromquelle DD&sub1; liefert eine Spannung zum Ansteuern der Schaltelemente Q&sub1;, Q&sub2;. In der Stromflußstrecke von der Stromquelle DD&sub1; ist eine Diode D vorgesehen. Ein Widerstand R ist mit der Diode D in Reihe geschaltet, und mit C ist ein Kondensator bezeichnet. Durch den Widerstand R, die Diode D und den Kondensator C wird eine Bootstrapschaltung gebildet. Konstantspannungskreise A&sub1;, A&sub2; dienen zur Lieferung einer konstanten Spannung zu den Gatetreiberkreisen G&sub1;, G&sub2;.
Bei dieser Anordnung wird der Kondensator C zur Erzeugung einer Spannung V _{BS 1} von der Stromquelle DD&sub1; her aufgeladen. Diese Spannung wird durch den Konstantspannungskreis A&sub1; stabilisiert, um eine Treiberspannung V _{BS 2} für den Gatetreiberkreis G&sub1; zu liefern. Die Spannung V _{BS 2} bestimmt sich zu:
V _{BS 1} = V _{DD 1} - V _F - V _DSON (15)
Darin bedeuten: V _{DD 1} = von der Stromquelle DD&sub1; erzeugte Spannung; V _F = Durchlaßspannungsabfall der Diode D; V _DSON = Spannungsabfall beim Durchschalten des Schaltelements Q&sub2;.
Ein Zeitsteuerdiagramm für jedes Signal bei der Anordnung nach Fig. 39 ist in Fig. 40 dargestellt. Gemäß Fig. 40 werden die Schaltelemente Q&sub1; und Q&sub2; abwechselnd durchgeschaltet, so daß sich der zur Motorwicklung L fließende Strom I _OUT auf die in Fig. 40(a) gezeigte Weise ändert. Die Spannung V _DSON über das Schaltelement Q&sub2; ändert sich daher gemäß Fig. 40(b). Wenn nämlich das Schaltelement Q&sub2; durchgeschaltet (EIN) ist, ändert sich V _DSON entsprechend I _OUT · R _ON (mit R _ON = Widerstand, wenn das Schaltelement Q&sub2; durchgeschaltet ist), doch bleibt V _DSON auf -V _F, wenn das Schaltelement Q&sub1; durchgeschaltet ist. Die von dieser Anordnung von V _DSON herrührende Spannung V _{BS 1} am Kondensator C ist in Fig. 40(c) dargestellt.
Wenn hierbei ein Mindestwert der Spannung V _{BS 1} größer als die Summe aus einer Konstantspannungsgröße V&sub1; des Konstantspannungskreises A&sub1; und einem Spannungsabfall V _DF eingestellt ist oder wenn
V _{BS 1} > V&sub1; + V _DF (16)
gilt, bleibt ein Ausgangssignal des Konstantspannungskreises A&sub1; konstant, und V _{BS 1} bleibt auf einer konstanten Größe (vgl. Fig. 40(d)).
Durch Substitution von Gleichung (15) für Gleichung (16), um eine Welligkeit aufgrund der Bootstrapoperation zu berücksichtigen, bestimmt sich V _{DD 1}, welche der obigen Bedingungen genügt, wie folgt:
V _{DD 1} > V&sub1; + V _DF + V _F + V _DSON + V _RP (17)
Darin bedeutet: V _RP = eine Welligkeitsspannung. Letztere ist einer Kapazität des Kondensators C umgekehrt proportional.
Eine von der Stromquelle DD&sub1; erzeugte Spannung wird so eingestellt, daß sie Gleichung (17) erfüllt.
Ein Fall, in welchem die Anordnung gemäß der Erfindung auf einen Dreiphasenmotor angewandt ist, ist in Fig. 41 dargestellt, die eine Dreiphasen-Halbbrückenschaltung zeigt. Dabei stehen VD&sub1; für eine Antriebs- oder Ansteuerenergie für das Schaltelement, VD&sub2; für eine Energie (power) für die Bootstrapschaltung und VD&sub3; für eine Energie zum Führen eines Stroms zu den Motorwicklungen.
Bei der Treiberschaltung mit dem beschriebenen Aufbau wird oder ist die von der Stromquelle DD&sub1; gelieferte Spannung so eingestellt, daß eine konstante Spannungsgröße des Konstantspannungskreises auch dann erhalten bleibt, wenn das Schaltelement Q&sub2; durchgeschaltet und eine auf die Bootstrapschaltung einwirkende Spannung minimiert ist. Q&sub2; kann somit ein Schaltelement mit einem großen Wert von V _DSON sein, wodurch der Freiheitsgrad für das Schaltelement entsprechend erweitert ist.
Da die Sperrung der Stromquelle DD&sub1; ausreichend groß eingestellt ist, wird die Entladungszeit des Kondensators C lang, und die Zeit für das Sperren des Schaltelements Q&sub2; kann verlängert sein. Hierdurch ist der Freiheitsgrad für die Betriebsbedingungen erweitert.

8. Einstellteil

Der Einstellteil 7 gemäß Fig. 2 enthält Servoabstimm- oder -einstellschalter 71-73. Der Schalter 71 ist ein Eigenfrequenzeinstellschalter zum Einstellen einer Eigenfrequenz (natural frequency) f _n des Stellungsregelsystems in mehreren Stufen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs. Der Schalter 72 ist ein Gleichspannung- Verstärkungseinstellschalter zum Einstellen einer Gleichspannungsverstärkung (DC gain) G _DC der MDA-Einheit 94 in mehreren Stufen. Durch Einstellung der Gleichspannungsverstärkung auf eine optimale Größe kann eine Einstellzeit dann, wenn sich die Drehzahl des Motors nach dem Anfahren vergleichmäßigt (unified) hat, minimiert werden. Der Schalter 73 ist ein Integralbegrenzereinstellschalter zum Einstellen einer Begrenzergröße ILIM eines Ausgangssignals eines digitalen Integrators in einer Software-Servoeinheit der Stellungsregeleinheit 480 in mehreren Stufen. Durch Optimierung der Begrenzergröße (limiter value) kann eine Einstellzeit dann, wenn der Motor eine Zielstellung erreicht, minimiert werden.
Wenn der Größen der Werte von f _n, G _DC und ILIM durch die Schalter 71-73 eingestellt werden, wird eine dem Sollwert entsprechende optimale Regelparametergröße aus der Verstärkungstabelle 482 ausgelesen. Die Stellungsregeleinheit 480 setzt eine Verstärkung der MDA-Einheit 494 entsprechend der ausgelesenen Regelparametergröße.
Die Größen oder Werte f _n, G _DC und ILIM können auch mittels einer externen Regeleinheit anstelle der Schalter eingestellt werden.
Außerdem können die Regelparameter beim Einstellen von f _n, G _DC und ILIM nicht sämtlich ausgelesen werden, vielmehr kann mindestens ein Parameter ausgelesen werden.
Mit 74, 75 sind an den Hilfsregler 3 angeschlossene Ein/Ausgangsstellen (ports) bezeichnet. An der Ein/Ausgangsstelle 74 wird ein Integral/Proportion(al)-Schaltsignal zum Umschalten einer Regelung der Stellungsregeleinheit 480 auf eine Integral- oder Proportion(al)regelung übertragen. Ein Verstärkungseinstellsignal zum Einstellen der Verstärkung der MDA-Einheit wird unmittelbar an der Ein/Ausgangsstelle 75 übertragen.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel dieses Abschnitts, der eine Anzahl der in den obigen Abschnitten 1. bis 8. getrennt beschriebene Bauelemente enthält, ist nachstehend erläutert.

9. Null- oder Ausgangspunktdetektoreinheit

Fig. 42 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Einheit zum Detektieren von Null- oder Ausgangspunkten (origins) der Motor-Drehstellung. Dabei erzeugt der magnetische Funktionsdrehmelder 2 ein Signal R&sub0;, dessen Phase durch die Drehungen des Motors moduliert ist, und ein Bezugssignal R&sub1;, dessen Phase nicht moduliert ist. Diese Signale bestimmen sich nach folgenden Gleichungen:
R&sub0; = K sin (ω t + n&sub1;R)
R&sub1; = E sin ω t
Darin bedeuten: E = Amplitude der Spannung; K = Konstante; n&sub1; = Zähnezahl des Rotors für den magnetischen Funktionsdrehmelder.
Nach dem Durchgang durch Tiefpaßfilter 419, 422 und Komparatoren 421, 420 für (Wellen-)Formung werden R&sub0;, R&sub1; zum Phasendifferenzzähler 443 geliefert. Dieser mißt eine Phasendifferenz zwischen den beiden so gelieferten Signalen auf einem vom Taktgenerator 441 erzeugten Takt. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Phasendifferenzzähler 443 einen Übertrag (carry) liefert, wenn die Phasendifferenz entsprechend einem Drehwinkel von n Teilungsabständen (mit n = eine ganze Zahl) der Rotorzähne des Motors 1 gezählt ist. Am oder im Phasendifferenzzähler 443 ist ein Ausgangsregister 4431 vorgesehen, in welcher die Meßwerte geladen werden.
Ein Mikroprozessor 4741 liest eine Phasendifferenz aus dem Ausgangsregister 4431 aus und erfaßt einen Ausgangspunkt der Drehstellung des Motors 1 anhand eines Übertrags (carry) zum Zählen der Phasendifferenz. Hierbei bezieht sich die Ausgangsstellung auf eine Drehstellung, in welcher die Phasen der Zähne von Rotor und Stator des Motors 1 koinzidieren.
Ein(e) Ausgangssignalstelle oder -anschluß (port) 4742 dient zum Ausgeben eines EIN- oder AUS-Ausgangspunktsignals entsprechend der Ausgangspunkterfassung durch den Mikrorechner 4741. Letzterer und die Ausgangssignalstelle 4742 sind bei (on) der Ausgangspunktverarbeitungseinheit 474 nach Fig. 2 vorgesehen.
Die Arbeitsweise dieser Einheit ist im folgenden anhand des Zeitsteuerdiagramms von Fig. 43 beschrieben.
Der magnetische Funktionsdrehmelder 2 erzeugt Signale R&sub0; und R&sub1; (vgl. Fig. 43(a) und (b)). Der Phasendifferenzzähler 443 mißt eine Phasendifferenz (t&sub1;-t&sub0;) dieser Signale auf oder mit einem Takt des Taktgenerators 441 (Fig. 43(c)) und speichert einen Meßwert m im Ausgangsregister 4431 ab. In diesem Fall ändert sich ein Sollwert des Ausgangsregisters 4431 auf die in Fig. 43(d) gezeigte Weise.
Der Mikroprozessor 4741 liest den Sollwert des Ausgangsregisters 4431 mit einer konstanten Periode aus, verarbeitet ihn auf die in Fig. 44 gezeigten Weise und erfaßt oder bestimmt einen Null- oder Ausgangspunkt der Drehstellung des magnetischen Funktionsdrehmelders 2.
Im folgenden ist der Prozeß (die Verarbeitung) nach Fig. 44 beschrieben.
Die Anordnung ist so getroffen, daß der Phasendifferenzzähler 443 einen Übertrag (carry) zum höchstwertigen Bit (MSB) aufweist oder liefert, wenn die Phasendifferenz für einen Einzahn-Teilungsabstand des Rotors des magnetischen Funktionsdrehmelders 2 gezählt wird.
Anhand des so ausgelesenen Sollwerts vom Ausgangsregister 4431 schaltet der Mikroprozessor 4741 ein Ausgangspunktsignal auf EIN, wenn der Inhalt des höchstwertigen Bits oder MSB gleich 1 ist, und er schaltet das Ausgangspunktsignal auf AUS, wenn dieser Inhalt "0" ist. Dieses Ausgangspunktsignal wird von der Ausgangssignalstelle 4742 geliefert. Eine Verarbeitung(soperation) des Mikroprozessors und ein Zeit(steuer)diagramm des Ausgangspunktsignals sind in Fig. 43(e) und (f) dargestellt (mit: t _p = Verarbeitungszeit des Mikroprozessors; t _sp = Verarbeitungsperiode des Mikroprozessors).
Bei dieser Operation am Ausgangspunktsignal muß ein Algorithmus, d. h. eine Drehfrequenz N des Motors 1, der folgenden Gleichung genügen:
N < 1/2 n _p · t _sp
Darin bedeutet: n _p = Zähnezahl des Motor-Rotors.
Der Phasendifferenzzähler 443 kann dabei so ausgelegt sein, daß er einen Übertrag (carry) für das MSB aufweist, wenn er eine Phasendifferenz für eine willkürliche integrale (ganzzahlige) Zahl von Teilungsabständen zählt, die vom einen Teilungsabstand der Zähne des Motor-Rotors verschieden ist.
Weiterhin ist auch eine Konstruktion denkbar, bei welcher das Ausgangspunktsignal nicht nur entsprechend einem Übertrag zum MSB (höchstwertigen Bit), sondern auch entsprechend einem Übertrag zu anderen (Bits) verarbeitet (operated) wird.
Mit dieser Ausgangspunktdetektor- oder -meßeinheit werden die folgenden Wirkungen erzielt:

1) Wenn eine Zählung des Phasendifferenzzählers, bis ein Übertrag zum MSB gebracht ist, mit C&sub0; bezeichnet wird, kann der Ausgangspunkt mit einer Auflösung von 1/n _p · C&sub0; erfaßt werden; die erfaßte (detection) Auflösung kann durch Vergrößerung einer Frequenz des Takts zum Zählen der Phasendifferenz verbessert werden. Der Null- oder Ausgangspunkt (origin) kann somit mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.
2) Da die Verarbeitung durch den Mikroprozessor für den größten Teil gilt, kann ein Ausgangspunkt mit geringem Kostenaufwand erzeugt werden. Eine Anwendung auf einen Servotreiber o. dgl. mit eingebautem Mikroprozessor gewährleistet ein besonders günstiges Ergebnis.

10. Korrektorvorrichtung für Detektions- oder Meßsignal

Fig. 45 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Korrigieren einer erfaßten Drehstellung des Motors. Dabei bezeichnet 4711 eine einen Festwertspeicher oder ROM verwendende Korrekturtabelle, welche koordiniert vorbestimmte Winkel 0°-360° von R nach der Gleichung R = K sin (ω t + n R) und Augmenter für jeden Winkel speichert. Der Augmenter (oder Ergänzer) entspricht einem solchen eines elektrischen Winkels von 360°, nämlich einem Augmenter für einen Teilungsabstand der Rotorzähne.
Ein Mikroprozessor 4712 liest eine im Ausgangsregister 4431 gesetzte Phasendifferenz aus, und er liest entsprechend der Phasendifferenz einen Augmenter aus der Korrekturtabelle 4711 aus. Eine berechnete Darstellung wird durch den Augmenter entsprechend der so ausgelesenen Phasendifferenz korrigiert.
Ein Impulsgenerator 4713 empfängt ein Signal für die Stellung, die (das) durch den Mikroprozessor 4712 korrigiert ist, und wandelt es in ein Reihenimpulssignal für Ausgabe um. Das Ausgangssignal dient als Detektions- oder Meßsignal für die Drehstellung des Motors 1.
Die Korrekturtabelle 4711, der Mikroprozessor 4712 und der Impulsgenerator 4713 sind in oder an der Stellungsrecheneinheit 471 angeordnet.
Die Arbeitsweise der Anordnung mit dem beschriebenen Aufbau ist im folgenden anhand von Fig. 46 erläutert, die ein Zeit(steuer)diagramm für die einzelnen Signale darstellt.
Der magnetische Funktionsdrehmelder 2 erzeugt oder liefert Signale R&sub0; und R&sub1; nach Fig. 46(a) und (b). Der Phasendifferenzzähler 443 mißt eine Phasendifferenz dieser Signale (t&sub1;-t&sub0;) mit einem Takt f _c vom Taktgenerator 441 (Fig. 46(c)) und speichert einen Meßwert m im Ausgangsregister 4431 ab. Dabei ändert sich ein im Ausgangsregister 4431 gesetzter Wert auf die in Fig. 46(d) gezeigte Weise.
Der Mikroprozessor 4712 liest einen Sollwert des (aus dem) Ausgangsregister(s) 4431 mit einer konstanten Periode aus, arbeitet den Prozeß bzw. das Programm nach Fig. 47 ab und berechnet eine korrigierte Drehstellung des Motors.
Gemäß Fig. 47 wird - genauer gesagt - diskriminiert, ob eine Motor-Drehzahl V kleiner ist als V _L = (Nenndrehzahl) × 0,03; wenn diese Drehzahl V kleiner ist, werden ein Augmenter entsprechend dem Sollwert vom Ausgangsregister 4431 aus der Korrekturtabelle 4711 ausgelesen und eine anhand des (from the) Sollwerts vom Ausgangsregister 4431 berechnete Drehstellung mittels des (by) Augmenters korrigiert.
Falls V größer ist als V _L, ändert sich eine Drehstellung des Motors bei der Berechnung einer korrigierten Größe stark, weil der Motor mit hoher Drehzahl läuft, und die korrigierte Größe ist damit nicht verfügbar, weshalb keine Korrektur vorgenommen wird.
Eine Änderung der Motor-Drehstellung für eine Periode wird anschließend im Impulsgenerator 4713 gesetzt bzw. diesem eingegeben. Der Impulsgenerator 4713 wandelt die Änderung in einen Reihenimpuls für Ausgabe um. Auf diese Weise wird die Motor-Drehstellung gemessen (detected).
Mit dieser Konstruktion kann eine Drehstellung mit großer Genauigkeit erfaßt oder gemessen werden.

11. Begrenzer für Motortreiberstrom

Fig. 48 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung oder Anordnung zum Begrenzen eines der Motor-Wicklung zugespeisten Stroms. Dabei dient ein Begrenzer 495 zum Begrenzen einer Strom-Führungsgröße U _in durch Begrenzen der Spannung eines Strom-Führungsgrößensignals auf einen von einem Grenzwertberechnungs- oder -rechenteil 498 gelieferten Grenzwert.
Ein Stromregelteil 48 dient zum Zuspeisen eines Antriebs- oder Treiberstroms (driving current) zum Motor 1 nach Maßgabe eines Ausgangssignals vom Begrenzer 495.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist der Grenzwertrechenteil 498 zwischen dem Sensor 2 und dem Begrenzer 495 angeordnet.
Der Grenzwertrechenteil 498 enthält einen nichtflüchtigen Speicher (ROM) 4981, in welchem Parameter einer Spannungsregelkurve abgespeichert sind. Ein flüchtiger Speicher (RAM) 4982 speichert eine im folgenden als I-N-Kurve bezeichnete Spannungsgrenz- oder -begrenzungskurve in Form einer Tabelle, die eine Höchststromgröße mit einer Motor-Drehfrequenz koordiniert. Die I-N-Kurve gibt eine Beziehung zwischen der Drehfrequenz und dem Grenzwert oder dem Höchststromwert an.
Ein Mikroprozessor 4983 dient zum Ableiten oder Bestimmen (obtaining) eines Grenzwerts. Der Mikroprozessor 4983 enthält eine Rechenoperationseinheit 4984 zum Wählen der I-I-Kurve anhand eines aus dem ROM 4981 ausgelesenen Parameters P, zum Ermitteln oder Bestimmen eines Höchststromwerts L _im (N) auf der gewählten I-N-Kurve und einer Motor-Drehfrequenz N und zum koordinierten (in coordination) Abspeichern dieser Werte oder Größen im RAM 4982.
Ein Drehzahldetektor 4985 mißt die Drehfrequenz N des Motors auf ein Ausgangssignal vom Sensor 2 hin. Der Stromgrenzwert L _im (N) wird aus dem RAM 4982 oder bei der gemessenen Drehfrequenz N ausgelesen und zum Begrenzer 495 geliefert.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Beim Schließen eines Netzschalters wird der Parameter P der I-N-Kurve aus dem ROM 4981 ausgelesen, und es wird eine Begrenzungs- oder Grenzfunktion f (P, N) nach dem Parameter gewählt. Sodann werden der Höchstwertstromwert L _im (N) bei einer oder für eine Größe jeder Drehfrequenz N anhand von L _im (N) = f (P, N) berechnet und die berechnete Größe koordiniert bzw. planmäßig im RAM 4982 abgespeichert. Für diese Operation werden oder sind die Funktion f (P, N) und ein Bereich der Drehfrequenz -n _max bis +N _max vorgegeben. Ein Beispiel für die I-N-Kurve ist in Fig. 50 dargestellt.
Im Normalbetrieb mißt zunächst der Drehzahldetektor 4985 die Motor-Drehfrequenz N auf ein Ausgangssignal vom Sensor 2 hin. Sodann wird der Höchststromwert L _im (N) für die gemessene Drehfrequenz N aus dem RAM 4982 ausgelesen, und die (entsprechende) Größe wird dem Begrenzer 495 zugeführt. Der Begrenzer 495 begrenzt sodann eine Spannung des Signals der Stromführungsgröße U _in auf die im folgenden angegebenen Weise und erzeugt eine Signal-Stromführungsgröße U _out:
Für |U _in | ≤ L _im (N) : U _out = U _in
Für |U _in | > L _im (N) : U _out = L _im (N)
Der Stromregelteil 48 speist einen Strom I _out entsprechend der so erhaltenen Spannungsführungsgröße U _out dem Motor 1 zu.
Bei diesem Begrenzer wird eine Form der Grenzfunktion f (P, N) einfach nach Einstellung des aus dem ROM 4981 ausgelesenen Parameters P auf Spezifikationen eines Betätigungsglieds, bei dem der Motor benutzt wird, bestimmt, wobei eine I-N-Kurve einer an die Spezifikationen angepaßten Charakteristik bzw. Kennlinie erzielbar ist. Der Begrenzer ist mithin an Betätigungsglieder unterschiedlicher Spezifikationen anpaßbar.
Da die Grenzfunktion f (P, N) im Mikroprozessor erzeugt wird, kann der Antriebs- oder Treiberstrom in kostensparender Weise (on a cheep means) entsprechend verschiedenen Spezifikationen bzw. Vorschriften begrenzt werden, ohne daß dafür eine komplizierte elektronische Schaltung erforderlich wäre. Weiterhin wird der Grenzwert durch den Mikroprozessor berechnet, so daß der Grenzwert mit hohem Genauigkeitsgrad erhalten werden kann.

12. Absolutdreheinstellung-Meßsystem

Im folgenden ist anhand von Fig. 51 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Fig. 2 mit einer Funktion zum Detektieren bzw. Messen einer Absolutdrehstellung beschrieben, wobei Fig. 51 eine Schnittansicht eines mechanischen Teils darstellt.
Gemäß Fig. 51 sind als magnetische Funktionsdrehmelder ein nX-Funktionsdrehmelder (mit n = eine ganze Zahl) 2&sub1;, bei dem sich eine Phase des Meßsignals von 0° bis 360° ändert, sooft sich der Motor 1 um 1/n dreht, und ein 1X-Funktionsdrehmelder 2&sub2;, bei dem sich eine Phase des Meßsignals bei je einer Umdrehung des Motors 1 von 0° bis 360° ändert, vorgesehen.
Der 1X-Funktionsdrehmelder 2&sub2; erfaßt eine Motordrehung mit 1/n-Drehung als Auflösung, und der nX-Funktionsdrehmelder 2&sub1; erfaßt eine Motor-Drehstellung innerhalb der gemessenen 1/n-Drehung.
Die Zähnezahl an einem Rotor des nX-Funktionsdrehmelders entspricht dabei der Zähnezahl am Rotor des Motors 1.
Der sonstige Aufbau des mechanischen Teils entspricht demjenigen nach Fig. 26.
Gemäß Fig. 52 sind die magnetischen Funktionsdrehmelder 2&sub1; und 2&sub2; in Modulbauweise gehalten, und sie werden bei der Endmontage in das Betätigungsglied eingebaut.
Falls die Motorregelanordnung nur das inkrementale System benötigt, wird nur der nX-Funktionsdrehmelder eingebaut; falls zusätzlich eine Funktion mit Messen der Absolutdrehstellung nötig sind, wird ggf. der 1X-Funktionsdrehmelder zusätzlich zum nX-Funktionsdrehmelder eingebaut.
Fig. 53 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Anordnung zum Messen einer Absolutdrehstellung des Motors anhand von Detektions- oder Meßsignalen solcher magnetischer Funktionsdrehmelder.
In Fig. 53 bezeichnen die Ziffern 402&sub1; und 402&sub2; Funktionsdrehmelder-Schnittstellen, mit denen nX- und 1X-Funktionsdrehmelder jeweils verbunden sind, die Ziffer 491 einen F/V-Wandler zum Rückkoppeln eines Signals von der Funktionsdrehmelder-Schnittstelle 402&sub2; als Drehzahlmeßsignal einer analogen Spannung, die Ziffer 4041 einen nX-Zähler zum Messen einer vom nX-Funktionsdrehmelder gemessenen Phase anhand einer Phasendifferenz zwischen einem Erregungssignal SIG&sub0; und einem Ausgangssignal SIG&sub1; des nX-Funktionsdrehmelders, und die Ziffer 4042 einen 1X-Zähler zum Messen einer vom 1X-Funktionsdrehmelder gemessenen Phase anhand einer Phasendifferenz zwischen einem Erregungssignal AB&sub0; und einem Ausgangssignal AB&sub1; des 1X-Funktionsdrehmelders 3, die von der Funktionsdrehmelder-Schnittstelle 402&sub2; zugespeist werden.
Eine Zusammensetzschaltung (compound circuit) 4043 berechnet eine Absolutdrehstellung des Motors 1 anhand der Meßwerte von nX-Zähler 40i41 und 1X-Zähler 4042. Ein Schalter 4700 dient zum selektiven Rückkoppeln eines Ausgangssignals des nX-Zählers 4041 oder der Zusammensetzschaltung 4043 als Stellungsmeßsignal.
Die Bauelemente 4041-4043 sind im Zählerkreis 404 gemäß Fig. 2 vorgesehen.
Eine Impulserzeugerschaltung 476 dient zum Erzeugen der in der Zusammensetzschaltung 4043 berechneten Absolutdrehstellung als Phase-A-Impuls und Phase-B-Impuls oder Aufwärtsimpuls und Abwärtsimpuls. Ein Stellungsführungsregler (position command controller) 3 dient zum Erzeugen eines inkrementalen oder Schrittweiten-Stellungsführungsgrößensignals in bzw. mit Aufwärts/Abwärtsimpulsen auf der Grundlage der von der Impulserzeugerschaltung 476 gelieferten Absolutdrehstellung.
Ein integrierender Zähler 475 integriert die Zahl der Ausgangsimpulse vom Stellungsführungsregler 3. Eine Subtrahierstufe 479 bildet eine Abweichung (Differenz) zwischen einer Stellungsführungsgröße und einer Stellungsrückkopplungsgröße. Ein Stellungsregelteil bewirkt eine Rückkopplungs-Regelung einer Drehstellung des Motors 1 nach Maßgabe der Abweichung. Ein D/A-Wandler 481 wandelt ein digitales Regelsignal vom Stellungsregelteil 480 in ein Analogsignal um.
Eine Subtrahierstufe 493 bildet eine Abweichung (Differenz) zwischen einem Ausgangssignal vom D/A-Wandler 481 und einer Drehzahlrückkopplungsgröße. Ein Verstärker 494 verstärkt ein Abweichungssignal.
Die Ziffern 496 und 497 bezeichnen MDA-Einheiten zum Erzeugen von Signalen der Stromführungsgrößen I sin R&sub0; und I (R _e +120°) durch Multiplizieren einer vom Verstärker 494 gelieferten Amplitude I mit Sinuswellensignalen sin R _e und sin (R _e +120°), die durch eine Phasendifferenzzählung des nX-Zählers 4041 geliefert werden.
Die Phasen der beiden Sinuswellensignale sind um 120° (zueinander) verschoben, weil der Motor ein Dreiphasenmotor ist. Im Fall einer anderen Phasenzahl besitzt die Phasenverschiebung eine andere Größe.
Strommeßschaltungen 501, 502 dienen zum Messen und Rückkoppeln eines zu den Wicklungen des Motors 1 fließenden Stroms. Eine Brückenschaltung 507 wird durch ein PBM-Signal angesteuert, das entsprechend einer Abweichung zwischen der Stromführungsgröße und der Stromrückkopplungsgröße zum Führen eines Stroms erzeugt wird, und speist den Strom den Wicklungen des Motors zu.
Die Stromführungsgröße (current command value) wird nach einem Zählstand des nX-Zählers 4041 erzeugt. Der Motor wird somit einer Kommutationsregelung mittels eines Meßsignals vom nX-Funktionsdrehmelder 2&sub1; unterworfen.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der oben beschriebenen Anordnung erläutert, und zwar zunächst anhand einer Detektions- oder Meßoperation bezüglich der Absolutdrehstellung.
Fig. 54 zeigt in einem Diagramm ein Erregungssignal und ein Ausgangssignal der magnetischen Funktionsdrehmelder.
Die magnetischen Funktionsdrehmelder sind von einem Phasenmodulationstyp; aus diesem Grund werden Meßphasen Φ _nx und Φ _1x von nX-Funktionsdrehmelder bzw. 1X-Funktionsdrehmelder durch Messung einer Phasendifferenz zwischen dem Erregungssignal und dem Ausgangssignal in einem Zähler ermittelt.
Die Phasen Φ _nx und Φ _1x ändern sich bei einer Umdrehung des Motors auf die in Fig. 55 gezeigte Weise. Ein Drehwinkel auf einer Quadratorachse (Abszisse) ist ein mechanischer Winkel.
Diese Beziehung, bei welcher die Periode der Meßphase Φ _nx einer Meßstellung entspricht, wird anhand einer Größe der Meßphase Φ _1x gemessen oder ermittelt. Eine Absolutdrehstellung A wird aus einer Detektions- oder Meßzahl i und der Größe von Φ _nx wie folgt abgeleitet:
A = (i - 1) · P + Φ _nx
Darin bedeuten: P = Zählstand im nX-Zähler, wenn die Phase 360&sub0; beträgt;
Φ _nx = Zählstand im nx-Zähler.
Wenn z. B. angenommen wird, daß die Frequenz von SIG&sub0; und SIG&sub1; 3 kHz beträgt, beträgt eine Frequenz des Phasenmeßtakts der Zähler 4041, 4042 3 MHz:
(Zählstand des 1X-Zählers bei Phase von 360°) = 1000
n = 20
Φ _1x = 390
Φ _nx = 500;
die Absolutdrehstellung ergibt sich dann wie folgt:
(Änderung des Zählstands im 1X-Zähler entsprechend einem Meßsignal für eine Periode des nX-Zählers)
= 1000/20
= 50
P = 3 MHz/3 kHz = 1000
i = INT [390/50] + 1
= 8
A = (8 - 1) x 1000 + 500
7500 Impulse)
In dieser Operation wird eine Zählung oder ein Zählstand der Impulszahl berechnet; da jedoch die Impulszahl dem Winkel proportional ist, ist die Drehstellung aus einer berechneten Größe ableitbar.
Die Servoregelsequenz (servo sequence) ist dann folgende:
Nach dem Schließen des Netzschalters wird zunächst der Schalter 4700 auf die Seite S&sub0; umgelegt; die Stellungsservoeinheit wird angesteuert zum Berechnen einer Absolutdrehstellung, so daß gilt: Stellungsführungsgröße = Absolutdrehstellung.
Die Größe der Absolutdrehstellung wird zum Stellungsführungs(größen)-Hilfsregler 3 mit dem Phase-A- und Phase- B-Impuls bzw. Aufwärts- und Abwärtsimpuls übertragen. Dieser Regler 3 dreht (turns) die Größe der Absolutdrehstellung auf eine Versatzgröße und erzeugt dann eine inkrementale Stellungsführungsgröße in einem (als ein) Impulssignal.
Die Stellungsservoeinheit nimmt die Stellungsführungsgröße ab, schaltet den Schalter 4700 auf die Breite S&sub1; um, während sie arbeitet, und bewirkt eine Rückkopplung zur Regelung der Stellung mit dem Zählstand im nX-Zähler als Stellungsrückkopplungsgröße.
Wenn der Motor die Positionierung beendet, schaltet der Schalter 4700 auf die Seite S&sub0; um, und die Absolutdrehstellung wird abgegriffen bzw. gemessen.
Mit der beschriebenen Anordnung werden die folgenden Wirkungen erzielt:

1) Im Motormechanismusteil sind die nX- und 1X-Funktionsdrehmelder in Modulbauweise gehalten. Wenn für die Motorregelanordnung nur das inkrementale System benötigt wird, wird nur der nX-Funktionsdrehmelder eingebaut; wenn weiterhin eine Funktion zum Messen der Absolutdrehstellung erforderlich ist, wird ggf. der 1X-Funktionsdrehmelder zusätzlich zum nX-Funktionsdrehmelder eingebaut. Auf diese Weise kann eine zur Messung oder Erfassung einer Absolutdrehstellung befähigte Motorregelanordnung einfach durch Hinzufügung eines erforderlichen Bauelements zum mechanischen Teil des inkrementalen Systems realisiert werden.
2) Der in Fig. 53 von einer gestrichelten Linie umschlossene Abschnitt gibt eine inkrementale Systemausgestaltung an. Eine Motorregelanordnung, die eine Absolutdrehstellung zu messen vermag, kann einfach dadurch realisiert werden, daß eine Signalverarbeitungsschaltung des 1X-Funktionsdrehmelder und eine Zusammensetzschaltung für Meßsignale von den beiden Funktionsdrehmeldern zu diesem Abschnitt hinzugefügt werden.
3) Eine Absolutdrehstellung wird erfaßt, wenn der Motor abgestellt wird, und die Stellung wird rückgekoppelt und in einem inkrementalen System geregelt, und zwar mit der erfaßten Absolutdrehstellung als Versatz (offset) bei laufendem Motor, so daß die Absolutdrehstellung durch Ausführung einer Stellungsregelung im inkrementalen System erfaßt oder detektiert werden kann.

Mit der vorstehend beschriebenen Motortreiber- oder -regelanordnung sind die folgenden Wirkungen erzielbar:

1) Die Bauelemente der Motorregelanordnung, wie externer Schnittstellenteil, Sensor-Schnittstellenteil, Hauptregelteil und Strom- oder Energieregelteil, sind in Modulbauweise ausgeführt, und jedes Modul ist aus Steck-Karten (cards) gebildet. Den jeweiligen Anforderungen kann daher einfach durch Auswechseln der betreffenden Karten entsprochen werden.
2) Außerdem sind auch die Bauelemente in den einzelnen Einheiten des Motormechanismusteils in Modulbauweise ausgeführt. Infolgedessen können Ausgangsdrehmoment, Größe und dgl. einfach abgewandelt werden, so daß den verschiedenen Spezifikationen oder Vorschriften flexibel entsprochen werden kann.
3) Der externe Schnittstellenteil kann beliebig über Reihenimpulssignalleitung, 8-Bit-Mikrorechnerbus bzw. Analogsignalleitung mit Hilfsregeln oder -regeleinheiten (host controllers) verbunden werden. Die Motorregelanordnung kann mithin Führungsgrößen von verschiedenen Hilfsreglern abnehmen, so daß der Anwendungsbereich der Anordnung weiter vergrößert wird.
4) Der Sensor-Schnittstellenteil ist mit dem magnetischen und dem optischen Funktionsdrehmelder verbindbar. Infolgedessen kann der optische oder der magnetische Funktionsdrehmelder in Abhängigkeit davon gewählt werden, ob Präzision oder Kosten Vorrang haben, so daß damit verschiedene Aufgaben erfüllbar sind.
5) Je nach der Verwendung der magnetischen oder des optischen Funktionsdrehmelders ist nur die betreffende Steck-Karte (ID card) unterschiedlich, während die anderen Bauelemente der Anordnung jeweils für den einen oder anderen Funktionsdrehmelder benutzt werden können. Optischer oder magnetischer Funktionsdrehmelder können daher selektiv und unter gemeinsamer Nutzung der die Anordnung bildenden Module (Bausteine) eingesetzt werden.
6) Die Schlitze sind in zwei Schlitzreihen wie folgt vorgesehen:
Optischer Funktionsdrehmelder: (Schlitzzahldifferenz zwischen äußerer und innerer Schlitzreihe) = (Zähnezahl des Motor-Rotors)
Magnetischer Funktionsdrehmelder: (Zähnezahl des Rotors des magnetischen Funktionsdrehmelders) = (Zähnezahl des Motor-Rotors)

In der Steck-Karte (ID card) für den magnetischen Funktionsdrehmelder werden ein Meßsignal mit detektierter bzw. modulierter Phase und ein Bezugssignal ohne modulierte Phase und ein Bezugssignal ohne modulierte Phase ausgezogen. In der Steck-Karte für den optischen Funktionsdrehmelder werden andererseits über die äußeren und inneren Schlitze bzw. Schlitzreihen gewonnene Licht-Meßsignale ausgezogen bzw. abgenommen.
In jeder Steck-Karte kann somit eine Phasenverschiebung der Zähne von Rotor und Stator des Motors durch Messung einer Phasendifferenz zwischen den beiden ausgezogenen (extracted) Signalen erfaßt werden. Durch Verwendung des gemeinsamen Phasendifferenzzählers ist somit ein Signal für Kommutationsregelung erzielbar.
Weiterhin kann eine Drehstellung des Motors durch Integrieren der Phasenverschiebung berechnet werden.
Die Drehzahl des Motors kann anhand (from) der Frequenz eines phasenmodulierten Ausgangssignals von jedem Sensor gemessen oder bestimmt werden.
Gemäß obiger Beschreibung können Signale für Stellungsregelung, Drehzahlregelung und Kommutationsregelung gleichzeitig im Sensor-Schnittstellenteil erfaßt (detected) werden. Darüber hinaus können für die drei Regelzwecke benutzte Signale in den zwei Arten von Sensoren, d. h. magnetischer und optischer Funktionsdrehmelder, erfaßt oder detektiert werden.

7) Bei der Anordnung mit Funktion zum Messen oder Bestimmen der Absolutdrehstellung brauchen lediglich der 1X-Funktionsdrehmelder und seine Steuerschaltung zu einer einen magnetischen Funktionsdrehmelder eines inkrementalen Typs verwendenden Anordnung hinzugefügt zu werden. Auf diese Weise ist ein Meßsystem für die Absolutdrehstellung kostengünstig realisierbar.
8) Da bei der einen inkrementalen Sensor verwendenden Anordnung ein Null- oder Ausgangspunkt (origin) der Drehstellung mittels eines Übertrags (carry) des Phasendifferenzzählers detektiert wird, kann dieser Ausgangspunkt mittels eines kostengünstigen, vorhandenen Zählers detektiert werden.

Claims

1. Motorregelanordnung für die Rückkopplungs-Regelung eines (Elektro-)Motors, gekennzeichnet durch
einen externen Schnittstellenteil, der mit mehreren Schnittstellen entsprechend der Art von Hilfsreglern zum Erzeugen oder Liefern von Führungs(größen)signalen versehen ist,
einen Sensorschnittstellenteil mit einer Schnittstelle für einen Sensor bzw. Meßfühler zum Erfassen der Drehungen des Motors,
einen Hauptregelteil zum Erzeugen eines Regelsignals, das zur Rückkopplungs-Regelung des Motors nach Maßgabe eines vom externen Schnittstellenteil empfangenen Führungssignals und eines vom Sensorschnittstellenteil empfangenen Detektions- oder Meßsignals dient, und
einen Strom- oder Energieregelteil zum Verstärken eines Stroms nach Maßgabe des Regelsignals und zum Zuspeisen des verstärkten Stroms zu Wicklungen des Motors,
sowie dadurch gekennzeichnet, daß der externe Schnittstellenteil, der Sensorschnittstellenteil, der Hauptregelteil und der Stromregelteil (voneinander) getrennt und mit Steck-Karten in Modulbauweise ausgeführt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor einen Stator mit einem ausgeprägten Pol mit einer Anzahl von an seiner Spitze angeformten Zähnen und einen Rotor mit einer Anzahl von in diesen Zähnen gegenüberstehenden Positionen ausgebildeten Zähnen aufweist, der Motor sowohl die Wicklung als auch einen Dauermagneten als Magnetfelderzeugungseinheit benutzt und die Bauteile jeweils in jeder vorbestimmten Einheit in Modulbauweise ausgeführt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsdrehmoment des Motors einfach durch Änderung der Zahl von umfaßten Kerne (accumulated cores) durch Verwendung von Elementen unterschiedlicher Längen am Motor-Körper (body) variierbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein magnetischer Funktionsdrehmelder (resolver) ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Funktionsdrehmelder von einem Phasenmodulationstyp ist, der (Sensor-)Rotor mit dem Rotor des Motors gekoppelt ist und die gleiche Zähnezahl aufweist wie der Motor-Rotor, der Rotor und der Stator einen Doppelaufbau mit je zwei aufeinander angeordneten Rotor- und Statorscheiben oder einen Einzelkernaufbau mit je einer Rotor- und einer Statorscheibe aufweisen, auf einen ausgeprägten Pol an der Statorscheibe eine Zweiphasenwicklung gewickelt ist und Spannungen über jede Phasenwicklung zur Erzeugung eines einzigen modulierten Phasendetektions- bzw. -meßsignals addierbar und subtrahierbar sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Funktionsdrehmelder eine Kombination aus einem 1X-Funktionsdrehmelder, bei dem sich die Phase des Meßsignals bei einer Umdrehung des Rotors von 0° bis 360° ändert, und einem nX-Funktionsdrehmelder (mit n = eine ganze Zahl), bei dem sich die Phase des Meßsignals bei jeweils einer Motordrehung von 1/n von 0° bis 360° ändert, gebildet und mit einer Detektorschaltung zum Ableiten einer Absolutdrehstellung des Motors durch Abgreifen einer Drehstellung des Motors aus dem Meßsignal des 1X-Funktionsdrehmelders mit 1/n Umdrehung als Auflösung und auch durch Abgreifen einer Drehstellung des Motors mit 1/n Umdrehung, mittels des Meßsignals vom nX-Funktionsdrehmelders erfaßt, versehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung umfaßt:
einen 1X-Zähler und einen nX-Zähler zum Zählen der Phasen der Meßsignale von 1X- und nX-Funktionsdrehmelder in Impulsen,
eine Verbund- oder Zusammensetzschaltung zum Ableiten einer Absolutdrehstellung des Motors anhand der Erfassung einer Drehstellung mittels eines Zählstands des 1X-Zählers mit der 1/n Drehung als Auflösung, der Erfassung einer Drehstellung des Motors bei der 1/n Drehung, die mittels eines Zählstands des nX-Zählers erfaßt wird, und durch Zusammensetzen (compounding) dieser erfaßten Größen,
einen Schalter zum selektiven Rückkoppeln eines Ausgangssignals der Zusammensetzschaltung oder des nX-Zählers,
einen Stellungsführungs(größen)teil zum Erzeugen einer inkrementalen oder schrittweisen Stellungsführungsgröße mit der durch die Zusammensetzschaltung ermittelten Absolutdrehstellung als Bezugsstellung und
einen Stellungsregelteil zum Rückkoppeln eines Ausgangssignals von der Zusammensetzschaltung zum Schalter und zum Liefern des Ausgangssignals zum Stellungsführungsteil zwecks Erfassung der Absolutdrehstellung, während der Motor abgeschaltet wird, Rückkoppeln eines Ausgangssignals des nX-Funktionsdrehmelders zum Schalter und Rückkoppeln zum Regeln der Motor-Drehstellung in einem inkrementalen Modus nach Maßgabe der durch den Stellungsführungsteil erzeugten Stellungsführungsgröße, wenn der Motor läuft.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Zähne eines Rotors des nX-Funktionsdrehmelders der Zähnezahl des Motor-Rotors gleich ist und der Motor einer Kommutierungsregelung (commutation control) durch ein oder mittels eines (on a) Meßsignal(s) des nX-Funktionsdrehmelders unterworfen wird.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein optischer Funktionsdrehmelder ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Funktionsdrehmelder ein rotierender Phasenmodulations(typ)-Funktionsdrehmelder ist, mit dem Motor-Rotor eine Codier- oder Codescheibe verbunden ist, in deren Umfangsrichtung Schlitze in zwei Reihen ausgebildet sind, die Differenz zwischen der Zahl der inneren Schlitze und der Zahl der äußeren Schlitze der Zähnezahl des Motor-Rotors gleich ist, in den betreffenden Schlitzreihen gegenüberliegenden Stellungen Photodiodenarrays mit einer Anzahl von in einem Teilungsabstand der Schlitze angeordneten Photodioden vorgesehen sind und durch Lichtabtast-Detektions- oder -Meßsignale der Photodioden ein Drehdetektions- oder -meßsignal erhaltbar ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein magnetischer oder ein optischer Funktionsdrehmelder wählbar bzw. benutzbar ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorschnittstellenteil selektiv mehrere Arten von Sensoren zu verbinden bzw. anzuschließen vermag.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorschnittstellenteil für den selektiven Anschluß eines magnetischen oder eines optischen Funktionsdrehmelders als Sensor geeignet und mit einer optischen Funktionsdrehmelder-ID- bzw. -Steckkarte zum Abnehmen von Licht-Meßsignalen von den äußeren und inneren Schlitzen des optischen Funktionsdrehmelders gegenüberstehenden Photodiodenarrays, einer magnetischen Funktionsdrehmelder-Steckkarte zum Abnehmen eines Signals mit durch die Drehung(en) eines Rotors des magnetischen Funktionsdrehmelders modulierter Phase und eines nicht phasenmodulierten Bezugssignals und einem Phasendifferenzzähler zum Zählen einer Phasendifferenz zwischen den beiden, von der optischen Funktionsdrehmelder- Steckkarte abgenommenen Signalen, wenn der optische Funktionsdrehmelder als Sensor angeschlossen ist, und zum Zählen einer Phasendifferenz zwischen den beiden von der magnetischen Funktionsdrehmelder-Steckkarte abgenommenen Signalen, wenn der magnetische Funktionsdrehmelder angeschlossen ist, versehen ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptregelteil eine Kommutationsrecheneinheit zur Ermittlung (obtaining) einer Phasenverschiebung von Zähnen eines Rotors und eines Stators des Motors anhand eines Zählstands des Phasendifferenzzählers und zum Berechnen eines Signals zum Regeln einer Kommutation des Motors anhand der Phasenverschiebung aufweist.

15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptregelteil eine Stellungsrecheneinheit zum Berechnen einer Drehstellung des Motors durch Integrieren von Zählständen des Phasendifferenzzählers aufweist.

16. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptregelteil eine Drehzahldetektoreinheit zum Detektieren oder Messen einer Drehzahl des Motors anhand einer Frequenz des von einer der beiden Steckkarten (ID cards) abgenommenen phasenmodulierten Signals aufweist.

17. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptregelteil für Rückkopplungs-Regelung einer Drehstellung des Motors nach Maßgabe eines über den externen Schnittstellenteil gelieferten Stellungsführungssignals und eines Operations- bzw. Rechenergebnisses der Stellungsrecheneinheit aufweist.

18. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptregelteil einen Geschwindigkeitsregelteil für Rückkopplungs-Regelung einer Drehzahl des Motors nach Maßgabe eines über den externen Schnittstellenteil gelieferten Drehzahlführungssignals und eines Meßsignals von der Drehzahldetektoreinheit aufweist.

19. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendifferenzzähler einen Übertrag (carry) beim Zählen einer Phasendifferenz für n Teilungsabstände (mit n = eine ganze Zahl) von Zähnen des Motor-Rotor erzeugt und der Hauptregelteil eine Null- oder Ausgangspunktdetektoreinheit zum Detektieren eines Null- oder Ausgangspunkts (origin) der Drehstellung, wenn Phasen der Rotor- und Statorzähne des Motors koinzidieren, anhand eines Übertrags des Phasendifferenzzählers aufweist.

20. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorschnittstellenteil Signale, die für Stellungs-, Drehzahl- und Kommutationsregelung des Motors gleichzeitig dienen, nach Maßgabe eines Zählstands des Phasendifferenzzählers und eines von der Steckkarte (ID card) abgenommenen phasenmodulierten Signals abnimmt (extracts).

21. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorschnittstellenteil eine Phasendifferenz zwischen den beiden von der magnetischen Funktionsdrehmelder- Steckkarte abgenommenen Signalen oder zwischen den beiden vom optischen Funktionsdrehmelder abgenommenen Signalen in einem gemeinsamen Phasendifferenzzähler mißt und damit Signale abnimmt oder bildet, die gleichzeitig für Stellungs-, Drehzahl- und Kommutationsregelung für zwei Sensorarten, nämlich magnetischen und optischen Funktionsdrehmelder, dienen.

22. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Anzahl von Schnittstellen des externen Schnittstellenteils verbundener Hilfsregler Führungssignale über eine Übertragungsleitung, eine Reihenimpulssignalleitung, eine Analogsignalleitung und einen n-Bit-Mikrorechnerbus (mit n = eine ganze Zahl) zuspeist.

23. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptregelteil eine Verstärkungstabelle (gain table) aufweist, in welcher eine Eigenfrequenz der Stellungsregeleinheit des Motors, eine Gleichspannungsverstärkung (DC gain) eines im Hauptregelteil vorgesehenen Drehzahlregelteils und eine integrale Begrenzungsgröße des Ausgangssignals eines Integrators in einem im Hauptregelteil vorgesehenen Stellungsregelteil mit optimalen Regelparametern entsprechend diesen Werten bzw. Größen koordiniert sind.

24. Motorregelanordnung für die Rückkopplungs-Regelung eines (Elektro-)Motors, gekennzeichnet durch
einen externen Schnittstellenteil, der mit einer Anzahl von Schnittstellen entsprechend der (jeweiligen) Art von Hilfsregeleinheiten oder -reglern zum Erzeugen von Führungs(größen)signalen versehen ist,
einen Sensorschnittstellenteil mit einer Schnittstelle für einen Sensor oder Meßfühler zum Erfassen von Drehungen des Motors,
einen Hauptregelteil zum Erzeugen eines Regelsignals für die Rückkopplungs-Regelung des Motors nach Maßgabe eines vom externen Schnittstellenteil erhaltenen Führungssignals und eines vom Sensorschnittstellenteil erhaltenen Detektions- oder Meßsignals, mit einer Verstärkungstabelle (gain table), in welcher eine Eigenfrequenz eines Stellungsregelsystems des Motors, eine Gleichspannungsverstärkung (DC gain) eines im Hauptregelteil vorgesehenen Drehzahlregelteils und eine integrale Begrenzungsgröße des Ausgangssignals eines Integrators an oder in einem Stellungsregelteil, der im Hauptregelteil vorgesehen ist, mit optimalen Regelparametern entsprechend diesen Größen oder Werten koordiniert sind,
einen Energie- oder Stromregelteil zum Verstärken eines Stroms in Abhängigkeit vom Regelsignal und zum Zuspeisen des verstärkten Stroms zu Wicklungen des Motors und
einen Abstimm- oder Einstellteil mit einem Eigenfrequenzeinstellschalter, einem Gleichspannungsverstärkungs- Einstellschalter und einem Integralbegrenzungswert- Einstellschalter, wobei eine Eigenfrequenz, eine Gleichspannungsverstärkung und ein integraler oder Integralbegrenzungswert in mehreren Stufen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs eingestellt werden und ein optimaler Regelparameter aus der Verstärkungstabelle entsprechend zumindest der gesetzten Eigenfrequenz, der Gleichspannungsverstärkung bzw. dem integralen Begrenzungswert zur Verwendung bei der Regelung im Hauptregelteil ausgelesen wird,
sowie dadurch gekennzeichnet, daß der externe Schnittstellenteil, der Sensorschnittstellenteil, der Hauptregelteil und der Stromregelteil (voneinander) getrennt und in Modulbauweise mit Steck-Karten ausgeführt sind.