DE4423837A1

DE4423837A1 - Elektromotorischer Antrieb mit störungssicherer Drehzahlerkennung

Info

Publication number: DE4423837A1
Application number: DE4423837A
Authority: DE
Inventors: Raimund Dr Gottkehaskamp; Marian Kreutz
Original assignee: Groschopp & Co Elektro Mo GmbH
Current assignee: Groschopp & Co Elektro Mo GmbH
Priority date: 1994-07-07
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 1996-01-18

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor zum Antrieb einer Spindel in einer Textilmaschine, insbesondere einer Spinnereimaschine, mit einem drehfest mit der Spindelwelle verbundenen Rotor, der im magnetischen Feld eines Stators rotiert, und mit Detektormitteln zur Drehzahl- und/oder Lageerkennung des Rotors, welche aus einem ortsfest angeordneten Hallsensor und mindestens einem mit der Rotorbewegung gekoppelten Permanentmagnet besteht, dessen Magnetfeld ein Drehzahl- bzw. Lageerkennungssignal im Hallsensor erzeugt, sowie mit Auswertemitteln für das Hallsensorsignal.

Ein als einzelmotorischer Antrieb einer Spindel in Spinnereimaschinen ausgeführter Motor der eingangs genannten Art ist aus der DE 41 42 707 bekannt.

Bei diesem Motor erfolgt die Lageerkennung des Rotors bzw. der Spindelwelle durch den Hallsensor, welcher beim Beaufschlagen mit dem vom Permanentmagneten ausgehenden Magnetfeld ein Signal detektiert. Da das Magnetfeld des Permanentmagneten von Störfeldern, des Motors, insbesondere von Rotor- und Statorstörfeldern überlagert ist, ist bei der genannten Vorrichtung ein hülsenförmiges Abschirmelement vorgesehen, welches den Hallsensor umgibt. Hierdurch wird der Hallsensor von ungewünschten Störfeldern abgeschirmt, so daß das vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld ungestört detektierbar ist. Die Notwendigkeit des beim Stand der Technik vorzusehenden Abschirmelementes verursacht nicht nur einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand sondern weist darüber hinaus den Nachteil auf, daß beim Ausfall des Hallsensors die komplette Mechanik der Drehzahl- bzw. Lageerkennung für den Rotor ausgebaut werden muß, da das Abschirmelement den Hallsensor umgibt.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Motor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß er sowohl konstruktiv einfach ausgebildet ist als auch eine leichtere Instandsetzung beim Ausfall des Hallsensors ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektormittel mehrere umfänglich versetzte Permanentmagnetbereiche mit sich abwechselnder Polung ohne Pollücken aufweisen und daß die Auswertemittel für das Hallsensorsignal eine eine Hysteresecharakteristik aufweisende Diskriminatoreinrichtung mit einem positiven und einem negativen Schaltschwellenwert enthalten, dessen Betrag jeweils niedriger ist als der Betrag der vom Rauschsignal überlagerten Nutzsignalamplitude des Hallsensorsignals und höher als der Betrag der Amplitude des Rauschsignals.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß anstelle der aus dem Stand der Technik bekannten unipolar ausgelösten zeitlich kurzen Nutzsignalwerte und infolge des nicht magnetisch erzwungenen Wertes Null variierenden Hallsensorausgangssignales ein bipolarer auszulösender Sensor zur Anwendung gelangt, der sowohl für den Ausgangswert 1 und den Ausgangswert 0 ein definiertes Feld erfordert. Im ungestörten Fall ergibt sich ein die Verteilung der positiven und negativen Magnetpole widerspiegelndes Pulspausenverhältnis des Ausgangssignales.

Durch die entsprechende Wahl der Schaltschwellen des Diskriminators wird ermöglicht, daß stets das gewünschte Nutzsignal aus dem vom Störsignal überlagerten Hallsensorausgangssignal ausgefiltert wird. Durch das Hystereseverhalten der Diskriminatoreinrichtung bleibt das Ausgangssignal des Diskriminators solange auf dem dem ersten Schwellenwert entsprechenden Ausgangssignal, bis der Schwellenwert für das zweite Ausgangssignal unterschritten wird. Hierdurch ergibt sich eine weitgehende Unabhängigkeit von den Störfeldern, ohne daß mechanischer Aufwand zur Abschirmung des Hallsensors erforderlich ist. Bei einem Ausfall des Hallsensors kann der von außen zugängliche Hallsensor ausgetauscht werden, ohne daß der übrige Teil der Drehzahl- bzw. Lageerkennungseinrichtung beeinflußt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die mehreren Permanentmagnete durch einen mehrpolig aufmagnetisierten Dauermagnetring gebildet sind. Danach sind die Permanentmagnete nicht als Einzelteile ausgebildet sondern durch einen entsprechend vormagnetisierten Ring. Insoweit werden Probleme im Zusammenhang mit der Fliehkraftbeständigkeit ausgeschaltet, die beim Stand der Technik ebenfalls nachteilig sind.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den weiteren Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert:

Dabei zeigen

Fig. 1 den Aufbau des Ausführungsbeispieles der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 2a-2c Pegeldiagramme von magnetischer Induktion B bzw. Spannung U in Abhängigkeit von der Winkellage ϕ des Rotors zur Verdeutlichung der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Der in Fig. 1 dargestellte Spindelantriebsmotor umfaßt innerhalb seines Gehäuses 2 einen drehfest mit der Spindelwelle 1 gekoppelten Rotor 3 sowie einen Stator 4, welcher eine Statorwicklung 5 trägt.

Dieser Aufbau entspricht insoweit einem herkömmlichen Elektromotor.

Zur Bestimmung der Drehzahl bzw. Lage des Rotors 3 gegenüber dem Stator 4 ist eine Detektoreinheit 6 für die Drehzahl bzw. Lageerkennung vorgesehen, welche sich außerhalb des Statorbereichs im in Fig. 1 unteren Teil innerhalb des Motorgehäuses 2 befindet.

Die Detektoreinrichtung 6 besteht aus einem drehfest mit der Spindelwelle 1 gekoppelten Träger 10, welcher an seinem Außenumfang einen Magnetring 7 aufweist.

Der Magnetring 7 besteht aus kunststoffgebundenem Dauermagnetmaterial (Ferrit), wobei der Dauermagnetring in Umfangsrichtung in abwechselnder Polarität radial magnetisiert ist. Hierdurch sind am äußeren Umfang des Ringes 7 Magnetpole ausgebildet, die sich in Umfangsrichtung abwechseln. In der dargestellten Ausführungsform sind 16 Magnetpole vorgesehen.

Dem Dauermagnetring 7 zugeordnet, jedoch mit einem geringen Luftspalt hiervon getrennt, ist ein Hallsensor 8 ortsfest angeordnet, der am Ende eines vom Außenumfang des Motorgehäuses 10 sich radial in Richtung der Spindelwelle 1 erstreckenden länglichen Kanals 9 angeordnet ist. Hierin integriert ist eine Auswertevorrichtung, die je nach Höhe und Vorzeichen des ,detektierten Magnetfeldes zwischen der positiven Versorgungsspannung und Null hin- und her schaltet. Die Anschlußleitung für Spannungsversorgung und Nutzsignal werden ebenfalls durch den Kanal nach außen geführt.

Die Funktion des in Fig. 1 dargestellten Motors wird nunmehr anhand der Fig. 2a-2c näher erläutert. Fig. 2a zeigt den Verlauf der magnetischen Induktion B am Ort des Hallsensors 8 bei einem 16polig abwechselnd magnetisierten Dauermagnetring 7 in Abhängigkeit des Rotorverdrehwinkels ϕ. Der Verlauf der Induktion ist in Fig. 2a idealisiert, d. h. ohne Störfelder dargestellt.

Beim Betrieb des Motors überlagert sich dem in Fig. 2a dargestellten Induktionssignal ein Störsignal in Form eines Rauschanteils, wie dies in Fig. 2b dargestellt ist. Die Ursachen für den Rauschanteil sind im überlagerten Stator bzw. Rotormagnetfeldern zu sehen, die ebenfalls vom Hallsensor 8 detektiert werden.

Ein dem Verlauf gemäß Fig. 2b entsprechendes Spannungssignal wird der Auswerteeinrichtung zugeführt.

Die Auswerteeinrichtung analysiert nun das so gewonnene Hallsensorsignal, in dem der gemessene Signalverlauf M kontinuierlich mit zwei Schwellwerten +B_s, -B_s verglichen wird.

Wie in Fig. 2b skizziert ist, kann jeder der beiden Schwellwerte +B_s, -B_s innerhalb eines bestimmten Amplitudenbereiches liegen, repräsentiert durch die schraffierten Linien. Die Breite des für +B_s, -Bs zugelassenen Wertebereichs ist dahingehend begrenzt, das der Schwellwert einerseits deutlich von dem Wert 0 verschieden sein muß, damit Störsignale im Polnulldurchgang unterdrückt werden und andererseits deutlich unterhalb des durch die Überlagerung von Nutzsignal und Rauschanteil bestimmten Amplitude liegen muß. Für die Lage der Schwellenwerte gilt die Ungleichung

|S|L|B_s| < |N+S|

wobei S die Rauschsignalamplitude und N+S die Amplitude vom Hallsensorsignal (Nutz- + Rauschanteil) bezeichnen.

Die Schwellwertbereiche können beispielsweise, wie in Fig. 2b dargestellt ist, symmetrisch zueinander liegen.

Aus dem Vergleich, der in der Diskriminatorschaltung zwischen dem Meßsignal und den Schwellwertsignalen +-B_s vorgenommen wird, läßt sich im Ergebnis der in Fig. 2c dargestellte impulsförmige Verlauf der Spannung U über dem Winkel ϕ ermitteln, wie im folgenden erläutert wird.

Es wird angenommen, daß der geltende Wert für die Schwellwerte +-B_s in der Mitte des schraffierten Bereiches liegt. Hierdurch ergeben sich die mit den Ziffern - dargestellten Schnittpunkte zwischen dem Meßsignal M und den Schwellwerten +B_s bzw. -B_s. Wenn zunächst der Diskriminator feststellt, daß das Meßsignal oberhalb des Schwellwertes +B_s liegt, wird am Ausgang des Diskriminators ein logischer Spannungpegel "1" ausgegeben. Dieser wird auch beibehalten, wenn nach Durchschreiten des Punktes der Wert Null in der Kurve des Meßsignals durchlaufen wird. Erst wenn der zweite Schwellwert -B_s im Punkte unterschritten wird, wechselt der Pegel von logisch 1 auf logisch 0. Dieser wird im weiteren Verlauf des Meßsignals über den Punkt hinweg beibehalten, bis der Punkt erreicht wird und der Pegel wieder auf 1 wechselt.

Durch dieses Schaltverhalten mit Hysteresecharakteristik ergibt sich eine sichere Rückgewinnung des für die Position des Rotors maßgeblichen Nutzsignalanteils aus dem verrauschten Meßsignal.

Aus dem in Fig. 2c dargestellten Pegelsignal kann in einem weiteren Schritt die Rotorlage berechnet werden oder durch Zählen der Impulse pro Zeiteinheit die Drehzahl ermittelt werden.

Im Falle eines Defektes des Hallsensors 8 kann dieser von der Motorgehäuseseite her ausgebaut und ausgetauscht werden, ohne daß die mit dem Rotor gekoppelte Magnetringeinheit beeinflußt wird.

Bezugszeichenliste

1 Spindelwelle
2 Motorgehäuse
3 Rotor
4 Stator
5 Statorwicklung
6 Winkellagedetektor
7 Permanentmagnetring
8 Hallsonde
9 Kanal
10 Träger für Permanentmagnetring.

Claims

1. Motor zum Antrieb einer Spindel (1) in einer Textilmaschine, insbesondere einer Spinnereimaschine, mit einem drehfest mit der Spindelwelle (1) verbundenen Rotor (3), der im magnetischen Feld eines Stators (4) rotiert, und mit Detektormitteln (6, 7, 8) zur Drehzahl- und/oder Lageerkennung des Rotors (3), welche aus einem ortsfest angeordneten Hallsensor (8) und mindestens einem mit der Rotorbewegung gekoppelten Permanentmaget (7) besteht, dessen Magnetfeld ein Drehzahl- bzw. Lageerkennungssignal im Hallsensor (8) erzeugt, sowie mit Auswertemitteln für das Hallsensorsignal, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel mehrere umfänglich versetzte Permanentmagnetbereiche mit sich abwechselnder Polung ohne Pollücken aufweisen und daß die Auswertemittel für das Hallsensorsignal eine eine Hysteresecharakteristik aufweisende Diskriminatoreinrichtung mit einem positiven (+B_s) und einem negativen (-B_s) Schaltschwellenwert enthalten, dessen Betrag jeweils niedriger ist als der Betrag der vom Rauschsignal überlagerten Nutzsignalamplitude des Hallsensorsignals und höher als der Betrag der Amplitude des Rauschsignals.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Permanentmagnetbereiche durch einen mehrpolig aufmagnetisierten Dauermagnetring (7) gebildet sind.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polzahl des Dauermagnetringes (7) 16 beträgt.

4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnetring aus kunststoffgebundenem Ferrit besteht.

5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schaltschwellenwerte (+B_s, -B_s) innerhalb eines vorgebbaren Wertebereichs veränderbar ist.

6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallsensor (8) in einem von außen am Motorgehäuse (10) zugänglichen Kanal (9) einliegt.