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Diese Erfindung betrifft einen Winkelgeber zur Messung der
Winkelstellung einer drehenden Welle, der insbesondere bei
Werkzeugmaschinen, Spezialmaschinen oder drehenden Maschinen
in der Industrie, die mit sehr hoher Drehgeschwindigkeit
laufen, verwendet werden kann.
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Es gibt sehr unterschiedliche Winkelgeber. So werden
herkominlicherweise Drehgeber, optische Meßgeräte sowie
Induktions-, Kapazitätsgeber und Geber mit magnetischer
Widerstandsänderung verwendet. Jeder Meßgeber besitzt besondere
Eigenschaften, die ihm bei der Auswahl vor einem anderen den
Vorzug geben.
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Insbesondere ist durch den Artikel mit dem Titel "A variable
reluctance sensor" von Guy Lemarquand, der in der
Zeitschrift IEEE Transactions on Magnetics, Band 25, Nr. 5,
Sept. 1989 auf den Seiten 3827 bis 3829 erschien, ein
radialer Induktionsdetektor mit variablem magnetischen Widerstand
bekannt, der aus einer Gruppe von Elektromagneten besteht,
die ohne Kontakt gegenüber der Außenlinie eines zentrierten
Rotors aus ferromagnetischem Material angeordnet sind, um
den Drehwinkel einer drehenden Welle durch die Erzeugung
einer natürlichen sinusförmigen Änderung des Eisenspalts zu
messen.
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Für den Antrieb von Bearbeitungsspindeln in
Werkzeugmaschinen beispielsweise und insbesondere bei Spindeln mit aktiven
Magnetlagern, die durch einen Synchronmotor angetrieben
werden, ist zur Steuerung des Leistungsverstärkers des
Synchronmotors, der die Spindel antreibt, unbedingt das
Vorhandensein eines Zweiphasen-Generators erforderlich, der bei
Stillstand arbeitet.
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Die Stromerzeuger mit Dauermagnetrotor sind bei geringer
Geschwindigkeit oder bei Stillstand nicht zu verwenden, und
die Drehgeber erfordern eine Trägerversorgung des Rotors,
die durch die hohe Drehgeschwindigkeit der genannten
Spindein, die bei maximaler linearer Geschwindigkeit des Rotors
in der Größenordnung von 200 m/s liegen kann, schwer
auszuführen ist. Ferner muß das Werkzeug in einer bestimmten
Stellung angehalten werden können, um es zu wechseln, was
eine bessere Linearität als 1 % und eine große Bohrung von
beispielsweise ca. 50 % des Durchmessers für die genannte
Werkzeugwechsel-Vorrichtung erfordert.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, die obengenannten
Erfordernisse zu erfüllen, die von den herkömmlichen Systemen nicht
erfüllt werden, indem sie eine Meßvorrichtung schafft, die
außerdem gegen Verschiebungen der drehenden Welle weder in
radialer noch in axialer Richtung empfindlich ist.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst mit einer
Winkelmeßvorrichtung, insbesondere für drehende Maschinen mit
sehr hoher Drehgeschwindigkeit, die aus mindestens einem
Erfassungsmittel mit einem Stator, der aus
elektromagnetischen Mitteln zur Bildung von lnduktionsdetektoren besteht,
und mit einem außermittigen Rotor, der an seinem dem Stator
zugewandten Umfang einen Ring aus ferromagnetischem Material
aufweist, besteht und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie
mindestens ein erstes und ein zweites Erfassungsmittel
aufweist, daß die Rotoren des ersten und des zweiten
Erfassungsmittels in entgegengesetzten Richtungen außermittig auf
einer gemeinsamen drehenden Welle sitzen, und daß die
Wicklungen der genannten lnduktionsdetektoren die verschiedenen
Zweige einer Brückenschaltung bilden, die durch ein
einziges, von einem Generator abgegebenes Trägerwellensignal
erregt werden.
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Die genannten elektromagnetischen Mittel umfassen für jedes
der Erfassungsmittel zwei Paare von Induktionsdetektoren,
die im 90º-Winkel zueinander verschoben sind.
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Die Erfindung betrifft auch ein Steuersystem für den Antrieb
eines Synchronmotors mit Dauermagneten, der eine drehende
Welle antreibt und einen Frequenzwandler aufweist, der an
das Versorgungsnetz gekoppelt ist und durch einen
Impulsbreitenmodulator gesteuert wird, dessen Steuerspannungen
nach Durchgang durch einen Transformator von Stromreglern
abgegeben werden, die durch den Unterschied zwischen den
Stromeinstellwerten und den Strömen, die man aus den an den
Phasen des Motors gemessenen Strömen nach Durchgang durch
einen Transformator erhält, beeinflußt werden, und ist
dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Stromeinstellwerte
in Abhängigkeit von der Winkelposition der drehenden Welle,
die durch eine Schaltung zur Verarbeitung der von einer
Winkelmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5
abgegebenen Signale bestimmt wird, aus einem Gesamteinstellwert
entwickelt werden, der von einem Geschwindigkeitsregler
abgegeben wird, der durch den Unterschied zwischen einem
Geschwindigkeitseinstellwert und der an der genannten
Winkelmeßvorrichtung gemessenen Geschwindigkeit beeinflußt
wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders einfach, sie
weist keinerlei Kontakt zwischen den Rotor- und Statorteilen
auf, wodurch ein geräuschloser Betrieb ohne Vibrationen
möglich wird, und dadurch, daß keine Schmierung erfolgt, kann
die verschmutzte Umgebung, die im allgemeinen um
Werkzeugmaschinen herum herrscht, besser ausgehalten werden. Ferner
kann durch die Einfachheit der Elektronik diese problemlos
von dieser verschmutzten Umgebung entfernt angeordnet
werden. Dadurch, daß sich an den Rotorteilen keine Wicklung
befindet, können hohe Drehgeschwindigkeiten erreicht werden,
und dadurch, daß der Magnetfluß nur einige Millimeter in die
Blechpakete der Rotorteile eintritt, kann eine große Bohrung
für die Meßvorrichtung ausgeführt werden. Ferner verlängert
die Vorrichtung, die eine große Verschiebung in radialer
Richtung akzeptiert, die drehende Welle kaum und ändert
daher ihre kritische Frequenz nur zum Teil.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vollkommen geeignet, in
eine drehende Maschine eingebaut zu werden, die mit einer
aktiven magnetischen Aufhängung ausgestattet ist, die
ihrerseits mit Zusatzlagern verbunden ist, die bei einer Störung
der magnetischen Aufhängung oder einer großen Überlastung in
Funktion treten.
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Die Zusatzlager sind erforderlich, da die Magnetlager keine
starken Überlastungen aushalten, selbst nicht für kurze
Zeit, wie die mechnischen Lager. Eine starke Überlastung der
Magnetlager kann beispielsweise beim Bruch einer Schaufel
einer Turbomolekularpumpe mit Magnetlagern oder beim Bruch
der Schleifscheibe einer in Magnetlagern gelagerten
elektrischen Schleifspindel auftreten. Wenn sie unter solchen
Umständen in Funktion treten, werden die Zusatzlager stark
belastet, und es ist wichtig, die Maschine so schnell wie
möglich zu verlangsamen und abzuschalten.
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Der erfindungsgemäße Winkelgeber erweist sich daher als
besonders nützlich, wenn er für den Antrieb eines
Synchronmotors einer angetriebenen Maschine mit magnetischer
Aufhängung verwendet wird. Es ist nämlich von Bedeutung, daß
der Wandler eines Synchronmotors einer elektrischen Spindel,
einer Turbomolekularpumpe oder jeder anderen angetriebenen
Maschine mit Magnetlagern durch seinen Wandler mit dem
maximalen Bremsmoment gesteuert werden kann, und daß die
Winkelmeßvorrichtung daher gemäß der Erfindung in der Lage
ist, selbst bei der oft unregelmäßigen Drehbewegung des mit
seinen Zusatzlagern aufgehängten Rotors perfekt zu arbeiten,
und daß das Signal ohne Oberschwingungen oder Winkelfehler
sinusförmig bleiben kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung gehen aus der
folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen hervor, wobei
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- Fig. 1 ein Grundschaltbild eines erfindungsgemäßen
Winkelgebers in einer - bezogen auf die Drehwelle - axialen Ebene
mit einer Referenzachse Y, die einer ersten Meßstrecke
entspricht, darstellt,
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- Fig. 2 eine schematische Ansicht gemäß dem Pfeil F von
Fig. 1 ist, die in der Schrägperspektive den Winkelgeber von
Fig. 1 mit einer vollständigen Darstellung der zweiten
Meßstrecke, die einer Referenzachse X entspricht, zeigt,
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- Fig. 3a die Ausgangsspannung Uy an den Klemmen der Strecke
Y des Winkelgebers darstellt,
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- Fig. 3b die Ausgangsspannung Ux an den Klemmen der Strecke
X des Winkelgebers darstellt,
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- Fig. 4 ein Beispiel für den Antrieb einer Synchronmaschine
mit Dauermagneten zeigt, bei der ein erfindungsgemäßer
Winkelgeber verwendet wird.
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Es wird nun Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf
die Figuren 1 und 2 genommen, die die Erfassungsmittel 10,
20 der Strecke Y eines Winkelgebers mit zwei Strecken auf
den um 90º zueinander verschobenen Achsen X und Y
darstellen. Jede Strecke X bzw. Y weist zwei Erfassungsmittel 10,
20 auf. Für die Strecke Y (Fig. 1) besteht das erste
Erfassungsmittel 10 einerseits aus einem Ring aus dünnen
ferromagnetischen Blechen, der auf der drehenden Welle 40
sitzt und einen ersten Rotorteil 12 bildet, und andererseits
aus zwei Induktionsdetektoren 13, 14, die aus zwei einander
diametral gegenüberliegenden Magnetstücken bestehen, die
jeweils eine Induktionswicklung tragen, wobei die
Induktionsdetektoren 13, 14 einen ersten Statorteil 11 bilden.
Das zweite Erfassungsmittel 20 besteht ebenfalls einerseits
aus einem Ring aus dünnen ferromagnetischen Blechen, der auf
der genannten drehenden Welle 40 sitzt und einen zweiten
Rotorteil 22 bildet, und andererseits aus zwei
lnduktionsdetektoren 23, 24, die aus zwei einander diametral
gegenüberliegenden Magnetstücken bestehen, die jeweils eine
lnduktionswicklung tragen, wobei die Induktionsdetektoren
23, 24 einen zweiten Statorteil 21 bilden.
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Die Mittelpunkte der Blechpakete des ersten und zweiten
Rotorteils 12, 22 sind in entgegengesetzte Richtungen
jeweils um einen Abstand e zur Achse der drehenden Welle 40
verschoben (Fig. 1 und Fig. 2). Der durchschnittliche
Eisenspalt εo zwischen den Rotorteilen 12, 22 und den
Statorteilen 11, 21 kann mehrere Zehntel Millimeter betragen, z. B.
0,6 mm, wobei die genannten Rotorteile 12, 22
vorteilhafterweise aus Ferrosilizium bestehen.
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Durch eine Brückenschaltung 50 kann die elektrische
Verbindung zwischen den einzelnen Wicklungen, die deren
verschiedene Zweige bilden, gewährleistet werden. Die Wicklung des
Induktionsdetektors 13 ist in Reihe mit der Wicklung des
Detektors 14 geschaltet, die ihrerseits in Reihe mit der
Wicklung des Detektors 24 geschaltet ist, die ihrerseits in
Reihe mit der Wicklung des Detektors 23 geschaltet ist, die
ihrerseits in Reihe mit der Wicklung des ersten Detektors 13
geschaltet ist. Ein einziges, von einem Generator bekannter
Art 30 abgegebenes Trägerwellensignal U(t) von im
allgemeinen einigen Kilohertz, beispielsweise in der Größenordnung
von 20 kHz, erregt die genannte Brücke zwischen den
Wicklungen der Detektoren 13 und 14 des ersten Erfassungsmittels
10 einerseits und den Wicklungen der Detektoren 23, 24 des
zweiten Erfassungsmittels 20 andererseits. Das
Ausgangssignal Uy der Strecke Y des genannten Winkelgebers wird
zwischen den Wicklungen der Detektoren 13 und 23 einerseits
und den Wicklungen der Detektoren 14 und 24 andererseits
abgenommen.
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Analog dazu bestehen die elektromagnetischen Mittel 10, 20
jeweils aus einem Paar von Induktionsdetektoren 15, 16; 25,
26, die in diamentral entgegengesetzten Richtungen und in
den Richtungen X bzw. Y, die im 90º-Winkel zueinander
verschoben sind (siehe Fig. 2) , aufeinander ausgerichtet sind,
wobei die Wicklungen der beiden Paare von
Induktionsdetektoren 15, 16 und 25, 26 analog zu den Paaren von
lnduktionsdetektoren 13, 14 und 23, 24 als Brückenschaltung aufgebaut
sind, wobei sie ebenfalls von einem Ausgang des Generators
30 versorgt werden und es ermöglichen, das Ausgangssignal Ux
der zweiten Strecke X des genannten Winkelgebers abzunehmen.
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Was die Strecke Y betrifft, so variiert aufgrund der
Außermittigkeit der den ersten und den zweiten Rotorteil 12, 22
bildenden Blechpakete gegenüber der Achse der drehenden
Welle 40 der Eisenspalt ε zwischen den Rotor- und
Statorteilen mit der Drehung der drehenden Welle 40. Wenn der
Eisenspalt zwischen dem ersten Rotorteil 12 und dem
Magnetstück des Detektors 13 mit ε13, der Eisenspalt zwischen dem
ersten Rotorteil 12 und dem Magnetstück des Detektors 14 mit
ε14, der Eisenspalt zwischen dem zweiten Rotorteil 22 und dem
Magnetstück des Detektors 23 mit ε23, der Eisenspalt
zwischen dem zweiten Rotorteil 22 und dem Magnetstück des
Detektors 24 mit ε24 bezeichnet wird, kann gezeigt werden,
daß bei einer Außermittigkeit e, die sehr viel kleiner ist
als der Radius r des Rings der Rotorteile 12 und 22,
vorteilhafterweise in einem Verhältnis von 1 zu 300, die
Eisenspalte sich gemäß den folgenden Gleichungen verhalten:
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ε13 = εo- e cosΩt- y
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ε14 = εo+ e cosΩt- y
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ε23 = εo+ e cosΩt+ y
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ε23 = εo- e cosΩt+ y
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Der durchschnittliche Eisenspalt εo ist gleich der Differenz
zwischen R (Radius der Bohrung des Statorteils 11 oder 21)
und r (Radius des Rotorrings 12 oder 22). y ist die radiale
Verschiebung der Achse der drehenden Welle 40 auf der Achse
Y. Ω ist die Drehfrequenz der drehenden Welle 40. Die
Änderung der Eisenspalte ruft die Änderung der einzelnen
lnduktoren der Detektoren 13, 14, 23 und 24 sowie korrelativ die
Änderung der Ausgangsspannung Uy der Strecke Y des
Winkelgebers hervor, wenn dieser durch den Generator 30, der das
einzige Trägerwellensignal U(t) abgibt, erregt wird. Wenn
die Außermittigkeit e kleiner als ca. das 5-fache des
durchschnittlichen Eisenspalts und gleichzeitig größer als die
Verschiebung y der Achse der drehenden Welle 40 ist, ist die
Ausgangsspannung Uy der Strecke Y durch den folgenden
Ausdruck gegeben:
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Uy = e/εo(1 + L*) U(t) cosΩt
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wobei L* = Lδ/Lo das Verhältnis zwischen der
Streuinduktivität und der variierbaren Induktivität ist. Dieses Verhältnis
ist fest, da auch die mechanischen Parameter e und εo fest
sind, es wirkt sich jedoch stark auf die Empfindlichkeit der
Vorrichtung aus. Unter Vorbehalt der Prüfung auf die
obengenannte Ungleichheit, d. h. y < e < 5 εo, ist die
Ausgangsspannung Uy unabhängig von den radialen Verschiebungen der
drehenden Welle 40 auf der Achse Y.
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In gleicher Weise ergibt sich für die zweite Strecke X bei
e«r und bei x < e < 5εo, wobei x die radiale Verschiebung der
Achse der drehenden Welle 40 auf der Achse X ist,
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Ux = e/εo(1 + L*) U(t) sinΩt
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Der Parameter L* ist der gleiche wie zuvor, und die Spannung
Uy ist wieder unabhängig von den radialen Verschiebungen der
drehenden Welle 40 auf der Achse X, die zur Achse Y
mechanisch um 90º verschoben ist.
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Daraus ergibt sich letztendlich ein Geber, der unempfindlich
gegenüber einer exzentrischen Drehbewegung ist, und der
einen synchronen Zweiphasen-Trägerwellengenerator bildet,
der sich besonders eignet, um für einen Dauermagnetmotor
verwendet zu werden, wie es aus der Beschreibung der Fig. 2
hervorgeht.
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Die an den Klemmen des Winkelgebers anstehenden Signale Ux
und Uy weisen Formen auf, die identisch mit den Formen der
Signale eines Drehgebers sind, so daß bekannte elektronische
Schaltungen verwendet werden können, wie z. B. die Schaltung
2S80 von Analog Device, die die Umwandlung der Analogsignale
des Drehgebers in digitale Signale gewährleistet.
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Der Drehwinkel der drehenden Welle ist eine Funktion des
Verhältnisses der Ausgangsspannungen an den beiden Strecken
X und Y, genauer ausgedrückt:
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Ωt = arc tg Ux/Uy
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Fig. 3a zeigt die Form des Ausgangssignals der Strecke Y des
Winkelgebers. Bei diesem einzigen Trägerwellensignal U(t)
mit der Form U sin ωt, das von dem Generator 30 abgegeben
wird, ergibt sich am Ausgang der Strecke Y das gleiche,
modulierte Signal mit der Drehfrequenz der drehenden Welle
40.
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Fig. 3b zeigt die Form des Ausgangssignals der Strecke X des
Winkelgebers, die sich analog zu dem vorherigen, jedoch um
90º phasenverschoben darstellt.
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Fig. 4 zeigt ein Beispiel für den Antrieb einer
Synchronmaschine mit Dauermagneten 1, bei der ein Winkelgeber 2
verwendet wird. Im Gegensatz zu den Systemen mit
Asynchronmotoren erfordern die Antriebssysteme mit Synchronmotoren
(z. B. mit Samarium-Kobalt-Dauermagnetmotoren) mit variabler
Geschwindigkeit den Einsatz eines Winkelgebers. Um ein
stabiles Antriebssystem zu erhalten, das geeignet ist, im
gesamten Frequenzbereich einschließlich bei Stillstand das
maximale Drehmoment zu erzeugen, den Motor mit Strom zu
steuern und die Ströme in den drei Phasen in Abhängigkeit
von der Winkelstellung des Rotors anzulegen. So kann
beispielsweise der Einstellwert für einen Regelkreis für das
Drehmoment des Motors 1 durch das Ausgangssignal i*g eines
Geschwindigkeitsreglers 70 gegeben werden, wobei dieses
Ausgangssignal seinerseits mit Hilfe von Daten, die durch
einen Winkelgeber 2 wie z. B. den oben beschriebenen
Winkelgeber abgegeben werden, in zwei sinusförmige Signale
umgeformt wird, die Einstellwerte i*a und i*b für die Ströme in
den Phasen des Motors 1 darstellen.
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Der Dauermagnet-Synchronmotor 1 wird durch den
Frequenzwandler 3, der eine Leistungsstufe darstellt, die mit dem 380 V
- Wechselstrom-Versorgungsnetz (R, S, T) gekoppelt ist, mit
Strom versorgt. Der Frequenzwandler 3 wird durch eine
Steuerschaltung 4 gesteuert, die aus einem
Impulsbreitenmodulator (PWM) besteht, dessen Steurespannungen U*u, U*v, U*w
nach Durchgang durch eine Transformationsschaltung 5 von
zwei Stromreglern 6 und 7 abgegeben werden. Diese werden
durch den in den Summatoren 74, 75 erhaltenen Unterschied
zwischen den obengenannten Einstellwerten i*a und i*b und
Werten ia und ib, die nach Durchgang durch eine
Transformationsschaltung 8 aus Werten erzielt werden, die an den zwei
oder drei Phasen des Motors 1 an den Punkten 76, 77, 78
gemessen werden, beeinflußt.
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Die Einstellwerte i*a und i*b werden in Abhängigkeit von der
Winkelposition des Rotors, die durch eine Schaltung 9 zur
Verarbeitung der von einem erfindungsgemäßen Winkelgeber 2
abgegebenen Signale bestimmt wird, und in Abhängigkeit von
einem Gesamteinstellwert i*g, der von einem
Geschwindigkeitsregler 70 abgegeben wird, der durch den Unterschied
zwischen einem Geschwindigkeitseinstellwert Ω* und der aus
der Schaltung 9 erhaltenen, gemessenen Geschwindigkeit Ω
beeinflußt wird, entwickelt.
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Durch dieses Antriebssystem ist der optimale Winkel zwischen
den Polen des Rotors und der Verteilung der Statorströme bei
allen Geschwindigkeiten des Synchronmotors gewährleistet,
wobei die Modulation der Dauer der von der Steuerschaltung 4
abgegebenen Strobeimpulse es ermöglicht, am Ausgang des
Frequenzwandlers 3 ungefähr sinusförmige Signale als Funktion
der Winkelstellung des Rotors 40 zu erhalten.
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Die Schaltung 9 gibt die Information der Drehgeschwindigkeit
mit Präzision und großer Bandbreite ab, womit sie ein gutes
statisches und dynamisches Verhalten des
Geschwindigkeitskreises gewährleistet. Zudem ist es auch möglich, einen
zusätzlichen Stellungskreis vorzusehen, um das Anhalten des
Rotors in einer gegebenen Stellung zu gewährleisten.
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Ein Dauermagnet-Synchronmotor, der init einem Winkelgeber
gemäß dieser Erfindung verbunden ist, kann insbesondere bei
einem Antriebssystem für eine Bearbeitungsspindel verwendet
werden, die in aktiven Magnetlagern sitzt. Bei dieser
Anwendung kann das Steuersystem des Synchronmotors vollkommen
zuverlässig arbeiten, obwohl die von den Magnetlagern
gehaltene Welle eine exzentrische Drehbewegung aufweisen kann,
insbesondere bei einem Zurückgreifen auf Zusatzlager. In
diesem letzteren Fall gewährleistet ein erfindungsgemäßer
Winkelgeber, der unempfindlich gegenüber den radialen
Verschiebungen der Welle ist, das reibungslose Arbeiten des im
Bremsbetrieb laufenden Synchronmotors.