DE8208991U1 - Vorrichtung zur inkrementalen erfassung der fahrzeuglage eines magnetschwebefahrzeuges - Google Patents

Description

	Essen, den	17.1.1984
	PZ 3289 Z	Fö/gl
G 82 08 991.4

THYSSEN INDUSTRIE AG Am Thyssenhaus 1

4300 Essen 1

Bausatz für eine Vorrichtung zur inkrementalen Erfassung der Fahrzeuglage

Die Erfindung betrifft einen Bausatz für eine Vorrichtung zur inkrementalen Erfassung der Fahrzeuglage eines Magnetschwebefahrzeuges, aus einem Langstatormotor mit wenigstens einer kodierten Meßleiste, die sich in der Richtung des Langstatormotors mit fester Lagezuordnung zur Statorwicklung erstreckt, und mit einem am Fahrzeug angeordneten Sensorsystem aus einem oder mehreren in der Richtung des Langstatormotors mit Abstand angeordneten Sensoren zum Erfassen der Kodierung.

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Zur Stabilisierung der Vortriebskräfte bei einem Synchron-Langstator-Motor ist es notwendig, Informationen über die relative Lage des fahrzeugbezogenen Erregerfeldes und der Statorwicklungsverteilung zu gewinnen, um die Phasenlage des schubbildenden Statorstrombelages definieren zu können. Darüber hinaus werden Informationen über die absolute Fahrzeuglage sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit benötigt. Dabei ist es erforderlich, den mechanischen Luftspalt zwischen dem Tragmagneten und der Fahrschiene zu regeln.

Bei einem synchronen Linearmotor mit weggesteuerter Erregung ist es bekannt, längs des Stators eine kodierte Meßleiste anzuordnen, die im Bereich von Sensoren liegt, deren Meßsignale Sollwerte für den Erregerstrom liefern (DE-OS 21 16 724). Die Sensoren sind im Bereich

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der Erregerwicklung angeordnet, so daß die Meßsignale durch die Erregerströme selbst beeinflußt werden.
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Zur Messung und Regelung des mechanischen Luftspaltes zwischen dem Magneten und der Tragschiene ist ein induktives Meßsystem bekannt, welches direkt zwischen dem Magneten und der Schiene angeordnet ist (DE-OS 28 03 877). Auch dieses Meßsystem wird durch den Magneten selbst beeinflußt.

Die kontinuierliche Erfassung der absoluten Fahrzeuglage, das heißt des Ort des Fahrzeuges längs der Schiene, ist bisher durch Integration der Weginformation erfolgt. Trotz zuverlässiger Integrationsverfahren läßt jedoch eine solche Lagebestimmung zu wünschen übrig, weil Fehler nicht ausgeschlossen werden können, bzw. die Lageinformation zuverlässig gespeichert werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern, daß die relative und die absolute Fahrzeuglage mit großer Genauigkeit und weitgehend unbeeinflußt durch die Felder des Antriebs ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Meßleiste neben einer PoI-lagekodierung auch eine Schlitzkodierung zur Bestimmung des absoluten Fahrzeugorts aufweist, und daß die unabhängig vom Antriebssystem angeordneten Sensoren einerseits Meßwicklungen für die Pollagedekodierung und andererseits Meßwicklungen für die Schlitzdekodierung besitzen, wobei die Achsen der Meßwicklungen für die Pollagedekodierung unter einem anderen Winkel zur Meßleiste angeordnet sind als die Achsen der Meßwicklungen für die Schlitzdekodierung.

Dadurch, daß die Meßleiste so angeordnet ist, daß sie von Feldern des Antriebssystems weitgehend frei ist, steigt die Empfindlichkeit der der Meßleiste zugeordneten Sensoren. Dadurch wird es wiederum möglich, Sensoren einzusetzen, die einerseits Meßwicklungen für die Pollagedekodierungen und andererseits Meßwicklungen für die Schlitzdekodierung besitzen, die also Felder, die zum Zwecke der Messung

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im Bereich der Meßleiste aufgebaut werden und die durch die Kodierung der Meßleiste beeinflußt werden, entkoppeln können. 5

Insbesondere können die Sensoren aus U- oder E-förmigen Kernen aufgebaut sein, deren Schenkel auf die Meßleiste gerichtet sind, wobei die Meßwicklungen für die Pollagedekodierung an den Schenkeln sowie die Meßwicklungen für die Schlitzdekodierung an den Stegen angeordnet sind. Damit V3t sich durch geometrische Anordnung der einzelnen Meßwicklungen bereits eine weitgehende Entkopplung der gewünschten Meßinformationen erreichen.

Die Meßsignale sind im übrigen groß genug, damit durch Differenzbildung der Meßsignale zweier benachbarter Meßwicklungen Störgrößen gleichsam eliminiert werden können. Dementsprechend sollen zwei benachbarte Stege eine Meßwicklung für die Schlitzdekodierung tragen.

Unabhängig davon ist es vorteilhaft, wenn zwei Sensorsysteme vorgesehen werden, die in Fahrtrichtung zueinander versetzt und mit unterschiedlichem Abstand zur Meßleiste angeordnet sind. Der unterschiedliche Abstand der Sensoren von der Meßleiste ermöglicht wiederum eine Differenzbildung, durch die Einflüsse des Abstandes der Sensoren von der Meßleiste durch Differenzbildung ausgeschaltet werden können. 25

Die beiden Sensorsysteme, die in Fahrtrichtung zueinander versetzt sind, insbesondere um eine halbe Polte\lung der Statorwicklung zueinander versetzt sind, ermöglichen im übrigen die Bestimmung eines sogenannten Pollagevektors, der die relative Lage des Fahrzeugs zur Statorwicklung bestimmt.

Mit derartigen Sensoren läßt sich eine sehr einfach aufgebaute, kodierte Meßleiste abfragen. Die Pollagekodierung besteht zweckmäßig aus im Abstand der Polteilung der Statorwicklung angeordneten rechteckigen Ausnehmungen an der Meßleiste. Die Meßwicklungen für die Pollagedekodierung registrieren dann die Änderungen eines auf der anderen Seite der Meßleiste aufgebauten Magnetfeldes beim Durchgang der Ausnehmungen bzw. der dazwischen befindlichen Zungen im wesentlichen als

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eine Grundschwingung, deren Frequenz der Polteilung der Statorwicklung entspricht.
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Die Schlitzkodierung kann demgegenüber aus breiten Schlitzen bestehen, die an den zwischen den Ausnehmungen verbliebenen Zungen angeordnet sind. Durch diese Schlitzkodierung wird zwar die Pollagedekodierung etwas gestört, weil auch durch die Schlitze das auf der anderen Seite der Meßleiste aufgebaute Magnetfeld beeinflußt wird, die Störungen lassen sich aber auf einfache Weise dann beherrschen, wenn die Anzahl der Schlitze auf jeder Zunge konstant ist.

Im übrigen ist es zweckmäßig, wenn die Schlitzt« relativ zu einem kon-

stanten Abstandsraster rechtsbündig oder linksbündig angeordnet sind, weil bei einem konstanten Abstandsraster die Störung der Poilageinformation am geringsten ist und im übrigen durch Anordnung der Schlitze rechts oder links der Rastergrenzen eine eindeutige Information erhalten werden kann.

Während die Meßsignale, die die Pollageinformation enthalten, analoge Signale mit hohem Auflösungsvermögen sind, liefern die Meßwicklungen für die Schlitzdekodierung digitale Meßsignale, die in üblicher Weise zur Bestimmung der absoluten Fahrzeuglage verarbeitet werden können.

Zur Verarbeitung der die Pollageinformation enthaltenen Meßsignale kann den Meßwicklungen für die Pollagedekodierung ein Phasen-Regelkreis zur Bildung eines Pollagevektors zugeordnet sein. Der Phasen-Regelkreis weist zweckmäßig einen Regler und einen durch dessen Ausgang gesteuerten Oszillator mit nachgeschaltetem Sinus/Kosinus-Konverter auf. Am Ausgang des Reglers entsteht ein Signal, welches der Fahrtgeschwindigkeit entspricht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus Unteransprüchen, die insbesondere eine Ausführung beschreiben, bei der die Meßleisten einen winkelförmigen Querschnitt besitzen, wobei der vertikale Schenkel der Meßleiste die Pollagekodierung und die Schlitzkodierung trägt, während der horizontale Schenkel der Meßleiste eine außerhalb des

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Tragmagneten liegende Bezugsebene zur Bestimmung des mechanischen Luftspaltes zwischen Tragmagnet und Schiene bildet. 5 Im folgenden werden In der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Bild 1 zeigt die räumliche Zuordnung von der Lage-Referenz-Leiste zum Stator, sowie von dem Sensor zum Erregermagneten. Die auf der Lage-Referenz-Leiste aufgebrachte Pollagekodierung, deren Breite einer Polteilungj^p der Statorwicklung entspricht, wird räumlich einer Phase der mehrsträngigen Statorwicklung zugeordnet. Der im Fahrzeug angeordnete korrespondierende Sensor steht in räumlich definiertem Bezug zu den Erregermagneten. Für beide Anordnungen sind die Bezugslagen frei wählbar, da eine Korrektur der räumlichen Winkelverschiebung an den elektrischen Sensoraus-

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gangssignalen vorgenommen werden kann. Der Sensor mit einer Gesamtlänge von etwa 2 Tp besteht aus zwei Teilsensoren </-,£, die relativ zueinander um eine halbe Polteilung entsprechend einem räumlichen Winkel von -L- versetzt angeordnet sind. Im Bild 2 sind die Sensoranordnung sowie deren Ausgangssignale Ü£ , UyB bei der Bewegung in Vortriebsrichtung dargestellt. Die Sensoren sind so ausgebildet, daß aus dem rechteckförmigen Verlauf der Pollagekodierung der Grundwellenanteil ermittelt wird. Dabei werden Abstandsschwankungen des Sensorsystems bezüglich der Lage-Referenz-Leiste nur in der Amplitude der Sensorsignale, nicht aber in deren Phasenlage abgebildet.

Zur Bestimmung der absoluten Fahrzeuglage wird die Pollagekodierung zusätzlich mit einer inkreroentalen Schlitzkodierung versehen (Bild 3).

Im Hinblick auf eine geringe Rückwirkung der Schlitzkodierung auf das Pollagesignal ist dabei die Anzahl der eingeschirebenen Schlitze je Pollagekodierung konstant. Die Wertigkeit eines jeden Schlitzes ist durch seine räumliche Lage innerhalb eines jedem Schlitz zugewiesenen Bereiches gekennzeichnet. Die Zuordnung jeder gelesenen Schlitzinformation erfolgt durch das Pollagesignal, da sich dessen zeitlicher Verlauf an der Pollagekodierung orientiert.

Abhängig von dem Auflösungsvermögen der zu lesenden Schlitzinformation, der Länge einer Pollagekodierung und der Länge der zu lesenden Information können eine oder mehrere Pollagekodierungen zur Beschreibung eines binären Wortes verwendet werden.

Bild 4 zeigt die prinzipielle Sensoranordnung zur Ermittlung der Pollage sowie zur Schlitzdekodierung.

Ein einseitig von der Lage-Referenz-Leiste erzeugtes magnetisches Wechselfeld wird auf der anderen Seite der Lage-Referenz-Leiste durch eine Meßwicklungsanordnung sensiert. Die Informationsermittlung erfolgt durch Modulation der magnetischen Flußverteilung. Es werden hierbei in der elektrisch leitfähigen Pollagekodierung auftretende Wirbelstromeffekte ausgenutzt.

Während die Pollageinformation integral über den Bereich von etwa einer Polteilung bestimmt wird, erfolgt die Schlitzdekodierung in einem eng begrenzten Bereich durch eine zusätzlich angeordnete Meßwicklung. Es werden die bei einer Schiitzdekodierung auftretenden Feldunsymmetrien genutzt.

Zur Elimination der Amplitudenabhängigkeit und zur Abdämpfung vorhandener Oberschwingungen in dem Pollagesignal des Sensors wird der gemessene Pollagevektor U multiplikativ entsprechend GH in Bild 5 mit einem Referenzvektor U_ verknüpft. Diese Beziehung entspricht einer Koordinatentransformation des MeB-vektors U auf ein Referenzkoordinatensystem U ._R (Bild 5). ij Der der Winke ld if f er en ζ (9„ - θ_) entsprechende Imaginärteil Ue f wird einem Phasenregelkreis (Bild 6) zugeführt. Durch Nachführen des Referenzvektors wird der stationäre Winkelfehler unabhängig ■;' von der Frequenz des Pollagesignales zu Null geregelt.

Zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit kann das Regleraus- § gangssignal Herangezogen werden. (Bild 7). Gegenüber einer f zeitdiskreten Geschwindigkeitsermittlung ergibt sich bei diesem Verfahren ein besseres von der Fahrgeschwindigkeit unabhängiges dynamisches Verhalten, wobei die Filterwirkung durch die Wahl der Reglerparameter festgelegt ist.

Claims (14)

5 Ansprüche:

1. Bausatz für eine Vorrichtung zur inkrementalen Erfassung der Fahrzeuglage eines Magnetschwebefahrzeuges, aus einem LangstatGrmotor mit wenigstens einer kodierten Meßleiste, die sich in der Richtung des Langstatormotors mit fester Lagezuordnung zur Statorwicklung erstreckt, und mit einem am Fahrzeug angeordneten Sensorsystem aus einem oder mehreren in der Richtung des Langstatormotors mit Abstand angeordneten Sensoren zum Erfassen der Kodierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleiste (7, 107) neben einer Pollagekodierung (120, 121) auch eine Schlitzkodierung (124) zum Bestimmen des Fahrzeugortes aufweist, und daß die unabhängig vom Antriebssystem angeordneten Sensoren (13, 113, 122, 123) einerseits Meßwicklungen (131) für die Pollagedekodierung und andererseits Meßwicklungen (133) für die Schlitzdekodierung besitzen, wobei die Meßwicklungen (131) für die Pollagedekodierung unter einem anderen Winkel zur Meßleiste (107) angeordnet sind als die Meßwicklungen (133) für die Schlitzdekodierung.

2. Bausatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (122, 123) aus U- oder E-förmigen Kernen (127) aufgebaut sind,

deren Schenkel (128) auf die Meßleiste (107) gerichtet sind, und daß die Meßwicklungen (131) für die Pollagedekodierung an den Schenkeln (128) sowie die Meßwicklungen (133) für die Schlitzdekodierung an den Stegen (132) angeordnet sind. 30

3. Bausatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei benachbarte Stege (132) eine Meßwicklung (133) für die Schlitzdekodierung tragen.

4. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pollagekodierung aus im Abstand der Polteilung der Statorwicklur.g (1, 101) angeordneten jrechteckigen Ausnehmungen (120) der Meßleiste (107) besteht.

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5. Bausatz nach eintän der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzei .;hnet, daß die Schlitzkodierung (124) aus breiten Schlitzen (125) besteht, die an den zwischen den Ausnehmungen (120) verbliebenen Zungen (121) angeordnet sind.

6. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,, daß die Anzahl der Schlitze (125) auf jeder Zunge (121) konstant ist.

7. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet., daß die Schlitze (125) relativ zu einem konstanten Abstandsraster (126) rechtsbündig oder linksbündig angeordnet sind.

8. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch zwei Sensoren (122, 123), die in Fahrtrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.

9. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (122, 123) um eine halbe Polteilung der Statorwicklung (101) zueinander versetzt sind.

10. Bausatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleiste (7) eine metallische Referenzfläche (8) mit definierter Lage zur Nutoberfläche des Statorblechpakets (1) eines Langstatorantriebs besitzt und/oder

daß diese Meßleiste (7) eine Referenzfläche (10) besitzt und daß die Referenzfläche (10) in Ausbreitungsrichtung der von der Statorwicklung (2) erzeugten Strombelagswelle eine digitale Kodierung mit fester Lagezuordnung zur Statorwicklung trägt und daß diese definierte Lage durch in Zuordnung zur Nutung des Statorblechpakets (1) mit Hilfe von zusätzlichen am Statorblechpaket (1) eingebrachten Nuten und/oder entsprechender Ausbildung der Befestigungsteile für die Statorwicklung mit einheitlichen Montageteilen ohne zusätzliche Montageeinrichtungen genau und eindeutig erfolgt und daß die digitale Ortskodierung durch die Abfolge von elektrisch leitfähiger Beschichtung, elektrisch

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nichtleitendem Zwischenraum und elektrisch leitfähiger Beschichtung
der Referenzfläche (10) gebildet wird.

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11. Bausatz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, ; daß die Meßeinrichtung (9) zur Messung des Luftspalts (6) aus 'φ einem induktiven Spaltsensor (14) mit einer Sendespule (15) und % einer Empfängerspule (16) besteht und einen Festwertspeicher (27) %

aufweist. %

12. Bausatz nach Anspruch 10» dadurch gekennzeichnet. I daß das induktive Sensorsystem zur Erfassung der Ortskodierung ;; (10) aus einem Sendesystem (12) und einem Empfangssystem (13) |

besteht und j

daß dieses System die Referenzfläche (10), welche die Ortskodierung |

trägt, gabelförmig umfaßt und f

daß das Sendesystem (12) aus einer von einem Hochfrequenzgenerator |

(36) gespeisten Sendespule (37) besteht und |

daß das Empfangssystetn (13) aus einer Empfangsspule (38) mit nach- J

geschaltetem Bandfilter (39) und Demodulator (40) besteht. f

13. Bausatz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß das Sendesystem (12) und/oder das Empfangssystem (13) aus
mehreren Sendespulen und/oder Empfangsspulen besteht.

14. Bausatz nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere induktive Sensorsysteme (12, 13) zu Gruppen zusammen
gefaßt sind und

daß diese Sensorgruppen längs des Fahrzeugs symmetrisch zur Fahr
zeugmitte angeordnet sind.