SE458640B - Elektrisk servomotoranordning - Google Patents

Description

'458 640 10 15 20 25 30 Ett ändamål med den föreliggande uppfinningen är att åstadkomma ett servomotorsystem där torsionsberoendet praktiskt taget är eliminerat som hinder för frekvenspå- verkan i ett snabbverkande servosystem. Ett annat ändamål är att åstadkomma ett snabbverkande servosystem som är mer kompakt.

Angivna ändamål uppnås genom den föreliggande upp- finningen såsom den karakteriseras í den kännetecknande delen av det efterföljande patentkravet 1.

Sålunda är statordelen av positionsomvandlaren infäst på den inre ytan av statorns kärna och positions- omvandlarens rörliga del är infäst runt rotorn. Genom att placera omvandlarelementen inuti luftgapet och direkt an- slutna på rotor- och statorelementen så föreligger i huvudsak ej något mekaniskt beroende mellan rotorn och om- vandlaren och följaktligen är det mekaniska beroendet i huvudsak undanröjt som hinder mot frekvenspåverkan vid systemkonstruktionen.

Generellt sett är det ej möjligt att placera om- vandlaren i luftgapet i en elektrisk motor på grund av om- vandlarens geometri och/eller inverkanpå magnetfältet i motorn. Det har emellertid befunnits att en kapacitiv posi- tionsomvandlare kan utformas till att passa in i motorns luftgap utan någon materiell förstoring av luftgapet. Av ännu större vikt är att det befunnits vara möjligt att en kapacitiv positionsomvandlare kan utformas så att den är okänslig för motorns magnetfält och så att omvandlaren icke får någon väsentlig skadlig inverkan på motorn.

Med omvandlarelementen direkt anbringade på motorns rotor- och statorelement närmar sig servoslingan gränsen 10 15 20 25 30 35 458 640 3 för mekanisk styvhet och följaktligen blir den mekaniska tid- konstanten_i servoslingan ej något begränsande hinder. Den induktiva tidkonstanten för servoslingan kan i allmänhet re- cuderas i önskad utsträckning genom utnyttjande av högre spänningar. Servosystemets frekvenspâverkan kan sålunda ökas väsentligt utöver vad som tidigare uppnåtts i prak- tiskt förekommande servosystem med jämförbara komponenter och begränsas i huvudsak enbart av effektöverföringsförmågan och motorns maximihastighet.

Föredragna utföringsformer Uppfinningen kommer att beskrivas mer i detalj nedan under hänvisning till bifogade ritningar, där fig. 1 visar en motor- och positionsomvandlarenhet enligt den föreliggande uppfinningen samt ett blockschema för att illustrera servoslingan, l fig. 2 visar en detalj av motorns luftgap enligt fig. 1 varav omvandlarelementens placering framgår, fig. 3 visar rotor- och statordelarnas ledarmönster hos omvandlaren samtidigt med kretsarna för att alstra rotorpositionsdata, fig. 4 visar diagram för olika vågformer som upp- träder i systemet enligt fig. 3, fig. 5 visar en andra utföringsform av systemet enligt uppfinningen med både en grov- och en finpositionsomvandlare och fig. 6 visar rotor- och statoromvandlarutförandena för systemet enligt fig. 5 med tillhörande kretsar för att alstra rotorpositionsdata.

Den i systemet enligt uppfinningen ingående elektriska motorn kan vara av känd typ vari det förekommer ett luftgap som är tillräckligt för att innesluta en positionsomvandlare av kapacitiv typ. Såsom framgår av fig. 1 kan motorn vara av borstlös synkrontyp med en rotor 10 med en ring 12 av permanentmagnetiskt material. Den permanentmagnetiska ringen 12 är magnetiserad för att alstra omväxlande nord- och sydpoler på ringens ytteryta. För högeffektiva motorer är företrädesvis magnetmaterialet en samarium-koboltblandning 458 640 10 15 20 25 30 35 4 som magnetiserats för att ge de önskade magnetpolerna. Den magnetiska ringens 12 är lämpligen monterad för att rotera på en motoraxel 1%.. ' 4 Motorns statordel 16 innefattar en cylindrisk lamine- rad järnkärnestruktur 18 med slitsar som sträcker sig radi- ellt utåt från luftgapet. Lindningarna 20 för motorn är pla- cerade i statorslitsarna och kan vara i form av en konven- tionell trefasig Y-form. Såsom kommer att förklaras nedan med- för strömmatning av lindningarna via kommuteringskretsen ett roterande magnetfält.

Såsom bäst framgår av fig. 2 är positionsomvandlaren placerad i motorns luftgap. Omvandlarens stationära del inne- fattar en serie kapacitiva plattor utbildade medelst tryckta kretsar 23 på ett tunt substrat 22. Dessa tryckta kretsar är infästa på statorkärnans 18 inneryta. Företrädesvis inne- fattar de tryckta kretsarna även en jordledare 2H på substra- tets motsatta sida. Den innefattar likaledes en formade medelst tryckta Substratets 26 motsatta rörliga delen av positionsomvandlaren serie kapacitiva plattor som är ut- kretsar 27 på ytan av ett substrat 26. sida innefattar företrädesvis även den ett ledarmönster 28 som bildar jord. Det rörliga ledarmönstret är infäst på den omgivande permanentmagnetringen 12 hos rotorn.

Det rörliga omvandlarledarmönstret 27 visar i den övre delen av fig. 3 och omfattar två kapacitiva plattor 30, 34.

Plattan 30 är i ett stycke med den långsträckta remsan 32 som går utmed ledarmönstrets längd och plattan 3ß är på liknande sätt ett stycke med en remsa 36. Ledarmönstrets längd mot- svarar omkretsen på rotorns permanentmagnetring 12 så att då ledarmönstret är monterat bildar remsorna 32, 36 ledande ringarringar som omger rotorn. De kapacitiva plattorna 30, äh täcker vardera 90 graders båge av rotorns omkrets. För att nedbringa eddyströmförlusterna till ett minimum är plattorna 30, 34 företrädesvis i form av labyrintmönster (återgivet i detalj H2) där bägformigt utsträckta fingrar 37-H0 är förenade med remsan 32 vid ena änden medelst en ledare H1.

Det stationära ledarmönstret för omvandlaren inne- fattar remsor 50, 52, som ligger i linje med respektive rem- sor 32, 36 hos rotormönstret. När det stationära.mönstret mon- 10 15 20 25 30 35 458 640 5 terats på statorns inneryta bildar följaktligen remsorna 50, 52 stationära ringar för energikoppling till de rörliga plat- torna 30, 34 via de ringar som bildas av remsorna 32, 36.

Omvandlarens stationära del innefattar även ett par kapacitiva plattor Sk, 56 som ligger i linje med plattorna 30, 34 för att alstra en modulerad sinussignal. Dessutom innefattar det stationära mönstret en andra grupp kapacitiva plattor 60, 62, vilka upptar de bâgformiga lägena mellan plattorna Su, 56 för att alstra en modulerad cosinusutsignal.

Plattorna 54 upptar sålunda 0-90 grader av bågen, plattan 60 upptar 90-180 grader, plattan 56 upptar 180-270 grader och plattan 62 upptar 270-360 grader av bâgen. Plattorna 54, 56, 60, 62 återges uppta vardera ungefär halva bredden av om- vandlaren för afi:ge bästa möjliga signalseparation, men de kanwara bredare under förutsättning att de enskilda plattiden- titeterna bibehålles. För att reducera eddyströmförlusterna kan plattorna utformas i labyrintlika utföranden som återges i detalj 66 (fig. 3), så att exempelvis plattan 56 bildas av remsorna 57, 58 vilka är förenade vid den ände som ej visas och plattan 60 bildas av remsorna 63, 64 som är förenade vid återgiven ände. Remsorna 57, 58 ligger i linje med rem- sorna 37, 38 i rotormönstret och remsorna 63, 60 ligger i linje med remsorna 39, 40.

Ledningar från de olika sektionerna hos statorns ledarmönster kan utföras på lämpligt sätt såsom genom anslut- ningar i genomgående hål till ledare på motsatta sidan av substratet.

Jordplanen 20, 28 (fig, 2) på substratets motsatta sida är önskvärda för reducering av störningar i omvandlarens utsignaler. Jordplanen är företrädesvis utformade som cirku- lära remsor, vilka är förenade med en enda transversell ledare för att härigenom undvika onödiga eddyströmförluster.

Omvandlaren aktiveras av en oscillator 70, som före- tärdesvis arbetar vid ungefär 100 kHz. Oscillatorn 70 är ansluten till remsorna 50, 52 via en amplítudstyrenhet 72.

Energin från oscillatorn matas från remsorna 50, 52 till remsorna 32, 36 för aktivering av de rörliga plattorna 30, 34. På så sätt aktiveras de rörliga plattorna utan nâgra “458 640 10 15 20 25 30 35 r 6 krav på borstar eller glidringar.

Energikopplingen från det rörliga mönstret till det stationära-mönstret för alstring av positionstecken återges i fig. 4. Om rotor- och statormönstren ligger i linje, såsom visas i fig. 3, (i fortsättningen angivet som nolläget) före- ligger en maixmikoppling för signalen till plattorna 54, 56 för att alstra en sinussignal med maximiamplitud. Om rotorn vrids 90 grader kommer plattorna att ligga ur linje så att en minimal energikoppling sker. Vid 180 graders energikopp- ling föreligger åter ett maximum men med omkastad polaritet.

Vid 270 grader är energikopplingen åter minimal. En 360 graders vridning för rotorn alstrar således en cykel av en modulerad sinusvåg såsom visas i det övre diagrammet i fig. H. Plat- torna 60, 62 är förskjutna 90 grader relativt plattorna 54, 56 och därför ger de en liknande modulerad vågform, men denna är förskjuten 90 grader, dvs. utgör den cosinusvåg som visas i det andra diagrammet ovanifrån i fig. 4 Plattorna 54, 56 är anslutna till en sinusdemodulerings- krets 7% för demodulering av sinusvågen och återvinna den gränsvåg som återges i det tredje diagrammet i fig. H. På samma sätt är plattorna 60, 62 anslutna till en cosinus- demodulatorkrets 76 för demodulering av cosinusvågen och återvinning av den gränsvåg som visas i bottendiagrammet av fig. 4. 0 Utsignalerna från demodulatorerna 7h, 76 matas till kretsar 78 för automatisk förstärkningsstyrning (QGC) som be- räknar värdet pâ sinzx + coszx med användning av analoga dataelement. Eftersom summan av sinzx och coszx alltid är lika med ett oavsett rotorpositionen så är denna summa lämp- lig att använda för styrning av amplituden på aktiverings- signalen från oscillatorn 70. Aktiveringssignalens amplitud regleras automatiskt via amplitudstyrkretsen 72 för bibehål- lande av värdet 1 på sinzx + coszx. Värdena på de demodu- lerade signalerna kan därefter användas som representativa för positionen.

Utsignalen från sinusdemodulatorn 7{ matas till en analog/digitalomvandlare (A/D) 83 via en förstärkare 81 och 10 15 20 25 30 35 458 6406 7 utsignalen från cosinusdemodulatorn 76 matas till en analog/digítalomvandlare (A/D) 82 via en förstärkare 80.

De digitala utsignalerna från omvandlarna 82, 83 matas såsom adressínsignaler till ett läsminne 86 (ROM).

Av fig.4 framgår att värdena pà de demodulerade sinus- och cosinussignalerna tillsammantagna utgör en unik grupp värden för varje vinkelposition för rotorn. Minnet 86 är programmerat att innehålla en uppslagstabell för omvand- ling av sinus- och cosinusadressvärdena till vinkelpositioner i digital form för rotorn.

Pig. 1 visar den servoslinga där positionsdata som alstras av det i fig. 3 visade ROM 86 kommer till användning.

Statorlindningarna strömmatas medelst en kommutator- krets 190, som styrs av rotorpositionssignaler från Hall- detektorer, vilka är förskjutna 60 grader relativt varandra.

Signalerna för Hall-detektorerna användes för att styra halvledaromkopplare som är anslutna till lindningarna. En lämplig anordning med sex transistorer i en omkopplingsbrygga återges i patentansökan 8220239 ingíven 1982-07-13. Positions- omvandlarkretsarna 90, som tidigare beskrivits i samband med fig. 3, matar positionsadressdata till ROM 86, som omvandlar dessa data till vinkelpositionsvärden. En digital komparator 92 mottar aktuella positionsdata från ROM 86, och önskade positionsdata från en ingângskrets 9H och beräknar skillnaden eller felet. Skillnaden matas till en pulsbreddmodulator (PWM) 99 för styrning av medelvärdesaktiveringsnivân för strömmen till lindningarna via kommutatorkretsen 98. Vid konventionellt servoutförande tenderar motorn att gå mot den önskade posi- tionen för undanröjande av felsignalen.

Med den i fig. 3 visade positionsomvandlaren är mönster- delningen lika med ett varv, dvs. det krävs ett helt varv i mönstret innan det börjar att upprepa sig. Om hänsyn tas till att minimera störníngarna i systemet kan en dylik omvandlare ge korrekta positionsdata till en hundradel av delningen.

De i fig. 3 visade mönstren kan sålunda potentiellt indikera vinkelpositioner till inom 4 grader. Sådana störningskällor som kan motverka noggrannheten är mindre fel som härrör från 0458 640 ' 10 15 20 25 30 35 8 skillnader mellan omkretsdimensioner och längden på omvandlar- mönstren, luftgapsvarianter mellan rörliga och stationära om- vandlarelement, skevheter hos omvandlarmönstret och mönster- defekter. Störningar genereras även av själva motorn, krets- komponenterna och temperaturdriften.

Finane positionsangivelser kan erhållas genom att man gör delningen för omvandlarmönstret finare, ned till delar av ett varv. Systemet är ändå kapabelt att ange läget till en hundradel av delningen och följaktligen ger det finare delningsomvandlarmönstret motsvarande noggrannare positions- angivelser. Det är viktigt att luftgapet mellan omvandlar- elementen icke överstiger ett par procent av delningsavstândet.

För en motor med luftgapet inom 0,2 - 0,25 mm skulle således det tänkbara minimidelníngsavstândet för omvandlaren vara ungefär 2,54 mm. Tryckt kretsteknik föreligger för tillverk- ning av omvandlare med en delning så fin som 0,25 mm, men 2,5 mm utgör en mer praktisk gräns för de flesta motorkonstruk- tíonerna. l Nackdelarna med omvandlare i motorer med en del- ning som uppgår till delar av ett varv är att .där en absolut posítionsangivelse erfordras måste en ytterligare positions- givare anslutas till systemet för att ange den föreliggande positionssektorn. Om exempelvis mönstret har en delning av 1/12 varv upprepas omvàndlarmönstret tolv gånger per varv och positionen anges inom tolv 30 graderssegment. Ett lämpligt system för att indikera den speciella sektorn kan erhållas genom att man anordnar en markeringsposition i omvandlaren för att ange en nollpositionsindikering. Markeringspositions- indikeringen skulle kunna användas i kombination med en räknare förëfli räkna nollövergångarna hos de demoudlerade om- vandlarutsignalerna. I en sådan anordning ger räknaren en grovlägesindikering, dvs. en sektorpositicn,och den normala omvandlarutsignalen ger en finlägesindikering inom sektorn.

En annan teknik för att alstra finlägesindikeringar utnyttjar kapacitiva omvandlare, som är anordnade inuti motorns luftgap såsom visas i fíg. 5 och 6, där omvandlar- mönstret innefattar ett grovmönster med en delning som är lika Jäila ... 10 15 20 25 30 35 458 640 9 med ett varv och ett finmönster med en delning som är lika med 1/12 varv.

Omvandlarmönstrets rörliga del visas i den övre delen av fig. 6 och omfattar tre parallella remsor 102 - 104, som bildar ringar vilka omger rotorn när mönstret är på plats.

Kapacitíva plattor 106, 107, som vardera täcker 90 graders segment av ytan och är i ett stycke med respektive remsorna 103, 102, är förlagda på samma avstånd samt bildar den rörliga delen av grovpositionsomvandlaren.

Positionsomvandlarens fina del innefattar kapacitiva plattor 108, som utgör ett stycke av remsan 104, samt plattor 109 som är i ett stycke med remsan 103. Plattorna 108, 109 bil- dar såsom visas ett sammanvävt labyrintformat mönster som upp- repas tolv gånger och följaktligen uppvisar en delning av, 1/12 varv.

Det stationära omvandlarmönstret innefattar remsorna 112 - 110, vilka ligger i linje med respektive remsa 102-104 i det roterande mönstret. När de är på plats inuti motor- kärnan bildar remsorna 112 - 114 ringar för att koppla energi till det rörliga mönstret.

Det stationära mönstret innefattar även plattor 116, 117, som ligger i linje med plattorna 106, 107 för att gene- rera sinussignalen och plattor 118, 119 mellan dessa för att generera cosinussignalen. Plattorna 116 - 119 bildar tillsam- mans med plattorna 106, 107 omvandlarens grova del, vilken är lik den som beskrevsi samband med fig. 3.

Det stationära mönstret innefattar vidare mellan- liggande labyrintformiga mönster 120, 121, som ligger i linje med det rörliga mönster som bildas av plattorna 108, 109. Mönst- ren 120 - 121 och 108 - 109 bildar omvandlarens finpositíons- del.

Omvandlaren aktiveras från en växelströmskälla 130 via en amplitudstyrkrets 132. En växelströmssignal pålägges remsorna 113, 114 för att energímata plattorna 103, 104 i det rörliga mönstret för att aktivera plattorna 108, 109.

På samma sätt tillförs energi mellan remsorna 112, 113 vari- från den matas till remsorna 102, 103 för att aktivera plat- 4581' 640 10 15 20 25 30 35 10 torna 1G6,107 i det rörliga mönstret. Plattorna 116, 117 är anslutna till en grovsinusdemodulatorkrets 137 och plattorna 118, 119 är anslutna till en grovcosinusdemodulatorkrets 136.

Utsignalerna från demodulatorkretsarna 136, 137 matas till en automatisk förstärkarstyrkrets 140 (ASC), som beräknar värdet på sin x +-cos2X. Den automatiska förstärkarstyrkretsen är ansluten till amplitudstyrkretsen 132 för att reglera amplitu- den på den aktiveringssignal som tillförs omvandlaren på sätt som tidigare beskrivits i samband med fig. 3 o Mönstren 120, 121 matas till en finsignaldemodulator- krets 138 som avkodar den modulerade signalen från omvandlarens finpositionsdel. Demodulatorns 138 utsignal är en sinusväg med tolv perioder per motorvarv.

Utsignalerna från demodulatorkretsarna 136 - 138 matas till analog/digitalomvandlare (A/D) 146 - 148 via respektive förstärkare 142 - 144. De digitala utsignalerna från omvandlarkretsarna matas som adressinsignaler till ett läsminne (ROM) 150. ROM:et 150 kanvera en konventionell minnes- enhet med 16 bitars adresskapacitet, 8 bitar från A/D-omvandla- ren 148 som indikerar finpositionen och 4 bitar från vardera A/D-omvandlarna 146, 147 som indikerar grovpositionssektorn.

Kombinationen av utsignalerna från A/D-omvnadlarna 146 - 148 medför en unik adress för varje omvandlarposition.

Ett servoslingsystem med sådana positionsdata som ges av anordningen enligt fig. 6 illustreras i blockschemeform i fig. 5. Komponenterna 136, 137, 142, 143, 146 och 147 bildar grovpositionsomvandlarkretsarna 160 och komponenterna 138, 144 och 148 bildar finpositíonsomvandlarkretsarna 162. Kret- sarna 160, 162 utgör de tidigare diskuterade adressingångarna för ROM 150.

Eftersom utsignalen från ROM 150 ger en rotorposi- tionsindikering kan denna utsignal användas direkt för att styra kommuteringen och därmed undanröja behovet av Halldetek- torer eller liknande. Detaljer för användning av en ROM-ut- signalen för styrning av kommuteringen i en borstfri lik- strömsmotor beskrivs mer i detalj i patentansökan 8220239.

En komparatorkrets 168 användes för att jämföra den aktuella 10 458 640 11 positionsangivelsen, såsom den erhålles från utgången på ROM 150, med önskad positionsangivelse, vilken erhålles av en ingångskrets 168. Komparatorns 168 utsignal matas till en pulsbreddmodulator (PWM) 170, som i sin tur styr medel- amplituden hos lindníngsaktiveringssignalen som matas via kommuteringskretsen 190. Systemet fungerar på konventionellt servoslingsätt där motorn aktiveras i en riktning mot önskad position för att man därmed skall undvika den felsignal som alstras av komparatorn 168. Även om enbart nâgra få utföringsformer beskrivits i detalj så bör det vara uppenbart attdet föreligger flera andra variationer inom uppfinningens ram, såsom den definieras i de efterföljande patentkraven.

Claims (8)

'458 10 15 20 25 30 12 PATgNTxRfl

1. Elektrisk servomotoranordning innefattande en stator- enhet (16 - 20), en rotor (12) avsedd att rotera relativt stator- enheten och dimensionerad till att bilda ett luftgap mellan rotorn och statorenheten, en grupp lindningar (20) som är aktiver- bara för att bringa rotorn att rotera relativt statorenheten, varvid en kapacitiv positionsomvandlare (22 - 28) är anordnad i luftgapet, vilken positionsomvandlare innefattar en stationär grupp (23) ledande plattor (54, S6, 60, 62) infästa på den luft- gapet omgivande statorytan och en rörlig grupp (27) ledande (30, 34) infästa på rotorns (12) luftgapsyta, n a d plattor k ä n n e t e c k - av ett indikerorgan (78) för aktuell rotorposition, vilket är anslutet till positionsomvandlaren (22 - 28) för att alstra en signal som indikerar rotorns (12) aktuella position, ett indi- keringsorgan (70) för önskad position, vilket är anordnat att alstra en signal som anger önskad rotorposition, en komparator (72) för att alstra en felsignal som motsvarar skillnaden mellan indikeringsorganens (78, 70) utsignaler, samt av en drivkrets som är ansluten till komparatorn och är aktiverbar för att strömmata motorn i enlighet med felsignalen.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att positionsomvandlaren (22 - 28) uppvisar en mönsterdelning som är lika med ett rotationsvarv för motorn.

3. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av ett flertal stationära ringar (50, 52) som ligger i linje med ett flertal rörliga ringar (32, 36), vilka rörliga ringar är an- slutna till de rörliga ledande plattorna (30, 34). '-

4. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den kapacitiva lägesomvandlaren innefattar en andra sta- tionär grupp hopförda ledande plattor (120, rörlig grupp hopförda ledande plattor (108, 121) samt en andra 109), varvid dessa andra grupper har en delning som skiljer sig från delningen för de förstnämnda grupperna.

5. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e C k n a d av att positionsomvandlaren (22 - 28) innefattar ett flertal sta- 10 15 J 4,58 640 1; tionära ringar (50, 52) som ligger i linje med ett flertal rörliga ringar (32, 36), varvid de rörliga ringarna är elektriskt anslutna till de rörliga ledande plattorna (30, 34) och är anordnade att koppla energi från de stationära ringarna (50, 52) till de rörliga ledande plattorna.

6. , Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att en av grupperna ledande plattor (54, 58, 60, 62) inbegriper en del för att alstra en sinussignal för rotorns (12) vinkelposi- tion (x) och en annan del som är anordnad att alstra en cosinus- signal för rotorns (12) vinkelposition (x).

7. - Anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e_t e c k n a d av organ (78) för beräkning av värdet (sinzx + coszx) samt organ (72)för att aktivera omvandlaren för bibehållande av ett konstant värde på (sinzx + coszx).

8. Anordning enligt patentkrav 1 , k ä n n e t e c k n a d av att lindningarna (20) är anordnade på statorenheten (16-20) medan rotorn (12) uppvisar roterande permanentmagneter.