WO1998037624A2 - Direktantrieb mit internen sensoren und regeleinrichtung - Google Patents

Direktantrieb mit internen sensoren und regeleinrichtung Download PDF

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WO1998037624A2
WO1998037624A2 PCT/DE1998/000516 DE9800516W WO9837624A2 WO 1998037624 A2 WO1998037624 A2 WO 1998037624A2 DE 9800516 W DE9800516 W DE 9800516W WO 9837624 A2 WO9837624 A2 WO 9837624A2
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Lars Dreifke
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Lars Dreifke
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
    • H02P8/14—Arrangements for controlling speed or speed and torque
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/215—Magnetic effect devices, e.g. Hall-effect or magneto-resistive elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • H02K41/033—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type with armature and magnets on one member, the other member being a flux distributor

Definitions

  • Direct drives for linear, planar and rotary movements essentially consist of an active unit with coil systems, iron cores and magnetic systems for generating magnetic fluxes, a passive unit for guiding the magnetic flux with a structure and a guide unit for ensuring a distance and a relative movement between the active unit and the passive unit. It is common for the active unit to be moved or for the passive unit to move, with the active unit being fixed. Direct drives are usually operated with a computer in a program-controlled manner, with the guide size being output to the power actuator via digital-analog converter and being supplied with at least two motor phases become
  • a regulated direct drive which has an internal position measuring system in which Hall sensors are used.
  • the Hall sensors are outside the magnet system of the Active unit arranged so that a permanent magnetic flux, through which at least 2 Hall sensors flow simultaneously, is dependent on the position of the active unit relative to the passive unit.
  • This sensor is used for commutation in order to regulate the Antneb, which works on the principle of the hybrid stepper motor, like a DC motor, whereby an external position measuring system has to be attached additionally.
  • the internal position measuring system is only roughly suitable for position determination
  • This invention builds on the inner priority of the German application "Device and method for controlling the magnetic flux in stepper motors" P 1297 06 726 3 of 20 2 97
  • the 2 main goals of the invention are firstly to regulate the magnetic fluxes in direct drives directly by means of suitable arrangements and methods and secondly to realize an integrated position measuring system (path or angle) that uses the measured magnetic fluxes to determine the position in order to reduce existing deficiencies in the prior art or to fix and to fundamentally improve the motor properties.
  • At the center of the first main goal is the inventive basic idea of combining the advantages of the open timing chain with the advantages of the regulation in order to improve the dynamics.
  • the basic idea of the second main goal is to be able to build and manufacture a cost-effective position measuring system without multi-coordinate laser path measuring systems with sufficient accuracy.
  • the invention relates to a direct drive with internal sensors for linear, planar and / or rotary movements, which operate according to the stepper motor principle, or to conventional rotary stepper motors.
  • Hall sensors are arranged in the iron cores of the magnet systems, the signals of which are used for regulating the magnetic flux and / or for position detection x, y, alpha.
  • the power output stages are controlled precisely by those winding currents which lead exactly to the magnetic fluxes required by the command variable, so that the dynamics are improved.
  • the position between the active unit and the passive unit can be measured to the micrometer.
  • the magnetic flux impression and the position detection with the help of internal sensors are suitable in principle for all stepper motors in the price-performance range between open control chain and classic control due to the diverse parameter improvements and are particularly interesting for direct drive systems with a large travel range, e.g. Air-bearing, planar hybrid stepper motors, in which neither the rotary encoder nor incremental length measuring systems can be used for position detection due to the areal movement of the active unit.
  • Improving the dynamics means that the thrust and the achievable speed of the drive are increased, especially the thrust at high speed, which is referred to as an improvement in the force-speed characteristic. Furthermore, the noise of the motor and disturbing vibrations should be reduced and step errors should be recognized or prevented in good time.
  • the motor is equipped with internal sensors that are able to detect the magnetic flux or the magnetic fluxes in the drive.
  • the optimal curve shape of the magnetic fluxes has a serious impact on the motor properties.
  • Hall sensors are particularly suitable as such sensors. They are inserted into a recess in the iron core with little play or by a slight interference fit and are generally glued in such a way that a measured value is recorded which is associated with the Magnetic flux is in one leg of the iron core.
  • the recess can be realized by die sinking EDM or by packetizing slotted core sheets.
  • the correct arrangement of the sensors is important.
  • the sensors are to be arranged in those areas of the iron core where there is both a magnetic flux that changes direction, as occurs with current-carrying coil systems, and another magnetic flux that does not change direction, as occurs with permanent magnetic fluxes.
  • one of the sensors for example sensor 1
  • sensor 2 is arranged in an iron core area at which at the same time the magnetic fluxes act in opposite directions.
  • the sensor 1 is to be flowed through by the magnetic fluxes directed in opposite directions, the sensor 2 being flowed through by the magnetic feet directed in the same direction
  • This form of arrangement can be implemented in a wide variety of ways. Particularly favorable for production is the introduction of the Hall sensors into those areas of the iron core that are not covered by fastening devices for holding the iron cores in the active unit.
  • An arrangement of permanent magnets is used with which the permanent magnetic flux is symmetrical in the iron core is introduced, return plates cover part of the two iron cores and the sensors can be arranged very well laterally in both iron cores in the areas that lie outside the return plates.
  • the Hall sensors can also be inserted in recesses before the iron cores are fastened in the active unit are or are only brought into external contact with the iron cores in order to achieve the desired effect
  • the sensors may be advantageous for small travel paths and high-frequency movements of the active unit to arrange the sensors in the passive unit.
  • the two sensors must be arranged at a distance of less than 3 mm from the functional area in the area between the two pole legs of a phase
  • Table 1 below gives an overview of the variety of design options for direct drives with internal sensors.
  • the magnetic flux injection can be used in two ways to enable a more or less accurate detection of the position a) using a signal processing device
  • Read-only memory can be solved with just one internal magnetic flux sensor, b) at least 2 magnetic flux sensors are required without a read-only memory
  • air-bearing hybrid stepper motors develop with increasing speed or
  • control function had to be dependent on the speed or
  • stepper motors can be calibrated in operation in an open control chain to achieve better positioning accuracy, for example DE 4233 881A1 from PASIM Mikrosystemtechnik GmbH. Systematic errors are compensated for. However, hysteresis phenomena or residual magnetism partially lead to positioning errors which are not or only insufficiently due to known calibration methods
  • the history plays a role in the positioning, since the stator areas run over by the rotor may have residual magnetism lack of friction excellent repetition accuracy when approaching a point from one direction h
  • Known calibration methods are not possible to approach this point from any desired direction and always achieve a positioning accuracy in the open timing chain that corresponds to the repetition accuracy.
  • stepper motors that have a Carry out translational movement, e.g. stroke, stroke rotation, linear and planar hybrid stepper motors, so far no simple, robust step error monitoring or overload control for operation in the open control chain is known, which is realized without an external measuring system or increasing the external dimensions of the motor
  • external tooth measuring systems such as rotary encoders or rulers
  • the tooth structure of the immovable part of the stepper motor as a measuring standard. This is the basis for the development of capacitive, optical and Magnetic displacement measuring systems, e.g. for planar hybrid stepper motors, which are integrated into the rotor or externally coupled.
  • the procurement of magnetic flux measurement values is achieved in that sensors, for example Hall sensors, are used at certain points in the magnetic circuits of stepper motors, which measure the magnetic fluxes on site.
  • the sensors are generally arranged in the laminated cores.
  • cutouts are made in some metal sheets , which are to be arranged at the places where the sensors are to be located later during the packaging.
  • the cutouts for the sensors in the sheet metal packages can also be made after the packaging by die-sinking EDM.
  • the dimensions of the recesses are chosen so that there is a slight interference fit when the sensors are inserted.
  • the number of sensors for measuring the magnetic fluxes and their arrangement depends on the respective type of stepper motor and on the method of measured value processing. In most cases, it makes sense to position sensors or to process the measured values of several sensors in such a way that the curve shape of the obtained one
  • the actual magnetic flux value in the undisturbed or slightly loaded state approximately corresponds to the curve shape of the controlling electrical winding current
  • the magnetic flux measurements are arranged by optional amplifiers close to the sensors, in air-bearing hybrid stepper motors above the laminated core, amplified and transmitted to the signal processing unit via a multi-core, shielded cable. Sensors with integrated amplifiers can be used if necessary
  • the structure of the signal processing depends on the requirements for the magnetic flux control.
  • Some stepper motor types have the property that the magnetic fluxes are relatively little dependent on the tooth coverage or position.When deflected from the target position, a magnetic flux control corrects with signal processing without increasing the dependence on the tooth coverage the winding currents only marginally. As a result, the rigidity can only be slightly improved. However, it is possible to make the actual magnetic flux value obtained from the measured magnetic flux values more dependent on the position, for example by means of additional sensors and advanced signal processing
  • the measured magnetic flux values depend both on the controlling winding current and on the local tooth coverage area.
  • the permanent magnet-dependent portion can
  • the tooth flux-dependent portion can be extracted from the magnetic flux measurement values by utilizing the dependence of the composition of the magnetic fluxes on the distance between the winding and sensors and by appropriate difference formation of signals.
  • the dependence of the magnetic flux measurement values on the position or the local tooth coverage can be increased by Actual value the associated, amplified winding current measured value, which can be tapped at a current measuring resistor as a voltage drop, is subtracted, so that the resulting value becomes significantly less dependent on the winding current and more strongly dependent on the position
  • the magnetic flux measurement values can also be digitized and processed by digital signal processing, possibly using processors.
  • the state of the magnetic fluxes can be evaluated using special algorithms or a stored knowledge base and a manipulated variable can be generated to control the power output stages.
  • a simple solution for a knowledge base is the content of a EPROM's The use of ASIC's becomes profitable with a correspondingly large number of pieces
  • controllers Conventional analog controllers with P or PID behavior are suitable as controllers.
  • Digital controllers can also be used if the analog variables are digitized by A / D converters and the output sizes of the controllers are output analog after D / A conversion
  • the guide size transmitters which are used to operate the current regulator when operating in an open control chain with current-impressing output stages, are also suitable as guide size transmitters for the magnetic flux controllers
  • Each winding can be assigned its own magnetic flux controller. If several windings belong to one phase, a common magnetic flux controller can be assigned to these windings. Sensors then only have to be arranged in the magnetic circuits around a single one of the windings of this phase. However, further or all magnetic circuits are also possible equip this phase with sensors and feed the averaged measured values to the common magnetic flux controller
  • magnetic flux control can be combined with position control using laser displacement measuring systems
  • the magnetic flux measurement values of the sensors can be used not only for direct control of the magnetic flux but also for monitoring the state of the drive. This enables the control of the stepper motor to respond to the current situation even without magnetic flux control.
  • step error detection is one example of this.
  • the productivity of machines with stepper motor or direct drives in the open control chain can be increased by operating with magnetic flux injection, because the positioning times can be shortened due to the higher acceleration, higher speed or speed
  • stepper motor types e.g. air-bearing planar hybrid stepper motors
  • the coil systems leave residual magnetism on the stator, the strength of which depends on the speed or the speed and, especially at medium to high speeds or speeds, the magnetic flux in the subsequent magnetic circuit Interfering
  • This residual magnetism can be corrected by an independent control of the current amplitudes of the individual phases or windings of the motor. This improves the constant speed or constant speed as well as smoothness
  • the smoothness is improved because the curve shapes of the magnetic fluxes correspond more precisely to the specifications of the guide sizes
  • the magnetic circuits in particular the fixed tooth structure will be used as part of the Ant ⁇ ebes and simultaneously as part of the measurement system
  • the functional and Struktu ⁇ nte " ⁇ -r 1 ation of the drives increases
  • the sensor system is protected inside the drive, is extremely light and robust and is not subject to wear and tear. Maintenance and care are not required.
  • the space available in the drive is usually sufficient for sensors and an optional O
  • the measurement of the magnetic fluxes according to the invention also works under adverse environmental conditions such as moisture, dust, smoke and strong temperature changes
  • Air-bearing planar hybrid stepper motors with magnetic flux injection can be inexpensively manufactured in series production and can be classified in terms of price and performance between operation in an open control chain with current injection output stages and controlled operation with laser displacement measurement systems
  • planar drive systems based on air-bearing hybrid stepper motors with magnetic flux injection remains very compact and has an externally simple, easy-to-understand structure, since the sensors in the drive are not visible from the outside, except for an additional cable connection between the rotor and the control system. All attachment points for taking up payloads remain intact and no part of the sensors restrict the range of movement or the installation space for the payload
  • any number of rotors can be operated on a common stator simultaneously and independently of one another in a magnetic flux-controlled manner, without interfering with each other with regard to the control, as can be the case, for example, with mutual obscuration of the laser beams when using laser displacement measuring systems
  • the stiffness in the direction of movement is significantly improved.
  • the settling time is significantly shortened and thus a contribution to shortening the positioning times is made.
  • the productivity of machines with stepper motor drives can be increased further
  • stator structure as a dimensional standard is used even better to achieve high positioning accuracy
  • the speed constancy is improved since a deviation from the solo position can be better recognized via the actual magnetic flux values and can thus be better regulated
  • An active vibration damping can be realized by taking into account the tooth coverage and the size of the air gap between the rotor and stator tooth structure by regulating the magnetic fluxes. Deviations from the target sizes lead to deviations in the magnetic flux that can be corrected by the magnetic flux controller and counteract their cause Noise behavior further improved
  • the position of the drive also largely corresponds to the guide size.
  • the position can be indirectly controlled, realized by regulating the magnetic fluxes
  • a stepper motor with magnetic flux control can be calibrated, as is known from operation in an open control chain.
  • the results of the calibration to increase the positioning accuracy of stepper motors with magnetic flux injection are better than those of stepper motors in an open control chain with current-impressing output stages Target position hardly occur anymore
  • a position deviation is recognized more clearly via the deviating tooth coverage area, based on the actual magnetic flux values, and at least partially corrected by the magnetic flux controller by readjustment
  • step error monitoring is possible without the use of external position measuring systems and without increasing the rotor area in translational stepper motors and can be achieved by evaluating the deviation of the determined magnetic flux from the target magnetic flux.
  • a position deviating from the target value corresponds to a surface of the tooth coverage deviating from the target value and from this This results in a magnetic flux measurement value that deviates from the setpoint.
  • Exceeding a limit value of the deviation from the setpoint magnetic flux can be interpreted as a step error.
  • the overload or step error monitoring can largely avoid uncontrolled states drive along, can be prevented by an immediate braking ramp and air shutdown if a step error is detected
  • step error detection is the use of sensors and a modified signal processing system to obtain a position value or angle value from the permanent magnetic fluxes that is compared with the position signal of the guide size. A regulation of the magnetic flux is not necessary
  • a load detection or load display By evaluating the deviation of the magnetic fluxes from the setpoints, a load detection or load display can be implemented.
  • the information about the load state can be sent to the higher-level control or to the master control can be fed back to adapt certain parameters to the situation. For example, the acceleration can be reduced in order to prevent an impending step error
  • the power output stages are controlled more optimally by the magnetic flux control.
  • the control function for the power output stages is adapted to the situation permanently, continuously and in real time
  • An active unit consisting of coil systems with iron cores and permanent magnet systems for generating magnetic fluxes
  • a passive unit for directing the magnetic fluxes or for generating permanent magnetic fluxes
  • a management unit to ensure a distance and a relative movement between the active unit and the passive unit
  • At least one internal sensor per motor phase which is suitable for measuring the magnetic flux
  • At least one signal processing device per motor phase for processing the measured values from internal sensors
  • At least one magnetic flux controller per motor phase which processes guide sizes and signals from the signal processing device and outputs a guide size for the power actuator
  • the direct drive with internal sensors is characterized in that the magnetic flux, which changes its direction, is generated by a coil system, which is arranged in the region of 2 adjacent iron cores and carries a phase current, that the magnetic flux, which does not change its direction, through a permanent magnet system is generated, which generates a magnetic flux between two adjacent iron cores connected by a coil system, that at least 2 permanent magnets are arranged approximately symmetrically on the side of the iron cores opposite the functional surface and are connected by a return plate, and that at least one sensor in one or is arranged several left legs and / or in one or more right legs
  • the permanent magnet system is arranged between two associated iron cores (3) without a back plate and at least one sensor is arranged in one or more left legs and / or in one or more right legs
  • recesses are made which have little play or a slight interference fit with respect to the sensor, the sensors are fastened in the recesses, and part of the magnetic flux flows through the sensor
  • a current measuring resistor can be connected in series with the windings of a motor phase, the voltage drop of which is fed to the signal processing device, which works by removing the permanent magnet component
  • the sensors can also be applied flat to the iron cores in the area of the prescribed iron core areas, so that part of the magnetic flux flows through the sensor
  • Hall sensors are used for the sensors, which are designed without or with an integrated preamplifier
  • the sensors can also be arranged in the legs of the iron cores of a motor phase in 4 zones, a first sensor in the left iron core to the left of the permanent magnetic flux access, another second sensor in the left iron core to the right of the permanent magnetic flux access, a third sensor in the right iron core to the left of Permanent magnetic flux access and a fourth sensor in the right iron core to the right of the permanent magnetic flux access and the sensors are connected to signal processing
  • the signal processing, magnetic flux controller and power actuator can be combined to form a module which is referred to as a magnetic power input stage
  • the invention is designed in such a way that at least one sensor per motor phase measures the magnetic fluxes (15), that these measured values are processed by at least one signal processing device and that the magnetic flux controller links the processed magnetic flux measured values and the guide values for the magnetic fluxes in order to control the power actuator precisely to set such electrical currents through the windings that lead as precisely as possible to the magnetic fluxes required by the leader
  • a common magnetic flux controller can advantageously be assigned to these windings and at least one sensor for measuring the magnetic fluxes can be introduced into at least one magnetic circuit of this motor phase
  • a load signal By evaluating the difference between the target and actual magnetic flux, a load signal can be generated and fed to an evaluation unit
  • a direct drive with an internal sensor per motor phase and magnetic flux control without and with increased position dependency of the actual magnetic flux values determined is constructed in such a way that one sensor per motor phase, which measures the magnetic flux, is connected to iron cores of an active unit (and one of the magnetic flux in the vicinity of the Sensor-dependent signal picks up, the sensor is flowed through by a magnetic flux that changes its sense of direction, and flows through a magnetic flux that does not change its direction, a signal processing unit is arranged, which with increased position dependency including determination of the current-related magnetic flux by measuring the voltage drop across a current measuring resistor or by extracting the current-related magnetic flux from the sensor measured values in order to provide an evaluable signal to the magnetic flux controller.
  • the arrangement also consists of a magnetic flux controller which determines the actual magnetic flux receives values from the signal processing unit and at least one leadership variable, processes them in the usual manner of the Regeins and emits a signal to the power actuator, and at least one power actuator is provided for each phase
  • a direct drive with magnetic flux control using 2 sensors per motor phase without and with increased position dependency of the determined magnetic flux actual values is to be set up so that two sensors per motor phase, which measure the magnetic fluxes, are connected to iron cores of an active unit and one of the magnetic flux in the vicinity of the Record sensor (1) dependent signal, the sensors are flowed through by a magnetic flux that changes direction and a magnetic flux that does not change direction
  • One of the sensors is arranged in the iron core area, in which the magnetic fluxes are directed in the same direction at a time, and the other sensor is arranged in the iron core area, in which the magnetic fluxes are opposite in the same time, and a signal processing unit is arranged in such a way that with increased position dependence and Without obtaining a variable representing the phase current from the sensor values, the current-related magnetic flux is determined by measuring the voltage drop across a current measuring resistor in order to provide an evaluable signal to the magnetic flux controller
  • a magnetic flux controller which receives the ascertained magnetic flux actual values from the signal processing unit and at least one guide size, processes these signals in the usual manner of the regulation and emits a signal to the power actuator. Again, at least one power actuator is required for each phase
  • a device for magnetic flux injection which, for each motor phase, consists of at least one signal processing unit, at least one magnetic flux controller, which processes at least one magnetic flux measured value and at least one guide variable as input variables, and at least one power actuator exists to set precisely those phase currents through the coil systems that lead as precisely as possible to the magnetic fluxes required by the guide size
  • a method for magnetic flux injection and for position detection with one sensor per motor phase without increased position dependence of the magnetic flux actual values determined is characterized by the following method steps
  • the determined value represents the unadulterated actual magnetic flux and is fed to the magnetic flux controller of the associated motor phase as an actual value
  • the magnetic flux controller uses the setpoint of the magnetic flux and the determined value of the actual magnetic flux to determine the guide size for the power actuator
  • the amplified measured value of the sensor is digitized.
  • Another field which contains a sequence of values that correspond to the unadulterated actual magnetic fluxes when passing through a tooth pitch period of the direct drive and have been amplified so strongly that their amplitude corresponds to the setpoint value of the magnetic flux when the current-related component is subtracted, is read out at point I.
  • the determined value represents the unadulterated actual magnetic flux
  • Another field which contains a sequence of values that correspond to the expected proportion of the current-related magnetic flux when passing through a tooth pitch period of the direct drive, is read out at point i.
  • the determined value represents the current proportion of the current-related magnetic flux
  • the extracted position-dependent, permanent magnet-related component in the determined magnetic flux is obtained by subtracting the values determined in step 3 and step 6, undistorted actual magnetic flux minus the proportion of the current-related magnetic flux.
  • the position-dependent, permanent magnet-related component is further considered as the actual magnetic flux and the magnetic flux controller as Actual size fed 8
  • the magnetic flux controller uses the setpoint of the magnetic flux and the determined value of the actual magnetic flux to determine the control variable for the power actuator
  • Another method for magnetic flux injection and for position detection with 2 sensors per motor phase without increased position dependency of the magnetic flux actual values determined is characterized by the following method steps
  • the two sensor measured values of a motor phase which are phase-shifted by approximately 180 °, are standardized separately by offset adjustment and amplification.
  • the offset and amplification are set so that a sinusoidal curve between approximately 0 units and half the maximum amount of the guide size of the Power actuator units, for example 0 volts to 5 volts
  • the two standardized sensor measured values are subtracted from each other in order to obtain a bipolar offset-free signal of double amplitude.
  • the amplitude of the subtracted signal should match the amplitude of the guide size for the associated power actuator.
  • the signal determined by subtracting the standardized sensor values is referred to below as Actual magnetic flux used and supplied to the magnetic flux controller as the actual size
  • the magnetic flux controller uses the setpoint of the magnetic flux and the determined value of the actual magnetic flux to determine the control variable for the power actuator
  • a method for magnetic flux injection and for position detection with 2 sensors per motor phase with increased position dependency of the magnetic flux actual values determined using the measured phase current is characterized by the following method steps
  • the two sensor measured values of a motor phase which are phase-shifted by approximately 180 °, are standardized by means of offset adjustment and amplification.
  • the offset and amplification are set in such a way that a sinusoidal curve occurs between the direct drive during a tooth pitch period without energizing the motor winding belonging to the sensors under consideration about 0 units and half the maximum amount of the guide size of the power actuator units gives the motor winding is energized normally again
  • Another field which contains a sequence of values that correspond to the expected proportion of the current-related magnetic flux when passing through a tooth pitch period of the direct drive, is read out at point i.
  • the determined value represents the current proportion of the current-related magnetic flux
  • the extracted position-dependent, permanent magnet-related portion in the determined magnetic flux is obtained by subtracting the values determined in step 2 and step 5, intermediate magnetic flux value minus portion of the current-related magnetic flux.
  • the position-dependent, permanent magnet-related portion is further considered as the actual magnetic flux and supplied to the magnetic flux controller as the actual size 7
  • the magnetic flux controller determines the guide size for the respective power actuator from the setpoint of the magnetic flux and from the actual magnetic flux determined
  • the two sensor measured values of a motor phase which are phase-shifted by approximately 180 °, are standardized by means of offset adjustment and amplification.
  • the offset and amplification are set in such a way that a sinusoidal curve occurs when the tooth is driven through a tooth pitch period of the direct drive without energizing the motor winding belonging to the sensors under consideration about 0 units and half the maximum amount of the guide size of the power actuator units results in the motor winding is energized normally again
  • the added intermediate magnetic flux values are standardized by means of offset adjustment and amplification, so that a value between approximately 0 and (maximum amount of the guide size of the power actuator) units arises that has almost no permanent magnet-related component or is almost exclusively dependent on the phase current
  • the associated normalized added magnetic flux intermediate value is subtracted, otherwise the subtracted magnetic flux intermediate value and the added magnetic flux intermediate value are added so that the phase current-related components of the subtracted magnetic flux intermediate value and the added magnetic flux intermediate value cancel each other out and the sought-after permanent magnet-related magnetic flux component of the subtracted magnetic flux component
  • the position-dependent, permanent-magnet-related portion is considered below as the actual magnetic flux and is supplied to the magnetic flux controller as the actual variable
  • the magnetic flux controller determines the guide size for the respective power actuator from the setpoint of the magnetic flux and from the actual magnetic flux determined
  • Another method for magnetic flux injection and for position detection with 4 sensors per motor phase with increased position dependence of the magnetic flux actual values determined is characterized by the following method steps
  • the two outer sensor measured values of a motor phase which are phase-shifted by approximately 180 °, are standardized by means of offset adjustment and amplification.
  • the offset and amplification are set so that a sinusoidal curve occurs when passing through a tooth pitch index of the direct drive without energizing the motor winding belonging to the sensors under consideration between 0 units and half the maximum guide size of the power actuators results in units.
  • the respective motor winding is energized normally again 2
  • the two outer standardized sensor measured values are subtracted from each other. The result is required as an external intermediate magnetic flux value for further process steps.
  • Method step 3 is the same as method step 1, but for the two inner sensors
  • a signal that is strongly dependent on the winding current can be obtained by subtracting the external magnetic flux value from the inner magnetic flux value. By amplifying this signal, the current-related portion of the magnetic flux is obtained
  • the extracted position-dependent, permanent magnet-related component in the determined magnetic flux is obtained by subtracting the values determined in step 2 and step 5, external or internal intermediate magnetic flux value minus the current-related component of the magnetic flux.
  • the position-dependent, permanent magnet-related component is further considered as the actual magnetic flux and the magnetic flux controller as Actual size fed
  • the magnetic flux controller determines the guide size for the power actuator from the setpoint of the magnetic flux and from the actual magnetic flux determined
  • Sensor measured values are averaged by adding n sensor measured values and dividing the sum by the number n and / or
  • Moto ⁇ hase that several magnetic flux controllers per Moto ⁇ hase are used, which work independently and receive the same magnetic flux setpoints as leadership sizes
  • a method for magnetic flux control and position detection is described, which is characterized in that a positioning error in the form of magnetic flux measurement values deviating from the setpoint value is recognized by the dependence of the magnetic fluxes on the position-dependent, local tooth coverage area, and that this positioning error is at least partially corrected by readjusting the magnetic fluxes. which leads to increased stiffness in the direction of movement
  • Another method for magnetic flux control and for position detection is that the dependence of the magnetic flux measurement values on the position or the local tooth coverage area is increased by additionally measuring a magnetic flux which is the result of a magnetic field at at least one sensor at one or more other measuring points of the same magnetic circuit another distance from the winding is composed of a different ratio of the magnetic flux caused by the winding current and the permanent magnet, and that the magnetic flux measurement values are used to extract the predominantly position-dependent, permanent magnetic magnetic flux by means of a signal processing device
  • the method for magnetic flux injection and for position detection is further developed in that the dependence of the magnetic fluxes on the working air gap, on the basis of the magnetic flux measured values, detects a deviation from the desired size of the working air gap and, by readjusting the winding current, the magnetic flux and the working air gap can be at least partially corrected, whereby can also implement an active vibration damping
  • One method for monitoring the status of stepper drives that consists in the fact that the magnetic flux measurement values of the sensors in the magnetic circuits are used not only to control the magnetic fluxes but also to monitor the status of the drive in order to make the drive more controllable and so that step errors can be detected even without the regulation of the magnetic fluxes by comparing the actual position value obtained by signal processing from the largely position-dependent permanent magnet-related portions of the magnetic flux measured values with the setpoint value of the position given by the guide size becomes
  • An active unit consisting of coil systems with iron cores and permanent magnet systems for generating magnetic fluxes
  • a passive unit for guiding the magnetic fluxes or for generating permanent magnetic fluxes
  • a management unit to ensure a distance and a relative movement between the active unit and the passive unit
  • At least one internal sensor per motor phase which is suitable for measuring the magnetic flux
  • At least two signal processing devices per motor or per coordinate in the case of multi-coordinate drives generally one signal processing device per motor phase, for processing the measured values of the internal sensors,
  • At least one signal processing device for position detection consists of the measured values of internal sensors of the motor phases preprocessed by signal processing devices
  • a method for position detection that consists of the fact that using the tooth pitch as a dimensional standard for stepper motors and direct drives that work according to the stepper motor principle, path or angle information can be obtained from the permanent magnet-related components of the magnetic flux measurement values from sensors when the following method steps are carried out
  • Decrementing the angle jump from approximately ⁇ 90 ° to approximately> 270 °, that is, if the current angle is 3 ° and the previous angle was 352 °, then the period counter is incremented; 4.Calculate the absolute position x by multiplying the length of the division period by the period counter reading and then adding the distance calculated in process step 2 within the period.
  • a revolution counter is used in addition to the period counter, the counter reading of which is calculated from the rounded, integer value From the period counter divided by the number of periods in one revolution.
  • a supplement to the method for position detection is that systematic errors in position detection, if they can be attributed to systematically deviating angles ⁇ , can be corrected by using the angle ⁇ calculated in method step 2 as an index for determining a correction value from a correction table, wherein the correction table is generated according to methods known in the prior art.
  • AD converters are provided, which digitize the analog measured values, and there is a connection to a computer or a combinatorial circuit with which method steps 1 to 4 of the method for determining the position already specified processed and the determined position x or the angle ⁇ is output.
  • Another addition to the method for position detection is that with simultaneous use of internal sensors for magnetic flux injection and for position determination, the highly position-dependent and extremely little phase-current-dependent, permanent magnet-dependent components in the magnetic flux measurement values that are extracted in the above-mentioned process steps are used together by magnetic flux injection and position determination.
  • ⁇ l (( ⁇ lPmax + ⁇ lSmax) • SU1 (27CX ⁇ )) + ⁇ pleich (1)
  • the actual magnetic flux value ⁇ ut suitable for transfer to the controller is determined by forming the difference between the measured values from sensor 1 and sensor 2:
  • the deviation from the nominal value of the magnetic flux ⁇ can be determined by forming the difference between the command variable ⁇ so u and the actual value of the magnetic flux ⁇ ; st determine:
  • ⁇ l (( ⁇ lPmax + ⁇ lSmax) • Sin (2 ⁇ x / ⁇ )) + ⁇ pleich (1)
  • ⁇ 2 - (( ⁇ 2 pma X + ⁇ 2 smax) ⁇ sin (2 ⁇ x / ⁇ )) + ⁇ Equal (2)
  • ⁇ 4 - (( ⁇ 4Pm - ⁇ + ⁇ 4S max) • Sin (27CX / ⁇ )) + ⁇ pleich (4)
  • a value ⁇ A is determined by forming the difference between the measured values from sensor 1 and sensor 2:
  • a value ⁇ B is determined by forming the difference between the measured values from sensor 3 and sensor 4:
  • a value ⁇ s can be determined by forming the difference between the values of ⁇ B and whested A , which is largely dependent only on the magnetic flux caused by the winding current and not on the magnetic flux caused by the permanent magnet:
  • the desired largely position-dependent, permanent magnet-related component can be extracted from the value of ⁇ A by forming the difference between ⁇ A and ⁇ Sv :
  • the deviation from the nominal value of the magnetic flux ⁇ can be determined by forming the difference
  • ⁇ l (( ⁇ lPn ⁇ x + ⁇ lSnux) • SÜl (27CX / ⁇ )) + ⁇ pgie h (1)
  • the actual magnetic flux value _ suitable for transfer to the controller is determined by forming the difference between the measured values from sensor 1 and sensor 2:
  • the deviation from the nominal value of the magnetic flux ⁇ can be determined by forming the difference
  • ⁇ tooth pitch period e.g. 0.64 mm
  • Fig. 1 1 and 12 the connection of the sensors with the signal processing and the basic structure of a signal processing unit;
  • FIG. 13 shows the basic diagram of the control of a stepping motor using a magnetic flux controller
  • FIG. 1 shows the cutouts 33 in the outer legs of the iron cores 3 in the lower region. They are preferably arranged centrally in the iron core 3
  • FIG. 2 shows 4 cutouts 33 for the internal sensors 1. Because of the laying of the sensor connections, the cutouts 33 in the inner legs can be arranged offset
  • FIG. 6 shows variants for the arrangement of 2 sensors 1 in a direct drive of the type shown in FIG. 8
  • FIG. 8 shows an arrangement of the permanent magnets 5 between the iron cores 3, as a result of which return plates 6 are omitted
  • the current-related magnetic fluxes in FIG. 10 are stronger than in FIG. 9 because the sensors are at a smaller distance from the winding 4
  • FIG. 12 shows the connection of 4 sensors 1 with signal processing with increased position dependency
  • FIG. 13 shows a basic diagram of the control of a stepping motor using magnetic flux controllers 11 for the motor phases. This explains what is meant by magnetic flux impression 16
  • 19 shows the basic internal structure of a device for determining the position from the permanent signals of the two motor phases
  • the correction value 22 shows zones A and B in which the sensors are arranged, for example. It is shown where the permanent magnetic flux is introduced into the iron core 3.
  • FIG. 24 shows the permanent magnet-related measured values of sensor 2 which are phase-shifted by 180 ° with respect to sensor 1 and which were recorded at the same time as the measured values shown in FIG. 23.
  • FIG. 26 the measured value of sensor 2, which is 180 ° out of phase with respect to sensor 1, is shown at the same time as FIG. 25.
  • FIG. 27 indicates the measured values of the phase current of the associated motor phase at the same time when the measured values in FIGS. 25 and 26 were recorded.
  • FIG. 28 the content of the correction field is indicated at the same time as FIGS. 25 to 27.
  • the corresponding field with correction values for the cosine phase can also be seen in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Direktantrieb mit internen Sensoren für lineare, planare und/oder rotatorische Bewegungen, die nach dem Schrittmotorprinzip arbeiten, bzw. übliche rotatorische Schrittmotoren. In den Eisenkernen der Magnetsysteme sind Hallsensoren angeordnet, deren Signale zur Reglung des Magnetflusses und/oder zur Positionserfassung x, y, Alpha verwendet werden. Dadurch erfolgt die Ansteuerung der Leistungsendstufen genau durch solche Wicklungsströme, die exakt zu den von der Führungsgröße gefordeten Magnetflüssen führen, so daß die Dynamik verbessert wird. Da der gemessene Magnetfluß mit der Vielzahl der Zahnüberdeckungen im Zusammenhang steht, läßt sich die Lage zwischen der Aktiveinheit und der Passiveinheit auf Mikrometer genau erfassen. Die Magnetflußeinprägung und die Positionserfassung mit Hilfe interner Sensoren eignen sich wegen der vielfältigen Parameterverbesserungen prinzipiell für alle Schrittmotoren im Preis-Leistungsbereich zwischen offener Steuerkette und klassischer Reglung und ist besonders interessant für Direktantriebssysteme mit großem Verfahrbereich, z.B. luftgelagerte, planare Hybridschrittmotoren, bei denen durch die flächenhafte Bewegung der Aktiveinheit weder Drehgeber noch inkrementale Längenmeßsysteme zur Positionserfassung verwendet werden können.

Description

Direktantrieb mit internen Sensoren und Regeleinrichtung
Direktantriebe für lineare, planare und rotatorische Bewegungen bestehen im wesentlichen aus einer Aktiveinheit mit Spulensystemen, Eisenkernen und Magnetsytemen zur Erzeugung von Magnetflüssen, einer Passiveinheit zur Leitung des Magnetflusses mit einer Strukturierung und einer Fuhrungseinheit zur Gewahrleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit. Dabei ist es üblich, daß die Aktiveinheit bewegt wird oder daß eine Bewegung der Passiveinheit erfolgt, wobei die Aktiveinheit feststeht Direktantriebe werden meist mit einem Rechner programmgesteuert betrieben, wobei die Fuhrungsgroße über Digital-Analog- Wandler an das Leistungsstellglied ausgegeben wird und mindestens 2 Motorphasen gespeist werden
Stand der Technik ist es, die Direktantrieb entweder in offener Steuerkette, ohne Sensoren, zu betreiben oder Regler zu verwenden, also mit Weg- oder Winkelmeßsystemen zu arbeiten
Die Nachteile des Betriebes in offener Steuerkette bestehen bekannter Weise hauptsachlich darin, daß Schleppfehler möglich sind, die dynamischen Kennwerte geringer sind und Schrittfehler auftreten können
Die Nachteile des geregelten Betriebes bestehen im höheren Fertigungsaufwand, insbesondere in den Mehrkosten des Meßsystems und der Regeleinrichtung Planare Direktantriebe mit bewegtem Einmassesystem lassen sich bisher nur durch teure Dreikoordinaten- Laserwegmeßsysteme regeln
In der deutschen Patentanmeldung „Regeleinheit für einen mehrphasigen Direktantrieb und Verfahren zur Ansteuerung eines solchen Antriebs" vom 22 10 96 Az 19643519 6 wird ein geregelter Direktantrieb vorgestellt, der ein internes Wegmeßsystem besitzt, in dem Hallsensoren zur Anwendung kommen Die Hallsensoren sind außerhalb des Magnetsystems der Aktiveinheit so angeordnet, daß ein Permanentmagnetfluß, von dem mindestens 2 Hallsensoren zugleich durchströmt werden, von der Stellung der Aktiveinheit gegenüber der Passiveinheit abhangig ist Diese Sensonk wird zur Kommutierung verwendet, um den nach dem Prinzip des Hybridschrittmotors arbeitenden Antneb wie einen Gleichstrommotor zu regeln, wobei ein externens Wegmeßsystem zusatzlich anzubringen ist Das interne Wegmeßsystem eignet sich nur grob zur Positionsbestimmung
Weiterhin ist eine Veröffentlichung von F Langweiler und M Richter in einer Firmenschrift der Siemes AG unter dem Titel „Flußerfassung in Asynchronmaschinen" bekannt Die Hallsensoren sind in der Spulenmitte von Asynchronmotoren flachenhaft angeordnet Es sind spezielle Hallsensoren entwickelt worden und es wird eine Differenzverstarkerschaltung mit anschließender Addierschaltung zur Auswertung der Meßsignale benutzt Der Grundgedanke besteht hier darin, einen geeignetes Sensorsysteme zu finden, um einen Antrieb regeln zu können Der Antrieb wird somit kommutiert, und für eine genauere Positionserfassung ist das Sensorsystem nicht vorgesehen Im Zusammenhang damit ist die Auslegeschπft 2144422 vom 4 9 71 P 2144422 4-32 zu nennen
In der Patentschrift P 1 17776 vom 26 1 77 wird ein Verfahren zur selbsttätigen Optimierung der Betriebsparameter von Schrittmotoren beschrieben Die Meßsignale werden aus den Klemmengroßen gewonnen, und durch Vergleich mit Referenzwerten werden Steuergroßen ermittelt und verwendet
Diese Erfindung baut auf der inneren Priorität der deutschen Anmeldung „Einrichtung und Verfahren zur Regelung der Magnetflusse in Schrittmotoren" P 1297 06 726 3 vom 20 2 97 auf Die 2 Hauptziele der Erfindung sind erstens durch geeignete Anordnungen und Verfahren die Magnetflüsse in Direktantrieben direkt zu regeln und zweitens ein integriertes Positionsmeßsystem (Weg oder Winkel) zu realisieren, daß die gemessenen Magnetflüsse zur Positionsermittlung nutzt, um bestehende Mängel des Standes der Technik zu mindern oder zu beheben und um die Motoreigenschaften grundsätzlich zu verbessern.
Im Mittelpunkt des ersten Hauptzieles steht der erfinderische Grundgedanke, die Vorteile der offenen Steuerkette mit den Vorteilen der Reglung zu verbinden, um die Dynamik zu verbessern.
Der Grundgedanke des Zweiten Hauptzieles besteht darin, ein kostengünstiges Positionsmeßsystem ohne Mehrkoordinaten-Laserwegmeßsysteme mit ausreichender Genauigkeit aufzubauen und fertigen zu können.
Die Erfindung betrifft einen Direktantrieb mit internen Sensoren für lineare, planare und/oder rotatorische Bewegungen, die nach dem Schrittmotorprinzip arbeiten, bzw. übliche rotatorische Schrittmotoren.
In den Eisenkernen der Magnetsysteme sind Hallsensoren angeordnet, deren Signale zur Reglung des Magnetflusses und/oder zur Positionserfassung x,y, Alpha verwendet werden. Dadurch erfolgt die Ansteuerung der Leistungsendstufen genau durch solche Wicklungsströme, die exakt zu den von der Führungsgröße geforderten Magnetflüssen führen, so daß die Dynamik verbessert wird.
Da der gemessene Magnetfluß mit der Vielzahl der Zahnüberdeckungen im Zusammenhang steht, läßt sich die Lage zwischen der Aktiveinheit und der Passiveinheit auf Mikrometer genau erfassen.
Die Magnetflußeinprägung und die Positionserfassung mit Hilfe interner Sensoren eignen sich wegen der vielfältigen Parameterverbesserungen prinzipiell für alle Schrittmotoren im Preis- Leistungsbereich zwischen offener Steuerkette und klassischer Reglung und ist besonders interessant für Direktantriebssysteme mit großem Verfahrbereich, z.B. luftgelagerte, planare Hybridschrittmotoren, bei denen durch die flächenhafte Bewegung der Aktiveinheit weder Drehgeber noch inkrementale Längenmeßsysteme zur Positionserfassung verwendet werden können.
Unter der Verbesserung der Dynamik ist zu verstehen, daß die Schubkraft und die erreichbare Geschwindigkeit des Antriebes erhöht werden, besonders die Schubkraft bei hoher Geschwindigkeit, was man als Verbesserung der Kraft-Geschwindigkeitskennlinie bezeichnet. Weiterhin sollen die Geräusche des Motors und störende Schwingungserscheinungen gesenkt und Schrittfehler rechtzeitig erkannt bzw. verhindert werden.
Zu dem Zweck wird der Motor mit internen Sensoren ausgestattet, die in der Lage sind, den Magnetfluß bzw. die Magnetflüsse im Antrieb zu erfassen. Die optimale Kurvenform der Magnetflüsse betimmt die Motoreigenschaften gravierend.
Als solche Sensoren eignen sich besonders Hallsensoren. Sie werden mit geringem Spiel bzw. durch leichte Preßpassung in eine Aussparung im Eisenkern eingesetzt und in der Regel eingeklebt und zwar so, daß ein Meßwert aufgenommen wird, der im Zusammenhang mit dem Magnetfluß in einem Schenkel des Eisenkernes steht Die Aussparung kann durch Senkerodieren oder durchpaketieren von geschlitzten Kernblechen realisiert werden Erfindungsgemaß kommt es auf die richtige Anordnung der Sensoren an. Die Sensoren sind in solchen Eisenkernbereichen anzuordnen, wo sowohl ein Magnetfluß vorliegt, der seinen Richtungssinn wechselt, wie das bei stromdurchflossenen Spulensystemen auftritt, als auch ein anderer Magnetfluß auftritt, der seinen Richtungssinn nicht wechselt, wie das bei Permanentmagnetflussen vorliegt.
Desweiteren ist bei der Wahl der Anordnung zu beachten, daß im Falle der Verwendung mehrerer internener Sensoren einer der Sensoren, zum Beispiel der Sensor 1, in einem Eisenkernbereich angeordnet ist, in dem die beiden Magnetflusse gleichsinnig gerichtet sind und der Sensor 2 in einem Eisenkernbereich angeordnet ist, in dem zum gleichen Zeitpunkt die Magnetflusse entgegen gerichtet wirken Zu einem anderen Zeitpunkt soll der Sensor 1 von den gegensinnig gerichteten Magnetflüssen durchströmt werden, wobei der Sensor 2 von den gleichsinnig gerichteten Magnetfüssen durchflössen wird
Diese Form der Anordnung laßt sich in verschiedenster Weise realisieren Besonders gunstig für die Fertigung ist das Einbringen der Hallsensoren in solche Eisenkernbereiche, die nicht von Befestigungseinrichtungen zum Halten der Eisenkerne in der Aktiveinheit verdeckt sind Wird eine Anordnung von Permanentmagneten verwendet, mit der der Permanentmagnetfluß symmetrisch in den Eisenkern eingeleitet wird, so verdecken Ruckschlußplatten einen Teil der beiden Eisenkerne und die Sensoren können sehr gut seitlich in beiden Eisenkernen in den Bereichen angeordnet werden, die außerhalb der Rückschlußplatten liegen Die Hallsensoren können aber auch vor dem Befestigen der Eisenkerne in der Aktiveinheit in Aussparungen eingesetzt werden oder auch nur mit den Eisenkernen äußerlich in Kontakt gebracht werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, Hallsensoren zu verwenden, bei denen die Vorverstarkung bereits an der Meßstelle erfolgt, womit eine separaten Vorverstarkung in der Aktiveinheit entfallen kann
Unter Beachtung des erläuterten Grundsatzes für die Sensoranordnung kann es bei kleinen Fahrwegen und hochfrequenten Bewegungen der Aktiveinheit vorteilhaft sein, die Sensoren in der Passiveinheit anzuordnen Die beiden Sensoren sind im Abstand von weniger als 3 mm von der Funktionsflache im Bereich zwischen den beiden Polschenkeln einer Phase anzuordnen
Eine Übersicht zur Vielfalt der Gestaltungsmoglichkeiten von Direktantrieben mit internen Sensoren gibt die nachfolgende Tabelle 1 an Durch die Messung der Magnetflusse laßt sich die Magnetflußeinpragung auf 2 Wegen verwenden, um eine mehr oder weniger genaue Erfassung der Position zu ermöglichen a) unter Verwendung einer Signal Verarbeitungseinrichtung mit Festwertspeicher kann eine Losung der Aufgabe bereits mit nur einem internen Magnetflußsensor erfolgen, b) ohne Festwertspeicher sind mindestens 2 Magnetflußsensoren erforderlich
Bei der Erfassung der Magnetflusse zur Positionsmessung sind bis zu 3 Teilaufgaben zu losen, das Herauslosen des positionsabhangigen Anteils in den Magnetflußmeßwerten, die Ermittlung des Winkels oder der Position aus den Anteilen der Magnetflußmeßwerte und die Kalibrierung, wie sie von der Arbeit in der offenen Steuerkette bekannt ist
Bei mittleren bis hohen Drehzahlen bzw Geschwindigkeiten wird die Einpragung der Wicklungsstrome immer problematischer und die Magnetflusse werden zunehmend nur noch mit verzerrter Kurvenform und meist mit geringerer Amplitude als von der Fuhrungsgroße gefordert realisiert Der starke Abfall der Kraft-Geschwindigkeit-Kennlinie beschrankt das Beschleunigungsvermögen und die praktisch erreichbare maximale Drehzahl bzw
Geschwindigkeit
Insbesondere luftgelagerte Hybridschrittmotoren entwickeln mit zunehmender Drehzahl bzw
Geschwindigkeit ein sehr störendes Motorgerausch, das sich auf vom Sollwert abweichende
Magnetflusse zurückführen läßt
Es laßt sich keine Ansteuerfunktion finden, deren Werte als Fuhrungsgroße für die stromeinpragenden Endstufen dienen, die zu höchster Positioniergenauigkeit und gleichzeitig bei hohen Geschwindigkeiten bzw Drehzahlen zu Magnetflüssen mit der optimalen
Kurvenform führt Vielmehr mußte die Ansteuerfunktion in Abhängigkeit von Drehzahl bzw
Geschwindigkeit standig angepaßt werden Im Stand der Technik ist bisher kein Verfahren bekannt, das eine automatische Anpassung der Ansteuerfunktion für die Leistungsendstufen bei
Betrieb in offener Steuerkette realisiert
Bei Anwendungen von Schrittmotoren in offener Steuerkette ohne Getriebe ist die Steifigkeit in Bewegungsrichtung für einige Antriebsaufgaben zu gering und führt bei Einwirkung von
Storkraften zu Positionierfehlern Zum Beispiel wird bei Bahnfahrten der Laufer von luftgelagerten planaren Hybridschrittmotoren im Betrieb in offener Steuerkette wegen seiner begrenzten Steifigkeit durch Tangentialkräfte aus seiner Bewegungsbahn störend ausgelenkt
Bekannt ist weiter, daß Schrittmotoren im Betrieb in offener Steuerkette zur Erreichung besserer Positioniergenauigkeit kalibriert werden können, z.B DE 4233 881A1 der Firma PASIM Mikrosystemtechnik GmbH Damit werden systematische Fehler ausgeglichen Hystereseerscheinungen bzw Restmagnetismus führen jedoch teilweise zu Positionierfehlern, die durch bekannte Kalibrierungsverfahren nicht oder nur ungenügend beseitigt werden können Zum Beispiel spielt bei luftgelagerten planaren Hybridschritttmotoren bei der Positionierung die Vorgeschichte eine Rolle, da die vom Laufer uberfahrenen Statorbereiche Restmagnetismus aufweisen können Bei erneutem Überfahren oder Kreuzen dieser Statorbereiche kann dadurch die Positioniergenauigkeit negativ beeinflußt werden Luftgelagerte planare Hybridschrittmotoren erreichen in offener Steuerkette durch die fehlende Reibung hervorragende Wiederholgenauigkeiten beim Anfahren eines Punktes aus einer Richtung Jedoch ist es trotz Reibungsfreiheit auch durch bekannte Kalibrierungsverfahren nicht möglich, diesen Punkt aus verschiedenen beliebigen Richtungen anzufahren und dabei in der offenen Steuerkette stets eine Positioniergenauigkeit zu erreichen, die der Wiederholgenauigkeit entspricht Eine Umkehrspanne laßt sich bei diesem Typ von Schπttmotor auch durch bekannte Kalibrierungsmaßnahmen nicht vollständig beseitigen Für Schrittmotoren, die eine translatorische Bewegung ausführen, z.B Hub-, Hubrotations-, Linear- und Planar-Hybridschrittmotoren ist bisher keine einfache, robuste Schrittfehleruberwachung bzw Uberlastkontrolle für den Betrieb in der offenen Steuerkette bekannt, die ohne externes Wegmeßsystem bzw Vergrößerung der äußeren Abmessungen des Motors realisiert wird Es ist bekannt neben externen Wegmeßsystemen, wie z B Drehgebern oder Linealen auch die Zahnstruktur des unbeweglichen Teils des Schrittmotors als Maßverkorperung zu verwenden Auf diesem Gedanken basieren die Entwicklungen von kapazitiven, optischen und magnetischen Wegmeß Systemen, z B für planare Hybridschrittmotoren, die in den Laufer integriert oder äußerlich angekoppelt sind Zum Beispiel wird ein integriertes magnetisches Wegmeßsystem der Firma PASIM Mikrosystemtechnik GmbH in P 19513 325 0 beschrieben Die genannten zahnstrukturabtastenden Meßsysteme wurden jedoch aus verschiedenen Gründen, z B zu geringe Robustheit, zu geringe Genauigkeit oder zu hohe Kosten bisher nur in geringer Stuckzahl oder nur zur Kommutierung eingesetzt Diese Meßsysteme führen trotz Miruatuπsierungsmaßnahmen zu einer Vergrößerung der Abmessungen und verschlechtern damit die Kompaktheit der Antriebe Eine Reihe von Antriebsaufgaben, die Bewegungen von kompakten Planarläufern erfordern, setzen Parameter der Antriebssysteme vorraus, die mit herkömmlichen Lösungen in der offenen Steuerkette nicht realisierbar sind. Herkömmliche Regelungen, die für diese Aufgaben in Frage kommen, zum Beispiel Systeme die Laserwegmeßsysteme einsetzen, sind oftmals genauer als notig und damit zu teuer. Bei der Regelung von mehreren Planarläufern auf einem Stator über den gesamten Verfahrbereich von beispielsweise Im2 entstehen bei herkömmlicher Regelung mit Laserwegmeßsystemen sehr hohe Kosten für die Optik und Probleme durch gegenseitige Verdeckung der Laserstrahlen
Eine direkte, separate Regelung der Magnetflusse der einzelnen Phasen von Schrittmotoren ist im Stand der Technik nicht bekannt
Für höhere Ansprüche, z B. zur weiteren Verbesserung der Steifigkeit, ist die naturliche Abhängigkeit der Magnetflusse von der Zahnuberdeckung nicht ausreichend und es ergibt sich die zusatzliche Aufgabe, durch ein geeignetes Verfahren und Änderungen an den Einrichtungen Magnetfluß-Istwerte zu beschaffen, die verstärkt von der Position und weniger vom Wicklungsstrom abhangig sind Diese Aufgaben werden durch die vorgeschlagenen Einrichtungen und Verfahren gelost
Erfindungsgemaß wird die Beschaffung von Magnetflußmeßwerten dadurch gelost, daß an bestimmten Stellen der Magnetkreise von Schrittmotoren Sensoren, z.B Hall- Sensoren, eingesetzt werden, die die Magnetflusse vor Ort messen In der Regel sind die Sensoren in den Blechpaketen angeordnet Dazu sind in einigen Blechen Aussparungen eingebracht, die bei der Paketierung an den Stellen angeordnet werden an denen spater die Sensoren sitzen sollen Die Aussparungen für die Sensoren in den Blechpaketen können auch nach dem Paketieren durch Senkerodieren eingebracht werden. Die Abmessungen der Aussparungen werden so gewählt, daß sich beim Einsetzen der Sensoren eine leichte Preßpassung ergibt.
Erfindungsgemaß ist die Anzahl von Sensoren zur Messung der Magnetflusse und deren Anordnung vom jeweiligen Typ von Schrittmotor und vom Verfahren der Meßwertverarbeitung abhangig In den meisten Fallen ist es sinnvoll, Sensoren so zu platzieren bzw die Meßwerte mehrerer Sensoren so zu verarbeiten, daß die Kurvenform des gewonnenen Magnetfluß-Istwertes im ungestörten bzw wenig belasteten Zustand naherungsweise der Kurvenform des steuernden elektrischen Wicklungstromes entspricht
Die Magnetflußmeßwerte werden von optionalen Verstarkern dicht bei den Sensoren, bei luftgelagerten Hybridschrittmotoren oberhalb der Blechpakete angeordnet, verstärkt und über ein mehradriges, abgeschirmtes Kabel zur Signalverarbeitungseinheit übertragen Gegebenfalls können Sensoren mit integrierten Verstarkern verwendet werden
Der Aufbau der Signalverarbeitung ist abhangig von den Anforderungen an die Magnetflußregelung Einige Schrittmotortypen haben die Eigenschaft, daß die Magnetflusse relativ wenig von der Zahnuberdeckung bzw Position abhangig sind Bei einer Auslenkung aus der Sollposition korregiert deshalb eine Magnetflußreglung mit einer Signalverarbeitung ohne Verstärkung der Abhängigkeit von der Zahnuberdeckung die Wicklungstrome nur gering Dadurch kann die Steifigkeit nur wenig verbessert werden Es ist jedoch möglich den aus den gemessenen Magnetflußwerten gewonnenen Magnetfluß-Istwert zum Beispiel durch zusatzliche Sensoren und eine erweiterte Signalverarbeitung verstärkt positionsabhangig zu machen
Die gemessenen Magnetflußwerte sind sowohl vom steuernden Wicklungsstrom als auch von der lokalen Zahnuberdeckungsflache abhangig Je kleiner der Abstand zwischen Sensor und Wicklung, desto stärker ist in der Regel der wicklungstrombedmgte, weitgehend positionsunabhängige Anteil in den Magnetflußmeßwerten und desto geringer ist der permanentmagnetbedingte, weitgehend zahnuberdeckungsabhangige Anteil Zur Gewinnung einer Positionsinformation aus den Magnetflußmeßwerten bzw zur Erhöhung der Abhängigkeit der Magnetfluß-Istwerte von der Position, kann der permanentmagnetbedingte, weitgehend zahnuberdeckungsabhangige Anteil aus den Magnetflußmeßwerten, durch Ausnutzung der Abhängigkeit der Zusammensetzung der Magnetflüsse vom Abstand zwischen Wicklung und Sensoren und durch geeignete Differenzbildung von Signalen, herausgelost werden Die Abhängigkeit der Magnetflußmeßwerte von der Position bzw der lokalen Zahnuberdeckung kann erhöht werden, indem vom Magnetfluß-Istwert der zugehörige, verstärkte Wicklungsstrommeßwert, der an einem Strommeßwiderstand als Spannungsabfall abgegriffen werden kann, subtrahiert wird, so daß der entstehende Wert wesentlich weniger wicklungsstromabhangig und starker positionsabhangig wird
Im Ausführungsbeispiel werden Verfahren beschrieben, die sich zur Anwendung bei luftgelagerten 2-Phasen-Hybridschrittmotoren eignen
Die Magnetflußmeßwerte können auch digitalisiert und von einer digitalen Signalverarbeitung, gegebenenfalls unter Nutzung von Prozessoren verarbeitet werden Über spezielle Algorithmen bzw eine abgespeicherte Wissensbasis laßt sich der Zustand der Magnetflusse bewerten und eine Stellgroße zur Ansteuerung der Leistungsendstufen generieren Eine einfache Losung für eine Wissensbasis ist der Inhalt eines EPROM's Der Einsatz von ASIC's wird bei entsprechend großer Stuckzahl rentabel
Als Regler eignen sich übliche Analogregler mit P- oder PID- Verhalten Es können auch digitale Regler verwendet werden, wenn die analogen Größen durch A/D-Wandler digitalisiert werden und die Ausgangsgroßen der Regler nach erfolgter D/A-Wandlung analog ausgegeben werden
Die Fuhrungsgroßengeber, die bei Betrieb in offener Steuerkette mit stromeinpragenden Endstufen zur Ansteuerung der Stromregler benutzt werden, eignen sich auch als Fuhrungsgroßengeber für die Magnetflußregler
Ausreichend leistungsfähige Endstufen sind Vorraussetzung zur exakten Einpragung der Magnetflusse auch bei höheren Drehzahlen bzw Geschwindigkeiten Die Endstufen sollten durch ausreichend hohe Betriebsspannung möglichst kurze Stromanstiegs- und Stromabfallzeiten auch bei hohen generierten Gegenspannungen realisieren können Es können magnetflußeinpragende Endstufen hergestellt werden, wobei Signal Verarbeitung, Magnetflußregler und Leistungsendstufe zu einer Baugruppe zusammengefaßt werden
Jeder Wicklung kann ein eigener Magnetflußregler zugeordnet sein Falls mehrere Wicklungen zu einer Phase gehören, kann diesen Wicklungen ein gemeinsamer Magnetflußregler zugeordnet werden Sensoren müssen dann nur in den Magnetkreisen rund um eine einzige der Wicklungen dieser Phase angeordnet sein Es ist aber auch möglich weitere oder alle Magnetkreise dieser Phase mit Sensoren auszustatten und die gemittelten Meßwerte dem gemeinsamen Magnetflußregler zuzuführen
Sollen bei luftgelagerten planaren Hybridschrittmotoren neben höchster Dynamik auf einem großen Verfahrbereich in bestimmten kleineren Sektoren auch höchste Genauigkeiten im Nanometerbereich erreicht werden, so kann eine Magnetflußregelung mit einer Positionsregelung unter Nutzung von Laserwegmeßsystemen kombiniert werden Erfindungsgemäß können die Magnetfluß-Meßwerte der Sensoren nicht nur zur direkten Regelung der Magnetflusse sondern auch zur Zustands-Beobachtung des Antriebes eingesetzt werden Damit ist eine Reaktion der Steuerung des Schrittmotors auf die momentane Situation auch ohne Magnetflußregelung möglich Ein Beispiel hierfür ist die Schrittfehlererkennung
Durch die Magnetflußeinpragung bei Schrittmotoren ohne verstärkte Abhängigkeit der Magnetfluß-Istwerte von der Zahnuberdeckung ergeben sich folgende Vorteile
Durch Einpragung der von der Fuhrungsgroße vorgegebenen Magnetflusse auch bei hohen Drehzahlen beziehungsweise Geschwindigkeiten ergibt sich eine erhöhte Leistungsaufnahme zum Ausgleich von Ummagnetisierungsverlusten sowie anderen schwachenden Einflüssen und damit eine weniger stark abfallende Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie ohne den Antrieb thermisch zu überlasten
Durch eine weniger stark abfallende Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie sind höhere Beschleunigungswerte bei hohen Drehzahlen bzw Geschwindigkeiten realisierbar Auch die Maximaldrehzahl bzw Maximalgeschwindigkeit wird erhöht
Die Produktivität von Maschinen mit Schrittmotor- bzw Direktantrieben in der offenen Steuerkette laßt sich durch den Betrieb mit Magnetflußeinpragung steigern, weil die Positionierzeiten wegen der stärkeren Beschleunigung, höheren Drehzahl bzw Geschwindigkeit verkürzt werden können
Durch Messung der Magnetflusse wurde ermittelt, daß bei einigen Schrittmotortypen, z B luftgelagerten planaren Hybridschrittmotoren, die Spulensysteme Restmagnetismus auf dem Stator hinterlassen, dessen Starke von der Drehzahl bzw der Geschwindigkeit abhangig ist und insbesondere bei mittleren bis hohen Drehzahlen bzw Geschwindigkeiten den Magnetfluß im nachfolgenden Magnetkreis stört Durch eine unabhängige Regelung der Stromamplituden der einzelnen Phasen bzw Wicklungen des Motors kann dieser Restmagnetismus ausgeregelt werden Damit wird die Geschwindigkeitskonstanz bzw Drehzahlkonstanz sowie die Laufruhe verbessert
Ungenauigkeiten in der Zahnstruktur und das Überfahren von Statorplattenubergangen führen weniger stark zu Kraft- und Geschwindigkeitsschwankungen, da Abweichungen vom Sollwert der Magnetflußwerte durch Regelung der Wicklungsstrome zumindest teilweise korrigiert werden
Die Laufruhe wird verbessert, weil die Kurvenformen der Magnetflusse exakter den Vorgaben der Fuhrungsgroßen entsprechen
Die Magnetkreise, insbesondere die ortsfeste Zahnstruktur, werden als Teil des Antπebes und gleichzeitig als Teil des Meßsystems genutzt Damit wird die Funktions- und Struktuπnte "σ-r1ation der Antriebe erhöht
Die Sensorik ist innerhalb des Antriebes geschützt angebracht, ist extrem leicht und robust und unterliegt keinerlei Verschleiß Wartung und Pflege sind nicht erforderlich In der Regel ist der vorhandene Bauraum im Antrieb ausreichend um Sensoren und eine optionale o
Signalvorverarbeitung aufzunehmen Die Magnetflußeinpragung erfordert bei linearen und planaren Hybridschrittmotoren keine Vergrößerung der Lauferflache
Die erfindungsgemaße Messung der Magnetflüsse funktioniert auch unter widrigen Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Staub, Rauch sowie starken Temperaturanderungen
Samtliche Komponenten zur Generierung der Fuhrungsgroßen, die Steuersoftware, die Entwicklungswerkzeuge und Hilfsmittel, wie z B Hard- und Software zur Kalibrierung, können ohne jegliche Änderung vom Betrieb in offener Steuerkette übernommen werden zur Verwendung für den magnetflußgeregelten Betrieb
Luftgelagerte planare Hybridschrittmotoren mit Magnetflußeinpragung lassen sich in Serienfertigung preiswert herstellen und können bezuglich Preis und Leistung zwischen Betrieb in offener Steuerkette mit stromeinpragenden Endstufen und dem geregelten Betrieb mit Laserwegmeßsystemen eingeordnet werden
Der Gesamtaufbau von planaren Antriebssystemen auf Basis luftgelagerter Hybridschrittmotoren mit Magnetflußeinpragung bleibt sehr kompakt und behalt einen äußerlich einfachen, leicht zu überschauenden Aufbau, da die Sensorik im Antrieb von außen nicht sichtbar ist, außer einer zusatzlichen Kabelverbindung zwischen Laufer und Steuerung Samtliche Befestigungspunkte zur Aufnahme von Nutzlasten bleiben erhalten und kein Teil der Sensorik schrankt den Bewegungsbereich bzw den Bauraum für die Nutzlast ein
Bei luftgelagerten linearen und planaren Hybridschrittmotoren können beliebig viele Laufer auf einem gemeinsamen Stator gleichzeitig und unabhängig voneinander magnetflußgeregelt betrieben werden, ohne daß sie sich bezuglich der Regelung gegenseitig behindern, wie das z B durch gegenseitige Verdeckung der Laserstrahlen bei der Nutzung von Laserwegmeßsystemen der Fall sein kann
Durch die Magnetflußeinpragung mit verstärkter Abhängigkeit der Magnetfluß-Istwerte von der Zahnuberdeckung, ergeben sich zusatzlich folgende Vorteile
Die Steifigkeit in Bewegungsrichtung wird deutlich verbessert Dadurch wird die Einschwingzeit deutlich verkürzt und damit ein Beitrag zur Verkürzung von Positionierzeiten erbracht Damit kann die Produktivität von Maschinen mit Schrittmotorantrieb weiter gesteigert werden
Die Bahngenauigkeit luftgelagerter, planarer Hybridschrittmotoren wird erhöht, da die Laufer wegen der höheren Steifigkeit durch Tangential- und Storkrafte weniger stark ausgelenkt werden
Die Statorstruktur als Maßverkorperung wird noch besser zur Erreichung einer hohen Positioniergenauigkeit genutzt
Die Geschwindigkeitskonstanz wird verbessert, da eine Abweichung von der Soliposition über die Magnetfluß-Istwerte besser erkannt und dadurch besser ausgeregelt werden kann Eine aktive Schwingungsdampfüng laßt sich verwirklichen, indem durch die Regelung der Magnetflusse die Zahnuberdeckung sowie die Größe des Luftspaltes zwischen Laufer- und Statorzahnstruktur berücksichtigt werden Abweichungen von den Sollgroßen fuhren zu Abweichungen im Magnetfluß, die vom Magnetflußregler korregiert werden und ihrer Ursache entgegenwirken können Dadurch wird das Gerauschverhalten weiter verbessert
Wenn die weitestgehend positionsabhangigen Magnetflusse mit dem Wert der Fuhrungsgroße übereinstimmen, kann davon ausgegangen werden daß auch die Position des Antriebs mit der Fuhrungsgroße weitestgehend übereinstimmt Durch Verwendung des vorwiegend positionsabhangigen Anteils der Magnetflußwerte kann indirekt die Position geregelt werden, realisiert durch die Regelung der Magnetflusse
Positionierfehler infolge magnetischer Hysterese werden minimiert, da der Restmagnetismus zusammen mit dem Magnetfluß gemessen und von den Magnetflußreglern berücksichtigt wird Gegenüber der Magnetflußeinpragung mit der Signalverarbeitung ohne verstärkte Abhängigkeit von der Zahnuberdeckung ist der strombedingte Anteil im Magnetfluß-Istwert nicht mehr so dominant, so daß Restmagnetismus bei der Positionierung deutlicher erkannt und damit starker berücksichtigt werden kann
Ein Schrittmotor mit Magnetflußregelung laßt sich kalibrieren, wie von dem Betrieb in offener Steuerkette her bekannt Die Ergebnisse bei der Kalibrierung zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit von Schrittmotoren mit Magnetflußeinpragung sind besser als die von Schrittmotoren in offener Steuerkette mit stromeinpragenden Endstufen Effekte wie Umkehrspanne und Richtungsabhangigkeit beim Anfahren einer Zielposition treten kaum noch auf
Der Schleppfehler wird vernngert Eine Positionsabweichung wird über die abweichende Zahnuberdeckungsflache, anhand der Magnetfluß-Istwerte deutlicher erkannt und vom Magnetflußregler durch Nachregelung zumindest teilweise korrigiert
Eine robuste, einfache Schrittfehleruberwachung wird ohne die Nutzung von externen Wegmeß Systemen und ohne Vergrößerung der Lauferflache bei translatorischen Schrittmotoren möglich und laßt sich durch Auswertung der Abweichung des ermittelten Magnetflusses vom Sollmagnetfluß realisieren Eine vom Sollwert abweichende Position entspricht einer vom Sollwert abweichenden Flache der Zahnuberdeckung und daraus resultiert ein vom Sollwert abweichender Magnetflußmeßwert Die Überschreitung eines Grenzwertes der Abweichung vom Sollmagnetfluß kann als Schrittfehler interpretiert werden Durch die Überlast- bzw Schrittfehleruberwachung können unkontrollierte Zustande weitgehend vermieden werden Damit kann z B ein Abfallen des Laufers eines planaren luftgelagerten Hybridschrittmotors, der an einem senkrecht stehenden Stator entlang fahrt, durch sofortige Bremsrampe und Luftabschaltung bei Erkennung eines Schrittfehlers verhindert werden
Eine weitere Möglichkeit zur Schrittfehlererkennung ist die Nutzung der Sensoren und einer modifizierten Signalverarbeitung zur Beschaffung eines Positionswertes bzw Winkelwertes aus den permanentmagnetbedingten Magnetflüssen, daß mit dem Positionssignal der Fuhrungsgroße verglichen wird Eine Regelung des Magnetflusses ist dabei nicht notwendig
Durch Auswertung der Abweichung der Magnetflusse von den Sollwerten ist eine Lasterkennung bzw Belastungsanzeige realisierbar Die Information über den Belastungszustand kann an die übergeordnete Steuerung bzw den Fuhrungsgroßengeber zuruckgekoppelt werden, um bestimmte Parameter an die Situation anzupassen Zum Beispiel kann die Beschleunigung reduziert werden, um einen sich anbahnenden Schrittfehler zu verhindern
Durch die Magnetflußregelung werden die Leistungsendstufen optimaler angesteuert Die Anpassung der Ansteuerfunktion für die Leistungsendstufen an die Situation erfolgt permanent, stufenlos und in Echtzeit
Durch die genannten Verbesserungen der Eigenschaften ergeben sich neue Anwendungsgebiete für Schrittmotoren
Erfindungsgemaß wird ein Direktantrieb mit internen Sensoren zur Realisierung einer direkten Regelung der Magnetflusse vorgeschlagen bestehend aus
• einer Aktiveinheit aus Spulensystemen mit Eisenkernen und Permanentmagnetsystemen zur Erzeugung von Magnetflüssen ,
• einer Passiveinheit zur Leitung der Magnetflusse bzw zur Erzeugung von P ermanentmagnetflussen,
• einer Fuhrungseinheit zur Gewährleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit,
• mindestens einem Fuhrungsgroßengeber für die Magnetflusse,
• mindestens einem internen Sensor je Motorphase, der zur Messung des Magnetflusses geeignet ist,
• mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung je Motorphase zur Verarbeitung der Meßwerte von internen Sensoren,
• mindestens einem Magnetflußregler je Motorphase, der Fuhrungsgroßen und Signale von der Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet und eine Fuhrungsgroße für das Leistungsstellglied ausgibt,
• mindestens einem Leistungsstellglied je Motorphase zur Bereitstellung der Phasenstrome
Der Direktantrieb mit internen Sensoren zeichnet sich dadurch aus, daß der Magnetfluß, der seinen Richtungssinn wechselt, durch ein Spulensystem erzeugt wird, das im Bereich von 2 benachbarten Eisenkernen angeordnet ist und einen Phasenstrom führt, daß der Magnetfluß, der seinen Richtungssinn nicht ändert, durch ein Permanentmagnetsystem erzeugt wird, das einen Magnetfluß zwischen 2 benachbarten, durch ein Spulensystem miteinander verbundene Eisenkerne , erzeugt, daß mindestens 2 Permanentmagnete etwa symmetrisch an der der Funktionsflache gegenüberliegenden Seite der Eisenkerne angeordnet und durch eine Ruckschlußplatte verbunden sind und daß mindestens ein Sensor in einem oder mehreren linken Schenkeln und / oder in einem oder mehreren rechten Schenkeln angeordnet ist
Weiterhin ist im Direktantrieb mit internen Sensoren das Permanentmagnetsystem zwischen 2 zugehörigen Eisenkernen (3) ohne Ruckschlußplatte angeordnet und mindestens ein Sensor ist in einem oder mehreren linken Schenkeln und / oder in einem oder mehreren rechten Schenkeln anseordnet Zum Einbau von Sensoren in die Eisenkerne bzw. die Schenkel sind Aussparungen eingebracht, die ein geringes Spiel beziehungsweise eine leichte Preßpassung gegenüber dem Sensor aufweisen, die Sensoren sind in den Aussparungen befestigt, und der Sensor wird von einem Teil des Magnetflusses durchströmt
Zur Herauslosung des weitgehend positionsabhangigen, permanentmagnetbedingten Magnetflußes kann ein Strommeßwiderstand in Reihe zu den Wicklungen einer Motorphase geschaltet werden, dessen Spannungsabfall der Signalverarbeitungseinrichtung, die mit Herauslosung des Permanentmagnentanteils arbeitet, zugeführt wird
Vorgeschlagen wird für besondere Direktantriebe, die für kleine Fahrwege vorgesehen sind, mindestens einen der Sensoren in der Passiveinheit zwischen den Polschenkeln der beiden Eisenkerne einer Motorphase, in einem Abstand von etwa kleiner als 3mm von der Funktionsflache anzuordnen
Die Sensoren können im Bereich der vorgeschriebenen Eisenkernbereiche auch auf die Eisenkerne flach aufgebracht sein, so daß der Sensor von einem Teil des Magnetflusses durchströmt wird
Vorteilhaft ist es, wenn für die Sensoren Hallsensoren verwendet werden, die ohne oder mit integriertem Vorverstärker ausgeführt sind
Die Sensoren können auch in den Schenkeln der Eisenkerne einer Motorphase in 4 Zonen angeordnet sein, ein erster Sensor im linken Eisenkern links vom Zugang des Permanentmagnetflusses, ein anderer zweiter Sensor im linken Eisenkern rechts vom Zugang des Permanentmagnetflusses, ein dritter Sensor im rechten Eisenkern links vom Zugang des Permanentmagnetflusses und ein vierter Sensor im rechten Eisenkern rechts vom Zugang des Permanentmagnetflusses und die Sensoren sind mit einer Signalverarbeitung verbunden
Die Signalverarbeitung, Magnetflußregler und Leistungsstellglied können zu einer Baugruppe, die als magnetflußeinpragende Leistungsendstufe bezeichnet wird, zusammengefaßt werden
Die Erfindung wird dadurch ausgestaltet, daß mindestens ein Sensor je Motorphase die Magnetflusse (15) mißt, daß diese Meßwerte von mindestens einer Signal Verarbeitungseinrichtung verarbeitet werden und daß der Magnetflußregler die verarbeiteten Magnetflußmeßwerte und die Fuhrungsgroßen für die Magnetflusse verknüpft, um durch Ansteuerung des Leistungsstellgliedes genau solche elektrischen Strome durch die Wicklungen einzustellen, die möglichst exakt zu den von der Fuhrungsgroßen geforderten Magnetflüssen führen
Zu einer Motorphase können mehrere Wicklungen gehören und jeder Wicklung kann vorteilhaft ein eigener Magnetflußregler zugeordnet sein
Falls mehrere Wicklungen zu einer Phase gehören, so kann diesen Wicklungen gunstiger Weise ein gemeinsamer Magnetflußregler zugeordnet sein und mindestens in einem Magnetkreis dieser Motorphase kann mindestens ein Sensor zur Messung der Magnetflusse eingebracht
Falls mehreren Wicklungen der gleichen Phase ein gemeinsamer Magnetflußregler zugeordnet ist, werden zur Erhöhung der Genauigkeit weitere Magnetkreise dieser Phase mit Sensoren zur Messung der Magnetflüsse ausgestattet, deren gemittelte Meßwerte mindestens einem gemeinsamen Magnetflußregler zugeführt werden
Durch Auswertung der Differenz zwischen Soll- und Ist-Magnetfluß läßt sich ein Belastungssignal bilden und einer Auswerteeinheit zuführen
Ein Direktantrieb mit einem internen Sensor je Motoφhase und Magnetflußregelung ohne und mit verstärkter Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte wird so aufgebaut, daß ein Sensor je Motoφhase, der den Magnetfluß mißt, mit Eisenkernen einer Aktiveinheit ( verbunden ist und ein vom Magnetfluß in der Nahe des Sensors abhangiges Signal aufnimmt, der Sensor wird von einem Magnetfluß durchströmt, der seinen Richtungssinn wechselt, und einem Magnetfluß durchströmt, der seinen Richtungssinn nicht wechselt, eine Signalverarbeitungseinheit ist angeordnet, die bei verstärkter Positionsabhangigkeit inklusive Ermittlung des strombedingten Magnetflusses durch Messung des Spannungsabfalles über einen Strommeßwiderstand oder durch Herauslosung des strombedingten Magnetflusses aus den Sensormeßwerten ausführt, um ein auswertbares Signal dem Magnetflußregler bereitzustellen Die Anordnung betsteht weiter aus einem Magnetflußregler, der die ermittelten Magnetfluß-Istwerte von der Signalverarbeitungseinheit und mindestens einer Fuhrungsgroße empfangt, diese in üblicher Weise des Regeins verarbeitet und ein Signal an das Leistungsstellglied abgibt, und mindestens ein Leistungsstellglied ist für jede Phase vorgesehen
Ein Direktantrieb mit Magnetflußregelung unter Verwendung von 2 Sensoren je Motoφhase ohne und mit verstärkter Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte ist so aufzubauen, daß zwei Sensoren je Motoφhase, die die Magnetflusse messen, mit Eisenkernen einer Aktiveinheit verbunden sind und ein vom Magnetfluß in der Nahe des Sensors (1) abhangiges Signal aufnehmen, die Sensoren werden von einem Magnetfluß, der seinen Richtungssinn wechselt, und einem Magnetfluß, der seinen Richtungssinn nicht wechselt, durchströmt
Einer der Sensoren ist im Eisenkernbereich angeordnet, in dem zu einem Zeitpunkt die Magnetflusse gleichsinnig gerichtet sind, und der andere Sensor ist im Eisenkernbereich angeordnet, in dem zum gleichen Zeitpunkt die Magnetflusse entgegengerichtet sind, und eine Signalverarbeitungseinheit ist so angeordnet, daß bei verstärkter Positionsabhangigkeit und ohne Gewinnung einer den Phasenstrom repräsentierenden Große aus den Sensorwerten eine Ermittlung des strombedingten Magnetflusses durch Messung des Spannungsabfalles über einem Strommeßwiderstand ausgeführt wird, um ein auswertbares Signal dem Magnetflußregler bereitzustellen
Ein Magnetflußregler, der die ermittelten Magnetfluß-Istwerte von der Signalverarbeitungseinheit und mindestens eine Fuhrungsgroße empfangt, verarbeitet diese Signale in üblicher Weise des Regeins und gibt ein Signal an das Leistungsstellglied ab Wiederum ist mindestens ein Leistungsstellglied für jede Phase erforderlich
Nach der Erfindung wird eine Einrichtung zur Magnetflußeinpragung geschaffen, die je Motorphase mindestens aus einer Signalverarbeitungseinheit, mindestens einem Magnetflußregler, der als Eingangsgroßen mindestens einen Magnetflußmeßwert und mindestens eine Fuhrungsgroße verarbeitet, sowie mindestens einem Leistungsstellglied besteht, um genau solche Phasenstrome durch die Spulensysteme einzustellen, die möglichst exakt zu den von der Fuhrungsgroße geforderten Magnetflüssen führen
Im weiteren werden nun Verfahren -Vorgeschlagen. Ein Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit einem Sensor je Motoφhase ohne verstärkte Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet
1 Der verstärkte Meßwert des Sensors wird digitalisiert
2 Ein Vergleich dieses Meßwertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthalt, wird durchgeführt, und es wird ein Index i bestimmt, bei dem die größte Übereinstimmung vorliegt
3 Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthalt, die den unverfälschten Ist- Magnetflussen beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen
4 Der ermittelte Wert repräsentiert den unverfälschten Ist-Magnetfluß und wird dem Magnetflußregler der zugehörigen Motoφhase als Istwert zugeführt
5 Der Magnetflußregler ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflußes die Fuhrungsgroße für das Leistungsstellglied
Ein weiteres Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit einem Sensor je Motoφhase mit verstärkter Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß- Istwerte ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet
1 Der verstärkte Meßwert des Sensors wird digitalisiert.
2 Ein Vergleich dieses Meßwertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthalt, wird durchgeführt, und es wird ein Index i bestimmt, bei dem die größte Übereinstimmung vorliegt
3 Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthalt, die den unverfälschten Ist- Magnetflussen beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen und so stark verstärkt wurden, daß sie, wenn der strombedingte Anteil subtrahiert wird, in ihrer Amplitude dem Sollwert des Magnetflusses entsprechen, wird an der Stelle I ausgelesen Der ermittelte Wert repräsentiert den unverfälschten Ist-Magnetfluß
4 Es erfolgt die Digitalisierung des als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand ermittelten Wicklungsstromes der entsprechenden Motorphase
5 Ein Vergleich dieses Wertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthalt, ergibt einen Index i an der Stelle bester Übereinstimmung
6 Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthalt, die dem erwarteten Anteil des strombedingten Magnetflusses beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen Der ermittelte Wert repräsentiert den momentanen Anteil des strombedingten Magnetflusses
7 Der herausgeloste positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 3 und Schritt 6 ermittelten Werte, unverfälschter Ist-Magnetfluß minus Anteil des strombedingten Magnetflusses Der positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgroße zugeführt 8 Der Magnetflußregler ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflußes die Führungsgroße für das Leistungsstellglied
Ein anderes Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motoφhase ohne verstärkte Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte wird durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet
1 Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motoφhase werden separat durch Offsetjustage und Verstärkung normiert Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen, so daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes eine sinusahnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und dem halben maximalen Betrag der Führungsgroße des Leistungsstellgliedes Einheiten, zum Beispiel 0 Volt bis 5 Volt ergibt
2 Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert, um ein bipolares offsetfreies Signal doppelter Amplitude zu erhalten Im ungestörten Betriebsfall soll die Amplitude des subtrahierten Signals gut mit der Amplitude der Fuhrungsgroße für das zugehörige Leistungsstellglied übereinstimmen Das durch Subtraktion der normierten Sensorwerte ermittelte Signal wird im folgenden als Ist-Magnetfluß genutzt und dem Magnetflußregler als Istgroße zugeführt
3 Der Magnetflußregler ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflußes die Führungsgroße für das Leistungsstellglied
Ein Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motoφhase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte mit Verwendung des gemessenen Phasenstromes wird durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet
1 Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motorphase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusahnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und dem halben maximaler Betrag der Fuhrungsgroße des Leistungsstellgliedes Einheiten ergibt Die Motorwicklung wird wieder normal bestromt
2 Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert Das Ergebnis wird als Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benotigt
3 Es folgt die Digitalisierung des als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand ermittelten Wicklungstromes der entsprechenden Motorphase
4 Durch einen Vergleich dieses Wertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthalt, wird der Index i an der Stelle bester Übereinstimmung ermittelt
5 Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthalt, die dem erwarteten Anteil des strombedingten Magnetflusses beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen Der ermittelte Wert repräsentiert den momentanen Anteil des strombedingten Magnetflusses
6 Der herausgeloste positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 2 und Schritt 5 ermittelten Werte, Magnetflußzwischenwert minus Anteil des strombedingten Magnetflusses Der positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgroße zugeführt 7 Der Magnetflußregler ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Fuhrungsgroße für das jeweilige Leistungsstellglied
Noch ein Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motoφhase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte ohne die Notwendigkeit den Phasenstrom direkt zu messen wird durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet
1 Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motoφhase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusahnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und halben maximalen Betrag der Fuhrungsgroße des Leistungsstellgliedes Einheiten ergibt Die Motorwicklung wird wieder normal bestromt
2 Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert Das Ergebnis wird als subtrahierter Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrenschritte benotigt
3 Die beiden normierten Sensormeßwerte werden addiert. Das Ergebnis wird als addierter Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrenschritte benotigt.
4 Die addierten Magnetflußzwischenwerte werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert, so daß ein Wert zwischen etwa 0 und (maximaler Betrag der Fuhrungsgroße des Leistungsstellgliedes) Einheiten entsteht, der nahezu keinen permanentmagnetbedingten Anteil aufweist, beziehungsweise fast auschließlich vom Phasenstrom abhangig ist
5 Der Offset des addierten Magnetflußzwischenwertes wird durch Subraktion eines Offsetwertes beseitigt und das entstandene Signal wird verstärkt, so daß ein normierter addierter Magnetflußzwischenwert ensteht, dessen Wert etwa zwischen 0 und (maximaler Betrag des strombedingten Anteils des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes) Einheiten liegt, der nahezu keinen permanentmagnetbedingten Anteil aufweist, beziehungsweise fast auschließlich vom Phasenstrom abhangig ist
6 Wenn der subtrahierte Magnetflußzwischenwert einen positiven Wert aufweist wird der zugehörige normierte addierte Magnetflußzwischenwert subtrahiert, ansonsten werden subtrahierter Magnetflußzwischenwert und addierter Magnetflußzwischenwert addiert, so daß sich die phasenstrombedingten Anteile des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes und des addierten Magnetflußzwischenwertes gegenseitig aufheben und der gesuchte permanentmagnetbedingte Anteil des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes herausgelost ist Der positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist- Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgroße zugeführt
7 Der Magnetflußregler ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Fuhrungsgroße für das jeweilige Leistungsstellglied
Ein weiteres Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 4 Sensoren je Motoφhase mit verstärkter Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte wird durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet
1 Die beiden äußeren um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motorphase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgt so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungspeπode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusahnliche Kurve zwischen 0 Einheiten und halben maximalen Betrag der Fuhrungsgroße der Leistungsstellglieder Einheiten ergibt Die jeweilige Motorwicklung wird wieder normal bestromt 2 Die beiden äußeren normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert Das Ergebnis wird als äußerer Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benotigt.
3. Der Verfahrensschritt 3 ist wie der Verfahrenschritt 1, jedoch für die beiden inneren Sensoren auszuführen
4 Die beiden inneren normierten Sensormeß werte werden voneinander subtrahiert Das Ergebnis wird als innerer Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrenschritte benotigt
5 Ein Signal, das stark vom Wicklungstrom abhangt, erhält man, indem vom inneren Magnetflußzwischenwert der äußere Magnetflußzwischenwert subtrahiert wird Durch Verstärkung dieses Signals erhalt man den strombedingten Anteil des Magnetflusses
6 Der herausgeloste positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 2 und Schritt 5 ermittelten Werte, äußerer oder innerer Magnetflußzwischenwert minus strombedingter Anteil des Magnetflusses Der positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgroße zugeführt
7 Der Magnetflußregler ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Fuhrungsgroße für das Leistungsstellglied
Das Verfahren zur Magnetflußreglung und zur Positionserfassung bei mehr als 2 Sensoren je Motoφhase kann noch ergänzt werden, dadurch daß
1 Sensormeßwerte gemittelt werden, indem n Sensormeßwerte addiert werden und die Summe durch die Anzahl n dividiert wird und / oder
2 daß mehrere Magnetflußregler je Motoφhase verwendet werden, die autark arbeiten und die gleichen Magnetfluß-Sollwerte als Fuhrungsgroßen erhalten
Beschrieben wird ein Verfahren zur Magnetflußreglung und zur Positionserfassung, das sich dadurch auszeichnet, daß durch die Abhängigkeit der Magnetflüsse von der positionsabhangigen, lokalen Zahnuberdeckungsflache ein Positionierfehler in Form vom Sollwert abweichender Magnetflußmeßwerte erkannt wird und daß dieser Positionierfehler durch Nachregelung der Magnetflusse zumindest teilweise korrigiert wird, was zu einer erhöhten Steifigkeit in Bewegungsrichtung führt
Ein weiteres Verfahren zur Magnetflußreglung und zur Positionserfassung besteht darin, daß die Abhängigkeit der Magnetflußmeßwerte von der Position bzw der lokalen Zahnuberdeckungsflache erhöht wird, indem zusatzlich durch mindestens einen Sensor an einem oder mehreren anderen Meßpunkten des selben Magnetkreises ein Magnetfluß gemessen wird, der sich infolge eines anderen Abstandes zur Wicklung aus einem anderen Verhältnis von wicklungsstrombedingten und permanentmagnetbedingten Magnetfluß zusammensetzt und daß durch eine Signalverarbeitungseinrichtung aus den Magnetflußmeßwerten, der vorwiegend positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Magnetfluß herausgelost wird
Das Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung wird weiter dadurch ausgestaltet, daß durch die Abhängigkeit der Magnetflusse vom Arbeitsluftspalt, anhand der Magnetflußmeßwerte eine Abweichung von der Sollgroße des Arbeitsluftspaltes erkannt und durch Nachregelung des Wicklungsstromes der Magnetfluß und der Arbeitsluftspalt zumindest teilweise korrigiert werden kann, wodurch sich auch eine aktive Schwingungsdampfüng realisieren laßt
Ein Verfahren wird zur Zustandsbeobachtung von Schrittantrieben angegeben, daß darin besteht, daß die Magnetfluß-Meßwerte der Sensoren in den Magnetkreisen nicht nur zur Regelung der Magnetflusse sondern auch zur Zustandsbeobachtung des Antriebes eingesetzt werden können, um den Antrieb besser steuerbar zu machen und daß somit Schrittfehler auch ohne die Reglung der Magnetflüsse erkannt werden können, indem der durch Signalverarbeitung aus den weitestgehend positionsabhangigen permanentmagnetbedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte gewonnene Positions-Istwert mit dem durch die Fuhrungsgroße vorgegebenen Sollwert der Position verglichen wird
Im weiteren wird eine Anordnung für einen Direktantrieb mit internen Sensoren zur Positionserfassung bei Schrittmotoren angegeben, die aus
• einer Aktiveinheit aus Spulensystemen mit Eisenkernen und Permanentmagnetsystemen zur Erzeugung von Magnetflüssen,
• einer Passiveinheit zur Leitung der Magnetflusse beziehungseise zur Erzeugung von Permanentmagnetflussen,
• einer Fuhrungseinheit zur Gewahrleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit,
• mindestens einem Leistungsstellglied je Motoφhase zur Bereitstellung der Phasenstrome
• mindestens einem Fuhrungsgroßengeber für die Leistungsstellglieder,
• mindestens einem internen Sensor je Motoφhase, der zur Messung des Magnetflusses geeignet ist,
• mindestens zwei Signalverarbeitungseinrichtungen je Motor beziehungsweise je Koordinate bei Mehrkoordinatenantrieben, in der Regel eine Signalverarbeitungseinrichtung je Motoφhase, zur Verarbeitung der Meßwerte der internen Sensoren,
• mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Positionserfassung aus den von Signalverarbeitungseinrichtungen vorverarbeiteten Meßwerten von internen Sensoren der Motorphasen besteht
Ein Verfahren wird zur Positionserfassung angegeben, daß darin besteht, daß unter Ausnutzung der Zahnteilung als Maßverkorperung bei Schrittmotoren und Direktantrieben, die nach dem Schrittmotorprinzip arbeiten, aus den permanentmagnetbedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte von Sensoren Weg- oder Winkel-Informationen gewonnen werden können bei Durchführung folgender Verfahrensschritte
1 Beschaff ng der permanentmagnetbedingten Anteile der Magnetflußmeßwerte von Sensoren im Antrieb, so daß von mindestens 2 Motorphasen permanentmagnetbedingte Magnetflußsignale vorliegen, die weitgehend unabhängig vom Phasenstrom und nahezu nur von der Position abhangig sind,
2 Berechnung des Winkels α aus diesen Signalen nach einem Verfahren entsprechend dem Stand der Technik, bei 2 Phasen ergibt sich der Winkel α aus dem Arcustangens vom Magnetflußsignal der Sinusphase dividiert durch das Magnetflußsignal der Cosinusphase, bei linearen Direktantrieben wird der Winkel bekannterweise in einen Weg umgerechnet, indem der Winkel α in Grad multipliziert mit der Periodenlange durch 360° dividiert wird,
3 Berechnung des Periodenzahlerstandes durch Zahlung von Periodenubergangen unter Benutzung des in Verfahrenschritt 2 berechneten Winkels α, indem der Periodenzahler bei einem Winkelsprung von etwa > 270 ° nach etwa < 90 ° inkrementiert wird und bei einem 42
Winkelsprung von etwa < 90 ° nach etwa > 270 ° dekrementiert wird, das heißt wenn der momentane Winkel 3° beträgt und der vorhergehende Winkel 352° war, dann wird der Periodenzähler inkrementiert; 4. Berechnung der absoluten Position x durch Multiplikation der Länge der Teilungsperiode mit dem Periodenzählerstand und anschließende Addition des im Verfahrenschritt 2 berechneten Weges innerhalb der Periode, bei rotatorischen Direktantrieben wird zusätzlich zum Periodenzähler ein Umdrehungszähler verwendet, dessen Zählerstand sich berechnet aus dem abgerundeten, ganzzahligen Wert aus Periodenzählerstand geteilt durch Periodenanzahl einer Umdrehung.
Eine Ergänzung des Verfahrens zur Positionserfassung besteht darin, daß systematische Fehler bei der Positionserfassung, wenn sie auf systematisch abweichende Winkel α zurückzuführen sind, korrigiert werden können, indem der in Verfahrensschritt 2 berechnete Winkel α als Index zur Ermittlung eines Korrekturwertes aus einer Korrekturtabelle genutzt wird, wobei die Korrekturtabelle nach im Stand der Technik bekannten Verfahren generiert wird.
Die Anordnung des Direktantriebes mit internen Sensoren zur Positionserfassung wird dadurch ergänzt, daß AD-Wandler vorgesehen sind, die die analogen Meßwerte digitalisieren, eine Verbindung zu einem Rechner oder einer kombinatorischen Schaltung besteht, mit der die Verfahrensschritte 1 bis 4 des bereits angegebenen Verfahrens zur Positionsbestimmung abgearbeitet und die ermittelte Position x oder der Winkel α ausgegeben wird.
Noch eine Ergänzung des Verfahrens zur Positionserfassung besteht darin, daß bei gleichzeitiger Verwendung von internen Sensoren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionsbestimmung die in den genannten Verfahrensschritten herausgelösten, stark positionsabhängigen und extrem wenig phasenstromabhängigen, permanentmagnetbedingten Anteile in den Magnetflußmeßwerten gemeinsam von Magnetflußeinpragung und Positionsbestimmung benutzt werden.
λ$
Figure imgf000021_0001
sich näherungsweise wie folgt beschreiben: . -
Φl = ((ΦlPmax + ΦlSmax) • SU1 (27CX τ)) + Φpgleich ( 1)
Φ2 = - + Φ2Smax) ■ Sin (2πx/t)) + Φpgleich (2)
Durch Differenzbildung der Meßwerte von Sensor 1 und Sensor 2 wird der zur Übergabe an den Regler geeignete Magnetfluß-Istwert Φut ermittelt:
Φte = Φl - Φ2 = (ΦlPmax + ΦlSmax + Φ∑Pmax + Φ2Smax) " Sin (2πx/t) (3)
Die Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ läßt sich durch Differenzbildung von Führungsgröße Φsou und gewonnen Istwert des Magnetflusses Φ;st ermitteln:
ΔΦ = Φsoll - Φist (4)
Es folgt die mathematische Beschreibung der Signalverarbeitung gemäß Vorfahren 2 zur Gewinnung eines für die Regelung besser geeigneten, verstärkt positionsabhängigen Magnetfluß-Istwertes aus den Meßwerten von 4 Sensoren in einem Magnetkreis eines luftgelagerten 2-Phasen-Hybridschrittmotors der in Fig. 7 dargestellten Bauart. Unter der Vorrausetzung, daß die Sensoren (1) an den in Fig. 2 bzw. Fig. 7 dargestellten Meßpunkten angeordnet sind und die gemessenen Gleichanteile, durch geeignete Vorverstärkung und Offsetjustage, nahezu identische Werte aufweisen, haben die Meßwerte der Sensoren 1, 2, 3 und 4 vereinfacht den in Fig. 9 und Fig. 10 dargestellten Verlauf und lassen sich näherungsweise wie folgt beschreiben:
Φl = ((ΦlPmax + ΦlSmax) • Sin (2πx/τ)) + Φpgleich (1 )
Φ2 = - ((Φ2pmaX + Φ2smax) ■ sin (2πx/τ)) + ΦPgleich (2)
Φ3 = ((Φ3Pmax + Φ3Smax) • Sin (2πx τ)) + Φpgleich (3)
Φ4 = - ((Φ4Pm-χ + Φ4Smax) • Sin (27CX/τ)) + Φpgleich (4)
Durch Differenzbildung der Meßwerte von Sensor 1 und Sensor 2 wird ein Wert ΦA ermittelt:
ΦA = Φl - Φ2 = (ΦlPmax + ΦlSmax + Φ2Pmax + Φ2Smax) • sin (2πx/l) (5)
Durch Differenzbildung der Meßwerte von Sensor 3 und Sensor 4 wird ein Wert ΦB ermittelt:
ΦB = Φ3 - Φ4 = (Φ3Pmax + Φ3Smax + Φ4Pmκ + Φ4Smκ) ' sin (2πx/x) (6)
Unter der Vorraussetzung, daß der Maximalwert des positionsabhängigen permanetmagnetbedingten Anteils des Magnetflusses an allen 4 Meßstellen nahezu gleich groß ist, kann vereinfacht geschrieben werden:
ΦlPmax = Φ2Pmax = Φ3Pmax = Φ4Pmax (7)
Unter der Vorraussetzung der Gültigkeit von Gleichung (7) kann durch Differenzbildung der Werte von ΦB und ΦA ein Wert Φs ermittelt werden, der weitgehend nur vom wicklungstrombedingten Magnetfluß und nicht vom permanentmagnetbedingten Magnetfluß abhängig ist:
MFR97 Einrichtung und Verfahren zur Regelung der Magnetflüsse in Schrittmotoren Zo
ΦS = ΦB - ΦA = ((Φ3Smax + Φ4Smax) - (ΦlSm x + Φ2Smax)) • sin (27tx/τ) (8)
Durch die Verstärkung des weitgehend nur wicklungstromabhängigen Wertes Φs mit einem konstanten Verstärkungsfaktor k ensteht ein Wert Φsv:
ΦSv = k • ΦS = ((Φ3Smax + Φ4Smax) " (ΦlSmax + Φ max)) ' k • SÜl (I ift) (9)
Es gibt einen Wert des konstanten Verstärkungsfaktors k für den gilt: k • Φs = Φsv = (ΦlSmax + ΦzSmax) • SlXl (27CX τ) ( 10)
Unter der Vorraussetzung der Gültigkeit von Gleichung (10) kann durch Differenzbildung von ΦA und ΦSv der gewünschte weitgehend positionsabhängige permanentmagnetbedingte Anteil aus dem Wert von ΦA herausgelöst werden:
Φ t = ΦA - Φsv = (ΦlPmax + Φ∑Pπux) ■ sin (27tx τ) (1 1)
Die Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ läßt sich durch Differenzbildung von
Führungsgröße Φson und gewonnen Istwert des Magnetflusses Φ;st ermitteln.
ΔΦ = Φso„ - Φist (12)
In der mathematischen Herleitung des Magnetfluß-Istwertes Φi3t wird ein sinusförmiger Verlauf der Meßwerte der Sensoren unterstellt, um ein einfaches, leicht verständliches Modell zu erhalten. In der Praxis läßt sich der Magnetfluß durch den Wicklungsstrom besser verstärken als schwächen, daß heißt die eine Halbwelle des gemessenen Magnetflußes vor Ort ist betragsstärker als die andere Halbwelle. Durch die Subtraktion von Φi und Φ bzw. Φ3 und Φ erhält die Kurvenform des entstehenden Signals wieder ein sinusähnliches Aussehen, ähnlich der Kurvenform des Wicklungstromes.
M
Φl = ((ΦlPnαx + ΦlSnux) • SÜl (27CX/τ)) + Φpgie h (1) (2)
Figure imgf000023_0001
Durch Differenzbildung der Meßwerte von Sensor 1 und Sensor 2 wird der zur Übergabe an den Regler geeignete Magnetfluß-Istwert _ ermittelt:
Φut = Φi - Φ2 = (ΦiPm« + Φi + Φa-m« + ∑sa«) • sin (2πx τ) «. ((f$ < \/) (3)
Die Abweichung vom Sollwert des Magnetflusses ΔΦ läßt sich durch Differenzbildung von
Führungsgröße Φ„u und gewonnen Istwert des Magnetflusses Φu ermitteln:
Figure imgf000023_0002
Figure imgf000023_0003
Figure imgf000023_0004
Figure imgf000024_0001
Magnetflüsse in Direktantrieben
Magnetflußeinpragung Positionsmeßsystem
/
Signalverarbeitung, Signalverarbeitung, Herauslösung des positionsabh die Festwertspeicher die auch ohne FestwertAnteilen den Magnetflußmeß benötigt speicher arbeitet
1 und mehr 2 und mehr ohne die Notwendigkeit, Sensoren Sensoren gemessene Phasenstrom- je Phase je Phase werte zu verwenden
mit ohne mit ohne verstärkter verstärkte verstärkter verstärkter 2 oder mehr Sensoren 1 Positions- PositionsPositions- Positionspro Motorphase abhängigkeit abhängigkeit abhängigkeit abhängigkeit (in der Regel Vielfache von 2)
\
Mindestens 2 Motorphasen mü aufweisen,um die Richtung erk
Ermittlung des Winkels bezieh
Figure imgf000024_0002
Figure imgf000025_0001
Figure imgf000025_0002
Figure imgf000025_0003
23
Verzeichnis der verwendeten Symbole
Φi Magnetflußmeßwert von Sensor 1, vorverstärkt und Gleichanteil abgeglichen Φ2 Magnetflußmeßwert von Sensor 2, vorverstärkt und Gleichanteil abgeglichen
Φ3 Magnetflußmeßwert von Sensor 3, vorverstärkt und Gleichanteil abgeglichen Φ4 Magnetflußmeßwert von Sensor 4, vorverstärkt und Gleichanteil abgeglichen
τ Zahnteilungsperiode, z.B. 0,64 mm
ΦiPma Maximaler Betrag des positionsabhängigen Anteils des permanentmagnetbedingten Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor 1
Φ2pmaχ Maximaler Betrag des positionsabhängigen Anteils des permanentmagnetbedingten Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor 2
Φ3pmax Maximaler Betrag des positionsabhängigen Anteils des permanentmagnetbedingten Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor 3
Φ4pm x Maximaler Betrag des positionsabhängigen Anteils des permanentmagnetbedingten Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor 4
Φisma Maximaler Betrag des wicklungsstrombedingten Anteils des Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor 1 Φ2smax Maximaler Betrag des wicklungsstrombedingten Anteils des Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor 2 3sm Maximaler Betrag des wicklungsstrombedingten Anteils des Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor 3 Φ sm- Maximaler Betrag des wicklungsstrombedingten Anteils des Magnetflusses an der Meßstelle von Sensor 4
Φ Pgleich Gleichanteil des permanentmagnetbedingten Magnetflußes
ΦA Differenz der Meßwerte der Sensoren 1 und 2 ΦB Differenz der Meßwerte der Sensoren 3 und 4
Φs Differenz von ΦB und ΦA k Konstanter Verstärkungsfaktor
ΦSv Produkt von Φs und k
Φist Istwert des Magnetflusses der dem Magnetflußregler zugeführt werden kann Φsoll Sollwert des Magnetflusses (Führungsgröße)
ΔΦ Regelabweichung (Φson - Φist )
MFR97 Einrichtung und Verfahren zur Regelung der Magnetflüsse in Schrittmotoren 2k
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.
Es zeigen
Fig 1 bis 6
Figure imgf000027_0001
von Aussparungen in Eisenkernen von Aktiveinheiten im Beispiel eines Hybridschrittmotors;
Fig 7 und 8 eine Aktiv- und eine Passiveinheit, die Anordnung der Magnetflußsensoren im Magnetfluß, der von Wicklungen und Permanentmagneten erzeugt wird;
Fig 9 und 10 die Bestandteile und die Kurvenform eines Sensorsignals;
Fig 1 1 und Fig 12 die Verbindung der Sensoren mit der Signalverarbeitung und der Prinzipaufbau einer Signalverarbeitungseinheit;
Fig 13 das Prinzipbild der Steuerung eines Schrittmotors unter Verwendung eines Magnetflußreglers;
Fig 14 die Bereitstellung der Sollwerte als Fuhrungsgroße zur Magnetflußreglung,
Fig 15 bis 17 geben eine Ubersichtsdarstellung, was unter einem planaren Direktantrieb zu verstehen ist, wie die Spulensysteme mit Eisenkernen im Beispiel des Hybridschrittmotors aufgebaut sind und wo die Hallsensoren beispielsweise angeordnet sein können,
Fig 18 stellt ein Blockschaltbild für die Signalverarbeitung mit verstärkter Positionsabhangigkeit für einen 2 Phasenmotor dar,
Fig 19 gibt ein Prinzipbild an, wie aus den permanentmagnetbedingten Signalen eine Positionsinformation gebildet wird,
Fig 20 zeigt die Verwendung der Magnetflußeinpragung und der Positionsbestimmung am
/ LA,-
Figure imgf000028_0001
Solirittmotor &»,
Fig 22 gibt die Zonen A und B an, in der die Magnetflußsensoren beispielsweise anzuordnen sind,
Fig 23 bis 28 stellen in Diagrammform Signalverlaufe dar, wie sie in Verfahrensschritten von Magnetflußregelung und Positionsbestimmung vorkommen,
Im einzelnen zeigen die Figuren folgendes
Fig 1 zeigt die Aussparungen 33 in den äußeren Schenkeln der Eisenkernen 3 im unteren Bereich Sie werden vorzugsweise mittig im Eisenkern 3 angeordnet
In Fig 2 sind 4 Aussparungen 33 für die internen Sensoren 1 gezeigt Wegen des Verlegens der Sensoranschlusse können die Aussparungen 33 in den inneren Schenkeln versetzt angeordnet sein
Mit Hilfe der Fig 3 wird die Strukturierung der Eisenkerne 3 verdeutlicht
Die Fig 4 zeigt noch weitere mögliche Anordnungsvarianten für 2 interne Sensoren 1 und 2 eines Magnetkreises
In der Fig 5 werden noch weitere Anordnungsvarianten bei Verwendung von 4 internen Sensoren 1 gezeigt
Bei Fig 6 werden Varianten für die Anordnung von 2 Sensoren 1 bei einem Direktantrieb der in Fig 8 gezeigten Bauart dargestellt
Fig 7 gibt eine Aktiveinheit 14 und eine Passiveinheit 7 an, es wird die Fuhrung 8 durch das Ausstromen der Luft verdeutlicht, die Anordnung von insgesamt 8 Sensoren 1 wird exemplarisch gezeigt Zu erkennen ist die Wicklung 4 und die Permanentmagnete 5 sowie die Ruckschlußplatten 6 Damit kann der strombedingte Magnetfluß 15 und auch der permanentmagnetbedingte Magnetfluß 15 durch Pfeile gezeigt werden Z
Im Unterschied zu Fig 7 zeigt die Fig 8 eine Anordnung der Permanentmagnete 5 zwischen den Eisenkernen 3, wodurch Ruckschlußplatten 6 entfallen
Fig 9 beschreibt die Zusammensetzung und die Kurvenform von Sensor Signalen aus permanentmagnetbedingtem Magnetfluß und aus strombedingtem Magnetfluß Erkennbar ist ein Offset (Gleichanteil) Die Permanentmagnetflusse sind im Beispiel durch das exponentielle Meßverhalten der Sensoren 1 deutlich kleiner als die strombedingten Magnetflusse
Bei Fig 10 sind die strombedingten Magnetflusse starker als in Fig 9, weil die Sensoren einen geringeren Abstand zur Wicklung 4 aufweisen
Mit der Fig 11 wird die Verbindung der Sensoren 1 und 2 mit der Signalverarbeitung ohne verstärkte Positionsabhangigkeit dargestellt
Die Fig 12 zeigt den Anschluß von 4 Sensoren 1 mit einer Signalverarbeitung mit verstärkter Positionsabhangigkeit
Durch Fig 13 wird ein Prinzipbild der Steuerung eines Schrittmotors unter Verwendung von Magnetflußreglern 11 für die Motoφhasen angegeben Damit wird erläutert, was unter Magnetflußeinpragung 16 zu verstehen ist
Die Fig 14 gibt eine einfache Anordnung zur Bereitstellung von Fuhrungsgroßen zur Magnetflußreglung an
Fig 15 zeigt 2 Eisenkerne 3 mit Wicklung 4 und eine Aussparung 33 zur Einbringung eines internen Sensors 1
Mit Fig 16 wird ein Eisenkern 3 aufgeklappt dargestellt, um die Aussparung 33 deutlich zu zeigen
Die Fig 17 zeigt einen planaren Direktantrieb mit 3 Aktiveinheiten 14 auf einer Passiveinheit 7
Fig 18 stellt ein Prinzipbild für die Signalverarbeitung 12 mit verstärkter Positionsabhangigkeit für einen 2 Phasenmotor mit 2 internen Sensoren 1 und 2 je Motorphase dar Hier wird die Variante gezeigt, bei der der Strom als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand abgegriffen wird
Bei der Fig 19 wird der prinzipielle innere Aufbau einer Einrichtung zur Positionsbestimmung aus den permanentbedingten Signalen der beiden Motorphasen dargestellt
In der Fig 20 wird ein geregelter planarer Direktantrieb gezeigt, bei dem die Magnetflußeinpragung 16 und die Positionsbestimmung 1 zum Einsatz kommen
Die Fig 21 zeigt, wie einem Meßwert ein passender Korrekturwert zugeordnet wird Es ist zu sehen, daß der Meßwert mit einem Feld von erwarteten Meßwerten innerhalb einer Periode verglichen wird und daß der ermittelte Index benutzt wird, um in einem Feld von Korrekturwerten den zum Meßwert passenden Korrekturwert zu ermitteln Fig 22 gibt die Zonen A und B an, in der die Sensoren beispielsweise angeordnet sind. Gezeigt wird, wo der Permanentmagnetfluß in den Eisenkern 3 eingeleitet wird.
Die Fig 23 zeigt die permanentmagnetbedingten Meßwerte des Sensors 1 beim Durchfahren von drei Teilungsperioden.
Die Fig 24 zeigt die bezüglich Sensor 1 um 180 ° phasenversetzten permanentmagnetbedingten Meßwerte des Sensors 2, die zur gleichen Zeit aufgenommen wurden wie die in Fig 23 dargestellten Meßwerte.
In der Fig 25 werden die Summe aus permanentmagnetbedingten und strombedingten Magnetflüssen beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode gezeigt.
Bei der Fig 26 ist zeitgleich zur Fig 25 der Meßwert des bezüglich Sensor 1 um 180 ° phasenversetzten Sensors 2 gezeigt.
Die Fig 27 gibt zum gleichen Zeitpunkt, zu dem die Meßwerte in Fig. 25 und 26 aufgenommen wurden, die Meßwerte des Phasenstromes der zugehörigen Motorphase an.
Bei der Fig 28 ist zum gleichen Zeitpunkt wie die Fig 25 bis 27 aufgenommen wurden, der Inhalt des Korrekturfeldes angegeben. Das entsprechende Feld mit Korrekturwerten für die Cosinusphase ist auch in Fig 18 zu erkennen.
Bezugszeichenliste:
Figure imgf000031_0001
3 Eisenkern
4 Wicklung, Spulensystem
5 Permanentmagnet
6 Rückschlußplatte
7 Passiveinheit
Figure imgf000031_0002
permanentmagnetbedingten Anteils aus den Magnetflußmeßwerten der Sensoren
13 Leistungsstellglied
14 Aktiveinheit
15 Magnetfluß
16 Einrichtung zur Magnetflußeinpragung
17 Addierer
18 Subtrahierer
19 Einrichtung zur Positionsbestimmung
20 Steuereinheit
21 Positionsgenerator, Indexer
22 Umschalter
23 Umsetzer
24 Lageregler
25 Geschwindigkeitsregler
26 Kommutierungseinrichtung
27 Analog-Digital-Wandler
28 Führungsgröße (Prograrnm)^
29 Signalverarbeitung 1, ψjέ Herauslosung des permanentmagnetbedingten Anteils aus den Magnetflußmeßwerten der Sensoren
31 Eisenkernbereich
32 Eisenkernbereich
33 Aussparung 3 3 -3? Regelsignal
Figure imgf000031_0003
JJΓ & externes Wegmeßsystem
41 Magnetfluß, der Richtungssinn wechselt
42 Magnetfluß, der Richtungssinn nicht wechselt
43 Funktionsfläche
66 linker Schenkel
67 rechter Schenkel
Figure imgf000031_0004

Claims

Patentansprüche:
1. Direktantrieb mit internen Sensoren zur Realisierung einer direkten Regelung der Magnetflüsse bestehend aus:
• einer Aktiveinheit (14) aus Spulensystemen (4) mit Eisenkernen (3) und Permanentmagnetsystemen (5) zur Erzeugung von Magnetflüssen (15),
• einer Passiveinheit (7) zur Leitung der Magnetflüsse (15) bzw. zur Erzeugung von Permanentmagnetflüssen,
• einer Führungseinheit (8) zur Gewährleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit (14) und Passiveinheit (7),
• mindestens einem Führungsgrößengeber (9) für die Magnetflüsse (15),
• mindestens einem internen Sensor (1) je Motoφhase, der zur Messung des Magnetflusses (15) geeignet ist,
• mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung (12, 29) je Motoφhase zur Verarbeitung der Meßwerte von internen Sensoren (1),
• mindestens einem Magnetflußregler (11) je Motoφhase, der Führungsgrößen (28) und Signale von der Signalverarbeitungseinrichtung (12, 29) verarbeitet und eine Führungsgröße (28) für das Leistungsstellglied (13) ausgibt,
• mindestens einem Leistungsstellglied (13) je Motoφhase zur Bereitstellung der Phasenströme.
2. Direktantrieb mit internen Sensoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß (41), der seinen Richtungssinn wechselt, durch ein Spulensystem (4) erzeugt wird, das im Bereich von 2 benachbarten Eisenkernen (3) angeordnet ist und einen Phasenstrom führt, daß der Magnetfluß (42), der seinen Richtungssinn nicht ändert, durch ein
Permanentmagnetsystem (5) erzeugt wird, das einen Magnetfluß zwischen 2 benachbarten, durch ein Spulensystem (4) miteinander verbundene Eisenkerne (3), erzeugt, daß mindestens 2 Permanentmagnete (5) etwa symmetrisch an der der Funktionsfläche (43) gegenüberliegenden Seite der Eisenkerne (3) angeordnet und durch eine Rückschlußplatte verbunden sind und daß mindestens ein Sensor (1) in einem oder mehreren linken Schenkeln (66) und / oder in einem oder mehreren rechten Schenkeln (67) angeordnet ist.
3. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetsystem zwischen 2 zugehörigen Eisenkernen (3) ohne Rückschlußplatte angeordnet ist und daß mindestens ein Sensor (1) in einem oder mehreren linken Schenkeln (66) und / oder in einem oder mehreren rechten Schenkeln (67) angeordnet ist.
4. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zum Einbau von Sensoren (1) in die Eisenkerne (3) bzw. die Schenkel (66 und / oder 67) Aussparungen (33) eingebracht sind, die ein geringes Spiel beziehungsweise eine leichte Preßpassung gegenüber dem Sensor (1) aufweisen und daß die Sensoren (1) in den Aussparungen (33) befestigt sind und daß der Sensor (1) von einem Teil des Magnetflusses (15) durchströmt wird.
5. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Herauslösung des weitgehend positionsabhängigen, permanentmagnetbedingten Magnetflußes (15) ein Strommeßwiderstand (36) in Reihe zu den Wicklungen (4) einer Motoφhase geschaltet ist, dessen Spannungsabfall der Signalverarbeitungseinrichtung (12), die mit Herauslösung des Permanentmagnentanteils arbeitet, zugeführt wird.
6. Direktantrieb mit internen Sensoren für kleine Fahrwege nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Sensoren (1) in der Passiveinheit (7) zwischen den Polschenkeln (66, 67) der beiden Eisenkerne (3) einer Motoφhase, in einem Abstand von etwa kleiner als 3 mm von der Funktionsfläche (43) angeordnet ist.
7. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (1) im Bereich der vorgeschriebenen Eisenkernbereiche (66, 67) auf die Eisenkerne (3) flach aufgebracht sind, so daß der Sensor (1) von einem Teil des Magnetflsses (15) durchströmt wird.
8. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (1) Hallsensoren sind, die ohne oder mit integrierten Vorverstärker ausgeführt sind.
9. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (1) in den Schenkeln der Eisenkerne (3) einer Motoφhase in 4 Zonen (66 links, 66 rechts, 67 links, 67 rechts) angeordnet sind, ein erster Sensor (1) im linken Eisenkern (3) links vom Zugang des Permanentmagnetflusses, ein anderer zweiter Sensor (2) im linken Eisenkern (3) rechts vom Zugang des Permanentmagnetflusses, ein dritter Sensor im rechten Eisenkern (3) links vom Zugang des Permanentmagnetflusses und ein vierter Sensor im rechten Eisenkern (3) rechts vom Zugang des Permanentmagnetflusses und daß die Sensoren mit einer Signalverarbeitung (12, 29) verbunden sind.
10. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß Signalverarbeitung (12, 29), Magnetflußregler (11) und Leistungsstellglied (13) zu einer Baugruppe, einer magnetflußeinprägenden Leistungsendstufe, zusammengefaßt sind.
11. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor (1) je Motoφhase die Magnetflüsse (15) mißt, daß diese Meßwerte von mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung (12, 29) verarbeitet werden und daß der Magnetflußregler (11) die verarbeiteten Magnetflußmeßwerte und die Führungsgrößen (28) für die Magnetflüsse (15) verknüpft, um durch Ansteuerung des Leistungsstellgliedes (13) genau solche elektrischen Ströme durch die Wicklungen (4) einzustellen, die möglichst exakt zu den von der Führungsgrößen (28) geforderten Magnetflüssen (15) führen.
12. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 1 1 dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Motoφhase mehrere Wicklungen (4) gehören und daß jeder Wicklung (4) ein eigener Magnetflußregler (11) zugeordnet ist.
13. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß falls mehrere Wicklungen (4) zu einer Phase gehören, diesen Wicklungen (4) ein gemeinsamer Magnetflußregler (11) zugeordnet ist und mindestens in einem Magnetkreis dieser Motoφhase mindestens ein Sensor (1) zur Messung der Magnetflüsse (15) eingebracht ist.
14. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß falls mehreren Wicklungen (4) der gleichen Phase ein gemeinsamer Magnetflußregler (11) zugeordnet ist, zur Erhöhung der Genauigkeit weitere oder Magnetkreise dieser Phase mit Sensoren (1) zur Messung der Magnetflüsse (15) ausgestattet sind, deren gemittelte Meßwerte mindestens einem gemeinsamen Magnetflußregler (11) zugeführt werden.
15. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß durch Auswertung der Differenz zwischen Soll- und Ist- Magnetfluß ein Belastungssignal gebildet und einer Auswerteeinheit zugeführt wird.
16. Direktantrieb mit einem internen Sensor je Motoφhase und Magnetflußregelung ohne und mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (1) je Motoφhase, der den Magnetfluß (15) mißt, mit
Eisenkernen (3) einer Aktiveinheit (14) verbunden ist und ein vom Magnetfluß (15) in der Nähe des Sensors abhängiges Signal aufnimmt, der Sensor (1) von einem Magnetfluß (41) durchströmt wird, der seinen Richtungssinn wechselt, und einem Magnetfluß (42) durchströmt wird, der seinen Richtungssinn nicht wechselt, eine Signalverarbeitungseinheit (12, 29) angeordnet ist, die in den Verfahrensansprüchen dargestellten Verfahrensschritte, bei verstärkter Positionsabhängigkeit inklusive Ermittlung des strombedingten Magnetflusses durch Messung des Spannungsabfalles über einem
Strommeßwiderstand oder durch Herauslösung des strombedingten Magnetflusses aus den
Sensormeßwerten ausführt, um ein auswertbares Signal dem Magnetflußregler (11) bereitzustellen, aus einem Magnetflußregler (11) besteht, der die ermittelten Magnetfluß-Istwerte von der
Signalverarbeitungseinheit (12) und mindestens einer Führungsgröße (28) empfängt, diese in üblicher Weise des Regeins verarbeitet und ein Signal an das Leistungsstellglied (13) abgibt, und daß mindestens ein Leistungsstellglied (13) für jede Phase angeordnet ist.
17. Direktantrieb mit Magnetflußregelung mit 2 Sensoren je Motoφhase ohne und mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren je Motoφhase, die die Magnetflüsse (15) messen, mit Eisenkernen (3) einer Aktiveinheit (14) verbunden sind und ein vom Magnetfluß (15) in der
Nähe des Sensors (1) abhängiges Signal aufnehmen, die Sensoren (1, 2) von einem Magnetfluß (41), der seinen Richtungssinn wechselt, und einem
Magnetfluß (42), der seinen Richtungssinn nicht wechselt, durchströmt werden, einer der Sensoren (1) im Eisenkernbereich (31) angeordnet ist, in dem zu einem Zeitpunkt die
Magnetflüsse (41 und 42) gleichsinnig gerichtet sind, und der andere Sensor (2) im Eisenkernbereich (32) angeordnet ist, in dem zum gleichen
Zeitpunkt die Magnetflüsse (41 und 42) entgegengerichtet sind, und eine Signalverarbeitungseinheit (12, 29) angeordnet ist, die in den Verfahrensansprüchen dargestellten Verfahrensschritte, bei verstärkter Positionsabhängigkeit und ohne Gewinnung einer den Phasenstrom repräsentierenden Größe aus den Sensorwerten erfolgt eine Ermittlung des strombedingten Magnetflusses (15) durch Messung des Spannungsabfalles über einem
Strommeßwiderstand ausführt, um ein auswertbares Signal dem Magnetflußregler (11) bereitzustellen, einem Magnetflußregler (11), der die ermittelten Magnetfluß-Istwerte von der Signalverarbeitungseinheit (12) und mindestens eine Führungsgröße (28) empfängt, diese in üblicher Weise des Regeins verarbeitet und ein Signal an das Leistungsstellglied (13) abgibt, und mindestens einem Leistungsstellglied (13) für jede Phase.
18. Direktantrieb mit internen Sensoren nach einem oder mehreren der Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Magnetflußeinpragung (16) geschaffen wird, die je Motoφhase mindestens aus einer Signalverarbeitung (12, 29), mindestens einem Magnetflußregler (11), der als Eingangsgrößen mindestens einen Magnetflußmeßwert (68) und mindestens eine Führungsgröße (28) verarbeitet, sowie mindestens einem Leistungsstellglied (13) besteht, um genau solche Phasenströme durch die Spulensysteme (4) einzustellen, die möglichst exakt zu den von der Führungsgröße (28) geforderten Magnetflüssen (15) führen.
19. Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 1 Sensor je Motoφhase ohne verstärkte Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
1. Der verstärkte Meßwert des Sensors (1) wird digitalisiert.
2. Ein Vergleich dieses Meßwertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, wird durchgeführt, und es wird ein Index i bestimmt, bei dem die größte Übereinstimmung vorliegt.
3. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die den unverfälschten Ist- Magnetflüssen beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen.
4. Der ermittelte Wert repräsentiert den unverfälschten Ist-Magnetfluß und wird dem Magnetflußregier (11) der zugehörigen Motoφhase als Istwert zugeführt
5. Der Magnetflußregier (11) ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses (15) und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflußes die Führungsgröße für das Leistungsstellglied (13).
20. Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 1 Sensor je Motorphase mit verstärkter Positionsabhängigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
1. Der verstärkte Meßwert des Sensors (1) wird digitalisiert.
2. Ein Vergleich dieses Meßwertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, wird durchgeführt, und es wird ein Index i bestimmt, bei dem die größte Übereinstimmung vorliegt.
3. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die den unverfälschten Ist- Magnetflüssen beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen und so stark verstärkt wurden, daß sie, wenn der strombedingte Anteil subtrahiert wird, in ihrer Amplitude dem Sollwert des Magnetflusses entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen. Der ermittelte Wert repräsentiert den unverfälschten Ist-Magnetfluß.
4. Es erfolgt die Digitalisierung des als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand ermittelten Wicklungsstromes der entsprechenden Motorphase.
5. Ein Vergleich dieses Wertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthält, ergibt einen Index i an der Stelle bester Übereinstimmung.
6. Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthält, die dem erwarteten Anteil des strombedingten Magnetflusses (15) beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen. Der ermittelte Wert repräsentiert den momentanen Anteil des strombedingten Magnetflusses ( 15) Der herausgelöste positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß (15) ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 3 und Schritt 6 ermittelten Werte, unverfälschter Ist-Magnetfluß minus Anteil des strombedingten Magnetflusses Der positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgroße zugeführt
8 Der Magnetflußregler (11) ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses (15) und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflußes die Fuhrungsgroße für das Leistungsstellglied (13)
21 Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motorphase ohne verstärkte Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet
1 Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte (1, 2) einer Motoφhase werden separat durch Offsetjustage und Verstärkung normiert Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so. daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungspenode des Direktantriebes eine sinusahnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und dem halben maximalen Betrag der Fuhrungsgroße des Leistungsstellgliedes (13) Einheiten, zum Beispiel 0 Volt bis 5 Volt ergibt
2 Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert, um ein bipolares offsetfreies Signal doppelter Amplitude zu erhalten Im ungestörten Betriebsfall soll die Amplitude des subtrahierten Signals gut mit der Amplitude der Fuhrungsgroße für das zugehörige Leistungsstellglied (13) übereinstimmen. Das durch Subtraktion der normierten Sensorwerte ermittelte Signal wird im folgenden als Ist-Magnetfluß genutzt und dem Magnetflußregler als Istgrόße zugeführt
3 Der Magnetflußregler (11) ermittelt unter Verwendung des Sollwertes des Magnetflusses und aus dem ermittelten Wert des Ist-Magnetflußes die Führungsgroße für das Leistungsstellglied ( 13)
22 Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motorphase mit verstärkter Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte mit Verwendung des gemessenen Phasenstromes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet
1 Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte (1, 2) einer Motorphase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so. daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren (1) gehörige Motorwicklung zu bestromen. eine sinusahnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und dem halben maximaler Betrag der Fuhrungsgroße des Leistungsstellgliedes (13) Einheiten ergibt Die Motorwicklung wird wieder normal bestromt
2 Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert Das Ergebnis wird als Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrensschritte benotigt
3 Es folgt die Digitalisierung des als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand ermittelten Wicklungstromes der entsprechenden Motorphase
4 Durch einen Vergleich dieses Wertes mit Werten eines Feldes, das eine Folge von erwarteten Meßwerten beim Durchlaufen einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes enthalt, wird der Index i an der Stelle bester Übereinstimmung ermittelt
5 Ein weiteres Feld, welches eine Folge von Werten enthalt, die dem erwarteten Anteil des strombedingten Magnetflusses beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes entsprechen, wird an der Stelle i ausgelesen. Der ermittelte Wert repräsentiert den momentanen Anteil des strombedingten Magnetflusses
6 Der herausgelöste positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß (15 ) ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 2 und Schritt 5 ermittelten Werte, Magnetflußzwischenwert minus Anteil des strombedingten Magnetflusses Der positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler (11) als Istgroße zugeführt.
7 Der Magnetflußregler (1 1) ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses ( 15) und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Fuhrungsgroße für das jeweilige Leistungsstellglied (13)
23 Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 2 Sensoren je Motorphase mit verstärkter Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte ohne die Notwendigkeit den Phasenstrom direkt zu messen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet
1 Die beiden um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte (1, 2) einer Motoφhase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgen so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusahnliche Kurve zwischen etwa 0 Einheiten und halben maximalen Betrag der Fuhrungsgroße des Leistungsstellgliedes (13) Einheiten ergibt Die Motorwicklung wird wieder normal bestromt
2 Die beiden normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert Das Ergebnis wird als subtrahierter Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrenschritte benotigt
3 Die beiden normierten Sensormeßwerte werden addiert Das Ergebnis wird als addierter Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrenschritte benotigt
4 Die addierten Magnetflußzwischenwerte werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert, so daß ein Wert zwischen etwa 0 und (maximaler Betrag der Fuhrungsgroße des Leistungsstellgliedes (13)) Einheiten entsteht, der nahezu keinen permanentmagnetbedingten Anteil aufweist, beziehungsweise fast auschließlich vom Phasenstrom abhangig ist
5 Der Offset des addierten Magnetflußzwischenwertes wird durch Subraktion eines Offsetwertes beseitigt und das entstandene Signal wird verstärkt, so daß ein normierter addierter Magnetflußzwischenwert ensteht, dessen Wert etwa zwischen 0 und (maximaler Betrag des strombedingten Anteils des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes) Einheiten liegt, der nahezu keinen permanentmagnetbedingten Anteil aufweist, beziehungsweise fast auschließlich vom Phasenstrom abhangig ist
6 Wenn der subtrahierte Magnetflußzwischenwert einen positiven Wert aufweist wird der zugehörige normierte addierte Magnetflußzwischenwert subtrahiert, ansonsten werden subtrahierter Magnetflußzwischenwert und addierter Magnetflußzwischenwert addiert, so daß sich die phasenstrombedingten Anteile des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes und des addierten Magnetflußzwischenwertes gegenseitig aufheben und der gesuchte permanentmagnetbedingte Anteil des subtrahierten Magnetflußzwischenwertes herausgelost ist Der positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist- Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgroße zugeführt
7 Der Magnetflußregler (1 1) ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Fuhrungsgroße für das jeweilige Leistungsstellglied ( 13)
24 Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung mit 4 Sensoren je Motorphase mit verstärkter Positionsabhangigkeit der ermittelten Magnetfluß-Istwerte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23 ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet Die beiden äußeren um etwa 180° phasenversetzten Sensormeßwerte einer Motoφhase werden durch Offsetjustage und Verstärkung normiert Die Einstellung von Offset und Verstärkung erfolgt so, daß sich beim Durchfahren einer Zahnteilungsperiode des Direktantriebes, ohne die zu den betrachteten Sensoren gehörige Motorwicklung zu bestromen, eine sinusähnliche Kurve zwischen 0 Einheiten und halben maximalen Betrag der Führungsgroße der Leistungsstellglieder (13) Einheiten ergibt Die jeweilige Motorwicklung wird wieder normal bestromt Die beiden äußeren normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert Das Ergebnis wird als äußerer Magnetflußzwi sehen wert für weitere Verfahrensschritte benotigt Der Verfahrensschritt 3 ist wie der Verfahrenschritt 1, jedoch für die beiden inneren Sensoren (1) auszuführen Die beiden inneren normierten Sensormeßwerte werden voneinander subtrahiert Das Ergebnis wird als innerer Magnetflußzwischenwert für weitere Verfahrenschritte benotigt Ein Signal, das stark vom Wicklungstrom ab hangt, erhalt man, indem vom inneren Magnetflußzwischenwert der äußere Magnetflußzwischenwert subtrahiert wird Durch Verstärkung dieses Signals erhalt man den strombedingten Anteil des Magnetflusses
6 Der herausgelöste positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil im ermittelten Magnetfluß ergibt sich durch Subtraktion der in Schritt 2 und Schritt 5 ermittelten Werte, äußerer oder innerer Magnetflußzwischenwert minus strombedingter Anteil des Magnetflusses Der positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Anteil wird im weiteren als Ist-Magnetfluß betrachtet und dem Magnetflußregler als Istgroße zugeführt
7 Der Magnetflußregler ermittelt aus dem Sollwert des Magnetflusses und aus dem ermittelten Ist-Magnetfluß die Fuhrungsgroße für das Leistungsstellglied (13)
25 Verfahren zur Magnetflußreglung und zur Positionserfassung bei mehr als 2 Sensoren je Motorphase nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24 dadurch gekennzeichnet, daß
1 Sensormeßwerte gemittelt werden, indem n Sensormeßwerte addiert werden und die Summe durch die Anzahl n dividiert wird und / oder
2 daß mehrere Magnetflußregler je Motorphase verwendet werden, die autark arbeiten und die gleichen Magnetfluß-Sollwerte als Fuhrungsgroßen erhalten
26 Verfahren zur Magnetflußreglung und zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 25 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Abhängigkeit der Magnetflusse von der positionsabhangigen, lokalen Zahnuberdeckungsflache ein Positionierfehler in Form vom Sollwert abweichender Magnetflußmeßwerte erkannt wird und daß dieser Positionierfehler durch Nachregelung der Magnetflusse zumindest teilweise korrigiert wird, was zu einer erhöhten Steifigkeit in Bewegungsrichtung führt
27 Verfahren zur Magnetflußreglung und zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26 dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der Magnetflußmeßwerte von der Position bzw der lokalen Zahnuberdeckungsflache erhöht wird, indem zusatzlich durch mindestens einen Sensor (1) an einem oder mehreren anderen Meßpunkten des selben Magnetkreises ein Magnetfluß gemessen wird, der sich infolge eines anderen Abstandes zur Wicklung (4) aus einem anderen Verhältnis von wicklungsstrombedingten und permanentmagnetbedingten Magnetfluß ( 15) zusammensetzt und daß durch eine Signalverarbeitungseinrichtung ( 12) aus den Magnetflußmeßwerten, der vorwiegend positionsabhangige, permanentmagnetbedingte Magnetfluß herausgelost wird
28 Verfahren zur Magnetflußeinpragung und zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 27 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Abhängigkeit der Magnetflüsse vom Arbeitsluftspalt, anhand der Magnetflußmeßwerte eine Abweichung von der Sollgröße des Arbeitsluftspaltes erkannt und durch Nachregelung des Wicklungsstromes der Magnetfluß und der Arbeitsluftspalt zumindest teilweise korrigiert werden kann, wodurch sich auch eine aktive Schwingungsdampfüng realisieren laßt
29 Verfahren zur Zustandsbeobachtung von Schrittantrieben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 28 dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfluß-Meßwerte der Sensoren (1) in den Magnetkreisen nicht nur zur Regelung der Magnetflusse sondern auch zur Zustandsbeobachtung des Antriebes eingesetzt werden können, um den Antπeb besser steuerbar zu machen und daß somit Schrittfehler auch ohne die Reglung der Magnetflusse erkannt werden können, indem der durch Signalverarbeitung aus den weitestgehend positionsabhangigen permanentmagnetbedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte gewonnene Positions-Istwert mit dem durch die Fuhrungsgroße vorgegebenen Sollwert der Position verglichen wird
29 Direktantrieb mit internen Sensoren zur Positionserfassung bei Schrittmotoren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 28 bestehend aus
• einer Aktiveinheit (14) aus Spulensystemen (4) mit Eisenkernen (3) und Permanentmagnetsystemen (5) zur Erzeugung von Magnetflüssen (15),
• einer Passiveinheit (7) zur Leitung der Magnetflusse (15) beziehungseise zur Erzeugung von Permanentmagnetflussen,
• einer Fuhrungseinheit (8) zur Gewahrleistung eines Abstandes und einer Relativbewegung zwischen Aktiveinheit (14) und Passiveinheit (7),
• mindestens einem Leistungsstellglied (13) je Motorphase zur Bereitstellung der Phasenstrome
• mindestens einem Fuhrungsgroßengeber (9) für die Leistungsstellglieder (13),
• mindestens einem internen Sensor (1) je Motoφhase, der zur Messung des Magnetflusses (15) geeignet ist,
• mindestens zwei Signalverarbeitungseinrichtungen (12) je Motor beziehungsweise je Koordinate bei Mehrkoordinatenantrieben, in der Regel eine Signalverarbeitungseinrichtung (12) je Motorphase, zur Verarbeitung der Meßwerte der internen Sensoren (1),
• mindestens einer Signalverarbeitungseinrichtung (70) zur Positionserfassung aus den von Signalverarbeitungseinrichtungen (12) vorverarbeiteten Meßwerten von internen Sensoren (1) der Motorphasen,
30 Verfahren zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 29 dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausnutzung der Zahnteilung als Maßverkorperung bei Schrittmotoren bei Direktantrieben, die nach dem Schrittmotorprinzip arbeiten, aus den permanentmagnetbedingten Anteilen der Magnetflußmeßwerte von Sensoren ( 1 ) Weg- oder Winkel-Informationen gewonnen werden können bei Durchführung folgender Verfahrensschπtte
1 Beschaffung der permanentmagnetbedingten Anteile der Magnetflußmeßwerte von Sensoren (1) im Antrieb, so daß von mindestens 2 Motorphasen permanentmagnetbedingte Magnetflußsignale (68, 69) vorliegen, die weitgehend unabhängig vom Phasenstrom und nahezu nur von der Position abhangig sind.
2 Berechnung des Winkels α aus diesen Signalen (68, 69) nach einem Verfahren entsprechend dem Stand der Technik, bei 2 Phasen ergibt sich der Winkel α aus dem Arcustangens vom Magnetflußsignal (68) der Sinusphase dividiert durch das Magnetflußsignal (69) der Cosinusphase, bei linearen Direktantrieben wird der Winkel bekannterweise in einen Weg umgerechnet, indem der Winkel α in Grad multipliziert mit der Periodenlange durch 360° dividiert wird.
3. Berechnung des Periodenzählerstandes durch Zählung von Periodenübergängen unter Benutzung des in Verfahrenschritt 2 berechneten Winkels α, indem der Periodenzähler bei einem Winkelsprung von etwa > 270 ° nach etwa < 90 ° inkrementiert wird und bei einem Winkelsprung von etwa < 90 ° nach etwa > 270 ° dekrementiert wird, das heißt wenn der momentane Winkel 3° beträgt und der vorhergehende Winkel 352° war, dann wird der Periodenzähler inkrementiert;
4. Berechnung der absoluten Position x durch Multiplikation der Länge der Teilungsperiode mit dem Periodenzählerstand und anschließende Addition des im Verfahrenschritt 2 berechneten Weges innerhalb der Periode, bei rotatorischen Direktantrieben wird zusätzlich zum Periodenzähler ein Umdrehungszähler verwendet, dessen Zählerstand sich berechnet aus dem abgerundeten, ganzzahligen Wert aus Periodenzählerstand geteilt durch Periodenanzahl einer Umdrehung.
31. Verfahren zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 30
1. dadurch gekennzeichnet, daß systematische Fehler bei der Positionserfassung, wenn sie auf systematisch abweichende Winkel α zurückzuführen sind, korrigiert werden können, indem der in Verfahrensschritt 2 berechnete Winkel α als Index zur Ermittlung eines Korrekturwertes aus einer Korrekturtabelle genutzt wird, wobei die Korrekturtabelle nach im Stand der Technik bekannten Verfahren generiert wird.
32. V-arfαhr en zur Positionserfassung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 31 dadurch gekennzeichnet, daß A/D- Wandler die analogen Meßwerte digitalisieren, ein Rechner oder eine kombinatorische Schaltung die Verfahrensschritte 1 bis 4 nach Anspruch 30 zur Positionsbestimmung abarbeitet und die ermittelte Position x oder den Winkel α ausgibt.
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