WO2004038907A1 - Sensorsystem und verfahren zur vektorsteuerung - Google Patents

Abstract

Ein Sensorsystem für die Vektorsteuerung eines elektrischen Synchronmotors durch einen Mikroprozessor (MP), insbesondere eines Permanentmagnetmotors (PM) eines Fadenliefergeräts (F), sind vom Rotor (R) drehantreibbare Sektor-Permanentmagneten (11) mit gleichen Polungen gleichmässig über 360° verteilt, sind auf die Umlaufbahn der Sektor-Permanentmagneten zumindest zwei stationäre Hallsensoren (H1, H2) ausgerichtet, die in Umlaufrichtung derart beabstandet sind, dass jeder Sektor-Permanentmagnet (11) zumindest vorübergehend mindestens zwei der Hallsensoren gleichzeitig aktiviert, und ist zusätzlich ein Nullpunkt-Permanentmagnet (14) mit umgekehrter Polung zum Vorbeigang an mindestens einem der Hallsensoren vorgesehen.

Description

Sensorsystem und Verfahren zur Vektorsteuerung

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 10.

Permanentmagnet-Motoren haben sich als Antriebsquellen in Einsatzfällen u.a. mit stark variierenden Drehzahlen und Stillständen als sehr vorteilhaft erwiesen, da sie eine sehr präzise Drehmomentsteuerung ermöglichen und mit gutem Wirkungsgrad, d.h. mit moderater Leistungsaufnahme und geringer Wärmeabgabe, arbeiten. Für die sogenannte Vektorsteuerung von Permanentmagnet-Motoren wird entweder ein Sensor für die Winkelgeschwindigkeit in Kombination mit drei Positionssensoren für die Winkelposition des Rotors benötigt, oder es werden die erforderlichen Informationen auf rechnerische Weise anhand von im Betrieb gemessenen Parametern annäherungsweise ermittelt.

Der aus EP 1 052 766 A bekannte Permanentmagneten-Motor arbeitet ohne Positionssensoren. Die Winkelgeschwindigkeits- und die Winkelpositions-lnformationen werden zum Durchführen der Vektorsteuerung ermittelt durch Auswerten der mittels eines Shunt-Widerstands gemessenen Ströme in den Phasen. Die Nulldurchgänge der elektromotorischen Gegenkraft werden dann als Referenzzeiten benutzt.

In PCT/EP02/10700 wird bei einem mit sinusförmigem Verlauf erregten Permanentmagnet-Motor ohne Positionssensoren vorgeschlagen, über die gemessene elektromotorische Gegenkraft, die der Rotor in der Statorwicklung induziert, die jeweilige Rotordrehposition zu berechnen, um eine permanente Vektorsteuerung durchzuführen.

Bei einem aus US 4 814 677 bekannten Permanentmagnet-Motor ohne Positionssensoren werden die Spannung bzw. der Strom für die Windungen überwacht, um die Spannungs- bzw. Stromsignale über einen Dreiphasen/Zweiphase-Konverter zu steuern. Permanentmagnetmotoren lassen sich bei speziellen Betriebsbedingungen nicht optimal betreiben, z.B. wenn, wie erwähnt, deutlich unterschiedliche Drehzahlen und Stillstandsphasen zu beherrschen sind. Bei sehr stark variierenden Drehzahlen ist nämlich eine für jede Drehzahl optimale Vektorsteuerung mit optimalem Wirkungsgrad oder optimalem Drehmoment schwierig. Bei häufigen Stillständen ist bei jedem Anlauf eine Zeitverzögerung in Kauf zu nehmen, ehe der aktuelle Rotordrehwinkel wieder aufgefunden und die Vektorsteuerung wieder optimal durchführbar ist. Ein besonderes Problem bewirken externe Kräfte, die den Rotor, z.B. im Stillstand, in der vorhergehenden Drehrichtung weiterdrehen oder sogar zurückdrehen, weil dann der aktuelle Rotordrehwinkel nicht mehr bekannt ist. Diese Nachteile sind im besonderen bei Wickelantriebsmotoren für Fadenliefergeräte unerwünscht, die im Stillstand häufig externen Kräften elastischer Komponenten im Fadenliefergerät und/oder des Fadens ausgesetzt sind, oder deren Wickelelement gewollt oder zufällig von Hand verdreht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem sowie ein Verfahren zur Vektorsteuerung anzugeben, die diese Nachteile vermeiden. Das Sensorsystem soll vor allem auch im Stillstand oder bei niedriger Anlaufgeschwindigkeit exakte Informationen bereitstellen, die eine optimale Vektorsteuerung ohne Zeitverzögerung ermöglichen. Ein wichtiger Aspekt liegt darin, ein Sensorsystem sowie ein Verfahren zur Vektorsteuerung insbesondere für einen Permanentmagnet-Motor als Wickelantrieb eines Fadenliefergeräts anzugeben, mit denen der Permanentmagnet-Motor seine positiven Betriebseigenschaften auch unter den komplexen Anforderungen bei der Fadenlieferung optimal erbringt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Verfahrensanspruchs 10 gelöst.

Da die Sektor-Permanentmagneten die Hallsensoren auch im Stillstand des Motors und auch beim Anlaufen selbst bei sehr niedriger Geschwindigkeit aktivieren, verfügt der Mikroprozessor mit der Hilfe des Nullpunktsignals jederzeit über die Information, welcher Sektor innerhalb der 360° des Rotorumfangs sich bei den Hallsensoren befindet. Diese Information ist auch im Stillstand verfügbar. Zusätzlich vermag der Mikroprozessor aus der zumindest zeitweisen Überlappung der aktuellen Winkelsignale die richtige Drehrichtungsinformation abzuleiten, selbst im Fall externer und den Rotor im Stillstand verdrehender Kräfte, so dass der Mikroprozessor den Statorvektor optimal einstellen kann. Der Mikroprozessor kann in anderen Worten jeder durch eine externe Kraft bewirkten Verdrehung des Rotors folgen. Außerdem ist bereits beim Anlaufen selbst bei niedriger Motorgeschwindigkeit umgehend die korrekte Drehwinkelinformation verfügbar, die die optimale Vektorsteuerung ermöglicht. Das Sensorsystem ist besonders für die Vektorsteuerung eines Permanentmagneten als Wickelantrieb eines Fadenliefergeräts zweckmäßig, bei dem häufig unvorhersehbare externe Kräfte insbesondere im Stillstand zu wirken pflegen.

Das Verfahren ist zur optimalen Vektorsteuerung zweckmäßig, insbesondere für den Permanentmagnetmotor als Wickelantrieb eines Fadenliefergeräts, weil es jederzeit zumindest die Information des vor den Hallsensoren positionierten Sektors ermittelt und außerdem durch externe Kräfte bewirkten Verdrehbewegungen des Rotors präzise folgt und dabei auch die Drehrichtung erkennt, so dass der Statorvektor zum neuerlichen Anlaufen des Motors optimal und verzögerungsfrei eingestellt werden kann.

Zweckmäßig werden ein digitaler und ein analoger Hallsensor vorgesehen. Beide Hallsensoren sprechen auf die Sektor-Permanentmagneten an. Der Nullpunkt-Permanentmagnet aktiviert hingegen beim Vorbeigang den analogen Hallsensor, dessen Signal einen Referenzdrehwinkel repräsentiert, damit der Mikroprozessor bei jedem aktuellen Winkelsignal erfährt, welcher Sektor bei den Hallsensoren angelangt ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform sind zwei digitale Hallsensoren für die Sektor- Permanentmagneten und ein dritter analoger oder digitaler Hallsensor nur für den Nullpunkt-Permanentmagneten vorgesehen. Dies vereinfacht die korrekte Signalbeurteilung.

Eine relativ hohe Auflösung ergibt sich mit vierundzwanzig Sektor-Permanentmagneten, die Sektoren von jeweils 15° definieren. Die Anzahl der Sektor-Permanentmagneten kann auch höher oder niedriger sein und ist indirekt abhängig von der Anzahl der Pole des Motors. Um dem Mikroprozessor die Signalauswertung zu erleichtern, sind die Hallsensoren an getrennte Eingänge angeschlossen.

Besonders zweckmäßig ist im Mikroprozessor zusätzlich ein Programmteil vorgesehen, mit dem der Rotordrehwinkel anhand motorlaufabhängiger Änderungen elektromotorischer Kräfte zur Vektorsteuerung ermittelt wird, zusammen mit einem Programmteil zum geschwindigkeitsabhängigen Umschalten zwischen zwei Auswerteroutinen. Nur während des Stillstandes und beim Anlaufen werden die Hallsensorsignale ausgewertet, hingegen die Änderungen der elektromotorischen Kräfte ignoriert. Oberhalb einer vorbestimmten Motorlaufgeschwindigkeit werden hingegen die Signale der Hallsensoren ignoriert und nur mehr die Änderungen der elektromotorischen Kräfte abgetastet. Auf diese Weise ist über einen weiten Drehzahlbereich und auch beim Anlaufen aus dem Stillstand eine optimale Vektorsteuerung möglich.

Obwohl die Permanentmagneten und die Hallsensoren in den Motor eingegliedert werden könnten, ist es gegebenenfalls zweckmäßiger, die Permanentmagneten an einem mit dem Rotor gekoppelten Träger anzuordnen, um das Grundkonzept des Motors nicht modifizieren zu müssen. Ferner werden Interferenzen zwischen den Permanentmagneten und den Magneten im Motor und den Hallsensoren zuverlässig ausgeschlossen.

Bei einem als Wickelantriebsmotor eines Fadenliefergeräts dienenden Permanentmagnet-Motor wird der Rotor über eine Welle mit dem Wickelelement gekoppelt, das entweder eine Wickelscheibe oder eine Wickeltrommel ist, und sind die Permanentmagneten an dem Wickelelement angeordnet, während sich die Hallsensoren in der Nachbarschaft der Umlaufbahn der Permanentmagneten im Fadenliefergerät befinden. Die präzisen Informationen, die für die permanente Vektorsteuerung des Permanentmagnet-Motors beschafft werden, können dann vom Mikroprozessor zusätzlich benutzt werden, um das Wickelelement in wenigstens eine vorbestimmte Drehposition einzustellen, wenn der Permanentmagnet-Motor angehalten wird. Diese Drehposition kann für sekundäre Funktionen in dem Fadenliefergerät, z.B. zum automatischen Einfädeln eines neuen Fadens, zweckmäßig sein. Weiterhin können die permanent abgegriffenen Informationen dazu benutzt werden, ein Zurückdrehen des Rotors ge- gebenenfalls unter durch den Faden ausgeübten Kräften zu vermeiden, indem ein Haltedrehmoment einer Größe generiert wird, die sowohl das Zurückdrehen als auch das Weiterdrehen des Wickelelements verhindert.

Zweckmäßig ist der Mikroprozessor in einer Fadenliefergerät-Steuerung enthalten, die den Permanentmagnet-Motor steuert, und zur fadenvorratsgrößenabhängigen Steuerung des Wickelantriebsmotors auch an eine Fadenvorratssensorik angeschlossen ist. Die Signale der Fadenvorratssensorik bestimmen, ob der Wickelantriebsmotor angetrieben oder stillgesetzt bzw. beschleunigt oder verzögert werden muss, wobei im Stillstand und im Betrieb die über die Permanentmagneten und die Hallsensoren beschafften Informationen vom Mikroprozessor zur Motorsteuerung und/oder für sekundäre Funktionen im Fadenliefergerät benutzt werden.

Um die Vektorsteuerung über einen möglichst großen Drehzahlbereich und auch beim Anlaufen aus dem Stillstand optimieren zu können, wird verfahrensgemäß oberhalb einer vorbestimmten Motorlaufgeschwindigkeit der Statorvektor in Abhängigkeit von Änderungen der elektromotorischen Kräfte, insbesondere der vom Rotor im Stator bewirkten Gegenkräfte (z.B. PCT/EP02/10700) und/oder durch Messen der Spannung bzw. des Stroms in den Windungen des Stators (z.B. US 4 814 677) verstellt, wobei die Hallsensorsignale ignoriert werden. Umgekehrt wird im Stillstand und beim Anlaufen der Statorvektor unter Berücksichtigung der Hallsensorsignale eingestellt.

Innerhalb jedes Sektors werden mehrere voneinander unterschiedliche Signalkombinationen generiert, die der Mikroprozessor als Code liest, aus dem er die Drehsicherung und, in Zuordnung zum Nullpunktsignal, den jeweiligen Sektor erkennt. Aus den unterschiedlichen Signalkombinationen lassen sich zusätzlich vom Mikroprozessor als weitere Informationen sogar weitere Rotordrehwinkelpositionen innerhalb des Sektors ableiten. Dadurch wird eine relativ zur Anzahl der Permanentmagneten höhere Auflösung bei der Positionsdetektion erzielt. Andererseits bietet die höhere Auflösung die Möglichkeit, die Anzahl der Sektor-Permanentmagneten zu reduzieren bzw. die Sektoren zu vergrößern. Anhand der Zeichnung wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Permanentmagnet-Motors als Wickelantriebsmotor eines Fadenliefergeräts,

Fig. 2 einen Querschnitt des Fadenliefergeräts von Fig. 1 ,

Fig. 3 ein Diagramm zu einer Art einer Positionsdetektierung,

Fig. 4 ein Diagramm zu einer anderen Art einer Positionsdetektierung,

Fig. 5 eine Tabelle der Signalauswertung im Mikroprozessor, und

Fig. 6 eine Tabelle als Resultat der Signalauswertung von Fig. 3.

Ein Fadenliefergerät F in den Fig. 1 und 2 ist ein Schussfaden-Liefergerät für eine Webmaschine. Die Erfindung ist jedoch auch bei Fadenliefergeräten für Strickmaschinen (nicht gezeigt), die beispielsweise als Wickelelement eine drehbare Fadenspeichertrommel aufweisen, oder für andere fadenverarbeitende Maschinen anwendbar.

Das Fadenliefergerät F in den Fig. 1 und 2 weist ein Gehäuse 1 mit einem Zusatzkomponenten enthaltenden Gehäuseausleger 2 auf. Im Gehäuse 1 ist eine hohl ausgebildete Welle 3 in Drehlagem 4 drehbar gelagert, die an ihrem freien Ende unterhalb des Gehäuseauslegers 2 eine Speichertrommel D stationär hält. Damit sich die Speichertrommel D nicht mit der Welle 3 mitdrehen kann, sind im Gehäuse Permanentmagneten 12 stationär angeordnet, die mit in der Speichertrommel D untergebrachten, nicht gezeigten Permanentmagneten durch ein Wickelelement W hindurch magnetisch zusammenwirken.

Als elektrischer Wickelantrieb dient ein elektrischer Synchronmotor, insbesondere ein Permanentmagnet-Motor PM, der einen auf der Welle 3 angeordneten Rotor R und einen Statorteil ST aufweist. Der Statorteil ST ist beispielsweise durch eine Positionierhilfe 13 (Fig. 2) in einer vorbestimmten Drehposition im Gehäuse 1 fixiert.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist im Gehäuseausleger 2 eine elektronische Motorsteuervorrichtung CU mit einem Mikroprozessor MP untergebracht, die mit einer Fadenvorratssensorik 8 signalübertragend verbunden ist und die Geschwindigkeit, das Drehmoment und die Stillstandsphasen des Permanentmagnet-Motors PM beispielsweise in Abhängigkeit von der Größe des durch Fadenwindungen auf der Speichertrommel D gebildeten Fadenvorrats steuert. Ferner ist im Gehäuseausleger 2 eine Fadeneinfädelstrecke 9 vorgesehen, die mit einer nicht dargestellten, bordeigenen, pneumatischen Einfädelvorrichtung zusammenwirkt, um einen neuen Faden einzufädeln. Am Gehäuseausleger 2 ist ferner eine Abzugsöffnung 7 für den Faden platziert.

Der Permanentmagnet-Motor PM wird durch den Mikroprozessor MP mittels eines Sensorsystems SS gesteuert vektorgesteuert, d.h., im Stator ST wird ein elektromagnetischer Vektor erzeugt, der mit einem jeweils optimalen Winkelvoreilung gegenüber einem Rotor erzeugten Vektor verstellt wird. Zusätzlich kann der Mikroprozessor MP Programmteile zur Vektorsteuerung anhand abgetasteter Änderungen elektromotorischer Kräfte, insbesondere der Gegenkräfte vom Rotor und/oder anhand von Messungen der Spannung bzw. des Stroms in den Statorwindungen, und zur Umschaltung zwischen einer solchen Vektorsteuerung (oberhalb einer bestimmten Laufgeschwindigkeit) und der Vektorsteuerung mit dem Sensorsystem SS (im Stillstand und beim Anlaufen) aufweisen.

Das Wickelelement W ist auf der Welle 3 angeordnet und besitzt einen Auslass 6. Die Drehwinkelposition des Auslasses 6 ist in Bezug auf den Rotor R baulich festgelegt. Das Wickelelement W ist hier eine trichterförmige Scheibe 10 und enthält ein mit dem Auslass 6 endendes, nicht im Detail gezeigtes Wickelrohr, von dem der durch die Welle 3 eingezogene, nicht gezeigte Faden in nebeneinanderliegenden Windungen auf die Speichertrommel D aufgewickelt wird.

Das Sensorsystem SS weist dem Rotor R zugeordnete, diesen in gleich großen Sektoren innerhalb 360° unterteilende Sektor-Permanentmagneten 11 auf, die bei der ge- zeigten Ausführungsform, z.B. beim Außenumfang der trichterförmigen Scheibe, in regelmäßigen Umfangsabständen angeordnet sind, z.B. zwölf Sektor-Permanentmagneten 11. Es könnten auch mehr, z.B. 24 oder weniger Sektor-Permanentmagneten 11 vorgesehen sein. Alle Sektor-Permanentmagneten 11 haben die gleiche Polung, beispielsweise den Nordpol nach außen weisend, während der Südpol zur Welle 3 weist. Der Umlaufbahn der Permanentmagneten 11 sind mindestens zwei Hallsensoren H1 , H2 in stationärer Anordnung und mit einer gegenseitigen Versetzung in Umlaufrichtung zugeordnet.

Die Hallsensoren H1, H2 können digitale und/oder analoge Hallsensoren sein. Bei zwei Hallsensoren H1 , H2 operiert einer digital, und der andere analog. Bei drei Hallsensoren (nicht gezeigt) operieren zwei digital und der dritte analog oder digital.

Fig. 2 zeigt die geometrische Verteilung von Pole definierenden Permanentmagneten P im Rotor R und den Statorteil ST nur in schematischer Darstellung (ohne die darin angeordneten Statorwicklungen). Zusätzlich ist wenigstens ein Nullpunkt-Permanentmagnet 14, zweckmäßig in der Mitte zwischen zweien der Sektor-Permanentmagneten 11 , z.B. im Sektor Nr. 1 im Wickelelement W platziert. Die Polung des zusätzlichen Nullpunkt-Permanentmagneten 14 ist gegenüber den untereinander gleichen Polungen der Sektor-Permanentmagneten 11 umgekehrt (der Südpol ist nach außen gerichtet, während der Nordpol zur Welle 3 gerichtet ist).

Die Geschwindigkeitssteuervorrichtung CU mit ihrem Mikroprozessor MP führt mittels des Sensorsystems SS eine permanente Vektorsteuerung des Permanentmagnet- Motors PM durch, wobei permanent die Drehposition des Rotors R ermittelt und der Statorvektor durch entsprechende Strombeaufschlagung der Statorwicklungen so rotieren gelassen wird, dass sich die gewünschte Geschwindigkeit und eine optimale Entwicklung des Drehmoments ergeben. Die für die Vektorsteuerung mittels des Sensorsystems SS erforderlichen Informationen zumindest der jeweiligen Winkelposition des Rotors R relativ zur Statorwicklung bzw. dem Statorteil ST und dem Gehäuse 1 werden aus der Zusammenarbeit zwischen Sektor- Permanentmagneten 11 (und dem Nullpunkt-Permanentmagneten 14) und den Hallsensoren H1, H2 auch im Stillstand beschafft. Diese Informationen können auch zur Positionssteuerung und/oder -wachung des Wickelelements W in Relation zum Gehäuse 1 benutzt werden, beispielsweise um den Auslass 6 stets in Ausrichtung auf die Fadeneinfädelstrecke 9 stillzusetzen, wenn der Permanentmagnet-Motor PM angehalten wird.

In Fig. 2 ist das Wickelelement W an der vorbestimmten Drehposition X1 in einer Einfädelposition relativ zum Gehäuse 1 stillzusetzen, beispielsweise im Falle eines detektierten Fadenbruches. Es kann eine zweite Drehposition X2 (Fig. 2) für das Wickelelement W beim Anhalten des Permanentmagnet-Motors M eingestellt werden, in der der Auslass 6 beispielsweise um 90° gegenüber dem Gehäuseausleger 2 versetzt stehen bleibt. Die von dem Sensorsystem SS permanent erhältliche Information zur Winkelposition des Rotors R, gegebenenfalls zusammen mit einer Information über die Drehrichtung, kann auch dazu benutzt werden, um ein Verdrehen des Wickelelements W aus der eingestellten Stillstandsposition, z.B. X1, X2, unter einer Rückzugskraft des Fadens zu verhindern, indem dann die Geschwindigkeitssteuervorrichtung CU über den Permanentmagnet-Motor PM ein Haltedrehmoment in der jeweils passenden Drehrichtung aufbaut, um das Wickelelement W ortsfest zu halten. Aus der Zusammenwirkung zwischen den Sektor-Permanentmagneten 11 und den Hallsensoren H1 , H2 ist auch im Stillstand des Permanentmagnet-Motors M die Drehposition des Rotors R zur Verfügung, um beim Anlaufen des Permanentmagnet-Motors M sofort eine optimale Vektorsteuerung ausführen zu können.

Die Permanentmagneten 11, 14 könnten auch an einem anderen, mit dem Rotor R drehgekoppelten Träger und ggfs. nahe der Drehachse (höhere Auflösung) angeordnet sein. Das Sensorsystem SS mit dem Mikroprozessor MP und den mit den Halisensoren H1 , H2 kooperierenden Permanentmagneten 11 bzw. 11 und 14 kann grundsätzlich auch zur Vektorsteuerung eines Motors in einem anderen Einsatzfall als in einem Fadenliefergerät genutzt werden.

Anhand der Fig. 2 bis 6 wird das Verfahren der Vektorsteuerung des Permanentmagnet-Motors PM mit Hilfe des Sensorsystems SS durch den Mikroprozessor MP erläutert, wobei jedoch nicht nur zwölf (wie in Fig. 2) sondern sogar vierundzwanzig Sektor- Permanentmagneten 11 vorausgesetzt werden, die Sektoren Nr. 1 - 24 definieren, und der Nullpunkt-Permanentmagnet 14 im Sektor Nr. 1 platziert ist. Die mit den Hall- sensoren H1 , H2 verbundenen Eingänge des Mikroprozessors MP sind mit H1', H2' und H2" bezeichnet. Die Drehrichtung im Uhrzeigersinn zeigt der Pfeil T, die Drehrichtung entgegen dem Uhrzeiger hingegen der Pfeil T. An seinen Eingängen H1', H2', H2" liest der Mikroprozessor die Signale der Hallsensoren H1, H2 als einen Code, der den jeweiligen Sektor und die jeweilige Drehrichtung repräsentiert, z.B. als binären oder Dualsystem-Code aus den Zahlen 1 und 0, entsprechend z.B. einem hohen bzw. einem niedrigen Signalpegel. Auf Basis dieser Informationen wird der Statorvektor für die gewünschte Drehrichtung und das erforderliche Drehmoment optimal eingestellt.

Fig. 3 verdeutlicht anhand eines Diagramms, wie der Mikroprozessor MP an seinen Eingängen H1', H2' die von den Sektor-Permanentmagneten 11 und dem Nullpunkt- Permanentmagneten 14 in den Hallsensoren H1, H2 generierten Signale liest. Die vertikalen Linien in dem Diagramme trennen die einzelnen Sektoren voneinander. Der digitale Hallsensor H1 erzeugt Rechtecksignale, deren jedes von einer vertikalen Trennlinie mittig geteilt wird. Der analoge Hallsensor H2 erzeugt hügelförmige Signale jeweils kürzer als ein Sektor, beginnend an der vertikalen Trennlinie, endend in etwa in der Mitte des Sektors. Ferner generiert der analoge Hallsensor H2 im Sektor Nr. 1 (S1) zusätzlich ein hügelförmiges, nach unten gerichtetes Signal aus dem Vorbeigang des Nullpunkt-Permanentmagneten 14. Dieses Signal schließt sich an das Signal des Sektor-Permanentmagneten 11 an und liegt in etwa in der Mitte des Sektors Nr. 1 (S1). Die Rechtecksignale und die positiven Hügelsignale überlappen sich jeweils ab der Trennlinie über einen Bereich entsprechend der Hälfte der Länge jedes Rechtecksignals.

Das Diagramm in Fig. 4 verdeutlicht, wie der Mikroprozessor MP an seinen getrennten Eingängen H1', H2', H3, die Signale der hier vorgesehenen, drei digitalen Hallsensoren H1 , H2, H3 liest. Alle Signale sind Rechtecksignale, wobei das Signal (unterer Signalzug) des Nullpunkt-Permanentmagneten 14 ein negatives Rechtecksignal ist (wegen der umgekehrten Polung). Die Rechtecksignale der Hallsensoren H1, H2 überlappen sich innerhalb eines Bereichs entsprechend ungefähr der halben Längserstreckung jedes Rechtecksignals und ab der vertikalen Trennlinie zwischen den ein- zelnen Sektoren. Das Rechtecksignal des Hallsensors H3 liegt in der Mitte des Sektors Nr. 1 (S1).

Der Mikroprozessor liest aus den Signalfolgen der Fig. 3 und 4, d.h., untereinander verschiedenen Signalkombinationen eines Sektors, einen binären oder Dualsystem- Code, aus dem er in Zuordnung zum Signal des Nullpunkt-Permanentmagneten 14 zumindest den jeweils vor den Hallsensoren befindlichen Sektor und auch die Drehrichtung ableitet. Da in jedem Sektor mehrere untereinander verschiedene Signalkombinationen vorhanden sind, kann der Mikroprozessor nicht nur den jeweiligen Sektor ableiten, sondern darüber hinaus sogar diskrete Rotordrehwinkelpositionen innerhalb jedes Sektors, um die Auflösung bei der Positionsdetektierung zu erhöhen. Dies wird nachstehend detaillierter erläutert. Die höhere Auflösung erlaubt es sogar, die Anzahl der Sektor-Permanentmagneten zu reduzieren (Einsparung).

Entsprechend der Tabelle in Fig. 5 wird angenommen, dass der Permanentmagnetmotor PM anzuhalten ist, sich jedoch noch in der Drehrichtung T im Uhrzeigersinn langsam dreht, bis der Nullpunkt-Permanentmagnet 14 den Hallsensor H2 aktiviert und am Eingang H2' ein Signal mit einem hohen Signalpegel = Zahl 1 generiert. Daraus liest der Mikroprozessor MP die Winkelposition des Sektors Nr. 1. Bei der sich verlangsamenden Weiterdrehung in der Drehrichtung T (Eintritt in den Sektor Nr. 1) sind zunächst beide Hallsensoren H1 , H2 nicht aktiviert (niedrige Signalpegel = Zahlen 0/0 entsprechend der Zahl 0 im Dualsystem). Darauffolgend aktiviert der Sektor- Permanentmagnet 11 des Sektors Nr. 1 den Hallsensor H1, so dass am Eingang H1' ein hoher Signalpegel (= Zahl 1) anliegt, während am Eingang H2' nach wie vor ein niedriger Signalpegel (= Zahl 0) anliegt. Der Mikroprozessor ermittelt daraus im Dualsystem aus 1/0 die Zahl 2. Danach aktiviert der Sektoren-Permanentmagnet 11 beide Hallsensoren H1 , H2 gleichzeitig, so dass an den Eingängen H1\ H2' jeweils ein hoher Signalpegel vorliegt (entsprechend den Zahlen 1/1 = der Zahl 3 im Dualsystem). Als nächstes verlässt der Sektoren-Permanentmagnet 11 den Hallsensor H1 , der einen niedrigen Signalpegel (= Zahl 0) abgibt, während der Hallsensor H2 weiterhin einen hohen Signalpegel abgibt (= Zahl 1). Daraus liest der Mikroprozessor im Dualsystem aus 0/1 die Zahl 1 , ehe dann beide Hallsensoren H2, H1 nicht aktiviert sind, und der Mikroprozessor wieder die Zahl 0 im Dualsystem registriert. Bei diesem Vor- beigang ermittelt der Mikroprozessor den Code 02310, aus dem er auch eine Bestätigung der Drehrichtung T im Uhrzeigersinn entnimmt. Ferner weiß der Mikroprozessor, dass der Rotor R nun in den Sektor Nr. 2 eintritt, in dem er beispielsweise dann mit dem Sektoren-Permanentmagneten 11 des Sektors Nr. 2 bei gleichzeitiger Aktivierung beider Hallsensoren H1 , H2 anhält, entsprechend der Zahl 3 innerhalb des binären Codes 02310.

Für den neuerlichen Anlauf des Motors hat der Mikroprozessor MP somit die Informationen, dass der Rotor R mit dem Sektor Nr. 2 zwischen den beiden Hallsensoren H1 , H2 steht und dorthin in der Drehrichtung T im Uhrzeigersinn gekommen ist. Der Statorvektor wird nun in der Drehrichtung T im Uhrzeigersinn vor dem Rotorvektor optimal eingestellt, um den Anlauf zu bewirken. Der Mikroprozessor MP folgt sozusagen der Drehbewegung des Rotors R und damit des Wickelelementes W permanent hinsichtlich des jeweiligen Sektors und der Drehrichtung. Dies kann bis zur Maximaldrehzahl erfolgen. Gegebenenfalls wird aber oberhalb seines vorbestimmten Laufgeschwindigkeitswertes des Rotors auf eine andere Art einer Vektorsteuerung umgeschaltet, wofür der Mikroprozessor MP eine entsprechende Programmroutine enthält, so dass oberhalb dieses Geschwindigkeitswertes dann die Vektorsteuerung mit Hilfe der Abtastung der Änderungen der elektromotorischen Kräfte, insbesondere der rückwärts wirkenden elektromotorischen Kraft des Rotorvektors in den Wicklungen des Stators, und/oder durch Messen der Spannung bzw. des Stroms in den Statorvorrichtungen durchgeführt wird.

Als nächsten sei der Einfachheit halber angenommen, dass der Rotor R bei seiner Drehrichtung T im Uhrzeigersinn exakt mit dem Nullpunkt-Permanentmagneten 14 vor dem Hallsensor H2 zum Stillstand gekommen ist, so dass am Eingang H2" des Mikroprozessors ein hoher Signalpegel (entspricht der Zahl 1) anliegt und die Information gegeben ist, dass der Rotor exakt zwischen den Sektoren Nr. 24 und 1 zum Stillstand gekommen ist. Nun wird angenommen, dass eine in der Drehrichtung T gegen den Uhrzeigersinn wirkende, externe Kraft, z.B. eine Rückzugskraft des Fadens oder die Kraft einer Person, die das Wickelelement W gewollt oder ungewollt verdreht, einwirkt. Diese externe Kraft bewirkt, dass sich der Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn zurückdreht, beispielsweise über den Sektor Nr. 24 bis in den Sektor Nr. 23. Dabei liest der Mikroprozessor an seinen Eingängen H2', H1' die Zahlen 0/1/1/0/0 und auch 0/0/1/1/0, woraus er den binären Code 01320 ableitet. Bereits mit Auftreten der Zahlenfolge 01.... im binären Code weiß der Mikroprozessor, dass die Drehrichtung T gegen den Uhrzeigersinn vorliegt. Ferner liest er aus der Kombination von Nullen und Einsen die Drehwinkelposition bzw. die Sektornummer, in der der Rotor dann zum Stillstand gekommen ist, um für einen neuen Motoranlauf in der korrekten Drehrichtung T im Uhrzeigersinn den Statorvektor wieder optimal einstellen zu können.

Alternativ kann der Mikroprozessor mit Programmroutinen ausgestattet sein, die bei Auftreten einer solchen Rückdrehbewegung gegen die normale Drehrichtung (hier T im Uhrzeigersinn) sogleich den Statorvektor so einstellt, dass ein geringes Drehmoment aufgebaut wird, das den Rotor wieder in die vorherige Anhalteposition (zwischen die Sektoren Nr. 24 und Nr. 1 ) zurückdreht, oder gerade ausreicht, bei Feststellen der Tendenz einer Rückwärtsdrehung dieser Tendenz so weit entgegenzuwirken, dass der Rotor im Wesentlichen bei der registrierten Stillstandsposition bleibt.

Solange der Rotor R in der Drehrichtung T entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, liest der Mikroprozessor den binären Code 01320 in Zuordnung zu den Sektorennummern, und im Gegensatz zum gelesenen binären Code 02310 bei der normalen Drehrichtung T und ebenfalls in Zuordnung zu den Sektorennummem.

Fig. 4 verdeutlicht nochmals, wie der Mikroprozessor an seinen Eingängen H1', H2' aus den Signalen der Hallsensoren H1 , H2 jeweils fortlaufend einen Code ermittelt, der bei der Drehrichtung T im Uhrzeigersinn aus den Zahlen 02310 im Dualsystem, und bei der Drehrichtung T entgegen dem Uhrzeigersinn aus der Zahlenfolge 01320 im Dualsystem besteht. Zweckmäßig berücksichtigt der Mikroprozessor nur die Zahlenfolge 231 oder 132, um die Informationen zur Drehwinkelposition und zur Drehrichtung abzuleiten.

Anstelle nur der beiden Hallsensoren H1 , H2 könnten auch drei Hallsensoren (Fig. 4) vorgesehen sein, deren jeder an einen eigenen Eingang des Mikroprozessors angeschlossen ist, und von denen der dritte zur Zusammenarbeit mit dem Nullpunkt- Permanentmagneten 14 entweder ein digitaler (wie gezeigt) oder ein analoger Hallsensor ist.

Auf die gezeigte Ausführungsform in Fig. 2 bezogen würde der Mikroprozessor MP bei der gezeigten Stillstandsposition des Rotors R und Aktivierung beider Hallsensoren H1, H2 darüber informiert sein, dass der Stillstand bei der Zahl 3 in der Zahlenfolge 231 erfolgt ist, dass die vorhergehende Drehrichtung T war, und dass der Sektor Nr. 3 zwischen den beiden Hallsensoren H1 , H2 positioniert ist. Sollte im Stillstand eine externe Kraft den Rotor R weiter drehen, dann wird der Mikroprozessor MP anhand der Zahl 1 und an der Zahl 0 im binären Code wissen, dass der Rotor R in der normalen Drehrichtung T bis in eine Winkelposition zwischen den Sektoren Nr. 3 und Nr. 4 weitergedreht worden ist. Folgt hingegen auf die Zahl 3 im binären Code und beim Stillstand im Sektor Nr. 3 die Zahl 2 im binären Code und nachfolgend die Zahl 0, dann weiß der Mikroprozessor MP, dass der Rotor R in der falschen Drehrichtung T gegen den Uhrzeigersinn zurückgedreht worden ist, bis zwischen die Sektoren Nr. 3 und Nr. 2.

Die aus den Hallsensoren H1 , H2 abgeleiteten Informationen können auch benutzt werden, um das Wickelelement W entweder exakt an der Winkelposition X1 oder X2 anzuhalten und festzusetzen, beispielsweise um dann bestimmte Einfädelvorgänge (automatisches Einfädeln oder manuelles Einfädeln) problemlos durchführen zu können.

Mit den von den Hallsensoren H1, H2 generierten Signalen kann der Permanentmagnetmotor PM auch gewollt in der Drehrichtung T' mit einer optimierten Vektorsteuerung angetrieben werden. Fadenliefergeräte müssen nämlich abhängig vom Twist des verarbeiteten Fadens in der einen oder der anderen Drehrichtung laufen, um den Faden optimal verarbeiten zu können.

Bei der gezeigten Ausführungsform hat der Rotor R vier Pole P. Dann können insgesamt zwölf Sektoren-Permanentmagneten 11 zweckmäßig sein (Sektorengröße 30°), besser sind jedoch vierundzwanzig Sektoren-Permanentmagneten 11 (Sektorengröße 15°). Die Anzahl der Sektoren wird unter anderem abhängig von der Anzahl der Pole des Rotors und/oder der Statorwicklungen gewählt. Je höher die Polzahl ist, desto kleiner sollten die Sektoren gewählt werden, um eine möglichst hohe Auflösung zu erzielen.

Da der Code 02310 oder 01320 für jeden Sektor aus untereinander verschiedenen Signalkombinationen der Hallsensoren H1, h2 abgeleitet wird, können, um eine gegenüber der Anzahl der Sektor-Permanentmagneten 11 höhere Auflösung bei der Po- sitionsdetektion des Rotors R zu erzielen, aus den Zahlen innerhalb des Codes oder aus den Signalkombinationen vom Mikroprozessor MP weitere Rotordrehwinkel innerhalb jedes Sektors abgeleitet werden. Beispielsweise ist ein Sektor von 15° so in einzelne kleinere Winkelschritte unterteilbar, um sehr genaue Rotordrehwinkel- Informationen zur Einstellung des Statorvektors zu gewinnen.

Claims

Patentansprüche

1. Sensorsystem (SS) für die Vektorsteuerung eines einen Stator (ST) und einen mehrpoligen Rotor (R) aufweisenden elektrischen Synchronmotor als Wickelantrieb eines Fadenliefergeräts (F) durch einen Mikroprozessor (MP), insbesondere eines Permanentmagnetmotors (PM), dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl vom Rotor (R) drehantreibbarer Sektor-Permanentmagneten (11) mit gleichen Polungen gleichmäßig über 360° verteilt angeordnet sind, dass auf die Umlaufbahn der Sektor- Permanentmagneten (11) zumindest zwei stationäre Hallsensoren (H1 , H2) ausgerichtet sind, dass die Hallsensoren (H1 , H2) in Umlaufrichtung derart beabstandet sind, dass jeder Sektor-Permanentmagnet (11) zumindest vorübergehend mindestens zwei der Hallsensoren (H1 , H2) gleichzeitig aktiviert, und dass zusätzlich ein vom Rotor (R) drehantreibbarer Nullpunkt-Permanentmagnet (14) mit gegenüber den untereinander gleichen Polungen der Sektorpermanentmagneten (11) umgekehrter Polung zum Vorbeigang an mindestens einem der Hallsensoren (H1, H2) vorgesehen ist.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein digitaler und ein analoger Hallsensor (H1, H2) vorgesehen sind, und dass der Nullpunkt- Permanentmagnet (14) zum Vorbeigang zumindest am analogen Hallsensor (H1 , H2) angeordnet ist.

3. Sensorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei digitale Hallsensoren (H1 , H2) und ein dritter analoger oder digitaler Hallsensor für den Nullpunkt-Permanentmagneten (14) vorgesehen sind.

4. Sensorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vierundzwanzig Sektor-Permanentmagneten (11) vorgesehen sind.

5. Sensorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsensoren (H1 , H2) an getrennte Mikroprozessor-Eingänge angeschlossen sind.

6. Sensorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Mikroprozessor (MP) zusätzlich ein Programmteil zum Ermitteln des Rotordrehwinkels anhand z.B. motoriaufabhängiger Änderungen elektromotorischer Kräfte und/oder Messen der Spannung bzw. des Stroms in den Statorwindungen vorgesehen ist, und ein Programmteil zum geschwindigkeitsabhängigen Umschalten zwischen einer dem Motorstillstand, dem Motoranlauf und niedriger Motorgeschwindigkeit zugeordneten Auswerteroutine der Hallsensor-Signale und einer höherer Motorgeschwindigkeit zugeordneten Auswerteroutine der Änderungen der elektromotorischen Gegenkraft und/oder der gemessenen Spannung bzw. des Stroms.

7. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektor- Permanentmagneten (11) an einem mit dem Rotor (R) gekoppelten Träger angeordnet sind.

8. Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (R) ü- ber eine Welle (3) mit einem Wickelelement (W) des Fadenliefergeräts (F) gekoppelt ist, dass das Wickelelement (W) entweder eine Wickelscheibe (10) mit integriertem Wickelrohr auf der hohl ausgebildeten Welle (3) oder eine Wickeltrommel auf der Welle (3) ist, und dass die Sektor-Permanentmagneten (11) und der Nullpunkt- Permanentmagnet (14) an dem Wickelelement (W) und die Hallsensoren (H1 , H2) in der Nachbarschaft des Wickelelements (W) im Fadenliefergerät angeordnet sind.

9. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (MP) in einer zumindest an eine Fadenvorratssensorik (8) angeschlossenen Fadenliefergerät-Steuerung (CU) für den Permanentmagnet-Motor (PM) enthalten ist.

10. Verfahren zur Vektorsteuerung eines einen Stator (ST) und einen mehrpoligen Rotor aufweisenden elektrischen Synchronmotor als Wickelantrieb eines Fadenliefergeräts (F), insbesondere eines Permanentmagnetmotors (PM), mit einem Mikroprozessor (MP), der den Statorvektor rotordrehwinkelabhängig verstellt, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Rotordrehung und/oder der relativen Rotordrehposition mit mindestens zwei Hallsensoren (H1, H2) und einer Vielzahl an Sektor- Permanentmagneten (11) aktuelle Winkelsektorsignale mit einer zeitweisen Überlappung in Zuordnung zu einem Nullpunktsignal generiert werden, und dass der Mikroprozessor aus den aktuellen Winkelsektorsignalen fortlaufend zur Vektorsteuerung die Drehrichtung und den jeweiligen Sektor nach Art eines binären oder Dualsystem- Codes ableitet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb einer vorbestimmten Motorlaufgeschwindigkeit die aktuellen Winkelsektorsignale ignoriert und der Statorvektor in Abhängigkeit von Änderungen der elektromotorischen Kräfte, insbesondere der vom Rotor im Stator bewirkten Gegenkräfte, und/oder der in den Statorwicklungen gemessenen Spannung bzw. des Stroms, verstellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Code für jeden Sektor aus mehreren ^v unterschiedlichen Hallsensor-Signalkombinationen abgeleitet wird, und dass zusätzlich aus den Hallsensor-Signalkombinationen unterschiedliche Rotordrehwinkel innerhalb jedes Sektors abgeleitet werden.