WO2023208945A1 - Method for identifying and compensating for a position-measurement error - Google Patents

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WO2023208945A1
WO2023208945A1 PCT/EP2023/060830 EP2023060830W WO2023208945A1 WO 2023208945 A1 WO2023208945 A1 WO 2023208945A1 EP 2023060830 W EP2023060830 W EP 2023060830W WO 2023208945 A1 WO2023208945 A1 WO 2023208945A1
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error
position measurement
rotor
act
stator
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PCT/EP2023/060830
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Inventor
Armin Steinhauser
Joachim Weissbacher
Original Assignee
B&R Industrial Automation GmbH
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/06Linear motors
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65GTRANSPORT OR STORAGE DEVICES, e.g. CONVEYORS FOR LOADING OR TIPPING, SHOP CONVEYOR SYSTEMS OR PNEUMATIC TUBE CONVEYORS
    • B65G43/00Control devices, e.g. for safety, warning or fault-correcting
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    • B65GTRANSPORT OR STORAGE DEVICES, e.g. CONVEYORS FOR LOADING OR TIPPING, SHOP CONVEYOR SYSTEMS OR PNEUMATIC TUBE CONVEYORS
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    • HELECTRICITY
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    • H02K29/08Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00Propulsion 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
    • H02K41/02Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/06Arrangements for speed regulation of a single motor wherein the motor speed is measured and compared with a given physical value so as to adjust the motor speed

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an electromagnetic transport device with a stator, a rotor and a position control loop, wherein the rotor is movable along the stator along at least one direction of movement at a rotor speed, and wherein on the stator along the at least one direction of movement a plurality of position sensors is arranged stationary and spaced apart from one another.
  • the position sensors generate a position measurement signal which describes a measurement position that deviates from the true position of the rotor by a position measurement error and which has a vibration component with a vibration component frequency.
  • LLM Long stator linear motors
  • PM planar motors
  • LLM generally consist of a stator (also referred to as a “long stator linear motor stator” or “LLM stator”) and at least one rotor (also referred to as a “shuttle” or “transport unit”).
  • a stator also referred to as a “long stator linear motor stator” or “LLM stator”
  • rotor also referred to as a “shuttle” or “transport unit”.
  • an LLM stator is usually composed of a large number of stator segments, with a large number of drive coils (also “LLM coils”) being arranged stationary next to one another on the stator or on the stator segments.
  • the stator segments can have different geometries, such as straight lines, curves, switches, and can be assembled into a desired LLM stator by lining them up.
  • the LLM stator thus forms a conveyor path along which one or more runners can be moved. The runners are held and guided along the conveyor track.
  • PM Planar motors
  • US 9,202,719 B2 discloses the basic structure and functionality of a PM.
  • a PM essentially also has a stator, which in a PM, however, forms a transport plane in which one or more rotors can be moved at least two-dimensionally.
  • drive coils are usually arranged in the transport level, and in some versions also in several levels.
  • drive magnets permanent or electromagnets
  • position sensors AMR sensors, Hall elements, etc.
  • drive coils By controlling the drive coils, which can be done in particular by applying a corresponding coil voltage to generate a drive current in the drive coils, a moving magnetic field, a so-called magnetic drive field, can be generated, which interacts with the drive magnets of the rotor to move a rotor.
  • Drive coils that are controlled, i.e.
  • active drive coils In order to move a rotor along the stator, some of the drive coils are always active drive coils, with normally de-energized drive coils becoming active drive coils and active drive coils becoming de-energized drive coils. A runner can thus be moved in the direction of the moving magnetic drive field.
  • a target position into which the position of the runner is to be transferred, or a target speed for the speed of the runner or a target acceleration for the acceleration of the runner can be specified.
  • a target position or a target speed or a target acceleration or another target value e.g. a magnetic flux
  • a target position or a target speed or a target acceleration or another target value can also be specified in a time-varying manner.
  • a ramp with a constant ramp gradient is specified for the course of a target position, this results in constant target speeds (usually at least approximately) in the case of a cascaded control loop structure with a superimposed position controller and a subordinate speed controller, which is usual for LLM or PM.
  • a higher-level controller e.g. position controller
  • lower-level controllers e.g. speed controller
  • a target speed that is constant over time can be generated for a target position by means of a ramp-shaped course. This procedure is particularly relevant in cases where an existing position controller cannot be deactivated, but operation at a constant speed is still desired.
  • target values such as target position, target speed or target acceleration can be implemented in LLM or PM by suitable control of the drive coils arranged on the stator.
  • a comparison is often carried out in each control magazine between a predetermined setpoint and a measurement signal, usually referred to as an “actual value”, of the time course of the variable to be controlled.
  • Such a comparison can be carried out by forming the difference between the setpoint and actual value, the result of which is known to be referred to as a control error.
  • such a control error can be fed into a controller provided for controlling the variable to be controlled, in which the coil voltages required to control the drive coils can be determined directly based on the control error.
  • a higher-level controller e.g. a position controller
  • a lower-level controller e.g. speed controller.
  • the coil voltages required to control drive coils are usually determined by the innermost, i.e. the last, controller in the cascade.
  • the innermost controller of such a cascade is often a current controller.
  • a large number of rotors can also be moved independently of one another along a conveyor path formed by a stator. More detailed information can be found in WO 2013/143783 A1, WO 98/50760 A2, US 6,876,107 B2, US 2013/0074724 A1 or EP 1 270 311 B1.
  • the quality and accuracy of the measurement signals used in the control loop sometimes have a significant influence on the operating quality that can be achieved, for example on the accuracy of a position control. If there are incorrect position measurement signals in an LLM or PM, the impression that a runner is already at a specified target position could arise due to the equality of the position measurement signal and the target position, although this is not (yet) the case. Dirt effects such as measurement noise and/or quantization can also seriously affect the control dynamics and control accuracy that can be achieved.
  • EP 1 195 880 A1 describes the use of additional sensors to increase the positioning accuracy.
  • the state of the art also includes the use of complex, external linear scales or laser trackers to determine systematic position measurement errors.
  • US 10,914,620 B2 in contrast, describes a data-based approach in which measured signal curves are compared with stored target values.
  • the saved target values must be known in advance, which can prove problematic in many practical situations.
  • Possible changes (wear and aging) of a transport system during operation, which can also affect position measurement technology, are not taken into account in US 10,914,620 B2.
  • the independent claims describe a method for operating an electromagnetic transport device and an electromagnetic transport device.
  • At least one position vibration parameter is determined, which describes the vibration behavior of the at least one vibration component of the position measurement signal, and it is determined by means of a predetermined description of a relationship between the position measurement signal and the position measurement error
  • at least one error vibration parameter is determined from the at least one position vibration parameter, which describes the vibration behavior of the position measurement error at the vibration component frequency.
  • the position measurement signal is corrected using the error vibration parameter to form a position correction signal, which is fed back in the position control loop and used to regulate the position of the rotor.
  • control is taken into account by correcting the position measurement signal using the error vibration parameter, whereby the control accuracy in the position control loop can be improved to a remarkable degree.
  • the oscillation component of the position measurement signal corresponds to a fundamental wave of the position measurement signal, the fundamental wave frequency of the fundamental wave being determined by the rotor speed and the arrangement of the position sensors.
  • a position oscillation parameter preferably corresponds to a position fundamental wave parameter, which describes the oscillation behavior of the fundamental wave of the position measurement signal
  • an error oscillation parameter preferably corresponds to an error fundamental wave parameter, which describes the oscillation behavior of the position measurement error at the fundamental wave frequency.
  • an oscillation component of the position measurement signal corresponds to a harmonic of the position measurement signal, the harmonic frequency of which corresponds to an integer multiple of a fundamental wave frequency, which is determined by the rotor speed and the arrangement of the position sensors, and a position oscillation parameter Position harmonic parameter that describes the oscillation behavior of the harmonic of the position measurement signal, and an error oscillation parameter an error harmonic parameter that describes the oscillation behavior of the position measurement error at the harmonic frequency.
  • a position compensation signal is determined from the at least one error vibration parameter, which is added to the position measurement signal to convert the position measurement signal to the position correction signal to correct.
  • the position correction signal is subsequently used for improved position control. It should be mentioned that other approaches are also conceivable at this point; position compensation signals can also be determined which are subtracted from the position measurement signal, or by which the position measurement signal is divided, or by which the position measurement signal is multiplied.
  • the invention is not restrictive at this point, but rather allows individual adaptation to a given application in order to always achieve the greatest possible improvement.
  • the position correction signal in the position control loop for controlling the position of the rotor is compared with a predetermined target position, and a manipulated variable is determined in the position control loop from the result of this comparison, based on which Active drive coils of the stator are energized in order to generate a propulsive force acting on the rotor and to transfer the rotor to the specified target position.
  • the stator is divided into a plurality of stator sections, with the stator sections each being assigned at least one error vibration parameter related to the respective stator section.
  • the majority of the stator sections can be adapted in order to always achieve the best coordination of numerical complexity, which is achieved by an increase of Vibration parameters result from a possibly increased number of stator sections, and achievable improvement in control accuracy.
  • the at least one error vibration parameter can be identified within the scope of the invention by means of an identification journey of the rotor along the stator, but there is also the possibility of determining error vibration parameters computationally, for example from construction data of the transport device or also by specification by an operator or by another specification.
  • the determination through an identification run offers the advantage that the error vibration parameter is determined specifically for the stator where it is also used for control.
  • the runner is moved at a constant runner speed during the identification journey and/or the identification journey is carried out in a constant speed phase of the runner.
  • the possibility of carrying out the aforementioned identification during constant-speed phases during operation allows data recorded during constant-speed phases, which can occur, for example, randomly during operation, to be used directly to further improve the operating quality of the transport unit.
  • a particularly advantageous variant of the method according to the invention results if, in addition to the position measurement signal, a target position specified for the position of the rotor is included in the determination of the at least one error vibration parameter.
  • the position measurement signal can be subtracted from the target position in order to determine an uncorrected position control error, and the uncorrected position control error can be used to determine the at least one error vibration parameter.
  • This approach is based on the knowledge that the information about the behavior of a position measurement error is transported by the position measurement signal, and the position measurement signal is usually part of a position control error used in the control. This is particularly the case if, as is common in control engineering, the position control error is formed by subtracting the position measurement signal from the target position. In certain cases, the position control error is easier or more available for calculations than a position measurement signal itself.
  • the fact that the method according to the invention can also be carried out on the basis of a position control error often results in a significant expansion of the practical applicability of the invention.
  • the specified description of the relationship between the position measurement signal and the position measurement error can be given in the form of a linear and freely parameterizable transmission system. Specifically, this can be a linear and time-invariant transfer function, which is advantageous in many cases since the handling of linear and time-invariant transfer functions is well known from control engineering and a number of tools are available to handle them. It should be noted that instead of linear and time-invariant transfer functions, other forms of implementing the description of the relationship between the position measurement signal and the position Measurement errors can be used, for example tables or lookup tables or other forms of implementation.
  • the present invention also simplifies the commissioning of transport systems in the form of an LLM or PM.
  • the elimination of an otherwise frequently required reference system in the form of a measuring ruler or a laser tracker allows the costs and complexity of the transport system to be reduced.
  • the invention also achieves increased positioning accuracy, both statically and dynamically. Increased positioning accuracy in turn brings with it a number of other advantages, such as smoother position progressions during operation.
  • smoother current curves result due to smoother position curves, which is usually accompanied by a lower current load.
  • a lower current load can in turn achieve higher energy efficiency, less heating, etc.
  • Further advantages in this context include improved smooth running, improved synchronization properties and improved acoustics.
  • the present invention can be used in a wide variety of transport or drive systems, especially if a magnetic field is used in these transport or drive systems both to generate force and to determine a position/position measurement values.
  • This includes, among other things, long stator linear motors and planar motors, but also short stator linear motors.
  • FIGS. 1 to 9 show advantageous embodiments of the invention by way of example, schematically and non-restrictively. This shows
  • Fig. 1 shows the functional principle of a long stator linear motor
  • 5 shows a course of an actual position of a runner and an error-prone measurement signal
  • 6 shows a course of a measurement error depending on the position of a runner
  • a transport device 1 in the form of a long stator linear motor (LLM) is shown as an example.
  • LLM long stator linear motor
  • the invention is described below using the example of a long stator linear motor, the statements also apply in an analogous manner to planar motors.
  • the LLM 1 consists of a plurality of separate stator segments Z 1 , ..., Z p , which are subsequently referenced using Z m (with m ⁇ 1 as the running index), and which are assembled into a stationary stator 2 of the LLM 1 are.
  • the stator segments Z 1 , ..., Z p can be arranged on a stationary support structure (not shown in FIG. 1).
  • the stator segments Z 1 , ... , Z p as also shown in FIG. 1, can be designed in different geometric shapes, for example as straight line segments or curve segments, in order to be able to realize different transport paths.
  • stator 2 can basically be arbitrary and the stator 2 can be arranged in a plane, but can also be shaped three-dimensionally.
  • stator segments Z 1 , ... , Z p form a plane.
  • a plurality of electrical drive coils L m1 , ..., L mn are arranged in a known manner along the stator 2 (shown in FIG. 1 only for the stator segment Z 1 ), which are connected to drive magnets Y 1 , ..., Y L of the rotor 3 Interaction (a single drive magnet is referenced below with Y k ).
  • each stator segment Z m carries a plurality of drive coils L m1 , ..., L mn .
  • a drive magnetic field and thus a propulsive force F for the rotor 3 are created by regulating/setting coil voltages U L1 ,..., U Ln that drop across the drive coils L 11 , ..., L 1n x generated in order to move the rotor 3 along the stator 2 with a rotor speed v x along a direction of movement X.
  • stator segments Z 1 , ... , Z p which are designed as different geometric shapes, for example as straight line segments and/or as curve segments
  • a rotor 3 can under certain circumstances also move along other directions of movement.
  • the movement of the rotor 3 is limited to the shape of the stator 2 in the sense of a constraint (e.g. holonomic, scleronomic, rheonometric constraints).
  • An active drive coil is a drive coil in the area of a rotor 3, or in the area of the drive magnets Y 1 , ... , Y L of a rotor 3, which is energized in order to generate a drive magnetic field that is connected to the drive magnets Y 1 , .. . , Y L of the runner 3 works together to move the runner 3.
  • each coil voltage U L1 , ..., U Ln of each drive coil L m1 , ..., L mn in each stator segment Z m is regulated with a coil control unit 101, 102, whereby several coil control units 101, 102 can also be combined to form one control unit .
  • Possible implementations of a coil control unit 101, 102 include microprocessor-based hardware, such as microcontrollers, and integrated circuits (ASIC, FPGA). Microprocessor-based hardware or integrated circuits can be clocked with a sampling time T s .
  • additional runners 3 can of course be provided in addition to the runner 3 shown.
  • a transport control 100 superordinate to the coil control units 101, 102, all given runners 3 can be moved individually (speed, acceleration, path, direction) and independently (except for the avoidance of possible collisions) by other runners 3.
  • the coil control units 101, 102 receive target variables SG1, ..., SG n for the control from the transport controller 100. Since a single runner 3 is already sufficient for the principle of the present invention, Fig. 1 shows only one runner 3.
  • the extension of the principle according to the invention to a large number of runners represents a purely routine activity for a person skilled in the field of LLM and therefore no difficulty.
  • a plurality of position sensors S mj are arranged on the stator 2 in order to measure the position x real of a rotor 3 on the stator 2 and to generate a corresponding position measurement signal x act .
  • m references the stator segment Z m and j the position sensors arranged therein.
  • referencing can only be done with an index j, i.e. Sj, may be sufficient.
  • position measurement signals can be supplied to the transport control 100 and/or the coil control units 101, 102 in order to be used to control the movement of a rotor 3 or to control the entire LLM 1 or a PM.
  • magnetic, magnetoresistive or magenostrictive position sensors S mj (such as an anisotropic magneto-resistive sensor, a tunnel magneto-resistance sensor or giant magneto-resistance sensor) and Hall sensors have been established for position determination.
  • Such position sensors S mj measure a magnetic field M generated by the rotor 3, for example a magnetic field M generated by the drive magnets Y 1 , ... , Y L of a rotor 3 or by its own position magnets on the rotor 3, or a property of this magnetic field M, for example the Magnetic field intensity, i.e. the amount of the magnetic field M (e.g. a Hall sensor) or the direction of the magnetic field M (e.g. a magnetoresistive sensor) in the area of the respective position sensor S mj .
  • other types of sensors that are able to detect a magnetic field M can also be used.
  • Position sensors S mj With regard to the arrangement of position sensors S mj, their distance from one another is particularly important. Position sensors S mj are usually arranged at a constant distance from one another. However, the distance can also change, especially in curve segments. In many practically relevant cases, position sensors S mj and drive coils L m1 , L mn arranged on the stator 2 are arranged alternately from one another, for example a position sensor S mj is arranged after each of the drive coils L m1 , ..., L mn .
  • the arrangements of drive coils L m1 , ..., L mn and position sensors S mj are designed depending on one another, for example by placing a position sensor S on the stator 2 for each drive coil L m1 , ..., L mn at an always the same distance mj is arranged.
  • the distance between two drive magnets Y 1 , ... , Y L of a rotor 3 is referred to as pole pitch ⁇ p
  • the distance between two drive coils L m1 , ... , L mn (from pole center to pole center ) on the stator 2 in contrast, as a slot pitch ⁇ n
  • the distance between two position sensors S mj corresponds to the slot pitch ⁇ n .
  • the distance between the position sensors S mj mentioned could also be designed to be variable, i.e. change along the stator 2, and in particular be different from the slot pitch ⁇ n .
  • a magnetic field M of an arrangement of drive magnets Y 1 , ... , Y L on a rotor 3 is shown as an example in the form of magnetic field lines. From this magnetic field M acting on the position sensor S mj , a position sensor S mj first generates a sensor response in a known manner.
  • a sensor response can, for example, include a sine trace and/or a cosine trace (in the form of an electrical voltage measurement value u), as shown in FIG. 3.
  • position magnets arranged specifically for this purpose on a rotor 3 can also be provided in a known manner.
  • a position sensor S mj can also directly provide a position x k (of a drive magnet Y k or a rotor 3) as a sensor response, or a sine and/or cosine trace, which is then evaluated, or angle information y.
  • the position sensor S mj (depending on the type of sensor) can have an absolute value
  • for example angle information y and absolute value
  • typically results depending on the position x k of the drive magnet Y k relative to the position sensor S mj , as shown in Fig. 4.
  • Each voltage of such a sawtooth is assigned to a unique position x k of a drive magnet Y k relative to the position sensor S mj .
  • a measuring position x mess can deviate from the true position x real of a runner 3. Further details about the position sensors mentioned, their measuring principle, the subsequent signal processing, or the consideration of the exact installation locations of the drive magnets Y k on the rotor 3 when measuring the position can be found in the relevant literature, such as WO 2021/105387 A1 or EP 3 376 166 B1.
  • FIG. 5 further shows how the errors described can affect a position measurement signal x act that is ultimately determined from error-containing sensor responses.
  • FIG. 5 shows an actual position x real of a runner 3 over time t. The course of a measuring position x meas is also shown.
  • the measuring position x mess corresponds to the position of the rotor 3 described by an error-containing position measuring signal x act . Due to the sensor errors described, the measuring position x mess can also lie alternately above or below the true position x real of the rotor 3.
  • FIG. 6 shows several measured courses of position measurement errors n x depending on a true position x real of a runner 3.
  • Fig. 6a shows measured courses of position measurement errors n x over a stator segment Z m
  • FIG. 6b shows a section of the curves from FIG. 6a in the corresponding stator segment Z m .
  • the length of the entire stator segment Z m is denoted by L seg,m in FIG. It can be seen from the enlarged detail in Fig. 6b that in Fig. 6b a large number of measurements with different runners 3 were superimposed in order to validate the courses shown.
  • a fundamental wave GW and harmonics OW are also generally referred to below as oscillation components.
  • other vibration components SK can also dominate the temporal behavior of the position measurement error n x .
  • Other oscillation components SK can, for example, have frequencies that have a non-integer relationship to the fundamental wave frequency f 0 of the fundamental wave. As will be shown below, the present invention also allows such other, general vibration components SK to be taken into account.
  • the present invention takes up these circumstances to improve position measurement and position control in an LLM 1 or a PM.
  • the invention is based, among other things, on the knowledge that the shape of the curves shown schematically in FIG. 6 usually only changes slightly or not at all from operating point to operating point.
  • An operating point can be defined by a specific rotor speed v x and/or by a specific controller parameterization and/or by a specific temperature and/or by a specific electrical load and/or by a specific mechanical load.
  • a rotor 3 moves with a variable rotor speed v x along a corresponding stator 2, the frequencies of the frequency components of a position measurement error n x , such as the frequency f 0 of the fundamental wave GW or the frequency f 1 of the first harmonic OW1, change or the frequency f K of a general oscillation component SK, but its amplitudes and phase positions remain (at least approximately) unchanged.
  • the present invention proposes to identify the position-dependent amplitude curve of the position measurement error n x , as shown schematically in FIG. 6, once, and then the result of the identification also for other operating points with, for example, other rotor speeds v of a rotor 3 to correct the measured position measurement signal x act .
  • the connection between a measured position measurement signal x act and a position measurement error n x is known (sometimes even very precisely) in many cases relevant to practice.
  • This knowledge allows the above-described identification of the position measurement error n x based on a measured position measurement signal x act in a simple manner to carry out.
  • the position measurement error n x can be calculated from the position measurement signal x act based on a (usually model and mathematical) description of the relationship between the measured position measurement signal x act and the position measurement error n x .
  • the position measurement error n x can also be determined in another way for a subsequent compensation of the position measurement error n x , which will be described in detail later.
  • additional reference measuring systems can be used for this purpose, or a measured position measurement signal x act can be compared with previously known reference data or comparison data.
  • the invention makes it possible to determine and describe the described position measurement error n x in a very general form, ie independently of influencing factors such as rotor speed v x and/or load case and/or controller parameterization and/or temperature. Based on this general form of description, the uniquely identified position measurement error n x can be used for compensation at any operating points (different rotor speed v x , different load case, different controller parameterization or temperature).
  • a position control loop 200 for applying the method according to the invention could also contain further regulators, such as a current or voltage regulator, or be constructed in a non-cascaded form, or have one or more feedforward control paths, or a plurality of filters for filtering those in the position control loop 200 Have signals or other components.
  • the blocks F 1; F 2 , F 3 represent generic, linear and freely parameterizable transmission systems.
  • the transmission system F 1 takes on the role of the position controller
  • the transmission system F 2 takes on the role of the speed controller.
  • the position controller F 1 determines from a target position x specified for the position of the rotor 3 a target speed v Propulsive force f is determined as a manipulated variable.
  • the target propulsive force f must be set on the LLM 1, in particular by energizing the active drive coils involved. The ultimately up The force F
  • the transmission system G also represents a model of an LLM 1 with a rotor 3, the position x of which is actually controlled.
  • a single stator segment Z m of the controlled LLM 1 is shown schematically, with a rotor 3 and with position sensors S i-1 , S mi , S mi+1 .
  • the block F3 is used in the position control loop 200 shown to determine the rotor speed v xact from the measured position measurement signal x act .
  • block F 3 can be designed, for example, as a differentiator with a downstream low-pass filter.
  • additional controllers can be present in a known manner, such as a force controller or a current controller. However, these controllers are not necessary to illustrate the principle of the invention and are therefore not shown.
  • power electronics (not shown) are also provided on the LLM 1 in order to generate the required coil voltages and apply them to the active drive coils involved.
  • the input signal d also represents an input disturbance, which can optionally be taken into account.
  • a typical input disturbance d for LLM 1 is the so-called cogging torque (cogging effect).
  • the position measurement error n x under consideration is also shown as an input variable which acts as an output disturbance on the position control loop 200 and influences the position measurement signal x act .
  • integral transformations are known to be common for analysis (for discrete-time signals, the z-transformation, for continuous signals, for example, the Laplace or Fourier transformation).
  • Z ⁇ x act ⁇ X act for the z-transform of the position measurement signal x act .
  • the measured position measurement signal are described in three parts:
  • the transfer function from the output disturbance n x (position measurement error) to the output is called a sensitivity transfer function (“sensitivity” for short). denotes that from the input disturbance d to the output , as Input sensitivity transfer function.
  • the input interference d (cogging effect) occurs at the typical frequencies f 0 of a fundamental wave GW of a position measurement error n x , as well as at the frequencies of the harmonics OW above (e.g. harmonic frequencies f 1 , f 2 , the first two harmonics OW1, OW2 etc.) of a position measurement error n x can be neglected. If, moreover, the course of the target position x should is chosen appropriately, for example in the form of a ramp to ensure a constant rotor speed v
  • the sensitivity transfer function Q represents a possible description Q of the relationship between the position measurement signal x act and the position measurement error n x .
  • a description Q of the relationship between the position measurement signal x act and the position measurement error n x can also be given elsewhere be, such as through a table, or a Bode diagram, or a locus, or a state space model.
  • the transformed position measurement signal In a next step , the transformed position measurement signal ).
  • transformed signals such as a transformed position measurement signal
  • an oscillation parameter For the purpose of identifying the position measurement error n x according to the invention , an oscillation parameter
  • N x ( ⁇ ) [Q( ⁇ )] -1 X act ( ⁇ ).
  • oscillation parameters (typically complex numbers) can be determined that describe the oscillation behavior (amplitude and phase) of the position measurement error n x at a frequency ⁇ .
  • the vibration parameter belonging to the fundamental wave GW of the position measurement signal x act is subsequently noted as Xo and referred to as the position fundamental wave parameter X 0 ; vibration parameters belonging to harmonics are subsequently noted as
  • vibration components SK with a vibration component frequency f K are generally considered, the associated parameters are generally referred to as position vibration parameters X K.
  • oscillation parameters of the position measurement error n x are referred to as error fundamental wave parameters N x0 and as error harmonic parameters N x1 , or generally as error oscillation parameters N xK .
  • the position sensors S mj are spaced along the stator 2 by a constant sensor distance d s
  • the frequency f 0 for evaluating the fundamental wave GW results according to the expression used for the evaluation
  • the angular frequency then depends on the rotor speed v x and the Sensor distance d s .
  • the frequencies of the harmonics f 1 , f 2 , etc. can result in a known manner as integer multiples of the fundamental wave frequency f 0 .
  • other harmonic frequencies f 1 , f 2 can also be selected which have no integral relationship to the fundamental wave frequency f 0 .
  • the frequency f 0 for evaluating the fundamental wave GW results according to the expression.
  • the circular frequency used for the evaluation depends then depends on the rotor speed v x and the slot pitch ⁇ n .
  • the amplitude of a fundamental wave GW or a harmonic OW represents in a known manner the maximum deflection of the fundamental wave GW or harmonic OW from the position of its arithmetic mean value.
  • the phase position of a fundamental wave GW or a harmonic OW in contrast, represents the temporal position in a known manner Position of the fundamental wave GW or harmonic OW, for example the time shift of its maximum at the beginning of a measurement interval.
  • the identification of the error vibration parameters according to the invention can take place at a constant rotor speed v x or at a constant rotor target speed v x, should .
  • the frequency f 0 for evaluating the fundamental wave GW then results from the rotor speed v x and the arrangement or installation positions of the position sensors S mj .
  • the constant rotor speed v x should not exceed the maximum speed depending on the sampling time T s of the intended position measuring system of the LLM 1. If this maximum speed is exceeded v max it can happen that not enough measurement samples can be recorded and as a result a sufficiently fine frequency resolution can no longer be ensured. In this case, it may happen that the vibration parameters belonging to the frequencies of interest (fundamental wave frequency f 0 , harmonic frequencies f 1 , f 2 , etc.) can no longer be calculated.
  • M min represents the minimum number of samples of the measured position measurement signal x act that are required to identify the desired harmonics of the position measurement error n x .
  • this theoretical maximum speed is usually far higher than realistic operation, so that there are usually always enough measured samples available.
  • the control error or tracking error e x can also be used. Since the course of the target position x should in the usual cases not provide any contributions to the frequencies required for the characterization of the position measurement error n x , and since the control error or tracking error e x in the control system is often more easily available for calculations, the The modification described below can be used. Specifically, the expression can be used for the sensitivity Q be applied so that the position measurement error n x depends on the control error e x as can be calculated. E x ( ⁇ ) stands for the corresponding oscillation parameters of the control error e x . This means that the position measurement error n x can be determined based on variables that are required and available anyway for the control.
  • Stator sections can in particular correspond to the stator segments Z m of the stator 2. However, stator sections can also be chosen differently and include several stator segments Z m , or only include parts of stator segments Z m .
  • vibration parameters N x are often advantageous since vibration parameters N x do not remain constant along the stator 2 in many cases.
  • a compromise tailored to the respective application can be achieved between complexity, due to the large number of oscillation parameters N x to be stored, and a sufficiently precise description of the position measurement error n x along the stator 2.
  • stator 2 In the case of position sensors S mj spaced apart with a constant slot pitch ⁇ n , it often proves to be advantageous to divide the stator 2 or the given stator segments Z m into stator sections of length ⁇ n (slot pitch). With a total length L stat of the stator 2, stator sections result, so that for the index i the Stator sections i ⁇ [0, i max - 1] applies.
  • Vibration parameter N x calculated.
  • a position measurement signal x act measured and buffered in this stator section is advantageously used.
  • a large number of oscillation parameters N x can also be determined and assigned to the stator sections mentioned.
  • the result of such an identification run can be stored, for example, as a table, as shown in FIG. 8, which establishes an association between a stator section and the vibration parameters of the position measurement error n x .
  • the table is constructed using parameters a 0 , b 0 , etc., which correspond to the sine-cosine form described above.
  • other parameters that provide the information about the position measurement error n x transported by the vibration parameters N x or a 0 , b 0 , etc. are also conceivable at this point.
  • the determined error parameters can be used Vibration parameters N x for each predetermined stator section of the stator 2, a compensation signal x comp can be determined.
  • the error oscillation parameters N x can be read from a table shown in FIG. 8.
  • This compensation signal x comp can then be added to the measured position measurement signal x act in order to generate the measured position measurement signal x act into a corrected position correction signal x korr .
  • a corrected position correction signal x korr can, as shown in FIG. 7, be fed back in the position control loop 200 and used to control the position x real of the rotor 3.
  • a compensation unit 201 is provided in the embodiment shown in FIG. 7.
  • a table, as shown in FIG. 8, can be stored in the compensation unit 201 in an advantageous manner.
  • the measured position measurement signal x act can also be supplied to a compensation unit 201 in order to inform the compensation unit 201 of the current stator section on the stator 2 for which the compensation is to be calculated.
  • Possible implementations of a compensation unit 201 include microprocessor-based hardware, such as microcontrollers, and integrated circuits (ASIC, FPGA).
  • the current stator section above which the rotor 3 is located is first calculated from the measured position x act .
  • the index of the stator section can be determined according to.
  • the corresponding sine-cosine coefficients are read from a table, as shown in FIG. 8, and the parameters a 0 and b 0 for the fundamental wave GW.
  • a compensation signal x comp dependent on the measured position x act can be determined.
  • the runner speed v x at which a runner 3 is allowed to move as part of the compensation is not restricted.
  • the corresponding parameters a 0 , b 0 ,... can be obtained depending on i act and the above regulation can be parameterized with the related parameters a 0 , b 0 ,... .
  • error vibration parameters N x or associated parameters a x , b x in sine-cosine form usually change only slightly or not at all from operating point to operating point change
  • error vibration parameters N x can be identified at a first rotor speed v x , but can subsequently also be used for compensation at other rotor speeds v x during operation.
  • error vibration parameters N x can be identified at a first rotor speed v x1 , but can subsequently be used to correct the position measurement signal x act at a second rotor speed v x2 during operation.
  • error vibration parameters N x or associated parameters a x , b x can be determined at a first identification frequency, but can also be used for compensation at frequencies that are completely different from the identification frequency.
  • the compensation signal x comp can be added to the measured position x act depending on the measured position x act .
  • Fig. 9 shows the effect of the compensation described on the control error e Fundamental wave GW is clearly visible and almost completely disappears in the compensated case.
  • a so-called “fading out” can also be activated, which linearly scales the activation of the compensation signal x comp in the edge areas of the stator segments Z m (where the segment transition in particular dominates). If the width of the edge areas is denoted by x fade , scaled compensation can be carried out for these areas using the rule calculated and specified.
  • the present invention can also be applied to PM in the same way as to LLM 1.
  • the basic principle remains the same when used in PM, only the complexity of implementing the invention increases. Due to the six degrees of freedom for the movement of a rotor 3 that are usually given in PM, six control loops are usually used to regulate the movement of the rotor in PM operation. In this case, the identification of position measurement errors n x according to the invention is usually extended to six control loops.

Abstract

The aim of the invention is to provide a method for position measurement and position control for an electromagnetic transport system (1) comprising a stator (2), a rotor (3) and a position-control circuit (200), which method is improved in that it takes into account systematic measurement errors. To achieve this aim: at least one error vibration parameter (NxK) describing the vibration behavior of a position-measurement error (nx) at a vibration-component frequency (fK) is determined; a position-measurement signal (Xact) is corrected by means of the error vibration parameter (NxK) to obtain a position-correction signal (Xkorr); and the position-correction signal (Xkorr) is fed back in the position-control circuit (200) and used to control the position (Xreal) of the rotor (3).

Description

Verfahren zur Identifikation und Kompensation eines Positions-Messfehlers Method for identifying and compensating a position measurement error
Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Transporteinrichtung mit einem Stator, einem Läufer und einem Positionsregelkreis, wobei der Läufer entlang des Stators entlang zumindest einer Bewegungsrichtung mit einer Läufer-Geschwindigkeit bewegbar ist, und wobei am Stator entlang der zumindest einen Bewegungsrichtung eine Mehrzahl von Positionssensoren ortsfest und voneinander beabstandet angeordnet ist. Die Positionssensoren generieren ein Positionsmesssignal, welches eine Mess-Position beschreibt, die um einen Positions- Messfehler von der wahren Position des Läufers abweicht, und welches eine Schwingungskomponente mit einer Schwingungskomponenten-Frequenz aufweist. The present invention relates to a method for operating an electromagnetic transport device with a stator, a rotor and a position control loop, wherein the rotor is movable along the stator along at least one direction of movement at a rotor speed, and wherein on the stator along the at least one direction of movement a plurality of position sensors is arranged stationary and spaced apart from one another. The position sensors generate a position measurement signal which describes a measurement position that deviates from the true position of the rotor by a position measurement error and which has a vibration component with a vibration component frequency.
Langstatorlinearmotoren (LLM) und Planarmotoren (PM), deren Anwendungen sowie deren Funktionsweise sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. LLM bestehen allgemein aus einem Stator (auch als „Langstatorlinearmotorstator“ oder „LLM-Stator“ bezeichnet) und aus zumindest einem Läufer (auch als „Shuttle“ oder „Transporteinheit“ bezeichnet). Wie z.B. in der US 6,876,107 B2 beschrieben, ist ein LLM-Stator üblicherweise aus einer Vielzahl von Statorsegmenten zusammengesetzt, wobei am Stator, bzw. an den Statorsegmenten, eine Vielzahl von Antriebsspulen (auch „LLM-Spulen“) ortsfest nebeneinander angeordnet ist. Die Statorsegemente können unterschiedliche Geometrien aufweisen, wie Geraden, Kurven, Weichen, und können durch Aneinanderreihung zu einem gewünschten LLM-Stator zusammengesetzt werden. Der LLM-Stator bildet so eine Förderstrecke aus, entlang derer ein Läufer oder mehrere Läufer bewegt werden können. Die Läufer werden dabei an der Förderstrecke gehalten und geführt. Long stator linear motors (LLM) and planar motors (PM), their applications and their functionality are well known from the prior art. LLM generally consist of a stator (also referred to as a “long stator linear motor stator” or “LLM stator”) and at least one rotor (also referred to as a “shuttle” or “transport unit”). As described, for example, in US 6,876,107 B2, an LLM stator is usually composed of a large number of stator segments, with a large number of drive coils (also “LLM coils”) being arranged stationary next to one another on the stator or on the stator segments. The stator segments can have different geometries, such as straight lines, curves, switches, and can be assembled into a desired LLM stator by lining them up. The LLM stator thus forms a conveyor path along which one or more runners can be moved. The runners are held and guided along the conveyor track.
Auch Planarmotoren (PM) sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die US 9,202,719 B2 den grundlegenden Aufbau und die Funktionsweise eines PM. Ein PM weist im Wesentlichen ebenso einen Stator auf, der bei einem PM aber eine Transportebene ausbildet, in der eine oder mehrere Läufer zumindest zweidimensional bewegt werden können. Bei PM sind Antriebsspulen üblicherweise in der Transportebene angeordnet, in manchen Ausführungen auch in mehreren Ebenen. Planar motors (PM) are also generally known in the prior art. For example, US 9,202,719 B2 discloses the basic structure and functionality of a PM. A PM essentially also has a stator, which in a PM, however, forms a transport plane in which one or more rotors can be moved at least two-dimensionally. In PM, drive coils are usually arranged in the transport level, and in some versions also in several levels.
Um die Bewegung eines Läufers kontrolliert herbeiführen sowie regeln und/oder steuern zu können, sind neben den am Stator angeordneten Antriebsspulen an einem Läufer Antriebsmagnete (Permanent- oder Elektromagnete) sowie am Stator Positionssensoren (AMR-Sensoren, Hall-Elemente usw.) angeordnet. Durch Ansteuern der Antriebsspulen, welches insbesondere durch das Anlegen einer entsprechenden Spulenspannung zum Erzeugen eines Antriebsstromes in den Antriebsspulen erfolgen kann, kann ein bewegtes Magnetfeld, ein sogenanntes magnetisches Antriebsfeld, erzeugt werden, welches zum Bewegen eines Läufers mit den Antriebsmagneten des Läufers zusammenwirkt. Antriebsspulen, die zum Zweck der Erzeugung eines magnetischen Antriebsfeldes angesteuert, also bestromt werden, werden hierbei und so auch im Zuge der nachfolgenden Ausführungen als „aktive“ Antriebsspulen bezeichnet. Um einen Läufer entlang des Stators zu bewegen, sind immer einige der Antriebsspulen aktive Antriebsspulen, wobei üblicherweise laufend unbestromte Antriebsspulen zu aktiven Antriebsspulen werden und aktive Antriebsspulen zu unbestromten Antriebsspulen werden. Ein Läufer kann so in Richtung des bewegten magnetischen Antriebsfeldes bewegt werden. In order to be able to bring about, regulate and/or control the movement of a rotor, drive magnets (permanent or electromagnets) and position sensors (AMR sensors, Hall elements, etc.) are arranged on a rotor in addition to the drive coils arranged on the stator. By controlling the drive coils, which can be done in particular by applying a corresponding coil voltage to generate a drive current in the drive coils, a moving magnetic field, a so-called magnetic drive field, can be generated, which interacts with the drive magnets of the rotor to move a rotor. Drive coils that are controlled, i.e. energized, for the purpose of generating a magnetic drive field are referred to here and also in the following explanations as “active” drive coils. In order to move a rotor along the stator, some of the drive coils are always active drive coils, with normally de-energized drive coils becoming active drive coils and active drive coils becoming de-energized drive coils. A runner can thus be moved in the direction of the moving magnetic drive field.
Zum gezielten Bewegen eines Läufers können eine Soll-Position, in welche die Position des Läufers überführt werden soll, oder eine Soll-Geschwindigkeit für die Geschwindigkeit des Läufers oder eine Soll-Beschleunigung für die Beschleunigung des Läufers vorgegeben werden. Eine Soll-Position oder eine Soll-Geschwindigkeit oder eine Soll-Beschleunigung oder auch ein anderer Sollwert (z.B. ein magnetischer Fluss) können dabei zeitlich konstant vorgegeben werden, z.B. in Form eines Festwertes bei einer Festwertregelung. Eine Soll- Position oder eine Soll-Geschwindigkeit oder eine Soll-Beschleunigung oder ein anderer Sollwert können aber auch zeitlich veränderlich vorgegeben werden. For the targeted movement of a runner, a target position into which the position of the runner is to be transferred, or a target speed for the speed of the runner or a target acceleration for the acceleration of the runner can be specified. A target position or a target speed or a target acceleration or another target value (e.g. a magnetic flux) can be specified at a constant time, for example in the form of a fixed value in a fixed value control. However, a target position or a target speed or a target acceleration or another target value can also be specified in a time-varying manner.
Von praktischer Relevanz ist hierbei insbesondere die Vorgabe rampenförmiger Verläufe für die Soll-Position. Wird für den Verlauf einer Soll-Position eine Rampe mit konstanter Rampensteigung vorgegeben, resultieren daraus im Fall einer, bei LLM oder PM üblichen, kaskadierten Regelkreisstruktur mit einem überlagerten Positionsregler und einem unterlagerten Geschwindigkeitsregler (üblicherweise zumindest näherungsweise) konstante Soll-Geschwindigkeiten. Bekanntermaßen ermittelt bei einer kaskadierten Regelkreisstruktur ein überlagerter Regler (z.B. Positionsregler) als Stellgrößen weitere Sollvorgaben, die von unterlagerten Reglern (z.B. Geschwindigkeitsregler) umzusetzen sind. In einer solchen kaskadierten Regelkreisstruktur kann demnach mittels eines rampenförmigen Verlaufs für eine Soll-Position eine zeitlich (zumindest näherungsweise) konstante Soll-Geschwindigkeit erzeugt werden. Diese Vorgehensweise ist insbesondere in Fällen von Relevanz, in denen ein vorhandener Positionsregler nicht deaktiviert werden kann, aber dennoch ein Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit gewünscht ist. Of particular practical relevance here is the specification of ramp-shaped courses for the target position. If a ramp with a constant ramp gradient is specified for the course of a target position, this results in constant target speeds (usually at least approximately) in the case of a cascaded control loop structure with a superimposed position controller and a subordinate speed controller, which is usual for LLM or PM. As is well known, in a cascaded control loop structure, a higher-level controller (e.g. position controller) determines further target specifications as manipulated variables, which are to be implemented by lower-level controllers (e.g. speed controller). In such a cascaded control loop structure, a target speed that is constant over time (at least approximately) can be generated for a target position by means of a ramp-shaped course. This procedure is particularly relevant in cases where an existing position controller cannot be deactivated, but operation at a constant speed is still desired.
Wie erwähnt können Sollwerte wie Soll-Position, Soll-Geschwindigkeit oder Soll- Beschleunigung bei LLM oder PM durch geeignete Ansteuerung der am Stator angeordneten Antriebsspulen umgesetzt werden. Zur Ermittlung der zu einer solchen Ansteuerung erforderlichen Spulenspannungen wird, wie in der Regelungstechnik üblich, vielfach in jedem Zeitschrift der Regelung ein Vergleich zwischen einem vorgegebenen Sollwert und einem üblicherweise als „Istwert“ bezeichneten Messsignal des zeitlichen Verlaufs der zu regelnden Größe durchgeführt. Ein derartiger Vergleich kann mittels Differenzbildung zwischen Soll- und Istwert erfolgen, wovon das Ergebnis bekanntermaßen als Regelfehler bezeichnet wird. Im Fall eines LLM oder eines PM kann ein derartiger Regelfehler in einen zur Regelung der zu regelnden Größe vorgesehenen Regler geführt werden, in welchem ausgehend vom Regelfehler die zur Ansteuerung der Antriebsspulen erforderlichen Spulenspannungen direkt ermittelt werden können. Liegt andererseits ein kaskadierter Regelkreis vor, kann ein überlagerter Regler (z.B. ein Positionsregler) zunächst ebenso einen Sollwert für einen unterlagerten Regler (z.B. Geschwindigkeitsregler) vorgeben. Die für die Ansteuerung von Antriebsspulen erforderlichen Spulenspannungen werden im Fall eines mit einer Kaskade von Reglern aufgebauten Regelkreises üblicherweise vom innersten, also dem letzten Regler der Kaskade ermittelt. Der innerste Regler einer derartigen Kaskade ist bei LLM oder PM vielfach durch einen Stromregler gegeben. As mentioned, target values such as target position, target speed or target acceleration can be implemented in LLM or PM by suitable control of the drive coils arranged on the stator. In order to determine the coil voltages required for such control, as is usual in control technology, a comparison is often carried out in each control magazine between a predetermined setpoint and a measurement signal, usually referred to as an “actual value”, of the time course of the variable to be controlled. Such a comparison can be carried out by forming the difference between the setpoint and actual value, the result of which is known to be referred to as a control error. In the case of an LLM or a PM, such a control error can be fed into a controller provided for controlling the variable to be controlled, in which the coil voltages required to control the drive coils can be determined directly based on the control error. On the other hand, if there is a cascaded control loop, a higher-level controller (e.g. a position controller) can initially also specify a setpoint for a lower-level controller (e.g. speed controller). In the case of a control circuit constructed with a cascade of controllers, the coil voltages required to control drive coils are usually determined by the innermost, i.e. the last, controller in the cascade. In LLM or PM, the innermost controller of such a cascade is often a current controller.
Auf die beschriebene Weise kann auch eine Vielzahl von Läufern unabhängig voneinander entlang einer von einem Stator gebildeten Förderstrecke bewegt werden. Nähere dahingehende Ausführungen können der WO 2013/143783 A1, der WO 98/50760 A2, der US 6,876,107 B2, der US 2013/0074724 A1 oder der EP 1 270 311 B1 entnommen werden.In the manner described, a large number of rotors can also be moved independently of one another along a conveyor path formed by a stator. More detailed information can be found in WO 2013/143783 A1, WO 98/50760 A2, US 6,876,107 B2, US 2013/0074724 A1 or EP 1 270 311 B1.
Unabhängig von der konkreten Implementierung eines Regelkreises haben Güte und Genauigkeit der im Regelkreis herangezogenen Messsignale, beispielsweise Istwerte der Regelung, teils erheblichen Einfluss auf die erreichbare Betriebsqualität, beispielsweise auf die Genauigkeit einer Positionsregelung. Liegen bei einem LLM oder PM fehlerhafte Positionsmesssignale vor, könnte aufgrund einer Gleichheit von Positionsmesssignal und Soll-Position der Eindruck entstehen, dass sich ein Läufer bereits an einer vorgegebenen Soll-Position befindet, obwohl das (noch) nicht der Fall ist. Ebenso können Schmutzeffekte wie Messrauschen und/oder Quantisierung die erzielbare Regeldynamik und Regelgenauigkeit empfindlich beeinträchtigen. Regardless of the specific implementation of a control loop, the quality and accuracy of the measurement signals used in the control loop, for example actual values of the control, sometimes have a significant influence on the operating quality that can be achieved, for example on the accuracy of a position control. If there are incorrect position measurement signals in an LLM or PM, the impression that a runner is already at a specified target position could arise due to the equality of the position measurement signal and the target position, although this is not (yet) the case. Dirt effects such as measurement noise and/or quantization can also seriously affect the control dynamics and control accuracy that can be achieved.
Zur Regelung der Bewegung des Läufers eines LLMs oder PMs ist es deshalb von wesentlicher Bedeutung, dessen aktuelle Position relativ zum Stator genau zu kennen, um die Antriebsspulen zur Erzeugung des bewegten Magnetfeldes richtig ansteuern zu können. Der Positionsbestimmung des Läufers kommt daher für den Betrieb des LLMs oder PMs eine besondere Rolle zu. Bei der Positionsmessung ist in diesem Zusammenhang insbesondere auf systematische, durch das Messprinzip der eingesetzten Positionssensoren bedingte Messfehler hinzuweisen. Bei der Positionsmessung mit Sin/Cos-Gebern treten mitunter prinzipbedingte Offsetfehler, Phasenfehler und Amplitudenfehler auf, mit sämtlichen oben genannten nachteiligen Konsequenzen. Derartige Probleme sind auch im Stand der Technik bekannt. To control the movement of the rotor of an LLM or PM, it is therefore essential to know exactly its current position relative to the stator in order to be able to correctly control the drive coils to generate the moving magnetic field. Determining the position of the runner therefore plays a special role in the operation of the LLM or PM. When measuring position, particular attention must be paid to systematic measurement errors caused by the measuring principle of the position sensors used. When measuring position with sin/cos encoders, principle-related offset errors, phase errors and amplitude errors sometimes occur, with all of the disadvantageous consequences mentioned above. Such problems are also known in the prior art.
So beschreibt die EP 1 195 880 A1 die Verwendung zusätzlicher Sensoren zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit. Ebenso ist im Stand der Technik die Verwendung von aufwendigen, externen Linearmaßstäben oder Lasertrackern zur Ermittlung von systematischen Positions- Messfehlern bekannt. EP 1 195 880 A1 describes the use of additional sensors to increase the positioning accuracy. The state of the art also includes the use of complex, external linear scales or laser trackers to determine systematic position measurement errors.
Die US 10,914,620 B2 beschreibt demgegenüber einen datenbasierten Ansatz, in dem gemessene Signalverläufe mit gespeicherten Zielwerten verglichen werden. Die gespeicherten Zielwerte müssen hierbei vorab bekannt sein, was sich in vielen praktischen Situationen als problematisch erweisen kann. Mögliche Veränderungen (Verschleiß, Alterung) eines Transportsystems im Zuge des Betriebs, wovon auch die Positionsmesstechnik betroffen sein kann, werden in der US 10,914,620 B2 nicht berücksichtigt. US 10,914,620 B2, in contrast, describes a data-based approach in which measured signal curves are compared with stored target values. The saved target values must be known in advance, which can prove problematic in many practical situations. Possible changes (wear and aging) of a transport system during operation, which can also affect position measurement technology, are not taken into account in US 10,914,620 B2.
Für die zitierten Druckschriften gilt demnach, dass die darin beschriebenen Ansätze entweder die Verwendung zusätzlicher Komponenten, wie zusätzlicher Sensoren oder zusätzlicher Messmittel, erforderlich machen, oder dass bereits vorab bekannte Datensätze benötigt werden. Beides ist in der praktischen Anwendung nachteilig. For the cited publications, the approaches described therein either require the use of additional components, such as additional sensors or additional measuring equipment, or that previously known data sets are required. Both are disadvantageous in practical use.
Es ist demnach eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein, insbesondere hinsichtlich der Berücksichtigung systematischer Messfehler, verbessertes Verfahren zur Positionsmessung und Positionsregelung für elektromagnetische Transportsysteme anzugeben. It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for position measurement and position control for electromagnetic transport systems, particularly with regard to taking systematic measurement errors into account.
Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes elektromagnetisches Transportsystem durch die Merkmale der Kennzeichen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die unabhängigen Ansprüche beschreiben hierbei ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Transporteinrichtung sowie eine elektromagnetische Transporteinrichtung. This task is solved for an electromagnetic transport system mentioned at the beginning by the features of the characteristics of the independent claims. The independent claims describe a method for operating an electromagnetic transport device and an electromagnetic transport device.
Erfindungsgemäß wird während des Betriebs der elektromagnetischen Transporteinrichtung, bei der es sich beispielsweise um einen LLM oder einen PM handeln kann, zumindest ein Positions-Schwingungsparameter ermittelt, der das Schwingungsverhalten der zumindest einen Schwingungskomponente des Positionsmesssignals beschreibt, und es wird mittels einer vorgegebenen Beschreibung eines Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal und dem Positions-Messfehler aus dem zumindest einen Positions- Schwingungsparameter zumindest ein Fehler-Schwingungsparameter ermittelt, welcher das Schwingungsverhalten des Positions-Messfehlers bei der Schwingungskomponenten- Frequenz beschreibt. Darauf aufbauend wird das Positionsmesssignal mittels des Fehler- Schwingungsparameters zu einem Positionskorrektursignal korrigiert, welches im Positionsregelkreis rückgekoppelt und dazu herangezogen wird, die Position des Läufers zu regeln. Durch diese Vorgehensweise werden systematische Positions-Messfehler durch eine denkbar einfache Art und Weise beschrieben, im einfachsten Fall lediglich durch einen Fehler-Schwingungsparameter. Diese Herangehensweise erlaubt eine Ermittlung von systematischen Positions-Messfehlern ohne großen Aufwand und eine ebenso problemfreie Einbindung des Fehler-Schwingungsparameters in die Regelung der elektromagnetischen Transporteinrichtung. Erfindungsgemäß erfolgt die Berücksichtigung in der Regelung durch eine Korrektur des Positionsmesssignals durch den Fehler-Schwingungsparameter, wodurch die Regelungsgenauigkeit im Positionsregelkreis in einem teils bemerkenswerten Maß verbessert werden kann. According to the invention, during operation of the electromagnetic transport device, which can be, for example, an LLM or a PM, at least one position vibration parameter is determined, which describes the vibration behavior of the at least one vibration component of the position measurement signal, and it is determined by means of a predetermined description of a relationship between the position measurement signal and the position measurement error, at least one error vibration parameter is determined from the at least one position vibration parameter, which describes the vibration behavior of the position measurement error at the vibration component frequency. Based on this, the position measurement signal is corrected using the error vibration parameter to form a position correction signal, which is fed back in the position control loop and used to regulate the position of the rotor. With this procedure, systematic position measurement errors are described in a very simple way, in the simplest case only by an error vibration parameter. This approach allows systematic position measurement errors to be determined without much effort and without any problems Integration of the error vibration parameter into the control of the electromagnetic transport device. According to the invention, the control is taken into account by correcting the position measurement signal using the error vibration parameter, whereby the control accuracy in the position control loop can be improved to a remarkable degree.
In einer bevorzugten Weise entspricht die Schwingungskomponente des Positionsmesssignals einer Grundwelle des Positionsmesssignals, wobei die Grundwellen- Frequenz der Grundwelle durch die Läufer-Geschwindigkeit und die Anordnung der Positionssensoren festgelegt ist. Weiters entsprechen ein Positions-Schwingungsparameter bevorzugt einem Positions-Grundwellenparameter, welcher das Schwingungsverhalten der Grundwelle des Positionsmesssignals beschreibt, sowie ein Fehler-Schwingungsparameter bevorzugt einem Fehler-Grundwellenparameter, welcher das Schwingungsverhalten des Positions-Messfehlers bei der Grundwellen-Frequenz beschreibt. Diese Vorgehensweise beruht auf der Erkenntnis, dass insbesondere die Grundwelle des Positions-Messfehlers entscheidend ist für die systematischen Positions-Messfehler. Die Erfindung erlaubt grundsätzlich die Berücksichtigung beliebiger Schwingungskomponenten und damit die Berücksichtigung von Grund- sowie Oberwellen. Da es sich bei der Grundwelle aber vielfach um die dominierende Schwingungskomponente handelt, wird oftmals bereits durch die Berücksichtigung der Grundwelle eine merkliche Verbesserung der genannten Regelungsgenauigkeit im Positionsregelkreis möglich. In a preferred manner, the oscillation component of the position measurement signal corresponds to a fundamental wave of the position measurement signal, the fundamental wave frequency of the fundamental wave being determined by the rotor speed and the arrangement of the position sensors. Furthermore, a position oscillation parameter preferably corresponds to a position fundamental wave parameter, which describes the oscillation behavior of the fundamental wave of the position measurement signal, and an error oscillation parameter preferably corresponds to an error fundamental wave parameter, which describes the oscillation behavior of the position measurement error at the fundamental wave frequency. This procedure is based on the knowledge that the fundamental wave of the position measurement error in particular is crucial for the systematic position measurement errors. The invention basically allows any vibration components to be taken into account and thus fundamental and harmonic waves to be taken into account. However, since the fundamental wave is often the dominant vibration component, taking the fundamental wave into account often makes a noticeable improvement in the aforementioned control accuracy in the position control loop possible.
Demnach entsprechen in einer weiteren vorzugsweisen Ausführung der Erfindung eine Schwingungskomponente des Positionsmesssignals einer Oberwelle des Positionsmesssignals, deren Oberwellen-Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen einer Grundwellen-Frequenz, die durch die Läufer-Geschwindigkeit und die Anordnung der Positionssensoren festgelegt ist, sowie ein Positions-Schwingungsparameter einem Positions-Oberwellenparameter, der das Schwingungsverhalten der Oberwelle des Positionsmesssignals beschreibt, und ein Fehler-Schwingungsparameter einem Fehler- Oberwellenparameter, welcher das Schwingungsverhalten des Positions-Messfehlers bei der Oberwellen-Frequenz beschreibt. Durch eine Berücksichtigung weiterer Schwingungskomponenten kann das Betriebsverhalten der Transporteinrichtung teils merklich weiter verbessert werden. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, anstelle der eingangs genannten Grundwelle eine Oberwelle zu berücksichtigen, insbesondere dann, wenn das Verhalten der auftretenden systematischen Messfehler stark durch Oberwellen geprägt ist. Accordingly, in a further preferred embodiment of the invention, an oscillation component of the position measurement signal corresponds to a harmonic of the position measurement signal, the harmonic frequency of which corresponds to an integer multiple of a fundamental wave frequency, which is determined by the rotor speed and the arrangement of the position sensors, and a position oscillation parameter Position harmonic parameter that describes the oscillation behavior of the harmonic of the position measurement signal, and an error oscillation parameter an error harmonic parameter that describes the oscillation behavior of the position measurement error at the harmonic frequency. By taking additional vibration components into account, the operating behavior of the transport device can be noticeably further improved. In some cases it can be advantageous to take a harmonic into account instead of the fundamental wave mentioned at the beginning, especially if the behavior of the systematic measurement errors that occur is strongly influenced by harmonics.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem zumindest einen Fehler-Schwingungsparameter ein Positions-Kompensationssignal ermittelt, welches zum Positionsmesssignal addiert wird, um das Positionsmesssignal zum Positionskorrektursignal zu korrigieren. Das Positionskorrektursignal wird in weiterer Folge zur verbesserten Positionsregelung herangezogen. Es sei erwähnt, dass durchaus auch andere Vorgehensweisen an dieser Stelle denkbar sind, so können auch Positions- Kompensationssignale ermittelt werden, die vom Positionsmesssignal subtrahiert werden, oder durch die das Positionsmesssignal dividiert wird, oder mit denen das Positionsmesssignal multipliziert wird. Die Erfindung ist an dieser Stelle nicht einschränkend, sondern erlaubt die individuelle Abstimmung auf einen gegebenen Anwendungsfall, um stets eine möglichste weitgehende Verbesserung zu erreichen. In a further advantageous embodiment of the invention, a position compensation signal is determined from the at least one error vibration parameter, which is added to the position measurement signal to convert the position measurement signal to the position correction signal to correct. The position correction signal is subsequently used for improved position control. It should be mentioned that other approaches are also conceivable at this point; position compensation signals can also be determined which are subtracted from the position measurement signal, or by which the position measurement signal is divided, or by which the position measurement signal is multiplied. The invention is not restrictive at this point, but rather allows individual adaptation to a given application in order to always achieve the greatest possible improvement.
Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer elektromagnetischen Transporteinrichtung, wie einem LLM oder eine PM, wird das Positionskorrektursignal im Positionsregelkreis zur Regelung der Position des Läufers mit einer vorgegebenen Soll- Position verglichen, und im Positionsregelkreis aus dem Ergebnis dieses Vergleichs eine Stellgröße ermittelt, anhand derer aktive Antriebsspulen des Stators bestromt werden, um eine auf den Läufer wirkende Vortriebskraft zu erzeugen und den Läufer in die vorgegebene Soll-Position zu überführen. To implement the method according to the invention in an electromagnetic transport device, such as an LLM or a PM, the position correction signal in the position control loop for controlling the position of the rotor is compared with a predetermined target position, and a manipulated variable is determined in the position control loop from the result of this comparison, based on which Active drive coils of the stator are energized in order to generate a propulsive force acting on the rotor and to transfer the rotor to the specified target position.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der gegenständlichen Erfindung wird der Stator in eine Mehrzahl von Stator-Abschnitten unterteilt, wobei den Stator-Abschnitten jeweils zumindest ein auf den jeweiligen Stator-Abschnitt bezogener Fehler-Schwingungsparameter zugewiesen wird. Auf diese Weise wird eine entlang des Stators fein aufgelöste Berücksichtigung des Positionsmessfehlers möglich, wobei je nach Anwendungsfall aufgrund der großen Flexibilität der Erfindung die Mehrzahl der Stator-Abschnitte angepasst werden kann, um stets die beste Abstimmung aus numerischer Komplexität, die sich durch eine Erhöhung von Schwingungsparametern aufgrund einer gegebenenfalls erhöhten Anzahl an Stator-Abschnitten ergibt, und erreichbarer Verbesserung der Regelungsgenauigkeit zu erreichen. In a further advantageous embodiment of the present invention, the stator is divided into a plurality of stator sections, with the stator sections each being assigned at least one error vibration parameter related to the respective stator section. In this way, a finely resolved consideration of the position measurement error along the stator is possible, and depending on the application, due to the great flexibility of the invention, the majority of the stator sections can be adapted in order to always achieve the best coordination of numerical complexity, which is achieved by an increase of Vibration parameters result from a possibly increased number of stator sections, and achievable improvement in control accuracy.
Bei einer dementsprechenden Unterteilung des Stators in Stator-Abschnitte können bei der Korrektur des Positionsmesssignals zum Positionskorrektursignal stets jene Fehler- Schwingungsparameter herangezogen werden, die demjenigen Stator-Abschnitt des Stators zugeordnet sind, über dem sich der Läufer zum Zeitpunkt der Korrektur des Positionsmesssignals befindet. Auf diese Weise wird das Positionskorrektursignal spezifisch auf die jeweiligen Gegebenheiten entlang des Stators abgestimmt, was vielfach eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt. With a corresponding subdivision of the stator into stator sections, when correcting the position measurement signal to the position correction signal, those error vibration parameters can always be used that are assigned to that stator section of the stator over which the rotor is located at the time of correction of the position measurement signal. In this way, the position correction signal is specifically tailored to the respective conditions along the stator, which often allows a further improvement of the method according to the invention.
Der zumindest eine Fehler-Schwingungsparameter kann im Rahmen der Erfindung mittels einer Identifikationsfahrt des Läufers entlang des Stators identifiziert werden, es besteht aber ebenso die Möglichkeit, Fehler-Schwingungsparameter rechnerisch zu ermitteln, beispielsweise aus Konstruktionsdaten der Transporteinrichtung oder auch durch Vorgabe durch einen Bediener oder durch eine andere Vorgabe. Die Ermittlung durch eine Identifikationsfahrt bietet allerdings den Vorteil, dass der Fehler-Schwingungsparameter konkret für jenen Stator ermittelt wird, wo er auch zu Regelung eingesetzt wird. The at least one error vibration parameter can be identified within the scope of the invention by means of an identification journey of the rotor along the stator, but there is also the possibility of determining error vibration parameters computationally, for example from construction data of the transport device or also by specification by an operator or by another specification. However, the determination through an identification run offers the advantage that the error vibration parameter is determined specifically for the stator where it is also used for control.
Bevorzugt wird der Läufer im Zuge der Identifikationsfahrt mit konstanter Läufer- Geschwindigkeit bewegt wird und/oder die Identifikationsfahrt in einer Konstant- Geschwindigkeits-Phase des Läufers durchgeführt. Die Möglichkeit, die genannte Identifikation während Konstant-Geschwindigkeits-Phasen während des Betriebs durchzuführen erlaubt hier, während Konstant-Geschwindigkeits-Phasen, die beispielsweise zufällig während des Betriebs auftreten können, erfasste Daten auch unmittelbar für eine weitere Verbesserung der Betriebsqualität der Transporteinheit zu nutzen. Preferably, the runner is moved at a constant runner speed during the identification journey and/or the identification journey is carried out in a constant speed phase of the runner. The possibility of carrying out the aforementioned identification during constant-speed phases during operation allows data recorded during constant-speed phases, which can occur, for example, randomly during operation, to be used directly to further improve the operating quality of the transport unit.
Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn bei der Ermittlung des zumindest einen Fehler-Schwingungsparameters neben dem Positionsmesssignal eine für die Position des Läufers vorgegebene Soll-Position miteinbezogen wird. Im Rahmen dieser Variante kann das Positionsmesssignal von der Soll- Position subtrahiert werden, um einen unkorrigierten Positionsregelfehler zu ermitteln, und der unkorrigierte Positionsregelfehler kann herangezogen werden, um den zumindest einen Fehler-Schwingungsparameter zu ermitteln. Dieser Herangehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Information über das Verhalten eines Positionsmessfehlers durch das Positionsmesssignal transportiert wird, und das Positionsmesssignal üblicherweise Bestandteil eines bei der Regelung verwendeten Positionsregelfehlers ist. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn, wie in der Regelungstechnik üblich, der Positionsregelfehler durch Subtraktion des Positionsmesssignals von der Soll-Position gebildet wird. In gewissen Fällen ist der Positionsregelfehler leichter bzw. besser für Berechnungen verfügbar, als ein Positionsmesssignal an sich. Durch den Umstand, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Basis eines Positionsregelfehlers durchgeführt werden kann, ergibt sich vielfach eine signifikante Erweiterung der praktischen Anwendbarkeit der Erfindung. A particularly advantageous variant of the method according to the invention results if, in addition to the position measurement signal, a target position specified for the position of the rotor is included in the determination of the at least one error vibration parameter. In the context of this variant, the position measurement signal can be subtracted from the target position in order to determine an uncorrected position control error, and the uncorrected position control error can be used to determine the at least one error vibration parameter. This approach is based on the knowledge that the information about the behavior of a position measurement error is transported by the position measurement signal, and the position measurement signal is usually part of a position control error used in the control. This is particularly the case if, as is common in control engineering, the position control error is formed by subtracting the position measurement signal from the target position. In certain cases, the position control error is easier or more available for calculations than a position measurement signal itself. The fact that the method according to the invention can also be carried out on the basis of a position control error often results in a significant expansion of the practical applicability of the invention.
Weiters kann die vorgegebene Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal und dem Positions-Messfehler in Form eines linearen und frei parametrierbaren Übertragungssystems gegeben sein. Konkret kann es sich dabei um eine lineare und zeitinvariante Übertragungsfunktion handeln, was in vielen Fällen vorteilhaft ist, da der Umgang mit linearen und zeitinvarianten Übertragungsfunktionen aus der Regelungstechnik hinlänglich bekannt ist und eine Reihe von Werkzeugen zu deren Handhabe zur Verfügung steht. Es sei angemerkt, dass anstelle von linearen und zeitinvarianten Übertragungsfunktionen auch andere Formen zur Umsetzung der Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal und dem Positions- Messfehler verwendet werden können, beispielsweise Tabellen oder Lookup-Tables oder andere Umsetzungsformen. Furthermore, the specified description of the relationship between the position measurement signal and the position measurement error can be given in the form of a linear and freely parameterizable transmission system. Specifically, this can be a linear and time-invariant transfer function, which is advantageous in many cases since the handling of linear and time-invariant transfer functions is well known from control engineering and a number of tools are available to handle them. It should be noted that instead of linear and time-invariant transfer functions, other forms of implementing the description of the relationship between the position measurement signal and the position Measurement errors can be used, for example tables or lookup tables or other forms of implementation.
Mithilfe der gegenständlichen Erfindung wird es möglich, den systematischen Positions- Messfehler, welcher auf das Geberprinzip (z.B. Hall-Geber, AMR-Geber) zurückzuführen ist, ohne den Einsatz eines Referenzsystems (z.B. Messlineal, Lasertracker, Referenzdatensätze, ...) zu ermitteln und in weiterer Folge auch zu kompensieren. With the help of the present invention, it is possible to determine the systematic position measurement error, which is due to the encoder principle (e.g. Hall encoder, AMR encoder), without the use of a reference system (e.g. measuring ruler, laser tracker, reference data sets, ...). and subsequently also to compensate.
Durch die gegenständliche Erfindung wird überdies die Inbetriebnahme von Transportsystemen in Form eines LLM oder PM vereinfacht. Der Wegfall eines ansonsten vielfach benötigten Referenzsystems in Form eines Messlineals oder eines Lasertrackers erlaubt die Reduktion von Kosten und Komplexität des Transportsystems. The present invention also simplifies the commissioning of transport systems in the form of an LLM or PM. The elimination of an otherwise frequently required reference system in the form of a measuring ruler or a laser tracker allows the costs and complexity of the transport system to be reduced.
Durch die Erfindung wird weiters eine erhöhte Positionsgenauigkeit erreicht, sowohl statisch als auch dynamisch. Eine erhöhte Positionsgenauigkeit bringt wiederum eine Vielzahl weiterer Vorteile mit sich, wie sich im Zuge des Betriebs ergebende glattere Positionsverläufe. Im Zuge der Positionsregelung ergeben sich aufgrund glatterer Positionsverläufe in der Folge glattere Stromverläufe, womit meist eine geringere Strombelastung einhergeht. Durch eine geringere Strombelastung können wiederum eine höhere Energieeffizienz, weniger Erwärmung, etc. erreicht werden. Als weitere Vorteile sind in diesem Zusammenhang auch eine verbesserte Laufruhe, verbesserte Gleichlaufeigenschaften und eine verbesserte Akustik zu nennen. The invention also achieves increased positioning accuracy, both statically and dynamically. Increased positioning accuracy in turn brings with it a number of other advantages, such as smoother position progressions during operation. In the course of position control, smoother current curves result due to smoother position curves, which is usually accompanied by a lower current load. A lower current load can in turn achieve higher energy efficiency, less heating, etc. Further advantages in this context include improved smooth running, improved synchronization properties and improved acoustics.
Die gegenständliche Erfindung kann dabei in den verschiedensten Transport- bzw. Antriebssystemen eingesetzt werden, insbesondere wenn in diesen Transport- bzw. Antriebssystemen ein Magnetfeld sowohl zur Kraftbildung als auch zur Ermittlung einer Position / von Positionsmesswerten genützt wird. Dies umfasst unter anderem Langstator- Linearmotoren und Planarmotoren, aber auch Kurzstator-Linearmotoren. The present invention can be used in a wide variety of transport or drive systems, especially if a magnetic field is used in these transport or drive systems both to generate force and to determine a position/position measurement values. This includes, among other things, long stator linear motors and planar motors, but also short stator linear motors.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 9 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt The present invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 9, which show advantageous embodiments of the invention by way of example, schematically and non-restrictively. This shows
Fig. 1 das Funktionsprinzip eines Langstatorlinearmotors, Fig. 1 shows the functional principle of a long stator linear motor,
Fig. 2 ein typisches Magnetfeld einer Anordnung von Antriebsmagneten am Läufer,2 shows a typical magnetic field of an arrangement of drive magnets on the rotor,
Fig. 3 ein typisches Sensorsignal eines Positionssensors, 3 shows a typical sensor signal of a position sensor,
Fig. 4 eine typische aus dem Sensorsignal gewonnen Sensorantwort eines Positionssensors, 4 shows a typical sensor response of a position sensor obtained from the sensor signal,
Fig. 5 einen Verlauf einer tatsächlichen Position eines Läufers und eines fehlerbehafteten Messsignals, Fig. 6 einen Verlauf eines Messfehlers in Abhängigkeit der Position eines Läufers,5 shows a course of an actual position of a runner and an error-prone measurement signal, 6 shows a course of a measurement error depending on the position of a runner,
Fig. 7 einen Positionsregelkreis für einen Langstatorlinearmotor, 7 shows a position control loop for a long stator linear motor,
Fig. 8 eine Zuordnung von Fehler-Schwingungsparametern zu Stator-Abschnitten,8 shows an assignment of error vibration parameters to stator sections,
Fig. 9 einen Vergleich von mit und ohne erfindungsgemäßes Verfahren erzielten Messverläufen. 9 shows a comparison of measurement curves achieved with and without the method according to the invention.
In Fig. 1 ist eine Transporteinrichtung 1 in Form eines Langstatorlinearmotors (LLM) beispielhaft dargestellt. Obwohl die Erfindung nachfolgend am Beispiel eines Langstatorlinearmotors beschrieben wird, gelten die Ausführungen in analoger Weise auch für Planarmotoren gleichermaßen. In Fig. 1, a transport device 1 in the form of a long stator linear motor (LLM) is shown as an example. Although the invention is described below using the example of a long stator linear motor, the statements also apply in an analogous manner to planar motors.
Der LLM 1 besteht in dieser Ausführung aus einer Mehrzahl von separaten Statorsegmenten Z1, ... , Zp, welche nachfolgend mittels Zm (mit m≥1 als Laufindex) referenziert werden, und die zu einem ortsfesten Stator 2 des LLM 1 zusammengesetzt sind. Die Statorsegmente Z1, ... , Zp können dazu auf einer ortsfesten Stützkonstruktion (in Fig.1 nicht dargestellt) angeordnet sein. Weiters können die Statorsegmente Z1, ... , Zp, wie ebenfalls in Fig. 1 dargestellt, in verschiedenen geometrischen Formen ausgeführt sein, beispielsweise als Geradensegmente oder Kurvensegmente, um verschiedene Transportpfade realisieren zu können. Die Geometrie des Stators 2 kann grundsätzlich beliebig sein und der Stator 2 kann in einer Ebene angeordnet sein, kann aber auch dreidimensional geformt sein. Bei einem Planarmotor (PM) bilden Statorsegmente Z1, ... , Zpeine Ebene aus. In this embodiment, the LLM 1 consists of a plurality of separate stator segments Z 1 , ..., Z p , which are subsequently referenced using Z m (with m≥1 as the running index), and which are assembled into a stationary stator 2 of the LLM 1 are. For this purpose, the stator segments Z 1 , ..., Z p can be arranged on a stationary support structure (not shown in FIG. 1). Furthermore, the stator segments Z 1 , ... , Z p , as also shown in FIG. 1, can be designed in different geometric shapes, for example as straight line segments or curve segments, in order to be able to realize different transport paths. The geometry of the stator 2 can basically be arbitrary and the stator 2 can be arranged in a plane, but can also be shaped three-dimensionally. In a planar motor (PM), stator segments Z 1 , ... , Z p form a plane.
Entlang des Stator 2 ist in bekannter Weise eine Mehrzahl elektrischer Antriebsspulen Lm1, ... , Lmn angeordnet (in Fig.1 nur für das Statorsegment Z1 dargestellt), die mit Antriebsmagneten Y1, ... , YL des Läufers 3 Zusammenwirken (ein einzelner Antriebsmagnet wird nachfolgend mit Yk referenziert). Im Falle von Statorsegmenten Zm trägt jedes Statorsegment Zm eine Mehrzahl von Antriebsspulen Lm1, ... , Lmn. In ebenso bekannter Weise wird anhand von Spulenregelungseinheiten 101 , 102 durch Regelung/Einstellung von an den Antriebsspulen L11, ... , L1n abfallenden Spulenspannungen UL1 , ... , ULn ein Antriebsmagnetfeld und damit für den Läufer 3 eine Vortriebskraft Fx erzeugt, um den Läufer 3 entlang des Stators 2 mit einer Läufer-Geschwindigkeit vx entlang einer Bewegungsrichtung X zu bewegen. A plurality of electrical drive coils L m1 , ..., L mn are arranged in a known manner along the stator 2 (shown in FIG. 1 only for the stator segment Z 1 ), which are connected to drive magnets Y 1 , ..., Y L of the rotor 3 Interaction (a single drive magnet is referenced below with Y k ). In the case of stator segments Z m , each stator segment Z m carries a plurality of drive coils L m1 , ..., L mn . In an equally known manner, using coil control units 101, 102, a drive magnetic field and thus a propulsive force F for the rotor 3 are created by regulating/setting coil voltages U L1 ,..., U Ln that drop across the drive coils L 11 , ..., L 1n x generated in order to move the rotor 3 along the stator 2 with a rotor speed v x along a direction of movement X.
Ist ein Stator 2 eines LLM 1 aus Statorsegmenten Z1 , ... , Zp zusammengesetzt, die als verschiedene geometrische Formen ausgeführt sind, beispielsweise als Geradensegmente und/oder als Kurvensegmente, kann sich ein Läufer 3 unter Umständen auch entlang weiterer Bewegungsrichtungen bewegen. Die Bewegung des Läufers 3 ist im Sinn einer Zwangsbedingung (z.B. holonome, skleronome, rheonome Zwangsbedingungen) aber auf die Form des Stators 2 eingeschränkt. Für diese Fälle sind die nachfolgend zur Beschreibung der Position eines Läufers 3 verwendeten Positions-Variablen, wie xreal, xmess, xact, als Bahnparameter zu verstehen, die jedem Punkt auf dem Stator 2 einen eindeutigen Wert zuweisen und damit trotz gegebenenfalls vorhandener Kurven die Position eines Läufers 3 am Stator 2 eindeutig beschreiben. Im Fall eines PM ist in der Transportebene üblicherweise eine Bewegung entlang zumindest einer weiteren Bewegungsrichtung Y möglich. If a stator 2 of an LLM 1 is composed of stator segments Z 1 , ... , Z p , which are designed as different geometric shapes, for example as straight line segments and/or as curve segments, a rotor 3 can under certain circumstances also move along other directions of movement. The movement of the rotor 3 is limited to the shape of the stator 2 in the sense of a constraint (e.g. holonomic, scleronomic, rheonometric constraints). For these cases, the following are available: Description of the position of a rotor 3 used position variables, such as x real , x mess , x act , are to be understood as path parameters that assign a unique value to each point on the stator 2 and thus the position of a rotor 3 on the stator despite any curves that may be present 2 clearly describe. In the case of a PM, movement along at least one further direction of movement Y is usually possible in the transport plane.
In der Regel wirken auf einen Läufer 3 gleichzeitig mehrere sogenannte aktive Antriebsspulen L11, ... , L1q, deren Anzahl nachfolgend mit der ganzzahligen Variablen q notiert wird. Eine aktive Antriebsspule ist eine Antriebsspule im Bereich eines Läufers 3, bzw. im Bereich der Antriebsmagnete Y1, ... , YL eines Läufers 3, die bestromt wird, um ein Antriebsmagnetfeld zu erzeugen, dass mit den Antriebsmagneten Y1, ... , YL des Läufers 3 zusammenwirkt, um den Läufer 3 zu bewegen. As a rule, several so-called active drive coils L 11 , ..., L 1q act on a rotor 3 at the same time, the number of which is noted below with the integer variable q. An active drive coil is a drive coil in the area of a rotor 3, or in the area of the drive magnets Y 1 , ... , Y L of a rotor 3, which is energized in order to generate a drive magnetic field that is connected to the drive magnets Y 1 , .. . , Y L of the runner 3 works together to move the runner 3.
Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in Fig. 1 nur zwei Spulenregelungseinheiten 101 , 102 gezeigt. Natürlich wird jede Spulenspannung UL1 , ... , ULn jeder Antriebsspule Lm1, ... , Lmn in jedem Statorsegment Zm mit einer Spulenregelungseinheit 101 , 102 geregelt, wobei mehrere Spulenregelungseinheit 101 , 102 auch zu einer Regelungseinheit zusammengefasst sein können. Mögliche Realisierungen einer Spulenregelungseinheit 101 , 102 sind unter anderem durch mikroprozessorbasierte Hardware, wie beispielsweise Mikrocontroller, und integrierte Schaltungen (ASIC, FPGA) gegeben. Mikroprozessorbasierte Hardware oder integrierte Schaltungen können hierbei mit einer Abtastzeit Ts getaktet sein. For reasons of clarity, only two coil control units 101, 102 are shown in FIG. 1. Of course, each coil voltage U L1 , ..., U Ln of each drive coil L m1 , ..., L mn in each stator segment Z m is regulated with a coil control unit 101, 102, whereby several coil control units 101, 102 can also be combined to form one control unit . Possible implementations of a coil control unit 101, 102 include microprocessor-based hardware, such as microcontrollers, and integrated circuits (ASIC, FPGA). Microprocessor-based hardware or integrated circuits can be clocked with a sampling time T s .
In der in Fig. 1 gezeigten Ausführung eines LLMs 1 können neben dem gezeigten Läufer 3 natürlich noch weitere Läufer 3 vorgesehen sein. Mittels einer den Spulenregelungseinheiten 101 , 102 übergeordneten Transportsteuerung 100 können sämtliche gegebenen Läufer 3 individuell (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Bahn, Richtung) und unabhängig (bis auf die Vermeidung von möglichen Kollisionen) von anderen Läufern 3 bewegt werden. Die Spulenregelungseinheiten 101 , 102 erhalten hierbei von der Transportsteuerung 100 Sollgrößen SG1, ... , SGn für die Regelung. Da für das Prinzip der gegenständlichen Erfindung bereits ein einzelner Läufer 3 ausreichend ist, zeigt Fig. 1 nur einen Läufer 3. Die Erweiterung des erfindungsgemäßen Prinzips auch auf eine Vielzahl von Läufern stellt für eine Fachperson auf dem Gebiet der LLM aber eine reine Routinetätigkeit und damit keine Schwierigkeit dar. In the embodiment of an LLM 1 shown in FIG. 1, additional runners 3 can of course be provided in addition to the runner 3 shown. By means of a transport control 100 superordinate to the coil control units 101, 102, all given runners 3 can be moved individually (speed, acceleration, path, direction) and independently (except for the avoidance of possible collisions) by other runners 3. The coil control units 101, 102 receive target variables SG1, ..., SG n for the control from the transport controller 100. Since a single runner 3 is already sufficient for the principle of the present invention, Fig. 1 shows only one runner 3. The extension of the principle according to the invention to a large number of runners represents a purely routine activity for a person skilled in the field of LLM and therefore no difficulty.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausführung ist am Stator 2 eine Vielzahl von Positionssensoren Smj angeordnet, um die Position xreal eines Läufers 3 am Stator 2 messtechnisch zu erfassen und ein entsprechendes Positionsmesssignal xact zu erzeugen. Hierbei referenziert m das Statorsegment Zm und j die darin angeordneten Positionssensoren. In allgemeinen Fällen ohne Unterteilung eines Stators 2 in Statorsegmente Zm kann eine Referenzierung auch nur mit einem Index j, also Sj, ausreichend sein. In bekannter Weise können Positionsmesssignale der Transportsteuerung 100 und/oder den Spulenregelungseinheiten 101 , 102 zugeführt werden, um zur Regelung der Bewegung eines Läufers 3 bzw. zur Steuerung des gesamten LLMs 1 oder eines PMs eingesetzt zu werden. Auf den konkreten Aufbau einer solchen Regelung, die in einer Spulenregelungseinheit 101 , 102 oder in einer Transportsteuerung 100 oder teilweise in einer Spulenregelungseinheit 101 , 102 und/oder teilweise in der Transportsteuerung 100 implementiert sein kann und die durch Positionssensoren Smj generierte Positionsmesssignale berücksichtigt, wird an späterer Stelle gesondert eingegangen. In the embodiment shown in FIG. 1, a plurality of position sensors S mj are arranged on the stator 2 in order to measure the position x real of a rotor 3 on the stator 2 and to generate a corresponding position measurement signal x act . Here, m references the stator segment Z m and j the position sensors arranged therein. In general cases without subdividing a stator 2 into stator segments Z m, referencing can only be done with an index j, i.e. Sj, may be sufficient. In a known manner, position measurement signals can be supplied to the transport control 100 and/or the coil control units 101, 102 in order to be used to control the movement of a rotor 3 or to control the entire LLM 1 or a PM. The specific structure of such a control, which can be implemented in a coil control unit 101, 102 or in a transport control 100 or partially in a coil control unit 101, 102 and/or partially in the transport controller 100 and which takes into account position measurement signals generated by position sensors S mj , is discussed addressed separately at a later point.
Im Bereich von LLM und PM haben sich zur Positionsbestimmung insbesondere magnetische, magnetoresistive oder magenostriktive Positionssensoren Smj (wie ein Anisotroper-Magneto-Resistiver Sensor, ein Tunnel-Magneto-Resistance Sensor oder Giant- Magneto-Resistance Sensor) und Hall-Sensoren etabliert. Derartige Positionssensoren Smj messen ein vom Läufer 3 erzeugtes Magnetfeld M, z.B. ein durch die Antriebsmagnete Y1, ... , YL eines Läufers 3 oder durch eigene Positionsmagnete am Läufer 3 erzeugtes Magnetfeld M, oder eine Eigenschaft dieses Magnetfeldes M, beispielsweise die Magnetfeldintensität, also den Betrag des Magnetfeldes M, (z.B. ein Hall-Sensor) oder die Richtung des Magnetfeldes M (z.B. ein magnetoresistiver Sensor) im Bereich des jeweiligen Positionssensors Smj. Daneben können auch weitere Sensortypen eingesetzt werden, die in der Lage sind, ein Magnetfeld M zu erfassen. In the area of LLM and PM, magnetic, magnetoresistive or magenostrictive position sensors S mj (such as an anisotropic magneto-resistive sensor, a tunnel magneto-resistance sensor or giant magneto-resistance sensor) and Hall sensors have been established for position determination. Such position sensors S mj measure a magnetic field M generated by the rotor 3, for example a magnetic field M generated by the drive magnets Y 1 , ... , Y L of a rotor 3 or by its own position magnets on the rotor 3, or a property of this magnetic field M, for example the Magnetic field intensity, i.e. the amount of the magnetic field M (e.g. a Hall sensor) or the direction of the magnetic field M (e.g. a magnetoresistive sensor) in the area of the respective position sensor S mj . In addition, other types of sensors that are able to detect a magnetic field M can also be used.
Hinsichtlich der Anordnung von Positionssensoren Smj ist insbesondere deren Abstand zueinander von Bedeutung. Üblicherweise sind Positionssensoren Smj in einem konstanten Abstand voneinander angeordnet. Gerade in Kurvensegmenten kann sich der Abstand aber auch ändern. In vielen praktisch relevanten Fällen sind Positionssensoren Smj und am Stator 2 angeordnete Antriebsspulen Lm1, , Lmn abwechselnd voneinander angeordnet, z.B. dass nach jeder der Antriebsspulen Lm1, ... , Lmn ein Positionssensor Smj angeordnet ist. Vielfach sind die Anordnungen von Antriebsspulen Lm1, ... , Lmn und Positionssensoren Smj in Abhängigkeit voneinander gestaltet, z.B. indem am Stator 2 zu jeder Antriebsspule Lm1, ... , Lmn in einem stets gleichen Abstand jeweils ein Positionssensoren Smj angeordnet ist. With regard to the arrangement of position sensors S mj, their distance from one another is particularly important. Position sensors S mj are usually arranged at a constant distance from one another. However, the distance can also change, especially in curve segments. In many practically relevant cases, position sensors S mj and drive coils L m1 , L mn arranged on the stator 2 are arranged alternately from one another, for example a position sensor S mj is arranged after each of the drive coils L m1 , ..., L mn . In many cases, the arrangements of drive coils L m1 , ..., L mn and position sensors S mj are designed depending on one another, for example by placing a position sensor S on the stator 2 for each drive coil L m1 , ..., L mn at an always the same distance mj is arranged.
Bekanntermaßen wird der Abstand zwischen zwei Antriebsmagneten Y1, ... , YL eines Läufers 3 (von Polmitte zu Polmitte) als Polteilung τp bezeichnet, der Abstand zwischen zwei Antriebsspulen Lm1, ... , Lmn (von Polmitte zu Polmitte) am Stator 2 demgegenüber als Nutteilung τn. In den oben beschriebenen Möglichkeiten zur Anordnung von Positionssensoren Smj entspricht der Abstand zwischen zwei Positionssensoren Smj der Nutteilung τn. Davon wird in den nachfolgenden Ausführungen auch ausgegangen, also von einer der Nutteilung τn entsprechenden Beabstandung von Positionssensoren Smj am Stator 2. Diese Annahme stellt allerdings keine Beschränkung der gegenständlichen Erfindung dar. Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung könnte der Abstand zwischen den genannten Positionssensoren Smj auch variabel gestaltet sein, sich also entlang des Stators 2 verändern, und insbesondere von der Nutteilung τn verschieden sein. As is known, the distance between two drive magnets Y 1 , ... , Y L of a rotor 3 (from pole center to pole center) is referred to as pole pitch τ p , the distance between two drive coils L m1 , ... , L mn (from pole center to pole center ) on the stator 2, in contrast, as a slot pitch τ n . In the above-described options for arranging position sensors S mj, the distance between two position sensors S mj corresponds to the slot pitch τ n . This is also assumed in the following explanations, i.e. a spacing of position sensors S mj on the stator 2 corresponding to the slot pitch τ n . However, this assumption does not represent a limitation of the present invention. Within the scope of the present invention, the distance between the position sensors S mj mentioned could also be designed to be variable, i.e. change along the stator 2, and in particular be different from the slot pitch τ n .
In Fig. 2 ist ein Magnetfeld M einer Anordnung von Antriebsmagneten Y1, ... , YL an einem Läufer 3 in Form von Magnetfeldlinien beispielhaft dargestellt. Aus diesem auf den Positionssensor Smj einwirkenden Magnetfeld M erzeugt ein Positionssensor Smj in bekannter Weise zunächst eine Sensorantwort. Eine Sensorantwort kann beispielsweise eine Sinusspur und/oder eine Cosinusspur (in Form eines elektrischen Spannungsmesswertes u) umfassen, wie in Fig. 3 dargestellt. Bekannterweise kann aus einer solchen Sensorantwort (Sinus- und Cosinusspur), z.B. in Form einer Spannung u, abhängig vom Winkel y des Magnetfeldes M (der Winkel in dem das Magnetfeld M am Positionssensor Smj auftrifft) in linearer Näherung die Position xk eines einzelnen beweglichen Antriebsmagneten Yk proportional zum Magnetfeldwinkel γ des Magnetfeldes M in einer Auswerteeinheit ermittelt werden, beispielsweise als xk = r*arctan (sin(2γ)/cos(2γ)), mit r als bekanntem konstanten Faktor, z.B. r= τp /(2π )). Zur Erzeugung eines Magnetfeldes M zur Positionsmessung können in bekannter Weise auch eigens zu diesem Zweck an einem Läufer 3 angeordnete Positionsmagnete vorgesehen sein. In Fig. 2, a magnetic field M of an arrangement of drive magnets Y 1 , ... , Y L on a rotor 3 is shown as an example in the form of magnetic field lines. From this magnetic field M acting on the position sensor S mj , a position sensor S mj first generates a sensor response in a known manner. A sensor response can, for example, include a sine trace and/or a cosine trace (in the form of an electrical voltage measurement value u), as shown in FIG. 3. As is known, from such a sensor response (sine and cosine trace), for example in the form of a voltage u, depending on the angle y of the magnetic field M (the angle at which the magnetic field M strikes the position sensor S mj ), the position x k of an individual can be determined in a linear approximation movable drive magnet Y k proportional to the magnetic field angle γ of the magnetic field M can be determined in an evaluation unit, for example as x k = r * arctan (sin (2γ) / cos (2γ)), with r as a known constant factor, e.g. r = τ p / (2π )). In order to generate a magnetic field M for position measurement, position magnets arranged specifically for this purpose on a rotor 3 can also be provided in a known manner.
Ein Positionssensor Smj kann als Sensorantwort aber auch direkt eine Position xk (eines Antriebsmagneten Yk Oder eines Läufers 3) liefern, oder eine Sinus- und/oder Cosinusspur, die dann ausgewertet wird, oder eine Winkelinformation y. Ebenso kann der Positionssensor Smj (in Abhängigkeit vom Typ des Sensors) als Sensorantwort einen Absolutwert |A| für den Betrag des Magnetfeldes M (Amplitude der Sinus- und Cosinusspur), liefern, beispielsweise als . Die Sensorantwort kann damit auch mehrere Größen
Figure imgf000014_0001
enthalten, beispielsweise Winkelinformation y und Absolutwert |A|.
A position sensor S mj can also directly provide a position x k (of a drive magnet Y k or a rotor 3) as a sensor response, or a sine and/or cosine trace, which is then evaluated, or angle information y. Likewise, the position sensor S mj (depending on the type of sensor) can have an absolute value |A| for the magnitude of the magnetic field M (amplitude of the sine and cosine trace), for example as . The sensor response can therefore also have several sizes
Figure imgf000014_0001
contain, for example angle information y and absolute value |A|.
Wird ein Antriebsmagnet Yk oder ein Positionsmagnet an einem Positionssensor Smj vorbeibewegt, ergibt sich typischerweise ein sägezahnähnlicher Verlauf der Winkelinformation y zwischen Null und 2π (Wert in Abhängigkeit vom Sensor) sowie des Absolutwertes |A| in Abhängigkeit von der Position xk des Antriebsmagneten Yk relativ zum Positionssensor Smj, wie in Fig. 4 dargestellt. Jede Spannung eines solchen Sägezahns ist einer eindeutigen Position xk eines Antriebsmagnets Yk relativ zum Positionssensor Smj zugeordnet. Nachdem die Einbauposition des Positionssensors Smj und der konstruktive und geometrische Aufbau des Läufers 3 bekannt sind, kann damit ein Positionsmesssignal xact ermittelt werden, welches eine Mess-Position xmess beschreibt. Wie nachfolgend ausgeführt wird, kann eine Mess-Position xmess allerdings von der wahren Position xreal eines Läufers 3 abweichen. Nähere Details zu den genannten Positionssensoren, deren Messprinzip, der anschließenden Signalverarbeitung, oder der Berücksichtigung der genauen Einbauorte der Antriebsmagnete Yk am Läufer 3 bei der Positionsmessung, können der einschlägigen Literatur entnommen werden, wie der WO 2021/105387 A1 oder der EP 3 376 166 B1 .If a drive magnet Y k or a position magnet is moved past a position sensor S mj , a sawtooth-like curve of the angle information y between zero and 2π (value depending on the sensor) as well as the absolute value |A| typically results depending on the position x k of the drive magnet Y k relative to the position sensor S mj , as shown in Fig. 4. Each voltage of such a sawtooth is assigned to a unique position x k of a drive magnet Y k relative to the position sensor S mj . After the installation position of the position sensor S mj and the structural and geometric structure of the rotor 3 are known, a position measurement signal x act can be determined, which describes a measurement position x mess . However, as will be explained below, a measuring position x mess can deviate from the true position x real of a runner 3. Further details about the position sensors mentioned, their measuring principle, the subsequent signal processing, or the consideration of the exact installation locations of the drive magnets Y k on the rotor 3 when measuring the position can be found in the relevant literature, such as WO 2021/105387 A1 or EP 3 376 166 B1.
Wie eingangs ausgeführt, kommt es in der praktischen Umsetzung von LLM 1 und PM allerdings zu Sensor-Fehlern bei der Messung der Position xreal eines Läufers 3. Als Hauptursachen für Sensor-Fehler sind hierbei Fertigungstoleranzen, Materialfehler oder auch elektrische und/oder nichtelektrische Schmutzeffekte bzw. Störeinflüsse bei den verwendeten Positionssensoren Smj zu nennen. As explained at the beginning, however, in the practical implementation of LLM 1 and PM there are sensor errors when measuring the position x real of a rotor 3. The main causes of sensor errors are manufacturing tolerances, material errors or electrical and/or non-electrical dirt effects or interference with the position sensors used S mj .
Wie sich derartige Sensor-Fehler auf die in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigten Situationen auswirken können, ist in Fig. 3 und Fig. 4 durch die strichlierten Linien
Figure imgf000015_0001
und
Figure imgf000015_0002
dargestellt. Die beschriebenen Sinus- und Cosinusspuren können von einem idealen sinus- bzw. cosinusförmigen Verlauf abweichen, wie anhand der Linie
Figure imgf000015_0003
in Fig. 3 gezeigt. In direkter Konsequenz kann ein daraus identifiziertes Mess-Winkelsignal ebenso von einem richtigen Verlauf des Winkelsignals abweichen, wie in Fig. 4 anhand von
Figure imgf000015_0004
dargestellt.
How such sensor errors can affect the situations shown in Figures 2, 3 and 4 is shown by the dashed lines in Figures 3 and 4
Figure imgf000015_0001
and
Figure imgf000015_0002
shown. The sine and cosine traces described can deviate from an ideal sine or cosine shape, as shown in the line
Figure imgf000015_0003
shown in Fig. 3. As a direct consequence, a measurement angle signal identified from this can also deviate from a correct course of the angle signal, as shown in FIG. 4 based on
Figure imgf000015_0004
shown.
Fig. 5 zeigt weiters, wie sich die beschriebenen Fehler auf ein letztlich aus fehlerbehafteten Sensorantworten ermitteltes Positionsmesssignal xact auswirken können. Konkret ist in Fig. 5 eine tatsächliche Position xreal eines Läufers 3 über der Zeit t gezeigt. Daneben ist der Verlauf einer Mess-Position xmess dargestellt. Die Mess-Position xmess entspricht dabei der von einem fehlerbehafteten Positionsmesssignal xact beschriebenen Position des Läufers 3. Aufgrund der beschriebenen Sensor-Fehler kann die Mess-Position xmess, auch abwechselnd über oder unter der wahren Position xreal des Läufers 3 liegen. 5 further shows how the errors described can affect a position measurement signal x act that is ultimately determined from error-containing sensor responses. Specifically, FIG. 5 shows an actual position x real of a runner 3 over time t. The course of a measuring position x meas is also shown. The measuring position x mess corresponds to the position of the rotor 3 described by an error-containing position measuring signal x act . Due to the sensor errors described, the measuring position x mess can also lie alternately above or below the true position x real of the rotor 3.
Um die Beschaffenheit der genannten Sensor-Fehler und der Auswirkungen näher darzustellen, zeigt Fig. 6 mehrere gemessene Verläufe von Positions-Messfehlern nx in Abhängigkeit einer wahren Position xreal eines Läufers 3. Fig. 6a stellt dabei gemessene Verläufe von Positions-Messfehlern nx über ein Statorsegment Zm dar, Fig. 6b einen Ausschnitt der Verläufe aus Fig. 6a im entsprechenden Statorsegment Zm. Die Länge des gesamten Statorsegments Zm ist in Fig. 6a mit Lseg,m bezeichnet, die Anfangskoordinate des Ausschnittes aus Fig.6b mit xm,1, die Endkoordinate des Ausschnittes aus Fig.6b mit xm,2. Dem vergrößert dargestellten Ausschnitt in Fig.6b ist zu entnehmen, dass in Fig.6b eine Vielzahl an Messungen mit verschiedenen Läufern 3 übereinandergelegt wurde, um die dargestellten Verläufe zu validieren. In order to illustrate the nature of the sensor errors mentioned and the effects in more detail, Fig. 6 shows several measured courses of position measurement errors n x depending on a true position x real of a runner 3. Fig. 6a shows measured courses of position measurement errors n x over a stator segment Z m , FIG. 6b shows a section of the curves from FIG. 6a in the corresponding stator segment Z m . The length of the entire stator segment Z m is denoted by L seg,m in FIG. It can be seen from the enlarged detail in Fig. 6b that in Fig. 6b a large number of measurements with different runners 3 were superimposed in order to validate the courses shown.
Anhand der Figuren 6a und 6b kann erkannt werden, dass die gegenständlichen Positions- Messfehler nx aufgrund der gegebenen Einbaupositionen der Positionssensoren Smj zumindest näherungsweise periodisch mit dem Abstand der Positionssensoren Smj zueinander, beispielsweise periodisch mit der Nutteilung τn, sind. Von dieser Periodizität sind insbesondere die dargestellte Grundwelle GW sowie die erste Oberwelle OW1 maßgebend. Wie aus den dargestellten Verläufen ersichtlich wird, ist im gegenständlichen Fall die Grundwelle GW des Positions-Messfehlers nx dominant. Based on Figures 6a and 6b it can be seen that the actual position measurement errors n Of this periodicity are In particular, the fundamental wave GW shown and the first harmonic OW1 are decisive. As can be seen from the curves shown, in the present case the fundamental wave GW of the position measurement error n x is dominant.
Eine Grundwelle GW und Oberwellen OW (wie eine erste Oberwelle OW1 , und/oder eine zweite Oberwelle OW2, usw.) werden nachfolgend auch allgemein als Schwingungskomponenten bezeichnet. Dabei sei angemerkt, dass in anderen Fällen bzw. in anderen Ausführungsformen auch andere Schwingungskomponenten SK das zeitliche Verhalten des Positions-Messfehlers nx dominieren können. Andere Schwingungskomponenten SK können beispielsweise Frequenzen aufweisen, die in einem nicht-ganzzahligen Verhältnis zur Grundwellenfrequenz f0 der Grundwelle stehen. Wie nachfolgend gezeigt wird, erlaubt die gegenständliche Erfindung auch die Berücksichtigung solcher anderer, allgemeiner Schwingungskomponenten SK. A fundamental wave GW and harmonics OW (such as a first harmonic OW1, and/or a second harmonic OW2, etc.) are also generally referred to below as oscillation components. It should be noted that in other cases or in other embodiments, other vibration components SK can also dominate the temporal behavior of the position measurement error n x . Other oscillation components SK can, for example, have frequencies that have a non-integer relationship to the fundamental wave frequency f 0 of the fundamental wave. As will be shown below, the present invention also allows such other, general vibration components SK to be taken into account.
Die gegenständliche Erfindung greift diese Gegebenheiten zur Verbesserung der Positionsmessung und Positionsregelung bei einem LLM 1 oder einem PM auf. So basiert die Erfindung unter anderem auf der Erkenntnis, dass sich die Form der in Fig. 6 schematisch gezeigten Verläufe von Betriebspunkt zu Betriebspunkt meist nur geringfügig oder gar nicht verändern. Ein Betriebspunkt kann hierbei durch eine bestimmte Läufer- Geschwindigkeit vx und/oder durch eine bestimmte Reglerparametrierung und/oder durch eine bestimmte Temperatur und/oder durch eine bestimmte elektrische Belastung und/oder durch eine bestimmte mechanische Belastung definiert sein. The present invention takes up these circumstances to improve position measurement and position control in an LLM 1 or a PM. The invention is based, among other things, on the knowledge that the shape of the curves shown schematically in FIG. 6 usually only changes slightly or not at all from operating point to operating point. An operating point can be defined by a specific rotor speed v x and/or by a specific controller parameterization and/or by a specific temperature and/or by a specific electrical load and/or by a specific mechanical load.
Bewegt sich ein Läufer 3 demnach mit veränderlicher Läufer-Geschwindigkeit vx entlang eines entsprechenden Stators 2, ändern sich zwar die Frequenzen der Frequenzkomponenten eines Positions-Messfehlers nx, wie die Frequenz f0 der Grundwelle GW oder die Frequenz f1 der ersten Oberwelle OW1 oder die Frequenz fK einer allgemeinen Schwingungskomponente SK, deren Amplituden und Phasenlagen bleiben jedoch (zumindest näherungsweise) unverändert. Auf Basis dieser Erkenntnis schlägt die gegenständliche Erfindung vor, den positionsabhängigen Amplitudenverlauf des Positions- Messfehlers nx, wie in Fig. 6 schematisch gezeigt, einmal zu identifizieren, und anschließend das Ergebnis der Identifikation auch für andere Betriebspunkte mit beispielsweise anderen Läufer-Geschwindigkeiten vx eines Läufers 3 heranzuziehen, um das gemessene Positionsmesssignal xact zu korrigieren. If a rotor 3 moves with a variable rotor speed v x along a corresponding stator 2, the frequencies of the frequency components of a position measurement error n x , such as the frequency f 0 of the fundamental wave GW or the frequency f 1 of the first harmonic OW1, change or the frequency f K of a general oscillation component SK, but its amplitudes and phase positions remain (at least approximately) unchanged. Based on this knowledge, the present invention proposes to identify the position-dependent amplitude curve of the position measurement error n x , as shown schematically in FIG. 6, once, and then the result of the identification also for other operating points with, for example, other rotor speeds v of a rotor 3 to correct the measured position measurement signal x act .
Im Zuge der gegenständlichen Erfindung wurde überdies erkannt, dass der Zusammenhang zwischen einem gemessenen Positionsmesssignal xact und einem Positions-Messfehler nx in vielen für die Praxis relevanten Fällen (teilweise sogar sehr genau) bekannt ist. Diese Erkenntnis erlaubt es, die oben beschriebene Identifikation des Positions-Messfehlers nx ausgehend von einem gemessenen Positionsmesssignal xact auf einfache Weise durchzuführen. Dazu kann anhand einer (meist modellhaften und mathematischen) Beschreibung des Zusammenhangs zwischen gemessenem Positionsmesssignal xactund Positions-Messfehler nx aus dem Positionsmesssignal xact der Positions-Messfehler nx berechnet werden. Hierbei sei angemerkt, dass der Positions-Messfehler nx für eine nachfolgende Kompensation des Positions-Messfehlers nx, die an späterer Stelle im Detail beschrieben wird, auch auf andere Weise ermittelt werden kann. Beispielhaft können dafür zusätzliche Referenzmesssysteme eingesetzt werden, oder ein Abgleich eines gemessenen Positionsmesssignals xact mit bereits vorab bekannten Referenzdaten bzw. Vergleichsdaten vorgenommen werden. In the course of the present invention, it was also recognized that the connection between a measured position measurement signal x act and a position measurement error n x is known (sometimes even very precisely) in many cases relevant to practice. This knowledge allows the above-described identification of the position measurement error n x based on a measured position measurement signal x act in a simple manner to carry out. For this purpose, the position measurement error n x can be calculated from the position measurement signal x act based on a (usually model and mathematical) description of the relationship between the measured position measurement signal x act and the position measurement error n x . It should be noted here that the position measurement error n x can also be determined in another way for a subsequent compensation of the position measurement error n x , which will be described in detail later. For example, additional reference measuring systems can be used for this purpose, or a measured position measurement signal x act can be compared with previously known reference data or comparison data.
Durch die Erfindung wird es möglich, den beschriebenen Positions-Messfehler nx in einer sehr allgemeinen Form zu ermitteln und zu beschreiben, d.h. unabhängig von Einflussfaktoren wie Läufer-Geschwindigkeit vx und/oder Lastfall und/oder Reglerparametrierung und/oder Temperatur. Auf Basis dieser allgemeinen Form der Beschreibung kann der einmalig identifizierte Positions-Messfehler nx zur Kompensation bei beliebigen Betriebspunkten (unterschiedliche Läufer-Geschwindigkeit vx, unterschiedlicher Lastfall, unterschiedliche Reglerparametrierung oder Temperatur) verwendet werden. The invention makes it possible to determine and describe the described position measurement error n x in a very general form, ie independently of influencing factors such as rotor speed v x and/or load case and/or controller parameterization and/or temperature. Based on this general form of description, the uniquely identified position measurement error n x can be used for compensation at any operating points (different rotor speed v x , different load case, different controller parameterization or temperature).
In der Folge wird gezeigt, wie die oben beschriebenen Schritte am Beispiel eines konkreten Positionsregelkreises 200 zur Positionsregelung eines Läufers 3 durchgeführt werden können. Dazu zeigt Fig. 7 in einer möglichen Ausführung der Regelung einen in Form einer Kaskade aus einem Positions-Regler F1 und Geschwindigkeits-Regler F2 aufgebauten Positionsregelkreis 200 zur Regelung der Position xreal eines Läufers 3. Die nachfolgenden Ausführungen sind dabei jedoch keineswegs als einschränkend aufzufassen. Ein Positionsregelkreis 200 zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens könnte ebenso noch weitere Regler erhalten, wie einen Strom- oder Spannungsregler, oder in nicht- kaskadierter Form aufgebaut sein, oder einen oder mehrere Vorsteuerungspfade aufweisen, oder eine Mehrzahl von Filtern zum Filtern der im Positionsregelkreis 200 gegebenen Signale oder andere Komponenten aufweisen. The following shows how the steps described above can be carried out using the example of a specific position control loop 200 for the position control of a runner 3. 7 shows in a possible embodiment of the control a position control circuit 200 constructed in the form of a cascade from a position controller F 1 and a speed controller F 2 for controlling the position x real of a rotor 3. However, the following statements are by no means intended to be viewed as restrictive. A position control loop 200 for applying the method according to the invention could also contain further regulators, such as a current or voltage regulator, or be constructed in a non-cascaded form, or have one or more feedforward control paths, or a plurality of filters for filtering those in the position control loop 200 Have signals or other components.
Im in Fig. 7 dargestellten Positionsregelkreis 200 stellen die Blöcke F1; F2, F3 generische, lineare und frei parametrierbare Übertragungssysteme dar. Wie erwähnt nimmt das Übertragungssystem F1 die Rolle des Positionsreglers ein, das Übertragungssystem F2 die Rolle des Geschwindigkeitsreglers. Der Positionsregler F1 ermittelt hierbei aus einer für die Position des Läufers 3 vorgegebenen Sollposition xsoll eine Sollgeschwindigkeit vxsoll, die vom unterlagerten Geschwindigkeitsregler F2 umgesetzt wird, indem der Geschwindigkeitsregler F2 aus dem Geschwindigkeitsregelfehler evx eine auf den Läufer 3 wirkende Soll- Vortriebskraft f als Stellgröße ermittelt. Die Soll-Vortriebskraft f ist am LLM 1 einzustellen, insbesondere durch das Bestromen der beteiligten aktiven Antriebsspulen. Die letztlich auf den Läufer wirkende Kraft Fx (in Fig.7 nicht dargestellt) kann aufgrund von in der Praxis stets auftretenden Störungen und Schmutzeffekten von der Soll-Vortriebskraft f abweichen. In the position control loop 200 shown in FIG. 7, the blocks F 1; F 2 , F 3 represent generic, linear and freely parameterizable transmission systems. As mentioned, the transmission system F 1 takes on the role of the position controller, the transmission system F 2 takes on the role of the speed controller. The position controller F 1 determines from a target position x specified for the position of the rotor 3 a target speed v Propulsive force f is determined as a manipulated variable. The target propulsive force f must be set on the LLM 1, in particular by energizing the active drive coils involved. The ultimately up The force F
Das Übertragungssystem G steht weiters für ein Modell eines LLM 1 mit einem Läufer 3, dessen Position xreal geregelt wird. Im Block G ist schematisch ein einzelnes Statorsegment Zm des geregelten LLM 1 gezeigt, mit einem Läufer 3 und mit Positionssensoren Si-1, Smi, Smi+1. The transmission system G also represents a model of an LLM 1 with a rotor 3, the position x of which is actually controlled. In block G, a single stator segment Z m of the controlled LLM 1 is shown schematically, with a rotor 3 and with position sensors S i-1 , S mi , S mi+1 .
Der Block F3 dient im gezeigten Positionsregelkreis 200 zur Ermittlung der Läufer- Geschwindigkeit vxact aus dem gemessenen Positionsmesssignal xact. Der Block F3 kann dazu beispielsweise als Differenzierer mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter ausgeführt sein. Zur Umsetzung der vom Geschwindigkeitsregler F2 ermittelten Kraft f können in bekannter Weise noch weitere Regler vorhanden sein, wie ein Kraftregler oder ein Stromregler. Diese Regler sind zur Darstellung des Prinzips der Erfindung aber nicht erforderlich und demnach nicht dargestellt. Ebenso ist es bekannt, dass am LLM 1 auch eine Leistungselektronik (nicht dargestellt) vorgesehen ist, um die benötigten Spulenspannungen zu erzeugen und an die beteiligten aktiven Antriebsspulen anzulegen. The block F3 is used in the position control loop 200 shown to determine the rotor speed v xact from the measured position measurement signal x act . For this purpose, block F 3 can be designed, for example, as a differentiator with a downstream low-pass filter. To implement the force f determined by the speed controller F 2 , additional controllers can be present in a known manner, such as a force controller or a current controller. However, these controllers are not necessary to illustrate the principle of the invention and are therefore not shown. It is also known that power electronics (not shown) are also provided on the LLM 1 in order to generate the required coil voltages and apply them to the active drive coils involved.
Das Eingangssignal d steht weiters für eine Eingangsstörung, die optional berücksichtigt werden kann. Eine bei LLM 1 typische Eingangsstörung d ist das sogenannte Rastmoment (Cogging-Effekt). Der gegenständlich betrachtete Positions-Messfehler nx ist ebenfalls als eine Eingangsgröße dargestellt, die als Ausgangsstörung auf den Positionsregelkreis 200 wirkt und das Positionsmesssignal xact beeinflusst. The input signal d also represents an input disturbance, which can optionally be taken into account. A typical input disturbance d for LLM 1 is the so-called cogging torque (cogging effect). The position measurement error n x under consideration is also shown as an input variable which acts as an output disturbance on the position control loop 200 and influences the position measurement signal x act .
Die nachfolgenden Ausführungen beruhen auf der Annahme, dass die Elemente F1; F2, F3, G als lineare, zeitinvariante SISO-Übertragungsfunktionen beschrieben werden können. Diese Annahme schränkt die gegenständliche Erfindung jedoch keineswegs ein. Auch andere, lineare sowie nichtlineare, zeitinvariante sowie zeitvariante, SISO- („single-input, single- output“) sowie MIMO- („multiple-input, multiple-output“) Übertragungssysteme sind für die Elemente F1; F2, F3, G denkbar. Lediglich die konkrete mathematische Ausführung würde sich in solchen Fällen ändern. The following statements are based on the assumption that the elements F 1; F 2 , F 3 , G can be described as linear, time-invariant SISO transfer functions. However, this assumption in no way limits the present invention. Other linear and nonlinear, time-invariant and time-variant, SISO ("single-input, single-output") and MIMO ("multiple-input, multiple-output") transmission systems are also available for the elements F 1; F 2 , F 3 , G conceivable. Only the concrete mathematical execution would change in such cases.
Für Regelkreise wie den gezeigten Positionsregelkreis 200 sind zur Analyse bekanntermaßen Integraltransformationen üblich (für zeitdiskrete Signale die z- Transformation, für kontinuierliche Signale z.B. die Laplace- oder Fourier-Transformation). Unter Anwendung einer Integraltransformation für die im Positionsregelkreis 200 gegebenen Signale und der dabei üblichen Einführung von Großbuchstaben, also z.B. Z{xact} = Xact für die z-Transformierte des Positionsmesssignals xact, kann das gemessene Positionsmesssignal Xact in Fig.7 mittels dreier Teile beschrieben werden:
Figure imgf000018_0001
Die Übertragungsfunktion von der Ausgangsstörung nx (Positions-Messfehler) auf den Ausgang wird hierbei als Sensitivitäts-Übertragungsfunktion (kurz „Sensitivität“)
Figure imgf000019_0001
bezeichnet, jene von der Eingangsstörung d auf den Ausgang , als
Figure imgf000019_0002
Eingangssensitivitäts-Übertragungsfunktion.
For control loops such as the position control loop 200 shown, integral transformations are known to be common for analysis (for discrete-time signals, the z-transformation, for continuous signals, for example, the Laplace or Fourier transformation). Using an integral transformation for the signals given in the position control loop 200 and the usual introduction of capital letters, for example Z{x act } = X act for the z-transform of the position measurement signal x act , the measured position measurement signal are described in three parts:
Figure imgf000018_0001
The transfer function from the output disturbance n x (position measurement error) to the output is called a sensitivity transfer function (“sensitivity” for short).
Figure imgf000019_0001
denotes that from the input disturbance d to the output , as
Figure imgf000019_0002
Input sensitivity transfer function.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Eingangsstörung d (Cogging-Effekt) an den typischen Frequenzen f0 einer Grundwelle GW eines Positions-Messfehler nx, sowie an den darüber liegenden Frequenzen der Oberwellen OW (z.B. Oberwellenfrequenzen f1, f2, der ersten beiden Oberwellen OW1 , OW2 usw.) eines Positions-Messfehler nx vernachlässigt werden kann. Wird überdies der Verlauf der Sollposition xsoll geeignet gewählt, beispielsweise in Form einer Rampe zur Sicherstellung einer konstanten Läufer- Geschwindigkeit vx, liefert auch der Verlauf der Sollposition xsoll keine Beiträge an den genannten Frequenzen. At this point it should be noted that the input interference d (cogging effect) occurs at the typical frequencies f 0 of a fundamental wave GW of a position measurement error n x , as well as at the frequencies of the harmonics OW above (e.g. harmonic frequencies f 1 , f 2 , the first two harmonics OW1, OW2 etc.) of a position measurement error n x can be neglected. If, moreover, the course of the target position x should is chosen appropriately, for example in the form of a ramp to ensure a constant rotor speed v
Es wurde erkannt, dass es im in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel, aber auch bei beliebig anders gestalteten Positionsregelkreisen 200 zur Regelung der Position xreal eines Läufers 3, möglich ist, alleine mithilfe der Sensitivitäts-Übertragungsfunktion Q aus dem gemessenen Positionsmesssignal xact einen an bestimmten, interessierenden Frequenzen (Grundwellenfrequenz f0 oder Oberwellenfrequenz f1 oder Schwingungskomponenten- Frequenz fK ) geschätzten Positions-Messfehler nx zu bestimmen. Die Sensitivitäts- Übertragungsfunktion Q stellt dabei eine mögliche Beschreibung Q des Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal xact und dem Positions-Messfehler nx dar. Eine Beschreibung Q des Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal xact und dem Positions-Messfehler nx kann dabei aber auch anderweitig gegeben sein, wie durch eine Tabelle, oder ein Bode-Diagramm, oder eine Ortskurve, oder ein Zustandsraummodell. It was recognized that in the exemplary embodiment shown in FIG certain frequencies of interest (fundamental wave frequency f 0 or harmonic frequency f 1 or vibration component frequency f K ) to determine the estimated position measurement error n x . The sensitivity transfer function Q represents a possible description Q of the relationship between the position measurement signal x act and the position measurement error n x . However, a description Q of the relationship between the position measurement signal x act and the position measurement error n x can also be given elsewhere be, such as through a table, or a Bode diagram, or a locus, or a state space model.
In einem nächsten Schritt kann das transformierte Positionsmesssignal Xact zunächst an einer interessierenden Frequenz ausgewertet werden (z.B. Frequenz f0 einer Grundwelle GW; nachfolgend werden, wie in der Signalverarbeitung üblich, insbesondere Kreisfrequenzen ω = 2πf zur Notation verwendet, z.B. ω0 = 2πf0). Zur Ermittlung transformierter Signale, wie einem transformierten Positionsmesssignal Xact, kann in bekannter Weise zunächst eine Speicherung bzw. Bufferung des zugehörigen Zeitsignals xact über eine vorgegebene Zeitdauer vorgenommen werden, und anschließend das gespeicherte, gebutterte Signal transformiert werden. Die Ergebnisse Xact ( ω ) der oben genannten Auswertungen werden nachfolgend auch als Schwingungsparameter bezeichnet, die das Schwingungsverhalten (Amplitude und Phase) des zugehörigen Zeitsignals bei der vorgegebenen Frequenz ω beschreiben. Ein Schwingungsparameter Xact (w) kann zum Zweck der erfindungsgemäßen Identifikation des Positions-Messfehlers nx weiters mit der Inversen der Sensitivitäts-Übertragungsfunktion Q, ebenfalls ausgewertet an der interessierenden Frequenz ω , multipliziert werden: In a next step , the transformed position measurement signal ). To determine transformed signals, such as a transformed position measurement signal The results For the purpose of identifying the position measurement error n x according to the invention , an oscillation parameter
Nx(ω ) = [Q(ω )]-1 Xact(ω ). N x (ω ) = [Q(ω )] -1 X act (ω ).
Auf diese Weise können Schwingungsparameter (ω ) (typischerweise komplexe Zahlen) ermittelt werden, die das Schwingungsverhalten (Amplitude und Phase) des Positions- Messfehlers nx an einer Frequenz ω beschreiben. In this way, oscillation parameters (ω) (typically complex numbers) can be determined that describe the oscillation behavior (amplitude and phase) of the position measurement error n x at a frequency ω.
Nachfolgend werden die beschriebenen Schwingungsparameter auch in der wohlbekannten Sinus-Cosinus-Form notiert, also z.B. mithilfe eines Schwingungsparameters für den Realteil ax = Re{N x( ω )} und mithilfe eines Schwingungsparameters für den Imaginärteil bx = lm{N x(ω )} des ursprünglichen Schwingungsparameters Nx(ω ). Below, the vibration parameters described are also noted in the well-known sine-cosine form, for example using a vibration parameter for the real part a x = Re{N x ( ω )} and using a vibration parameter for the imaginary part b x = lm{N x ( ω )} of the original vibration parameter N x (ω ).
Wie beschrieben ist der gegenständlich betrachtete Positions-Messfehler nx (zumindest näherungsweise) periodisch in der Koordinate x, wobei von dieser Periodizität insbesondere die Grundwelle GW und die erste Oberwelle OW1 entscheidend sind. Der zur Grundwelle GW des Positionsmesssignal xact gehörende Schwingungsparameter wird nachfolgend als Xo notiert und als Positions-Grundwellenparameter X0 bezeichnet, zu Oberwellen gehörende Schwingungsparameter werden nachfolgend als X1 notiert und als Positions- Oberwellenparameter X1 bezeichnet. As described, the position measurement error n The vibration parameter belonging to the fundamental wave GW of the position measurement signal x act is subsequently noted as Xo and referred to as the position fundamental wave parameter X 0 ; vibration parameters belonging to harmonics are subsequently noted as
Werden allgemein Schwingungskomponente SK mit einer Schwingungskomponenten- Frequenz fK betrachtet, werden die zugehörigen Parameter allgemein als Positions- Schwingungsparameter XK bezeichnet. In entsprechender Weise werden Schwingungsparameter des Positions-Messfehler nx als Fehler-Grundwellenparameter Nx0 und als Fehler-Oberwellenparameter Nx1 bezeichnet, bzw. allgemein als Fehler- Schwingungsparameter NxK. If vibration components SK with a vibration component frequency f K are generally considered, the associated parameters are generally referred to as position vibration parameters X K. In a corresponding manner, oscillation parameters of the position measurement error n x are referred to as error fundamental wave parameters N x0 and as error harmonic parameters N x1 , or generally as error oscillation parameters N xK .
Werden demnach zur oben beschriebenen Berechnung die Grundwellenfrequenz f0 und die Frequenz der ersten Oberwelle f1 gewählt, also ω 0 = 2π f0 und ω1 = 2πf1 , wobei üblicherweise f 1 = 2f0 gilt, können ein Fehler-Grundwellenparameter Nx0 und ein Fehler- Oberwellenparameter Nx1 entsprechend den Vorschriften
Figure imgf000020_0001
bzw.
Figure imgf000020_0002
ermittelt werden. Sind die Positionssensoren Smj entlang des Stators 2 durch einen konstanten Sensorabstand ds beabstandet, ergibt sich die Frequenz f0 zur Auswertung der Grundwelle GW entsprechend dem Ausdruck Die zur Auswertung herangezogene
Figure imgf000020_0003
Kreisfrequenz hängt dann von der Läufer-Geschwindigkeit vx und von dem
Figure imgf000021_0001
Sensorabstand ds ab. Die Frequenzen der Oberwellen f1, f2, usw. können sich in bekannter Weise als ganzzahlige Vielfache der Grundwellenfrequenz f0 ergeben. Es können aber auch andere Oberwellenfrequenzen f1, f2, gewählt werden, die in keinem ganzzahligen Verhältnis zur Grundwellenfrequenz f0 stehen.
If the fundamental wave frequency f 0 and the frequency of the first harmonic f 1 are selected for the calculation described above, i.e. ω 0 = 2π f 0 and ω 1 = 2πf 1 , where f 1 = 2f 0 usually applies, an error fundamental wave parameter N x0 and an error harmonic parameter N x1 according to the regulations
Figure imgf000020_0001
or.
Figure imgf000020_0002
be determined. If the position sensors S mj are spaced along the stator 2 by a constant sensor distance d s , the frequency f 0 for evaluating the fundamental wave GW results according to the expression used for the evaluation
Figure imgf000020_0003
The angular frequency then depends on the rotor speed v x and the
Figure imgf000021_0001
Sensor distance d s . The frequencies of the harmonics f 1 , f 2 , etc. can result in a known manner as integer multiples of the fundamental wave frequency f 0 . However, other harmonic frequencies f 1 , f 2 can also be selected which have no integral relationship to the fundamental wave frequency f 0 .
Sind die Positionssensoren Smj entlang des Stators 2 durch eine konstante Nutteilung τn beabstandet, ergibt sich die Frequenz f0 zur Auswertung der Grundwelle GW entsprechend dem Ausdruck . Die zur Auswertung herangezogene Kreisfrequenz hängt
Figure imgf000021_0002
Figure imgf000021_0003
dann von der Läufer-Geschwindigkeit vx und von der Nutteilung τn ab.
If the position sensors S mj are spaced along the stator 2 by a constant slot pitch τ n , the frequency f 0 for evaluating the fundamental wave GW results according to the expression. The circular frequency used for the evaluation depends
Figure imgf000021_0002
Figure imgf000021_0003
then depends on the rotor speed v x and the slot pitch τ n .
Mit diesen Schwingungsparametern Nx0, Nx1 bzw. einem allgemeinen Fehler- Schwingungsparameter NxK kann das Verhalten des Positions-Messfehler nx entlang eines Stators 2 in großer Genauigkeit beschrieben werden. Da, wie beschrieben, in vielen Fällen die Grundwelle GW den dominierenden Signalanteil des Positions-Messfehlers nx darstellt, ist es oftmals bereits ausreichend, alleine den Fehler-Grundwellenparameter Nx0 zur Beschreibung des Positions-Messfehlers nx zu ermitteln. With these oscillation parameters N x0 , N x1 or a general error oscillation parameter N xK , the behavior of the position measurement error n x along a stator 2 can be described with great precision. Since, as described, in many cases the fundamental wave GW represents the dominant signal component of the position measurement error n x , it is often sufficient to determine the error fundamental wave parameter N x0 alone to describe the position measurement error n x .
Aufgrund der Erkenntnis, dass sich bei veränderlichen Läufer-Geschwindigkeiten vx zwar die Frequenzen von Grundwelle GW und Oberwellen OW des Positions-Messfehlers nx ändern, nicht aber die Amplituden und Phasenlagen von Grundwelle GW oder Oberwellen OW oder einer anderen Schwingungskomponente SK, kann durch die Ermittlung des Fehler- Grundwellenparameters Nx0 und des Fehler-Oberwellenparameters Nx1 bei nur einer Läufer- Geschwindigkeit vx eine umfassende und exakte Beschreibung des Positions-Messfehlers nx für beliebige Läufer-Geschwindigkeiten vx erreicht werden. Die Amplitude einer Grundwelle GW bzw. einer Oberwelle OW stellt hierbei in bekannter Weise die maximale Auslenkung der Grundwelle GW bzw. Oberwelle OW aus der Lage ihres arithmetischen Mittelwertes dar. Die Phasenlage einer Grundwelle GW bzw. einer Oberwelle OW stellt demgegenüber in bekannter Weise die zeitliche Lage der Grundwelle GW bzw. Oberwelle OW dar, z.B. deren zeitliche Verschiebung ihres Maximums zu einem Beginn eines Messintervalls. Based on the knowledge that with changing rotor speeds v x , the frequencies of the fundamental wave GW and harmonics OW of the position measurement error n the determination of the error fundamental wave parameter N x0 and the error harmonic parameter N x1 with only one rotor speed v x a comprehensive and exact description of the position measurement error n x can be achieved for any rotor speed v x . The amplitude of a fundamental wave GW or a harmonic OW represents in a known manner the maximum deflection of the fundamental wave GW or harmonic OW from the position of its arithmetic mean value. The phase position of a fundamental wave GW or a harmonic OW, in contrast, represents the temporal position in a known manner Position of the fundamental wave GW or harmonic OW, for example the time shift of its maximum at the beginning of a measurement interval.
In einer besonders vorteilhaften Weise kann die erfindungsgemäße Identifikation der Fehler- Schwingungsparameter bei konstanter Läufer-Geschwindigkeit vx oder bei konstanter Läufer- Sollgeschwindigkeit vx,soll erfolgen. Die Frequenz f0 zur Auswertung der Grundwelle GW ergibt sich dann aus der Läufer-Geschwindigkeit vx und der Anordnung bzw. den Einbaupositionen der Positionssensoren Smj. Bei entsprechender Berücksichtigung einer sich gegebenenfalls verändernden Läufer-Geschwindigkeit vx stehen aber auch veränderliche Läufer-Geschwindigkeiten vx einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht entgegen. Hinsichtlich der Wahl einer konstanten Läufer-Geschwindigkeit vx für eine Identifikationsfahrt wurde erkannt, dass die konstante Läufer-Geschwindigkeit vx nicht kleiner als vmin = f0 τn gewählt werden sollte. Bei einer Unterschreitung dieser Minimalgeschwindigkeit vmin kann es passieren, dass die interessierenden Frequenzen (Grundwellenfrequenz f0, Oberwellenfrequenzen f1, f2, usw.) nicht ausreichend angeregt werden. In a particularly advantageous manner, the identification of the error vibration parameters according to the invention can take place at a constant rotor speed v x or at a constant rotor target speed v x, should . The frequency f 0 for evaluating the fundamental wave GW then results from the rotor speed v x and the arrangement or installation positions of the position sensors S mj . However, if a possibly changing rotor speed v x is taken into account, changing rotor speeds v With regard to the choice of a constant runner speed v x for an identification run, it was recognized that the constant runner speed v x should not be chosen smaller than v min = f 0 τ n . If this minimum speed v min is not reached, it can happen that the frequencies of interest (fundamental wave frequency f 0 , harmonic frequencies f 1 , f 2 , etc.) are not sufficiently excited.
Nach oben sollte die konstante Läufer-Geschwindigkeit vx in Abhängigkeit von der Abtastzeit Ts des vorgesehenen Positionsmesssystems des LLM 1 die maximale Geschwindigkeit nicht überschreiten. Bei einer Überschreitung dieser Maximalgeschwindigkeit
Figure imgf000022_0002
vmax kann es passieren, dass nicht mehr ausreichend viele Mess-Samples aufgenommen werden können und in der Folge keine ausreichend feine Frequenz-Auflösung mehr sichergestellt werden kann. In diesem Fall kann es passieren, dass die zu den interessierenden Frequenzen (Grundwellenfrequenz f0, Oberwellenfrequenzen f1, f2, usw.) gehörenden Schwingungsparameter nicht mehr berechnet werden können.
The constant rotor speed v x should not exceed the maximum speed depending on the sampling time T s of the intended position measuring system of the LLM 1. If this maximum speed is exceeded
Figure imgf000022_0002
v max it can happen that not enough measurement samples can be recorded and as a result a sufficiently fine frequency resolution can no longer be ensured. In this case, it may happen that the vibration parameters belonging to the frequencies of interest (fundamental wave frequency f 0 , harmonic frequencies f 1 , f 2 , etc.) can no longer be calculated.
Mmin stellt dabei die minimale Anzahl an Samples des gemessenen Positionsmesssignal xact dar, die zur Identifikation der gewünschten Oberwellen des Positions-Messfehlers nx erforderlich sind. Konkret ergibt sich die minimale Anzahl an benötigten Samples Mmin aus der gewünschten Anzahl der zu identifizierenden Oberwellen nharm zu Mmin = 2 (nharm + 1), sodass sich z.B. zur alleinigen Identifikation der Grundwelle Mmin = 2 ergibt. Diese theoretische maximale Geschwindigkeit liegt jedoch in der Praxis meist weit über dem realistischen Betrieb, sodass normalerweise stets genügend gemessene Samples zur Verfügung stehen. M min represents the minimum number of samples of the measured position measurement signal x act that are required to identify the desired harmonics of the position measurement error n x . Specifically, the minimum number of samples M min required results from the desired number of harmonics n harm to be identified as M min = 2 (n harm + 1), so that, for example, M min = 2 for the sole identification of the fundamental wave. In practice, however, this theoretical maximum speed is usually far higher than realistic operation, so that there are usually always enough measured samples available.
In einer vorteilhaften Weise kann bei der Berechnung des Positions-Messfehlers nx auch auf den Regelfehler bzw. Schleppfehler ex übergegangen werden. Da der Verlauf der Sollposition xsoll in den üblichen Fällen keine Beiträge an den für die Charakterisierung des Positions-Messfehlers nx benötigten Frequenzen liefert, und da der Regelfehler bzw. Schleppfehler ex in der Regelung vielfach leichter verfügbar ist für Berechnungen, kann auf die folgend beschriebene Modifikation zurückgegriffen werden. Konkret kann hierbei für die Sensitivität Q der Ausdruck
Figure imgf000022_0001
angesetzt werden, sodass der Positions-Messfehler nx in Abhängigkeit des Regelfehlers ex als
Figure imgf000022_0003
berechnet werden kann. Ex(ω ) steht hierbei für entsprechende Schwingungsparameter des Regelfehlers ex. Damit kann der Positions-Messfehler nx anhand von Größen ermittelt werden, die ohnehin für die Reglung benötigt werden und vorhanden sind.
In an advantageous manner, when calculating the position measurement error n x, the control error or tracking error e x can also be used. Since the course of the target position x should in the usual cases not provide any contributions to the frequencies required for the characterization of the position measurement error n x , and since the control error or tracking error e x in the control system is often more easily available for calculations, the The modification described below can be used. Specifically, the expression can be used for the sensitivity Q
Figure imgf000022_0001
be applied so that the position measurement error n x depends on the control error e x as
Figure imgf000022_0003
can be calculated. E x (ω ) stands for the corresponding oscillation parameters of the control error e x . This means that the position measurement error n x can be determined based on variables that are required and available anyway for the control.
In der praktischen Umsetzung erweist es sich vielfach als vorteilhaft, für vorgegebene Stator- Abschnitte des Stators 2 jeweils separate bzw. individuelle Schwingungsparameter Nx zu ermitteln. Stator-Abschnitte können hierbei insbesondere den Statorsegmenten Zm des Stators 2 entsprechen. Stator-Abschnitte können aber auch anders gewählt sein, und mehrere Statorsegmenten Zm umfassen, oder nur Teile von Statorsegmenten Zm umfassen.In practical implementation, it often proves to be advantageous to determine separate or individual vibration parameters N x for given stator sections of the stator 2. Stator sections can in particular correspond to the stator segments Z m of the stator 2. However, stator sections can also be chosen differently and include several stator segments Z m , or only include parts of stator segments Z m .
Die Ermittlung individueller Schwingungsparameter Nx ist oftmals vorteilhaft, da Schwingungsparameter Nx in vielen Fällen entlang des Stators 2 nicht konstant bleiben. Bei geeigneter Wahl der vorgegebenen Stator-Abschnitte kann ein auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmter Kompromiss aus Komplexität, aufgrund vieler zu speichernder Schwingungsparameter Nx, und hinreichend genauer Beschreibung des Positions- Messfehlers nx entlang des Stators 2 erreicht werden. The determination of individual vibration parameters N x is often advantageous since vibration parameters N x do not remain constant along the stator 2 in many cases. With a suitable choice of the predetermined stator sections, a compromise tailored to the respective application can be achieved between complexity, due to the large number of oscillation parameters N x to be stored, and a sufficiently precise description of the position measurement error n x along the stator 2.
Bei mit konstanter Nutteilung τn beabstandeten Positionssensoren Smj erweist es sich darüber hinaus oftmals als vorteilhaft, den Stator 2 bzw. die gegebenen Statorsegmente Zm in Stator-Abschnitte der Länge τn (Nutteilung) zu unterteilen. Bei einer Gesamtlänge Lstat des Stators 2 ergeben sich so Stator-Abschnitte, sodass für den Index i der
Figure imgf000023_0001
Stator-Abschnitte i ∈ [0, imax - 1] gilt.
In the case of position sensors S mj spaced apart with a constant slot pitch τ n , it often proves to be advantageous to divide the stator 2 or the given stator segments Z m into stator sections of length τ n (slot pitch). With a total length L stat of the stator 2, stator sections result, so that for the index i the
Figure imgf000023_0001
Stator sections i ∈ [0, i max - 1] applies.
Bei einer Identifikationsfahrt wird dann für jeden Stator-Abschnitt zumindest ein
Figure imgf000023_0002
During an identification run, at least one is then created for each stator section
Figure imgf000023_0002
Schwingungsparameter Nx berechnet. Dafür wird in vorteilhafter Weise ein in diesem Stator- Abschnitt gemessenes und gebuffertes Positionsmesssignal xact herangezogen. Je nachdem wie viele Oberwellen OW neben der Grundwelle GW zu identifizieren sind, kann auch eine Vielzahl von Schwingungsparameter Nx ermittelt und den genannten Stator-Abschnitten zugewiesen werden. Vibration parameter N x calculated. For this purpose, a position measurement signal x act measured and buffered in this stator section is advantageously used. Depending on how many harmonics OW can be identified in addition to the fundamental wave GW, a large number of oscillation parameters N x can also be determined and assigned to the stator sections mentioned.
Das Resultat einer derartigen Identifikationsfahrt kann z.B. als Tabelle abgelegt werden, wie in Fig. 8 gezeigt, die eine Zuordnung zwischen einem Stator-Abschnitt und den Schwingungsparametern des Positions-Messfehlers nx herstellt. In der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform ist die Tabelle mithilfe von Parametern a0, b0, usw. aufgebaut, die der eingangs beschriebenen Sinus-Cosinus-Form entsprechen. Andere Parameter, die die durch die Schwingungsparameter Nx bzw. a0, b0, usw. transportierte Information über den Positions-Messfehlers nx zur Verfügung stellen, sind an dieser Stelle jedoch ebenfalls denkbar. The result of such an identification run can be stored, for example, as a table, as shown in FIG. 8, which establishes an association between a stator section and the vibration parameters of the position measurement error n x . In the embodiment shown in FIG. 8, the table is constructed using parameters a 0 , b 0 , etc., which correspond to the sine-cosine form described above. However, other parameters that provide the information about the position measurement error n x transported by the vibration parameters N x or a 0 , b 0 , etc. are also conceivable at this point.
Um die ermittelten Fehler-Schwingungsparameter Nx in weiterer Folge zur Korrektur eines fehlerbehafteten Positionsmesssignals xact heranzuziehen, kann aus den ermittelten Fehler- Schwingungsparametern Nx für jeden vorgegebenen Stator-Abschnitt des Stators 2 ein Kompensationssignal xkomp ermittelt werden. Die Fehler-Schwingungsparameter Nx können dazu aus einer wie in Fig. 8 gezeigten Tabelle ausgelesen werden. Dieses Kompensationssignal xkomp kann anschließend zum gemessenen Positionsmesssignals xact addiert werden, um das gemessenen Positionsmesssignals xact zu einem korrigierten Positionskorrektursignal xkorr zu generieren. Ein korrigiertes Positionskorrektursignal xkorr kann weiters, wie in Fig. 7 dargestellt, im Positionsregelkreis 200 rückgekoppelt und zur Regelung der Position xreal des Läufers 3 herangezogen werden. In order to subsequently use the determined error vibration parameters N x to correct an incorrect position measurement signal x act , the determined error parameters can be used Vibration parameters N x for each predetermined stator section of the stator 2, a compensation signal x comp can be determined. The error oscillation parameters N x can be read from a table shown in FIG. 8. This compensation signal x comp can then be added to the measured position measurement signal x act in order to generate the measured position measurement signal x act into a corrected position correction signal x korr . A corrected position correction signal x korr can, as shown in FIG. 7, be fed back in the position control loop 200 and used to control the position x real of the rotor 3.
Zur Ermittlung des Kompensationssignals xkomp ist in der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform eine Kompensationseinheit 201 vorgesehen. In der Kompensationseinheit 201 kann in einer vorteilhaften Weise eine Tabelle, wie anhand von Fig. 8 gezeigt, abgelegt werden. Weiters kann einer Kompensationseinheit 201 auch das gemessene Positionsmesssignals xact zugeführt werden, um der Kompensationseinheit 201 den aktuellen Stator-Abschnitt am Stator 2, für den die Kompensation zu berechnen ist, mitzuteilen. Mögliche Realisierungen einer Kompensationseinheit 201 sind unter anderem durch mikroprozessorbasierte Hardware, wie beispielsweise Mikrocontroller, und integrierte Schaltungen (ASIC, FPGA) gegeben. To determine the compensation signal x comp, a compensation unit 201 is provided in the embodiment shown in FIG. 7. A table, as shown in FIG. 8, can be stored in the compensation unit 201 in an advantageous manner. Furthermore, the measured position measurement signal x act can also be supplied to a compensation unit 201 in order to inform the compensation unit 201 of the current stator section on the stator 2 for which the compensation is to be calculated. Possible implementations of a compensation unit 201 include microprocessor-based hardware, such as microcontrollers, and integrated circuits (ASIC, FPGA).
Wie die oben beschriebene Korrektur konkret durchgeführt werden kann, ist nachfolgend beispielhaft anhand der Korrektur der Grundwelle GW eines Positions-Messfehlers nx gezeigt. Im Zuge der Kompensation wird zunächst aus der gemessenen Position xact der aktuelle Stator-Abschnitt berechnet, über dem sich der Läufer 3 befindet. Dazu kann der Index des Stator-Abschnitts gemäß ermittelt werden. Darauf aufbauend können
Figure imgf000024_0002
aus einer Tabelle, wie in Fig. 8 gezeigt, die entsprechenden Sinus-Cosinus-Koeffizienten ausgelesen werden, für die Grundwelle GW die Parameter a0 und b0. Mithilfe der Parameter a0 und b0 kann beispielsweise entsprechend der Vorschrift
Figure imgf000024_0001
ein von der gemessenen Position xact abhängiges Kompensationssignal xkomp ermittelt werden. Anstatt des Positionssignals xact kann obige Berechnung auch mit einer relativen Position xrel (z.B. relativ zur Nutteilung τn ) erfolgen, also xrei = mod(xact, τn ). Die Läufer- Geschwindigkeit vx, mit der sich ein Läufer 3 im Rahmen der Kompensation bewegen darf, ist dabei nicht eingeschränkt. Je nach Stator-Abschnitt können die entsprechenden Parameter a0, b0,... in Abhängigkeit von iact bezogen werden und die obige Vorschrift mit den bezogenen Parametern a0, b0,... parametriert werden.
How the correction described above can be carried out in concrete terms is shown below as an example using the correction of the fundamental wave GW of a position measurement error n x . As part of the compensation, the current stator section above which the rotor 3 is located is first calculated from the measured position x act . For this purpose, the index of the stator section can be determined according to. Can build on that
Figure imgf000024_0002
The corresponding sine-cosine coefficients are read from a table, as shown in FIG. 8, and the parameters a 0 and b 0 for the fundamental wave GW. Using the parameters a 0 and b 0 , for example, according to the regulation
Figure imgf000024_0001
a compensation signal x comp dependent on the measured position x act can be determined. Instead of the position signal x act , the above calculation can also be done with a relative position x rel (e.g. relative to the slot pitch τ n ), i.e. x rei = mod(x act , τ n ). The runner speed v x at which a runner 3 is allowed to move as part of the compensation is not restricted. Depending on the stator section, the corresponding parameters a 0 , b 0 ,... can be obtained depending on i act and the above regulation can be parameterized with the related parameters a 0 , b 0 ,... .
Da sich Fehler-Schwingungsparameter Nx oder damit einhergehende Parameter ax, bx in Sinus-Cosinus-Form von Betriebspunkt zu Betriebspunkt meist nur geringfügig oder gar nicht verändern, können Fehler-Schwingungsparameter Nx bei einer ersten Läufer- Geschwindigkeit vx identifiziert werden, aber in der Folge auch bei anderen Läufer- Geschwindigkeiten vx während des Betriebs zur Kompensation eingesetzt werden. Beispielsweise können Fehler-Schwingungsparameter Nx bei einer ersten Läufer- Geschwindigkeit vx1 identifiziert werden, aber in der Folge bei einer zweiten Läufer- Geschwindigkeiten vx2 während des Betriebs zur Korrektur des Positionsmesssignals xact herangezogen werden. Since error vibration parameters N x or associated parameters a x , b x in sine-cosine form usually change only slightly or not at all from operating point to operating point change, error vibration parameters N x can be identified at a first rotor speed v x , but can subsequently also be used for compensation at other rotor speeds v x during operation. For example, error vibration parameters N x can be identified at a first rotor speed v x1 , but can subsequently be used to correct the position measurement signal x act at a second rotor speed v x2 during operation.
Hierbei ist entscheidend, dass beispielsweise Fehler-Schwingungsparameter Nx oder damit einhergehende Parameter ax, bx bei einer ersten Identifikations-Frequenz ermittelt werden können, aber zur Kompensation auch bei von der Identifikations-Frequenz gänzlich verschiedenen Frequenzen eingesetzt werden können. What is crucial here is that, for example, error vibration parameters N x or associated parameters a x , b x can be determined at a first identification frequency, but can also be used for compensation at frequencies that are completely different from the identification frequency.
Das Kompensationssignal xkomp kann in Abhängigkeit der gemessenen Position xact zur gemessenen Position xact addiert werden. Fig. 9 zeigt die Wirkung der beschriebenen Kompensation auf den im Zuge einer Positionsregelung resultierenden Regelfehler ex (durchgezogen: „K“... kompensiert, strichliert: „UK“ unkompensiert) entlang eines Ausschnittes eines Statorsegments Zm, wobei im unkompensierten Fall die Grundwelle GW deutlich sichtbar ist und im kompensierten Fall beinahe gänzlich verschwindet. The compensation signal x comp can be added to the measured position x act depending on the measured position x act . Fig. 9 shows the effect of the compensation described on the control error e Fundamental wave GW is clearly visible and almost completely disappears in the compensated case.
Im Rahmen der Kompensation kann wahlweise auch ein sogenanntes „Ausblenden“ aktiviert werden, welches die Aufschaltung des Kompensationssignal xkomp in den Randbereichen der Statorsegmente Zm (wo insbesondere der Segmentübergang dominiert) linear skaliert. Wird die Weite der Randbereiche mit xfade bezeichnet wird, kann für diese Bereiche eine skalierte Kompensation mittels der Vorschrift
Figure imgf000025_0001
berechnet und vorgegeben werden.
As part of the compensation, a so-called “fading out” can also be activated, which linearly scales the activation of the compensation signal x comp in the edge areas of the stator segments Z m (where the segment transition in particular dominates). If the width of the edge areas is denoted by x fade , scaled compensation can be carried out for these areas using the rule
Figure imgf000025_0001
calculated and specified.
Wie eingangs beschrieben, kann die gegenständliche Erfindung in gleicher Weise wie bei LLM 1 auch bei PM angewandt werden. Das Grundprinzip bleibt bei der Anwendung bei PM das gleiche, lediglich die Komplexität der Umsetzung der Erfindung steigt. Aufgrund der bei PM üblicherweise gegebenen sechs Freiheitsgrade für die Bewegung eines Läufers 3 wird im Betrieb von PM üblicherweise auch auf sechs Regelkreise zur Regelung der Bewegung des Läufers zurückgegriffen. Die erfindungsgemäße Identifikation von Positions-Messfehlern nx ist in diesem Fall üblicherweise auf sechs Regelkreise auszudehnen. As described at the beginning, the present invention can also be applied to PM in the same way as to LLM 1. The basic principle remains the same when used in PM, only the complexity of implementing the invention increases. Due to the six degrees of freedom for the movement of a rotor 3 that are usually given in PM, six control loops are usually used to regulate the movement of the rotor in PM operation. In this case, the identification of position measurement errors n x according to the invention is usually extended to six control loops.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Transporteinrichtung (1) mit einem Stator (2), einem Läufer (3) und einem Positionsregelkreis (200), wobei der Läufer (3) entlang des Stators (2) entlang zumindest einer Bewegungsrichtung (X) mit einer Läufer- Geschwindigkeit (vx) bewegt wird, und wobei am Stator (2) entlang der zumindest einen Bewegungsrichtung (X) eine Mehrzahl von Positionssensoren (Sj) ortsfest und voneinander beabstandet angeordnet ist, um ein Positionsmesssignal (xact) zu generieren, wobei das Positionsmesssignal (xact) eine Mess-Position (xmess) beschreibt, die um einen Positions- Messfehler (nx) von der wahren Position (xreal) des Läufers (3) abweicht, und wobei das Positionsmesssignal (xact) zumindest eine Schwingungskomponente (SK) mit einer Schwingungskomponenten-Frequenz (fK ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Positions-Schwingungsparameter (XK) ermittelt wird, der das Schwingungsverhalten der zumindest einen Schwingungskomponente (SK) des Positionsmesssignals (xact) beschreibt, dass mittels einer vorgegebenen Beschreibung (Q) eines Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal (xact) und dem Positions- Messfehler (nx) aus dem zumindest einen Positions-Schwingungsparameter (XK) zumindest ein Fehler-Schwingungsparameter (NxK) ermittelt wird, welcher das Schwingungsverhalten des Positions-Messfehlers (nx) bei der Schwingungskomponenten-Frequenz (fK) beschreibt, und dass das Positionsmesssignal (xact) mittels des Fehler-Schwingungsparameters (NxK) zu einem Positionskorrektursignal (xkorr) korrigiert wird, welches im Positionsregelkreis (200) rückgekoppelt und dazu herangezogen wird, die Position (xreal) des Läufers (3) zu regeln.1. Method for operating an electromagnetic transport device (1) with a stator (2), a rotor (3) and a position control loop (200), the rotor (3) moving along the stator (2) along at least one direction of movement (X). a rotor speed ( v , whereby the position measurement signal (x act ) describes a measurement position (x mess ) which deviates from the true position (x real ) of the rotor (3) by a position measurement error (n x ), and where the position measurement signal (x act ) has at least one vibration component (SK) with a vibration component frequency (f K ), characterized in that at least one position vibration parameter (X K ) is determined, which determines the vibration behavior of the at least one vibration component (SK) of the position measurement signal (x act ) describes that at least one error vibration parameter (N xK) is determined from the at least one position vibration parameter (X K ) by means of a predetermined description (Q) of a relationship between the position measurement signal (x act ) and the position measurement error (n x ). , which describes the oscillation behavior of the position measurement error (n x ) at the oscillation component frequency (f K ), and that the position measurement signal (x act ) is corrected to a position correction signal (x corr ) using the error oscillation parameter (N x K ), which is fed back in the position control loop (200) and used to regulate the position (x real ) of the rotor (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungskomponente (SK) des Positionsmesssignals (xact) einer Grundwelle (GW) des Positionsmesssignals (xact) entspricht, deren Grundwellen-Frequenz (f0) durch die Läufer- Geschwindigkeit (vx) und die Anordnung der Positionssensoren (Sj) festgelegt ist, dass ein Positions-Schwingungsparameter (XK) einem Positions-Grundwellenparameter (X0) entspricht, der das Schwingungsverhalten der Grundwelle (GW) des Positionsmesssignals (xact) beschreibt, und dass ein Fehler-Schwingungsparameter (NxK) einem Fehler- Grundwellenparameter (Nx0) entspricht, welcher das Schwingungsverhalten des Positions- Messfehlers (nx) bei der Grundwellen-Frequenz (f0) beschreibt. 2. The method according to claim 1, characterized in that an oscillation component (SK) of the position measurement signal (x act ) corresponds to a fundamental wave (GW) of the position measurement signal (x act ), the fundamental wave frequency (f 0 ) of which is determined by the rotor speed (v x ) and the arrangement of the position sensors (S j ) is determined so that a position oscillation parameter (X K ) corresponds to a position fundamental wave parameter (X 0 ), which describes the oscillation behavior of the fundamental wave (GW) of the position measurement signal (x act ), and that an error oscillation parameter (N xK ) corresponds to an error fundamental wave parameter (N x0 ), which describes the oscillation behavior of the position measurement error (n x ) at the fundamental wave frequency (f 0 ).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungskomponente (SK) des Positionsmesssignals (xact) einer Oberwelle (OW) des Positionsmesssignals (xact) entspricht, deren Oberwellen-Frequenz (f1) einem ganzzahligen Vielfachen einer Grundwellen-Frequenz (f0), die durch die Läufer-Geschwindigkeit (vx) und die Anordnung der Positionssensoren (Sj) festgelegt ist, entspricht, dass ein Positions- Schwingungsparameter (XK) einem Positions-Oberwellenparameter (X1) entspricht, der das Schwingungsverhalten der Oberwelle (OW) des Positionsmesssignals (xact) beschreibt, und dass ein Fehler-Schwingungsparameter (NxK) einem Fehler-Oberwellenparameter (Nx1) entspricht, welcher das Schwingungsverhalten des Positions-Messfehlers (nx) bei der Oberwellen-Frequenz (f1) beschreibt. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that a vibration component (SK) of the position measurement signal (x act ) corresponds to a harmonic (OW) of the position measurement signal (x act ), the harmonic frequency (f 1 ) of which is an integer multiple a fundamental wave frequency (f 0 ), which is determined by the rotor speed (v x ) and the arrangement of the position sensors (S j ), corresponds to that a position Oscillation parameter (X K ) corresponds to a position harmonic parameter (X 1 ), which describes the oscillation behavior of the harmonic (OW) of the position measurement signal (x act ), and that an error oscillation parameter (N xK ) corresponds to an error harmonic parameter (N x1 ). , which describes the oscillation behavior of the position measurement error (n x ) at the harmonic frequency (f 1 ).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zumindest einen Fehler-Schwingungsparameter (NxK) ein Positions- Kompensationssignal (xkomp) ermittelt wird, welches zum Positionsmesssignal (xact) addiert wird, um das Positionsmesssignal (xact) zum Positionskorrektursignal (xkorr) zu korrigieren.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a position compensation signal (x comp ) is determined from the at least one error vibration parameter (N xK ), which is added to the position measurement signal (x act ) to produce the position measurement signal (x act ) to correct the position correction signal (x corr ).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionskorrektursignal (xkorr) im Positionsregelkreis (200) zur Regelung der Position (xreal) des Läufers (3) mit einer vorgegebenen Soll-Position (xsoll) verglichen wird, und dass im Positionsregelkreis (200) aus dem Ergebnis dieses Vergleichs eine Stellgröße (f) ermittelt wird, anhand derer aktive Antriebsspulen (Lm1,... ,Lmq) des Stators (2) bestromt werden, um eine auf den Läufer (3) wirkende Vortriebskraft (Fx) zu erzeugen und den Läufer (3) in die vorgegebene Soll-Position (xsoll) zu überführen. 5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the position correction signal (x korr ) in the position control loop (200) for controlling the position (x real ) of the rotor (3) is compared with a predetermined target position (x target ), and that in the position control loop (200) a manipulated variable (f) is determined from the result of this comparison, based on which active drive coils (L m1 ,...,L mq ) of the stator (2) are energized in order to act on the rotor (3 ) acting propulsive force (F x ) and to transfer the rotor (3) to the specified target position (x should ).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) in eine Mehrzahl von Stator-Abschnitten unterteilt wird, wobei den Stator- Abschnitten jeweils zumindest ein auf den jeweiligen Stator-Abschnitt bezogener Fehler- Schwingungsparameter (NxK) zugewiesen wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the stator (2) is divided into a plurality of stator sections, the stator sections each having at least one error vibration parameter (N x K ) related to the respective stator section. is assigned.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Korrektur des Positionsmesssignals (xact) zum Positionskorrektursignal (xkorr) jene Fehler- Schwingungsparameter (NxK) herangezogen werden, die demjenigen Stator-Abschnitt des Stators (2) zugeordnet sind, über dem sich der Läufer (3) zum Zeitpunkt der Korrektur des Positionsmesssignals (xact) befindet. 7. The method according to claim 6, characterized in that when correcting the position measurement signal (x act ) to the position correction signal (x korr ), those error vibration parameters (N xK ) are used which are assigned to that stator section of the stator (2), above which the rotor (3) is located at the time the position measurement signal (x act ) is corrected.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Fehler-Schwingungsparameter (NxK) mittels einer Identifikationsfahrt des Läufers (3) entlang des Stators (2) identifiziert werden. 8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one error oscillation parameter (N xK ) is identified by means of an identification journey of the rotor (3) along the stator (2).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (3) im Zuge der Identifikationsfahrt mit konstanter Läufer-Geschwindigkeit (vx) bewegt wird und/oder die Identifikationsfahrt in einer Konstant-Geschwindigkeits-Phase des Läufers (3) durchgeführt wird. 9. The method according to claim 8, characterized in that the runner (3) is moved during the identification run at a constant runner speed (v x ) and / or the identification run is carried out in a constant speed phase of the runner (3). .
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der elektromagnetischen Transporteinrichtung (1) mehrfach eine Identifikationsfahrt durchgeführt wird. 10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that an identification journey is carried out several times during the operation of the electromagnetic transport device (1).
11 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des zumindest einen Fehler-Schwingungsparameters (NxK) neben dem Positionsmesssignal (xact) eine für die Position des Läufers (3) vorgegebene Soll- Position (xsoll) berücksichtigt wird. 11. Method according to one of the preceding claims, characterized in that when determining the at least one error vibration parameter (N xK ), in addition to the position measurement signal (x act ), a target position (x target ) specified for the position of the rotor (3) is taken into account .
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsmesssignal (xact) von der Soll-Position (xsoll) subtrahiert wird, um einen unkorrigierten Positionsregelfehler (ex) zu ermitteln, und dass der unkorrigierte Positionsregelfehler (ex) herangezogen wird, um den zumindest einen Fehler- Schwingungsparameter (NxK) zu ermitteln. 12. The method according to claim 11, characterized in that the position measurement signal (x act ) is subtracted from the target position (x target ) in order to determine an uncorrected position control error (e x ), and that the uncorrected position control error (e x ) is used is used to determine the at least one error vibration parameter (N xK ).
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Beschreibung (Q) eines Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal (xact) und dem Positions-Messfehler (nx) in Form eines linearen Übertragungssystems gegeben ist. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the predetermined description (Q) of a relationship between the position measurement signal (x act ) and the position measurement error (n x ) is given in the form of a linear transmission system.
14. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Beschreibung (Q) einer linearen und zeitinvarianten Übertragungsfunktion entspricht. 14. The method according to claim 14, characterized in that the predetermined description (Q) corresponds to a linear and time-invariant transfer function.
15. Elektromagnetische Transporteinrichtung in Form eines Langstatorlinearmotors (1) oder Planarmotors, umfassend einen Stator (2), an welchem eine Mehrzahl von elektrischen Antriebsspulen (Lm1,... ,Lmn) mit je einer Spulenregelungseinheit (101 , 102, ..., 10n) angeordnet ist, mit zumindest einem entlang des Stators (2) bewegbaren Läufer (3), an welchem eine Mehrzahl von Erregungsmagneten (Y1, ... ,YL) angeordnet ist, und mit einer Versorgungseinheit, welche ausgestaltet ist, in eine Anzahl q ≤ k von aktiven Antriebsspulen (Lm1,... ,Lmq), welche an der Bewegung des zumindest einen Läufers (3) beteiligt sind, jeweils einen elektrischen Spulenstrom (iLm1 ,... ,iLmn) einzuprägen, um ein magnetisches Antriebsfeld zu erzeugen, welches zum Bewegen des Läufers (3) mit den Antriebsmagneten (Yn1,... ,Ynk) des zumindest einen Läufers (3) zusammenwirkt, und mit einer Transportsteuerung (100), in welcher ein Positionsregelkreis (200) zur Regelung der Position (xreal) des zumindest einen Läufers (3) vorgesehen ist, und mit einer Mehrzahl von ortsfest und voneinander beabstandet angeordneten Positionssensoren (Sj), welche ausgestaltet sind, um ein Positionsmesssignal (xact) zu generieren, wobei das Positionsmesssignal (xact) eine Mess- Position (xmess) beschreibt, die um einen Positions-Messfehler (nx) von der wahren Position (xreal) des Läufers (3) abweicht, und wobei das Positionsmesssignal (xact) zumindest eine Schwingungskomponente (SK) mit einer Schwingungskomponenten-Frequenz (fK) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportsteuerung (100) ausgestaltet ist, zumindest einen Positions-Schwingungsparameter (XK) zu ermitteln, der das Schwingungsverhalten der zumindest einen Schwingungskomponente (SK) des Positionsmesssignals (xact) beschreibt, dass die Transportsteuerung (100) ausgestaltet ist, mittels einer vorgegebenen Beschreibung (Q) eines Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal (xact) und dem Positions-Messfehler (nx) aus dem zumindest einen Positions-Schwingungsparameter (XK) zumindest einen Fehler-Schwingungsparameter (NxK) zu ermitteln, welcher das Schwingungsverhalten des Positions-Messfehlers (nx) bei der Schwingungskomponenten- Frequenz (fK ) beschreibt, und dass eine Kompensationseinheit (201) vorgesehen ist, welche ausgestaltet ist, das Positionsmesssignal (xact) mittels des Fehler-Schwingungsparameters (NxK) zu einem Positionskorrektursignal (xkorr) zu korrigieren und im Positionsregelkreis (200) rückzukoppeln, um das Positionskorrektursignal (xkorr) im Positionsregelkreis (200) dazu heranzuziehen, die Position (xreal) des Läufers (3) zu regeln. 15. Electromagnetic transport device in the form of a long stator linear motor (1) or planar motor, comprising a stator (2) on which a plurality of electrical drive coils (L m1 ,...,L mn ) each with a coil control unit (101, 102,... ., 10n) is arranged, with at least one rotor (3) movable along the stator (2), on which a plurality of excitation magnets (Y 1 , ... , Y L ) is arranged, and with a supply unit, which is designed , into a number q ≤ k of active drive coils (L m1 ,... ,L mq ), which are involved in the movement of the at least one rotor (3), each an electrical coil current (i Lm1 ,... ,i Lmn ) to generate a magnetic drive field, which interacts with the drive magnets (Y n1 ,...,Y nk ) of the at least one rotor (3) to move the rotor (3), and with a transport control (100), in which has a position control loop (200) for controlling the position (x real ) of the at least one rotor (3), and with a plurality of position sensors (S j ) arranged in a fixed position and spaced apart from one another, which are designed to generate a position measurement signal (x act ), whereby the position measurement signal (x act ) describes a measurement position (x mess ) which deviates from the true position (x real ) of the rotor (3) by a position measurement error (n x ), and where the position measurement signal (x act ) has at least one vibration component (SK) with a vibration component frequency (f K ), characterized in that the transport control (100) is designed to determine at least one position vibration parameter (X K ) which determines the vibration behavior of the at least a vibration component (SK) of the position measurement signal (x act ) describes that the transport control (100) is designed by means of a predetermined Description (Q) of a relationship between the position measurement signal (x act ) and the position measurement error (n x ) from the at least one position oscillation parameter (X K ) to determine at least one error oscillation parameter (N x K ), which determines the oscillation behavior of the position measurement error (n x ) at the vibration component frequency (f K ), and that a compensation unit (201) is provided, which is designed to convert the position measurement signal (x act ) into a position correction signal ( x corr ) and to feed back in the position control loop (200) in order to use the position correction signal (x corr ) in the position control loop (200) to regulate the position (x real ) of the rotor (3).
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