DE10135540A1

DE10135540A1 - Meßvorrichtung und Verfahren zur Regelung von Elektromotoren

Info

Publication number: DE10135540A1
Application number: DE10135540A
Authority: DE
Inventors: Markus Knorr; Gerhard Matscheko
Original assignee: Siemens Linear Motor Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-21
Also published as: WO2003012972A1; DE10135540B4

Abstract

Beschrieben werden eine Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung der Position eines bewegbaren Motorteils (40) mit Bezug auf ein feststehendes Motorteil (10) eines Linearmotors. Zur Ermittlung der Position sind am bewegbaren Motorteil (40) eine Reihe von Magnetfeldsensoren (60) vorgesehen, die das Magnetfeld von Permanentmagneten (20) erfassen, um daraus einen Positionswert zu ermitteln. DOLLAR A Vorzugsweise haben die Magnetfeldsensoren (60) untereinander einen Abstand, der sich von dem Abstand der Permanentmagneten (20) unterscheidet, so daß die Magnetfeldsensoren Signale mit unterschiedlichen Phasen ausgeben, was zur Erhöhung der Genauigkeit der Positionsbestimmung ausgenutzt werden kann ("Nonius-Prinzip"). DOLLAR A Zusätzlich oder alternativ kann der feststehende Motorteil (10) eine Magnetspur (30) tragen, auf der Positionsinformation oder Information zur Kommutierung kodiert sein kann. Die Magnetspur wird von einem Lesekopf (nicht dargestellt) am bewegbaren Motorteil (40) gelesen. DOLLAR A Des weiteren wird ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit bei einem Inkrementsignalgeber beschrieben. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, Taktsignale eines Taktgebers zwischen zwei Inkrementsignalen zu zählen und zu dem Abstand, der den Inkrementsignalen entspricht, in Beziehung zu setzen. Durch diese Vorgehensweise wird vermieden, daß der Regler bei geringen Geschwindigkeiten eine fehlerhafte Regelung durchführt. Dies kann auftreten, wenn in einer festen Meßzeit keine Inkrementsignale ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Ermittlung der Lage und der Geschwindigkeit zur Regelung eines Elektromotors.

Bei elektrischen Linearmotoren ist es zur Ermittlung der Lage üblich, an einem feststehenden Motorteil, in der Regel ein Sekundärteil mit mehreren Permanentmagneten, einen Maßstab anzubringen, der durch einen Lesekopf an einem bewegbaren Motorteil, normalerweise ein mit Wicklungen versehener Primärteil, angebracht ist, abgelesen wird. Normalerweise werden dazu optische Einrichtungen eingesetzt, die relativ kostenaufwendig sind und im Betrieb schadensanfällig sind. Desweiteren ist zu berücksichtigen, daß für manche Einsatzzwecke die hohe Auflösung optischer Systeme nicht erforderlich ist.

Grundsätzlich die gleichen Überlegungen gelten auch für drehende Elektromotoren, die mit Drehgebern oder dgl. ausgestattet sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und robuste Vorrichtung zum Ermitteln der Lage eines Motorteils zum Regeln eines Elektromotors anzugeben sowie Verfahren zum Regeln von Elektromotoren.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, an einem Motorteil die Magnetfeldstärke des anderen Motorteils zu ermitteln und aus der Magnetfeldstärke oder deren Änderung Daten hinsichtlich der Position bzw. der Geschwindigkeit zu ermitteln.

Bei Synchronmotoren, die aneinander gereihte Permanentmagnete aufweisen, wird dabei vorzugsweise das Magnetfeld der Permanentmagnete zur Positionsfeststellung ermittelt.

Insbesondere wird vorgeschlagen, lokal die Magnetfeldstärke an mehreren Punkten zu ermitteln, die in Bewegungsrichtung des Motorteils voneinander beabstandet sind, wobei, die Abstände zwischen den einzelnen Stellen sich von den Abständen der Permanentmagnete unterscheiden sollten. Auf diese Weise ergeben sich an den einzelnen Meßstellen unterschiedliche Phasen des Meßsignals, was zur Erhöhung der Genauigkeit ausgenutzt werden kann ("Nonius-Prinzip"). Dementsprechend sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere Magnetfeldsensoren vorgesehen, wobei die Sensoren vorzugsweise den Spulen eines Primärteils zugeordnet sind.

In einer alternativen Ausführungsform wird beispielsweise eine Magnetspur auf eines der Motorteile aufgebracht, die von einem Magnetlesekopf am anderen Motorteil gelesen wird. Diese Magnetspur kann beispielsweise aus magnetisierbarem Kunststoff oder Gummimaterial bestehen, die vorzugsweise bei einem Linearmotor auf einem Sekundärteilkühler zur Gewährleistung der thermischen Genauigkeit angebracht wird. Bei einem Rotationsmotor wird die Magnetspur bei der Produktion auf der Läuferinnenseite oder der Stirnseite (Magnettrommel) aufgebracht.

Neben Informationen hinsichtlich der Position als Inkrementalinformation oder Absolutinformation kann die Magnetspur auch Informationen hinsichtlich der Kommutierung eines Motors enthalten.

Um die erforderliche Synchronität zwischen der Lage der Permanentmagnete und der Information auf der Magnetspur sicherzustellen, kann bei Inbetriebnahme beispielsweise der Lesekopf zum Beschreiben der Magnetspur verwendet werden, wobei über den bewegbaren Motorteil das auf die Spulen des Motorteils einwirkende Magnetfeld der Permanentmagnete geeignet zum Beschreiben der Magnetspur verwendet wird.

Zwar ist es grundsätzlich bekannt, bei Linearmotoren Magnetfeldsensoren, nämlich Hallsensoren, einzusetzen, diese Sensoren werden aber nur bei Inbetriebnahme zur Kommutierung einmalig verwendet und sind im späteren Betrieb unnutzer Ballast.

Bei Meßverfahren und Vorrichtungen, die mit Inkrementalsignalen arbeiten, kann es bei relativ geringen Geschwindigkeiten zu Regelfehlern kommen, was auch bei den oben beschriebenen Verfahren bzw. Vorrichtungen möglich ist.

Der Grund liegt darin, daß konventionell bei digital geregelten Antrieben ein Geschwindigkeitssignal durch Differenzierung oder Differenzenquotientenbildung eines Positionssignals gebildet wird. Dies erfolgt in der Regel dadurch, daß in einem Taktzyklus eines Taktgebers die Anzahl von Inkrementsignalen gezählt wird und daraus das Geschwindigkeitssignal abgeleitet wird. Bei sehr kleinen Geschwindigkeiten kann es dann vorkommen, daß während eines Zyklus keine Inkrementsignale ankommen und dies als Geschwindigkeit Null interpretiert wird. Kommt dann im nächsten Takt ein Lageinkrementsignal im Regler an, wird der Geschwindigkeitswert beim nächsten Takt von Null auf eine endliche Geschwindigkeit eingestellt. Dies kann zu großen Stromsprüngen und damit zu unruhigem Antriebsverhalten bezüglich Gleichlaufen und Geräusch führen. Diesem Problem könnte man abhelfen, indem man zu einer feineren Positionsangabe übergeht, dies erhöht jedoch die Kosten erheblich. Die Zwischenschaltung von Glättungsfiltern führt zwar zu einer gewissen Unterdrückung der Unruhe im Antrieb, geht jedoch im Allgemeinen auf Kosten der Dynamik des Antriebs.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, anders als bei der konventionellen Regelung vorzugehen und nicht die Inkrementsignale während einer Taktzeit zu zählen, sondern die Inkrementsignale als Auslöser bzw. als Endsignal für die Zählung von Taktsignalen zu verwenden. Auf diese Weise kann die Zeit im Nenner der Differenzbildung deutlich länger als ein Rechentakt sein, und es wird eine wesentlich feinere Geschwindigkeitswertdarstellung möglich, insbesondere ist es hierbei nicht erforderlich, eine feste Meßzeit vorzugeben; die Meßzeit paßt sich aufgrund des Auftretens von Signalen automatisch an.

Um bei hohen Geschwindigkeiten Regelfehler zu vermeiden, die auftreten können, wenn das Zeitintervall zwischen zwei Inkrementsignalen kleiner wird als ein Taktzyklus, kann in diesem Fall zu der konventionellen Regelstrategie übergegangen werden. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, daß man ein erstes Geschwindigkeitssignal nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt sowie ein zweites Geschwindigkeitssignal nach dem konventionellen Verfahren und daß man diese Geschwindigkeitssignale gewichtet aufsummiert. Dabei ist das Gewicht des ersten Geschwindigkeitssignals bei geringen Geschwindigkeiten groß und bei hohen Geschwindigkeiten klein, das Gewicht des zweiten Geschwindigkeitssignals bei geringen Geschwindigkeiten klein und bei hohen Geschwindigkeiten groß.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen elektrischen Linearmotor in schematischer Längsseitenansicht;

Fig. 2 eine Draufsicht des Motors der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Stirnseitenansicht des Motors der Fig. 1.

Der in den Figuren dargestellte elektrische Linearmotor hat in an sich bekannter Weise einen Sekundärteil mit einer Trägerplatte 10 und darauf aufgebrachten Permanentmagneten 20, die linear aneinander gereiht sind. Über einen Luftspalt wirkt der Sekundärteil mit einem Primärteil zusammen, der einen Körper 40 und darin aufgenommene Wicklungen 50 aufweist. Dabei ist das Polteilungsmaß a der Wicklungen 50 des Primärteils unterschiedlich zu den gegenseitigen Abständen b der Permanentmagnete 20 des Sekundärteils.

Erfindungsgemäß ist der Primärteil mit mehreren Magnetfeldsensoren 50 versehen. Die Magnetfeldsensoren 60 sind in den Spulen 50 angeordnet und sind auf die Permanentmagnete 20 gerichtet, wie durch den Pfeil in Fig. 3 dargestellt ist.

Da sich das Polteilungsmaß a der Wicklungen von den Abständen b der Permanentmagnete unterscheidet, erfassen die einzelnen Magnetfeldsensoren 60 Magnetfelder der Permanentmagnete 20 lokal in unterschiedlichen Phasen. Durch geeignete Auswertung dieser Signale kann die Position festgestellt werden, bzw. kann die Genauigkeit erheblich erhöht werden ("Nonius-Prinzip").

Zwar sind in den Figuren jeweils zwei Magnetfeldsensoren 60 pro Spule vorgesehen, grundsätzlich ist jedoch ein Magnetfeldsensor pro Spule ausreichend.

Fig. 2 zeigt desweiteren eine Magnetspur 30, die seitlich neben der Reihe der Permanentmagnete 20 auf dem Träger 10 des Sekundärteils aufgebracht ist. Diese Magnetspur 30 kann beispielsweise aus magnetisierbarem Gummi oder Kunststoff bestehen und ist am Träger 10 fixiert.

In der Magnetspur sind Informationen beispielsweise hinsichtlich der Position als Absolutwert oder Inkrementwert und/oder zur Kommutierung kodiert, und diese Information wird von einem einzelnen Lesekopf (nicht dargestellt) aus der Magnetspur ausgelesen.

Die beiden Vorschläge der Auswertung des Magnetfelds der Permanentmagnete bzw. das Lesen einer Magnetspur können als Alternativen angesehen werden oder miteinander kombiniert werden, beispielsweise indem in einer Magnetspur Absolutwerte gespeichert werden (beispielsweise Magnetnummern) und das Magnetfeld der Permanentmagnete zur Positionsermittlung zwischen den Magneten genutzt wird. In diesem Fall ist auch ein einzelner Magnetfeldsensor zur Ermittlung der Position aus dem Magnetfeld der Permanentmagnete ausreichend.

Beide erfindungsgemäßen Alternativen können beispielsweise als Inkrementgeber eingesetzt werden, die bei zunehmendem Weg jeweils Inkrementimpulse ausgeben. Bei kleinen Geschwindigkeiten wird dabei vorzugsweise das Zeitintervall zwischen zwei Inkrementimpulsen ermittelt, d. h. die Taktsignale eines Taktgebers werden gezählt. Aus dem bekannten räumlichen Abstand, der den Inkrementsignalen entspricht, und der Anzahl der Taktimpulse kann ein Geschwindigkeitssignal für eine Geschwindigkeitsregelung ermittelt werden. Bei hohen Geschwindigkeiten wird demgegenüber die Anzahl der Inkrementimpulse während eines Taktintervalls ermittelt und daraus die Geschwindigkeit berechnet.

Um einen "weichen" Übergang zwischen den Regelgrößen zu gewährleisten, können die beiden Geschwindigkeitssignale zu einem resultierenden Geschwindigkeitssignal gemäß der folgenden Beziehung kombiniert werden:

G_R = A × G₁ + B × G₂, wobei

G_R die Regelgeschwindigkeit ist,
G₁ das erste Geschwindigkeitssignal,
G₂ das zweite Geschwindigkeitssignal,
A, B geschwindigkeitsabhängige Koeffizienten sind, für die gilt
A + B = 1,
A = 1, B = 0 bei kleinen Geschwindigkeiten,
A = 0, B = 1 für hohe Geschwindigkeiten,
A = B = 0,5 für mittlere Geschwindigkeiten im Übergangsbereich.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Koeffizienten A, B, kontinuierlich geschwindigkeitsabhängig zu gestalten.

Regelschemata zur Geschwindigkeitsregelung von Motoren sind allgemein bekannt und werden deshalb hier nicht im einzelnen beschrieben. Ebenfalls nicht im einzelnen beschrieben werden die Magnetfeldsensoren, für die alle gängigen Typen eingesetzt werden können, beispielsweise Hallsensoren oder Spulen.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln der Position eines ersten Motorteils eines Elektromotors mit Bezug auf einen zweiten Motorteil, der ein stationäres Magnetfeld aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man am ersten Motorteil lokal die Magnetfeldstärke des zweiten Motorteils ermittelt und daraus die Position des ersten Motorteils ableitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Motorteil eine Anzahl von Wicklungen (50) aufweist und der zweite Motorteil eine Anzahl von Permanentmagneten (20) aufweist und daß man das Magnetfeld der Permanentmagnete (20) ermittelt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Magnetfeldstärke an mehreren Stellen des ersten Motorteils lokal ermittelt, die in Bewegungsrichtung des Motors voneinander beabstandet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Motorteil eine Magnetspur (30) trägt und daß man das Magnetfeld der Magnetspur ermittelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Magnetspur mit Lageinformationen kodiert.

6. Vorrichtung zur Ermittlung der Lage eines Wicklungen tragenden Primärteils eines Elektromotors in Bezug auf einen Sekundärteil, der voneinander beabstandete Permanentmagnete (20) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärteil mehrere in Bewegungsrichtung des Motors voneinander beabstandete Magnetfeldsensoren (60) trägt, die auf das Sekundärteil gerichtet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen den Magnetfeldsensoren sich von dem Abstand (b) zwischen den einzelnen Permanentmagneten (20) unterscheidet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wicklung (50) ein Magnetfeldsensor (60) zugeordnet ist.

9. Linearmotor mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8.

10. Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines bewegbaren Elektromotorteils aus Inkrementsignalen eines Positionsdetektors und Taktsignalen eines Taktgebers, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Ermittlung eines ersten Geschwindigkeitssignals (G₁) die Taktsignale zwischen jeweils zwei Inkrementsignalen zählt und die Summe zu dem Abstand, der den zwei Inkrementsignalen entspricht, in Beziehung setzt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Ermittlung eines zweiten Geschwindigkeitssignals die Inkrementsignale zwischen zwei Taktsignalen zählt und den entsprechenden Abstand zu der Zykluszeit zwischen zwei Taktsignalen in Beziehung setzt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man das erste und das zweite Geschwindigkeitssignal zu einem Resultatgeschwindigkeitssignal gewichtet summiert, wobei bei geringen Geschwindigkeiten das erste Geschwindigkeitssignal ein hohes Gewicht hat, bei hohen Geschwindigkeiten das zweite Geschwindigkeitssignal.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Resultatgeschwindigkeitssignal (G_R) aus der folgenden Beziehung ermittelt wird:

G_R = A × G₁ + B × G₂, wobei

A + B = 1.