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DE10161227A1 - Vorrichtung zur sicheren Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung eines Synchronmotors - Google Patents

Vorrichtung zur sicheren Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung eines Synchronmotors

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DE10161227A1
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Hans Lengenfelder
Alfons Baumgartner
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Abstract

Zur sicheren Messung der Position und/oder der Geschwindigkeit eines Synchronmotors, insbesondere eines Linearmotors, werden zwei voneinander unabhängige Positionsmeßsysteme eingesetzt. Eines der beiden Positionsmeßsysteme gewinnt sein Ausgangssignal (6) aus der Abtastung der regelmäßig angeordneten Magnete (4) des Sekundärteils (2) des Synchronmotors. Besonders vorteilhaft erfolgt die Gewinnung des Positions- und/oder Geschwindigkeitswertes durch die Auswertung der in einer Antriebsspule (3) des Primärteils (1) induzierten Spannung. Das zweite Positionsmeßsystem benötigt so weder einen eigenen Maßstab noch einen eigenen Abtastkopf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur sicheren Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung eines Synchronmotors nach Anspruch 1. Die Erfindung läßt sich für rotatorische Antriebe und besonders vorteilhaft für Linearmotoren einsetzen.
  • Synchronmotoren finden dank immer weiter entwickelter Ansteuerelektroniken viele Anwendungen in den Bereichen der Technik. Oft ist die zuverlässige Positions- oder Geschwindigkeitsregelung von größter Bedeutung für die Sicherheit von Einrichtungen und Personen, die mit diesen Einrichtungen zu tun haben. Dies gilt insbesondere für die Anwendung von Linearmotoren, die inzwischen in Ausführungen zum Einsatz kommen, die Beschleunigungswerte von mehr als der dreißigfachen Erdbeschleunigung erlauben. Um dennoch die Sicherheit einer solchen Anwendung zu gewährleisten, wird gefordert, alle sicherheitsrelevanten Elemente einer Steuerung eines Synchronmotors zweikanalig auszulegen. Als wichtiges Element einer solchen Steuerung kann dabei die Vorrichtung zum Erfassen der aktuellen Position oder der aus der Positionsänderung abgeleiteten aktuellen Geschwindigkeit eines Synchronmotors gesehen werden. Diese Größen dienen einerseits dazu, den Synchronmotor mittels einer Servo - Regelung anzusteuern, andererseits wird anhand dieser Größen auch die Einhaltung bestimmter sicherer Bereiche überwacht. Dies kann ein Bereich sein, in dem sich das Werkzeug einer Werkzeugmaschine bewegen darf, oder auch eine Maximalgeschwindigkeit, etwa beim Einrichten einer Werkzeugmaschine, wenn mit einer sicher reduzierten Geschwindigkeit das Werkzeug bei geöffneter Abdeckung bewegt werden muß.
  • Um eine sichere Erfassung der erwähnten Größen zu ermöglichen, schlägt die EP 658 832 B1 vor, ein Lageerfassungssystem zu verwenden, das einen Absolut- und einen Inkrementalgeber aufweist, sowie zwei unabhängige Prozessorsysteme zur Bildung von Positionswerten aus den beiden Gebersignalen. Ein Vergleich der beiden Positionswerte erlaubt dann ein Eingreifen, falls die Positionswerte voneinander abweichen. So wird die sichere Erfassung der Positionswerte sichergestellt. Nachteilig ist jedoch, daß zwei separate Positionsgeber verwendet werden müssen, bzw. der in einem Ausführensbeispiel beschriebene EQN-Geber nur an rotatorischen Antrieben verwendet werden kann.
  • Für lineare Synchronmotoren ist es bekannt, die durch die regelmäßige Anordnung der Magnete im Sekundärteil gegebene Teilung zur Positionsbestimmung zu verwenden. So beschreibt die JP 56166762 A das Primärteil eines Linearmotors, in dem Sensoren innerhalb der Antriebsspulen des Primärteils angeordnet sind, die durch die Abtastung der Magnete des Sekundärteils eine Erkennung der Position des Linearmotors erlauben. Eine solche Positionsmessung erlaubt aber nicht die zweikanalige Überwachung der Position, die für sicherheitsrelevante Anwendungen dringend erforderlich ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur sicheren Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung eines Synchronmotors anzugeben, die mit einfachen Mitteln realisierbar ist und dennoch eine zweikanalige Überwachung der Meßwerte erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
  • Es wird nun vorgeschlagen, in einem Synchronmotor mit einem ersten und einem zweiten Positionsmeßsystem, deren Ausgangssignale in jeweils unabhängigen Auswerteeinheiten verarbeitet werden und deren Positions- und/oder Geschwindigkeitswerte miteinander verglichen werden, das zweite Positionsmeßsystem so auszubilden, daß durch die Abtastung der regelmäßig angeordneten Magnete des Sekundärteils das Ausgangssignal des zweiten Positionsmeßsystems entsteht.
  • Eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung der Erfindung liegt vor, wenn die Ausgangssignale des zweiten Positionsmeßsystems aus der in wenigstens einer Antriebsspule des Primärteils induzierten Spannung besteht. Das zweite Positionsmeßsystem benötigt dann keine eigenen Bauteile, es wird lediglich ein bereits vorhandenes Signal zur Positionsmessung verwendet.
  • Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Fig. 1, die eine schematische Darstellung eines Linearmotors zusammen mit einem Blockschaltbild der Vorrichtung zur sicheren Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung zeigt.
  • In Fig. 1 erkennt man einen linearen Synchronmotor, hier vereinfachend Linearmotor genannt. Der Linearmotor besteht aus einem Primärteil 1, in dessen Gehäuse Antriebsspulen 3 auf einen Eisenkern 14 gewickelt sind. Das Primärteil 1 ist gegenüber dem Sekundärteil 2 in Richtung X beweglich geführt. Das Sekundärteil 2 trägt regelmäßig angeordnete Magnete 4. Durch geeignete (und hier nicht dargestellte) Ansteuerung der Antriebsspulen 3 wird eine Kraft erzeugt, die das Primärteil 1 in die gewünschte Richtung bewegt, oder auch das Primärteil 1 in einer gewünschten Position festhält. Letzteres ist etwa bei einer hängenden Achse an einer Werkzeugmaschine wichtig. Um nun eine zweikanalige Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung zu erhalten, ist am Sekundärteil 2 ein Maßstab 12 befestigt. Der Maßstab 12 kann eine Teilung verschiedenster Art aufweisen, es seien hier nur optische und magnetische Teilungen erwähnt. Zusammen mit einem entsprechenden Abtastkopf 13, der sich am oder im Primärteil 2 befindet, bildet der Maßstab 12 ein erstes Positionsmeßsystem. Je nach Bedarf kann hierbei ein absolutes Positionsmeßsystem zum Einsatz kommen (wenn nach dem Einschalten die Position des Primärteils 1 sofort bekannt sein muß) oder ein inkrementelles Positionsmeßsystem (wenn das Anfahren einer Referenzmarke zur Initialisierung einer absoluten Positionsmessung akzeptabel ist). Vorzugsweise weist dieses erste Positionsmeßsystem eine Auflösung auf, wie sie zur Lageregelung notwenig ist. Die Ausgangssignale 5 des Abtastkopfes 13 werden einer ersten Auswerteeinheit 7 zugeführt, in der ein Positionswert oder auch ein aus den Positionswerten abgeleiteter Geschwindigkeitswert gebildet wird.
  • Bewegt sich das Primärteil 1 gegenüber dem Sekundärteil 2, so wird in den Antriebsspulen 3 durch das wechselnde Feld der Magneten 4 eine Spannung induziert. Diese Spannung dient als Ausgangssignal 6 eines zweiten Positionsmeßsystems. In Analogie zum ersten Positionsmeßsystem wird hier die Anordnung der Magnete 4 als Teilung verwendet, die Antriebsspulen 3 dienen als Abtastkopf. Das Ausgangssignal 6 wird einer zweiten, von der ersten unabhängigen Auswerteinheit 8 zugeführt, die aus diesem Ausgangssignal wiederum einen Positions- und/oder Geschwindigkeitswert 10 bildet. Durch eine Interpolation des Ausgangssignals 6 kann dabei der kleinste Meßschritt des zweiten Positionsmeßsystems erheblich unter die Teilungsperiode der Anordnung der Magnete 4 (typisch etwa 32 mm) verringert werden. Berücksichtigt man die Signale zweier Antriebsspulen 3, die phasenverschobene Signale liefern, kann das zweite Positionsmeßsystem auch eine Richtungsinformation liefern.
  • Es ist auch möglich, statt der Antriebsspulen 3 andere Sensoren zu benutzen, die eine Abtastung der Magnete 4 erlauben. So können separate Spulen vorgesehen werden, aber auch Hall-Sensoren oder MR-Sensoren. Besonders vorteilhaft in der beschriebenen Ausführungsform ist aber, daß ein zweites Meßsystem realisiert wird, ohne einen zusätzlichen Maßstab 12 und ohne einen zusätzlichen Abtastkopf 13 zu benötigen.
  • Die Positions- und/oder Geschwindigkeitswerte 9, 10 der Auswerteeinheiten 7, 8 werden einem Vergleicher 11 zugeführt, der bei einer Abweichung der entsprechenden Werte erkennt, daß ein Positionsmeßsystem fehlerhaft arbeitet und darauf eine Aktion zur Sicherung der Anwendung auslösen kann, etwa durch eine Notabschaltung. Da Position und Geschwindigkeit zweikanalig erfaßt und überprüft werden können, ist es mit einer solchen Anordnung möglich, etwa auf mechanische Endschalter zu verzichten und statt dessen, etwa im Vergleicher 11, die aktuelle Position auf Einhaltung bestimmter Vorgaben zu überprüfen. Auch kann durch die sichere Erfassung der Geschwindigkeit die Einhaltung einer vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit überwacht werden, beispielsweise bei sicher reduzierter Geschwindigkeit im Einrichtbetrieb einer Werkzeugmaschine.
  • Es wurde im Ausführungsbeispiel ein Linearmotor mit beweglichem Primärteil 1 beschrieben. Die Erfindung läßt sich aber auch für Linearmotoren mit beweglichem Sekundärteil einsetzen. Beide Varianten sind natürlich auch für rotatorische Synchronmotoren möglich. Ebenso ist der Einsatz in Synchronmotoren mit einem Primärteil 1 ohne Eisenkern 14 möglich.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur sicheren Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung eines Synchronmotors mit einem Primärteil (1) mit Antriebsspulen (3) und einem Sekundärteil (2) mit regelmäßig angeordneten Magneten (4), mit einem ersten und einem zweiten Positionsmeßsystem, deren voneinander unabhängige Ausgangssignale (5, 6) von der Positionierung des Primärteils (1) relativ zum Sekundärteil (2) abhängen, und deren Ausgangssignale (5, 6) in unabhängigen Auswerteeinheiten (7, 8) zu Positions- und/oder Geschwindigkeitswerten (9, 10) verarbeitet werden, sowie einem Vergleicher (11), der durch Vergleich der Positions- und/oder Geschwindigkeitswerte (9, 10) die korrekte Erfassung der Position und/oder Geschwindigkeit sicherstellt, wobei das Ausgangssignal (6) des zweiten Positionsmeßsystems durch eine Abtastung der regelmäßig angeordneten Magnete (4) entsteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Ausgangssignal (6) des zweiten Positionsmeßsystems aus der in wenigstens einer Antriebsspule (3) induzierten Spannung gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Synchronmotor ein Linearmotor ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Linearmotor ein ortsfestes Sekundärteil (2) und ein relativ dazu bewegliches Primärteil (1) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, bei der mit dem Sekundärteil (2) ein Maßstab (12) des ersten Positionsmeßsystems verbunden ist und mit dem Primärteil (1) ein Abtastkopf (13) zur Abtastung des Maßstabes (12) verbunden ist, der das Ausgangssignal (5) des ersten Positionsmeßsystems liefert.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Positionswerte und/oder Geschwindigkeitswerte (9, 10) der unabhängigen Auswerteeinheiten (7, 8) im Vergleicher (11) auf Einhaltung von Positionierungsgrenzen und/oder Geschwindigkeitsgrenzen überprüfbar sind.
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