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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem
gemäß Anspruch
1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch
10.
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Permanentmagnet-Motoren haben sich
als Antriebsquellen in Einsatzfällen
u.a. mit stark variierenden Drehzahlen und Stillständen als
sehr vorteilhaft erwiesen, da sie eine sehr präzise Drehmomentsteuerung ermöglichen
und mit gutem Wirkungsgrad, d.h. mit moderater Leistungsaufnahme
und geringer Wärmeabgabe,
arbeiten. Für
die sogenannte Vektorsteuerung von Permanentmagnet-Motoren wird
entweder ein Sensor für
die Winkelgeschwindigkeit in Kombination mit drei Positionssensoren
für die
Winkelposition des Rotors benötigt,
oder es werden die erforderlichen Informationen auf rechnerische
Weise anhand von im Betrieb gemessenen Parametern annäherungsweise
ermittelt.
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Der aus
EP 1 052 766 A bekannte Permanentmagneten-Motor
arbeitet ohne Positionssensoren. Die Winkelgeschwindigkeits- und
die Winkelpositions-Informationen werden zum Durchführen der Vektorsteuerung
ermittelt durch Auswerten der mittels eines Shunt-Widerstands gemessenen
Ströme
in den Phasen. Die Nulldurchgänge
der elektromotorischen Gegenkraft werden dann als Referenzzeiten benutzt.
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In PCT/EP02/10700 wird bei einem
mit sinusförmigem
Verlauf erregten Permanentmagnet-Motor ohne Positionssensoren vorgeschlagen, über die
gemessene elektromotorische Gegenkraft, die der Rotor in der Statorwicklung
induziert, die jeweilige Rotordrehposition zu berechnen, um eine permanente
Vektorsteuerung durchzuführen.
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Bei einem aus
US 4 814 677 bekannten Permanentmagnet-Motor
ohne Positionssensoren werden die Spannung bzw. der Strom für die Windungen überwacht,
um die Spannungs- bzw. Stromsignale über einen Dreiphasen/Zweiphase-Konverter
zu steuern.
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Permanentmagnetmotoren lassen sich
bei speziellen Betriebsbedingungen nicht optimal betreiben, z.B.
wenn, wie erwähnt,
deutlich unterschiedliche Drehzahlen und Stillstandsphasen zu beherrschen
sind. Bei sehr stark variierenden Drehzahlen ist nämlich eine
für jede
Drehzahl optimale Vektorsteuerung mit optimalem Wirkungsgrad oder
optimalem Drehmoment schwierig. Bei häufigen Stillständen ist
bei jedem Anlauf eine Zeitverzögerung
in Kauf zu nehmen, ehe der aktuelle Rotordrehwinkel wieder aufgefunden
und die Vektorsteuerung wieder optimal durchführbar ist. Ein besonderes Problem
bewirken externe Kräfte,
die den Rotor, z.B. im Stillstand, in der vorhergehenden Drehrichtung
weiterdrehen oder sogar zurückdrehen,
weil dann der aktuelle Rotordrehwinkel nicht mehr bekannt ist. Diese
Nachteile sind im besonderen bei Wickelantriebsmotoren für Fadenliefergeräte unerwünscht, die
im Stillstand häufig
externen Kräften
elastischer Komponenten im Fadenliefergerät und/oder des Fadens ausgesetzt
sind, oder deren Wickelelement gewollt oder zufällig von Hand verdreht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Sensorsystem sowie ein Verfahren zur Vektorsteuerung anzugeben,
die diese Nachteile vermeiden. Das Sensorsystem soll vor allem auch
im Stillstand oder bei niedriger Anlaufgeschwindigkeit exakte Informationen
bereitstellen, die eine optimale Vektorsteuerung ohne Zeitverzögerung ermöglichen.
Ein wichtiger Aspekt liegt darin, ein Sensorsystem sowie ein Verfahren
zur Vektorsteuerung insbesondere für einen Permanentmagnet-Motor
als Wickelantrieb eines Fadenliefergeräts anzugeben, mit denen der Permanentmagnet-Motor
seine positiven Betriebseigenschaften auch unter den komplexen Anforderungen
bei der Fadenlieferung optimal erbringt.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und des Verfahrensanspruchs 10 gelöst.
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Da die Sektor-Permanentmagneten die
Hallsensoren auch im Stillstand des Motors und auch beim Anlaufen
selbst bei sehr niedriger Geschwindigkeit aktivieren, verfügt der Mikroprozessor
mit der Hilfe des Nullpunktsignals jederzeit über die Information, welcher
Sektor innerhalb der 360° des
Rotorumfangs sich bei den Hallsensoren befindet. Diese Information
ist auch im Stillstand verfügbar.
Zusätzlich vermag
der Mikroprozessor aus der zumindest zeitweisen Überlappung der aktuellen Winkelsignale die richtige
Drehrichtungsinformation abzuleiten, selbst im Fall externer und
den Rotor im Stillstand verdrehender Kräfte, so dass der Mikroprozessor
den Statorvektor optimal einstellen kann. Der Mikroprozessor kann
in anderen Worten jeder durch eine externe Kraft bewirkten Verdrehung
des Rotors folgen. Außerdem
ist bereits beim Anlaufen selbst bei niedriger Motorgeschwindigkeit
umgehend die korrekte Drehwinkelinformation verfügbar, die die optimale Vektorsteuerung
ermöglicht.
Das Sensorsystem ist besonders für
die Vektorsteuerung eines Permanentmagneten als Wickelantrieb eines
Fadenliefergeräts zweckmäßig, bei
dem häufig
unvorhersehbare externe Kräfte
insbesondere im Stillstand zu wirken pflegen.
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Das Verfahren ist zur optimalen Vektorsteuerung
zweckmäßig, insbesondere
für den
Permanentmagnetmotor als Wickelantrieb eines Fadenliefergeräts, weil
es jederzeit zumindest die Information des vor den Hallsensoren
positionierten Sektors ermittelt und außerdem durch externe Kräfte bewirkten
Verdrehbewegungen des Rotors präzise
folgt und dabei auch die Drehrichtung erkennt, so dass der Statorvektor
zum neuerlichen Anlaufen des Motors optimal und verzögerungsfrei
eingestellt werden kann.
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Zweckmäßig werden ein digitaler und
ein analoger Hallsensor vorgesehen. Beide Hallsensoren sprechen
auf die Sektor-Permanentmagneten an. Der Nullpunkt-Permanentmagnet
aktiviert hingegen beim Vorbeigang den analogen Hallsensor, dessen
Signal einen Referenzdrehwinkel repräsentiert, damit der Mikroprozessor
bei jedem aktuellen Winkelsignal erfährt, welcher Sektor bei den
Hallsensoren angelangt ist.
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Bei einer alternativen Ausführungsform
sind zwei digitale Hallsensoren für die Sektor-Permanentmagneten
und ein dritter analoger oder digitaler Hallsensor nur für den Nullpunkt-Permanentmagneten vorgesehen.
Dies vereinfacht die korrekte Signalbeurteilung.
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Eine relativ hohe Auflösung ergibt
sich mit vierundzwanzig Sektor-Permanentmagneten, die Sektoren von
jeweils 15° definieren.
Die Anzahl der Sektor-Permanentmagneten kann auch höher oder niedriger
sein und ist indirekt abhängig
von der Anzahl der Pole des Motors.
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Um dem Mikroprozessor die Signalauswertung
zu erleichtern, sind die Hallsensoren an getrennte Eingänge angeschlossen.
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Besonders zweckmäßig ist im Mikroprozessor zusätzlich ein
Programmteil vorgesehen, mit dem der Rotordrehwinkel anhand motorlaufabhängiger Änderungen
elektromotorischer Kräfte
zur Vektorsteuerung ermittelt wird, zusammen mit einem Programmteil
zum geschwindigkeitsabhängigen
Umschalten zwischen zwei Auswerteroutinen. Nur während des Stillstandes und
beim Anlaufen werden die Hallsensorsignale ausgewertet, hingegen
die Änderungen
der elektromotorischen Kräfte
ignoriert. Oberhalb einer vorbestimmten Motorlaufgeschwindigkeit werden
hingegen die Signale der Hallsensoren ignoriert und nur mehr die Änderungen
der elektromotorischen Kräfte
abgetastet. Auf diese Weise ist über
einen weiten Drehzahlbereich und auch beim Anlaufen aus dem Stillstand
eine optimale Vektorsteuerung möglich.
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Obwohl die Permanentmagneten und
die Hallsensoren in den Motor eingegliedert werden könnten, ist
es gegebenenfalls zweckmäßiger, die Permanentmagneten
an einem mit dem Rotor gekoppelten Träger anzuordnen, um das Grundkonzept des
Motors nicht modifizieren zu müssen.
Ferner werden Interferenzen zwischen den Permanentmagneten und den
Magneten im Motor und den Hallsensoren zuverlässig ausgeschlossen.
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Bei einem als Wickelantriebsmotor
eines Fadenliefergeräts
dienenden Permanentmagnet-Motor wird der Rotor über eine Welle mit dem Wickelelement
gekoppelt, das entweder eine Wickelscheibe oder eine Wickeltrommel
ist, und sind die Permanentmagneten an dem Wickelelement angeordnet,
während
sich die Hallsensoren in der Nachbarschaft der Umlaufbahn der Permanentmagneten
im Fadenliefergerät
befinden. Die präzisen
Informationen, die für die
permanente Vektorsteuerung des Permanentmagnet-Motors beschafft
werden, können
dann vom Mikroprozessor zusätzlich
benutzt werden, um das Wickelelement in wenigstens eine vorbestimmte
Drehposition einzustellen, wenn der Permanentmagnet-Motor angehalten
wird. Diese Drehposition kann für
sekundäre
Funktionen in dem Fadenliefergerät, z.B.
zum automatischen Einfädeln
eines neuen Fadens, zweckmäßig sein.
Weiterhin können
die permanent abgegriffenen Informationen dazu benutzt werden, ein
Zurückdrehen
des Rotors ge gebenenfalls unter durch den Faden ausgeübten Kräften zu vermeiden,
indem ein Haltedrehmoment einer Größe generiert wird, die sowohl
das Zurückdrehen
als auch das Weiterdrehen des Wickelelements verhindert.
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Zweckmäßig ist der Mikroprozessor
in einer Fadenliefergerät-Steuerung
enthalten, die den Permanentmagnet-Motor steuert, und zur fadenvorratsgrößenabhängigen Steuerung
des Wickelantriebsmotors auch an eine Fadenvorratssensorik angeschlossen
ist. Die Signale der Fadenvorratssensorik bestimmen, ob der Wickelantriebsmotor
angetrieben oder stillgesetzt bzw. beschleunigt oder verzögert werden
muss, wobei im Stillstand und im Betrieb die über die Permanentmagneten und
die Hallsensoren beschafften Informationen vom Mikroprozessor zur Motorsteuerung
und/oder für
sekundäre
Funktionen im Fadenliefergerät
benutzt werden.
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Um die Vektorsteuerung über einen
möglichst
großen
Drehzahlbereich und auch beim Anlaufen aus dem Stillstand optimieren
zu können,
wird verfahrensgemäß oberhalb
einer vorbestimmten Motorlaufgeschwindigkeit der Statorvektor in
Abhängigkeit
von Änderungen
der elektromotorischen Kräfte, insbesondere
der vom Rotor im Stator bewirkten Gegenkräfte (z.B. PCT/EP02/10700) und/oder
durch Messen der Spannung bzw. des Stroms in den Windungen des Stators
(z.B.
US 4 814 677 )
verstellt, wobei die Hallsensorsignale ignoriert werden. Umgekehrt
wird im Stillstand und beim Anlaufen der Statorvektor unter Berücksichtigung
der Hallsensorsignale eingestellt.
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Innerhalb jedes Sektors werden mehrere voneinander
unterschiedliche Signalkombinationen generiert, die der Mikroprozessor
als Code liest, aus dem er die Drehsicherung und, in Zuordnung zum Nullpunktsignal,
den jeweiligen Sektor erkennt. Aus den unterschiedlichen Signalkombinationen
lassen sich zusätzlich
vom Mikroprozessor als weitere Informationen sogar weitere Rotordrehwinkelpositionen innerhalb
des Sektors ableiten. Dadurch wird eine relativ zur Anzahl der Permanentmagneten
höhere
Auflösung
bei der Positionsdetektion erzielt. Andererseits bietet die höhere Auflösung die
Möglichkeit,
die Anzahl der Sektor-Permanentmagneten zu reduzieren bzw. die Sektoren
zu vergrößern.
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Anhand der Zeichnung wird eine Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
eines Permanentmagnet-Motors als Wickelantriebsmotor eines Fadenliefergeräts,
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2 einen
Querschnitt des Fadenliefergeräts
von 1,
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3 ein
Diagramm zu einer Art einer Positionsdetektierung,
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4 ein
Diagramm zu einer anderen Art einer Positionsdetektierung,
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5 eine
Tabelle der Signalauswertung im Mikroprozessor, und
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6 eine
Tabelle als Resultat der Signalauswertung von 3.
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Ein Fadenliefergerät F in den 1 und 2 ist ein Schussfaden-Liefergerät für eine Webmaschine. Die
Erfindung ist jedoch auch bei Fadenliefergeräten für Strickmaschinen (nicht gezeigt),
die beispielsweise als Wickelelement eine drehbare Fadenspeichertrommel
aufweisen, oder für
andere fadenverarbeitende Maschinen anwendbar.
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Das Fadenliefergerät F in den 1 und 2 weist ein Gehäuse 1 mit einem Zusatzkomponenten enthaltenden
Gehäuseausleger 2 auf.
Im Gehäuse 1 ist
eine hohl ausgebildete Welle 3 in Drehlagern 4 drehbar
gelagert, die an ihrem freien Ende unterhalb des Gehäuseauslegers 2 eine
Speichertrommel D stationär
hält. Damit
sich die Speichertrommel D nicht mit der Welle 3 mitdrehen
kann, sind im Gehäuse
Permanentmagneten 12 stationär angeordnet, die mit in der
Speichertrommel D untergebrachten, nicht gezeigten Permanentmagneten
durch ein Wickelelement W hindurch magnetisch zusammenwirken.
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Als elektrischer Wickelantrieb dient
ein elektrischer Synchronmotor, insbesondere ein Permanentmagnet-Motor
PM, der einen auf der Welle 3 angeordneten Rotor R und einen
Statorteil ST aufweist. Der Statorteil ST ist beispielsweise durch
eine Positionierhilfe 13 (2)
in einer vorbestimmten Drehposition im Gehäuse 1 fixiert.
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Bei der gezeigten Ausführungsform
ist im Gehäuseausleger 2 eine
elektronische Motorsteuervorrichtung CU mit einem Mikroprozessor
MP untergebracht, die mit einer Fadenvorratssensorik 8 signalübertragend
verbunden ist und die Geschwindigkeit, das Drehmoment und die Stillstandsphasen
des Permanentmagnet-Motors PM beispielsweise in Abhängigkeit
von der Größe des durch
Fadenwindungen auf der Speichertrommel D gebildeten Fadenvorrats
steuert. Ferner ist im Gehäuseausleger 2 eine Fadeneinfädelstrecke 9 vorgesehen,
die mit einer nicht dargestellten, bordeigenen, pneumatischen Einfädelvorrichtung
zusammenwirkt, um einen neuen Faden einzufädeln. Am Gehäuseausleger 2 ist
ferner eine Abzugsöffnung 7 für den Faden
platziert.
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Der Permanentmagnet-Motor PM wird
durch den Mikroprozessor MP mittels eines Sensorsystems SS gesteuert
vektorgesteuert, d.h., im Stator ST wird ein elektromagnetischer
Vektor erzeugt, der mit einem jeweils optimalen Winkelvoreilung
gegenüber einem
Rotor erzeugten Vektor verstellt wird. Zusätzlich kann der Mikroprozessor
MP Programmteile zur Vektorsteuerung anhand abgetasteter Änderungen elektromotorischer
Kräfte,
insbesondere der Gegenkräfte
vom Rotor und/oder anhand von Messungen der Spannung bzw. des Stroms
in den Statorwindungen, und zur Umschaltung zwischen einer solchen Vektorsteuerung
(oberhalb einer bestimmten Laufgeschwindigkeit) und der Vektorsteuerung
mit dem Sensorsystem SS (im Stillstand und beim Anlaufen) aufweisen.
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Das Wickelelement W ist auf der Welle 3 angeordnet
und besitzt einen Auslass 6. Die Drehwinkelposition des
Auslasses 6 ist in Bezug auf den Rotor R baulich festgelegt.
Das Wickelelement W ist hier eine trichterförmige Scheibe 10 und
enthält
ein mit dem Auslass 6 endendes, nicht im Detail gezeigtes Wickelrohr,
von dem der durch die Welle 3 eingezogene, nicht gezeigte
Faden in nebeneinanderliegenden Windungen auf die Speichertrommel
D aufgewickelt wird.
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Das Sensorsystem SS weist dem Rotor
R zugeordnete, diesen in gleich großen Sektoren innerhalb 360° unterteilende
Sektor-Permanentmagneten 11 auf, die bei der ge zeigten
Ausführungsform,
z.B. beim Außenumfang
der trichterförmigen
Scheibe, in regelmäßigen Umfangsabständen angeordnet
sind, z.B. zwölf
Sektor-Permanentmagneten 11. Es könnten auch mehr, z.B. 24 oder
weniger Sektor-Permanentmagneten 11 vorgesehen sein. Alle
Sektor-Permanentmagneten 11 haben die gleiche Polung, beispielsweise
den Nordpol nach außen
weisend, während
der Südpol
zur Welle 3 weist. Der Umlaufbahn der Permanentmagneten 11 sind
mindestens zwei Hallsensoren H1, H2 in stationärer Anordnung und mit einer
gegenseitigen Versetzung in Umlaufrichtung zugeordnet.
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Die Hallsensoren H1, H2 können digitale und/oder
analoge Hallsensoren sein. Bei zwei Hallsensoren H1, H2 operiert
einer digital, und der andere analog. Bei drei Hallsensoren (nicht
gezeigt) operieren zwei digital und der dritte analog oder digital.
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2 zeigt
die geometrische Verteilung von Pole definierenden Permanentmagneten
P im Rotor R und den Statorteil ST nur in schematischer Darstellung
(ohne die darin angeordneten Statorwicklungen). Zusätzlich ist
wenigstens ein Nullpunkt-Permanentmagnet 14, zweckmäßig in der
Mitte zwischen zweien der Sektor-Permanentmagneten 11,
z.B. im Sektor Nr. 1 im Wickelelement W platziert. Die Polung des
zusätzlichen
Nullpunkt-Permanentmagneten 14 ist gegenüber den
untereinander gleichen Polungen der Sektor-Permanentmagneten 11 umgekehrt (der
Südpol
ist nach außen
gerichtet, während
der Nordpol zur Welle 3 gerichtet ist).
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Die Geschwindigkeitssteuervorrichtung
CU mit ihrem Mikroprozessor MP führt
mittels des Sensorsystems SS eine permanente Vektorsteuerung des
Permanentmagnet-Motors
PM durch, wobei permanent die Drehposition des Rotors R ermittelt
und der Statorvektor durch entsprechende Strombeaufschlagung der
Statorwicklungen so rotieren gelassen wird, dass sich die gewünschte Geschwindigkeit
und eine optimale Entwicklung des Drehmoments ergeben. Die für die Vektorsteuerung
mittels des Sensorsystems SS erforderlichen Informationen zumindest der
jeweiligen Winkelposition des Rotors R relativ zur Statorwicklung
bzw. dem Statorteil ST und dem Gehäuse 1 werden aus der
Zusammenarbeit zwischen Sektor- Permanentmagneten 11 (und
dem Nullpunkt-Permanentmagneten 14) und den Hallsensoren
H1, H2 auch im Stillstand beschafft. Diese Informationen können auch
zur Positionssteuerung und/oder -wachung des Wickelelements W in
Relation zum Gehäuse 1 benutzt
werden, beispielsweise um den Auslass 6 stets in Ausrichtung
auf die Fadeneinfädelstrecke 9 stillzusetzen,
wenn der Permanentmagnet-Motor PM angehalten wird.
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In 2 ist
das Wickelelement W an der vorbestimmten Drehposition X1 in einer
Einfädelposition relativ
zum Gehäuse 1 stillzusetzen,
beispielsweise im Falle eines detektierten Fadenbruches. Es kann eine
zweite Drehposition X2 (2)
für das
Wickelelement W beim Anhalten des Permanentmagnet-Motors M eingestellt
werden, in der der Auslass 6 beispielsweise um 90° gegenüber dem
Gehäuseausleger 2 versetzt
stehen bleibt. Die von dem Sensorsystem SS permanent erhältliche
Information zur Winkelposition des Rotors R, gegebenenfalls zusammen mit
einer Information über
die Drehrichtung, kann auch dazu benutzt werden, um ein Verdrehen
des Wickelelements W aus der eingestellten Stillstandsposition,
z.B. X1, X2, unter einer Rückzugskraft
des Fadens zu verhindern, indem dann die Geschwindigkeitssteuervorrichtung
CU über
den Permanentmagnet-Motor PM ein Haltedrehmoment in der jeweils passenden
Drehrichtung aufbaut, um das Wickelelement W ortsfest zu halten.
Aus der Zusammenwirkung zwischen den Sektor-Permanentmagneten 11 und
den Hallsensoren H1, H2 ist auch im Stillstand des Permanentmagnet-Motors
M die Drehposition des Rotors R zur Verfügung, um beim Anlaufen des Permanentmagnet-Motors
M sofort eine optimale Vektorsteuerung ausführen zu können.
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Die Permanentmagneten 11, 14 könnten auch
an einem anderen, mit dem Rotor R drehgekoppelten Träger und
ggfs. nahe der Drehachse (höhere Auflösung) angeordnet
sein. Das Sensorsystem SS mit dem Mikroprozessor MP und den mit
den Hallsensoren H1, H2 kooperierenden Permanentmagneten 11 bzw. 11 und 14 kann
grundsätzlich
auch zur Vektorsteuerung eines Motors in einem anderen Einsatzfall
als in einem Fadenliefergerät
genutzt werden.
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Anhand der 2 bis 6 wird
das Verfahren der Vektorsteuerung des Permanentmagnet-Motors PM
mit Hilfe des Sensorsystems SS durch den Mikroprozessor MP erläutert, wobei
jedoch nicht nur zwölf (wie
in 2) sondern sogar
vierundzwanzig Sektor-Permanentmagneten 11 vorausgesetzt
werden, die Sektoren Nr. 1 – 24
definieren, und der Nullpunkt-Permanentmagnet 14 im Sektor Nr. 1
platziert ist. Die mit den Hall sensoren H1, H2 verbundenen Eingänge des
Mikroprozessors MP sind mit H1',
H2' und H2'' bezeichnet. Die Drehrichtung im Uhrzeigersinn
zeigt der Pfeil T, die Drehrichtung entgegen dem Uhrzeiger hingegen
der Pfeil T'. An
seinen Eingängen
H1', H2', H2'' liest der Mikroprozessor die Signale der
Hallsensoren H1, H2 als einen Code, der den jeweiligen Sektor und
die jeweilige Drehrichtung repräsentiert,
z.B. als binären
oder Dualsystem-Code aus den Zahlen 1 und 0, entsprechend z. B.
einem hohen bzw. einem niedrigen Signalpegel. Auf Basis dieser Informationen
wird der Statorvektor für
die gewünschte
Drehrichtung und das erforderliche Drehmoment optimal eingestellt.
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3 verdeutlicht
anhand eines Diagramms, wie der Mikroprozessor MP an seinen Eingängen H1', H2' die von den Sektor-Permanentmagneten 11 und
dem Nullpunkt-Permanentmagneten 14 in
den Hallsensoren H1, H2 generierten Signale liest. Die vertikalen
Linien in dem Diagramme trennen die einzelnen Sektoren voneinander.
Der digitale Hallsensor H1 erzeugt Rechtecksignale, deren jedes
von einer vertikalen Trennlinie mittig geteilt wird. Der analoge
Hallsensor H2 erzeugt hügelförmige Signale
jeweils kürzer
als ein Sektor, beginnend an der vertikalen Trennlinie, endend in
etwa in der Mitte des Sektors. Ferner generiert der analoge Hallsensor
H2 im Sektor Nr. 1 (S1) zusätzlich
ein hügelförmiges,
nach unten gerichtetes Signal aus dem Vorbeigang des Nullpunkt-Permanentmagneten 14.
Dieses Signal schließt
sich an das Signal des Sektor-Permanentmagneten 11 an und
liegt in etwa in der Mitte des Sektors Nr. 1 (S1). Die Rechtecksignale
und die positiven Hügelsignale überlappen
sich jeweils ab der Trennlinie über
einen Bereich entsprechend der Hälfte
der Länge
jedes Rechtecksignals.
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Das Diagramm in 4 verdeutlicht, wie der Mikroprozessor
MP an seinen getrennten Eingängen H1', H2', H3, die Signale
der hier vorgesehenen, drei digitalen Hallsensoren H1, H2, H3 liest.
Alle Signale sind Rechtecksignale, wobei das Signal (unterer Signalzug)
des Nullpunkt-Permanentmagneten 14 ein negatives Rechtecksignal
ist (wegen der umgekehrten Polung). Die Rechtecksignale der Hallsensoren H1,
H2 überlappen
sich innerhalb eines Bereichs entsprechend ungefähr der halben Längserstreckung
jedes Rechtecksignals und ab der vertikalen Trennlinie zwischen
den ein zelnen Sektoren. Das Rechtecksignal des Hallsensors H3 liegt
in der Mitte des Sektors Nr. 1 (S1).
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Der Mikroprozessor liest aus den
Signalfolgen der 3 und 4, d.h., untereinander verschiedenen
Signalkombinationen eines Sektors, einen binären oder Dualsystem-Code, aus dem er
in Zuordnung zum Signal des Nullpunkt-Permanentmagneten 14 zumindest
den jeweils vor den Hallsensoren befindlichen Sektor und auch die
Drehrichtung ableitet. Da in jedem Sektor mehrere untereinander
verschiedene Signalkombinationen vorhanden sind, kann der Mikroprozessor
nicht nur den jeweiligen Sektor ableiten, sondern darüber hinaus
sogar diskrete Rotordrehwinkelpositionen innerhalb jedes Sektors,
um die Auflösung
bei der Positionsdetektierung zu erhöhen. Dies wird nachstehend
detaillierter erläutert.
Die höhere
Auflösung
erlaubt es sogar, die Anzahl der Sektor-Permanentmagneten zu reduzieren
(Einsparung).
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Entsprechend der Tabelle in 5 wird angenommen, dass
der Permanentmagnetmotor PM anzuhalten ist, sich jedoch noch in
der Drehrichtung T im Uhrzeigersinn langsam dreht, bis der Nullpunkt-Permanentmagnet 14 den
Hallsensor H2 aktiviert und am Eingang H2' ein Signal mit einem hohen Signalpegel
= Zahl 1 generiert. Daraus liest der Mikroprozessor MP die Winkelposition
des Sektors Nr. 1. Bei der sich verlangsamenden Weiterdrehung in der
Drehrichtung T (Eintritt in den Sektor Nr. 1) sind zunächst beide
Hallsensoren H1, H2 nicht aktiviert (niedrige Signalpegel = Zahlen
0/0 entsprechend der Zahl 0 im Dualsystem). Darauffolgend aktiviert
der Sektor-Permanentmagnet 11 des
Sektors Nr. 1 den Hallsensor H1, so dass am Eingang H1' ein hoher Signalpegel
(= Zahl 1) anliegt, während
am Eingang H2' nach
wie vor ein niedriger Signalpegel (= Zahl 0) anliegt. Der Mikroprozessor
ermittelt daraus im Dualsystem aus 1/0 die Zahl 2. Danach aktiviert
der Sektoren-Permanentmagnet 11 beide Hallsensoren H1, H2
gleichzeitig, so dass an den Eingängen H1', H2' jeweils
ein hoher Signalpegel vorliegt (entsprechend den Zahlen 1/1 = der
Zahl 3 im Dualsystem). Als nächstes
verlässt
der Sektoren-Permanentmagnet 11 den Hallsensor H1, der
einen niedrigen Signalpegel (= Zahl 0) abgibt, während der Hallsensor H2 weiterhin
einen hohen Signalpegel abgibt (= Zahl 1). Daraus liest der Mikroprozessor
im Dualsystem aus 0/1 die Zahl 1, ehe dann beide Hallsensoren H2,
H1 nicht aktiviert sind, und der Mikroprozessor wieder die Zahl
0 im Dualsystem registriert. Bei diesem Vor beigang ermittelt der
Mikroprozessor den Code 02310, aus dem er auch eine Bestätigung der
Drehrichtung T im Uhrzeigersinn entnimmt. Ferner weiß der Mikroprozessor,
dass der Rotor R nun in den Sektor Nr. 2 eintritt, in dem er beispielsweise
dann mit dem Sektoren-Permanentmagneten 11 des Sektors Nr.
2 bei gleichzeitiger Aktivierung beider Hallsensoren H1, H2 anhält, entsprechend
der Zahl 3 innerhalb des binären Codes 02310.
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Für
den neuerlichen Anlauf des Motors hat der Mikroprozessor MP somit
die Informationen, dass der Rotor R mit dem Sektor Nr. 2 zwischen
den beiden Hallsensoren H1, H2 steht und dorthin in der Drehrichtung
T im Uhrzeigersinn gekommen ist. Der Statorvektor wird nun in der
Drehrichtung T im Uhrzeigersinn vor dem Rotorvektor optimal eingestellt, um
den Anlauf zu bewirken. Der Mikroprozessor MP folgt sozusagen der
Drehbewegung des Rotors R und damit des Wickelelementes W permanent
hinsichtlich des jeweiligen Sektors und der Drehrichtung. Dies kann
bis zur Maximaldrehzahl erfolgen. Gegebenenfalls wird aber oberhalb
seines vorbestimmten Laufgeschwindigkeitswertes des Rotors auf eine
andere Art einer Vektorsteuerung umgeschaltet, wofür der Mikroprozessor
MP eine entsprechende Programmroutine enthält, so dass oberhalb dieses
Geschwindigkeitswertes dann die Vektorsteuerung mit Hilfe der Abtastung
der Änderungen
der elektromotorischen Kräfte,
insbesondere der rückwärts wirkenden
elektromotorischen Kraft des Rotorvektors in den Wicklungen des
Stators, und/oder durch Messen der Spannung bzw. des Stroms in den Statorvorrichtungen
durchgeführt
wird.
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Als nächsten sei der Einfachheit
halber angenommen, dass der Rotor R bei seiner Drehrichtung T im
Uhrzeigersinn exakt mit dem Nullpunkt-Permanentmagneten 14 vor
dem Hallsensor H2 zum Stillstand gekommen ist, so dass am Eingang
H2" des Mikroprozessors
ein hoher Signalpegel (entspricht der Zahl 1) anliegt und
die Information gegeben ist, dass der Rotor exakt zwischen den Sektoren
Nr. 24 und 1 zum Stillstand gekommen ist. Nun wird angenommen, dass
eine in der Drehrichtung T' gegen
den Uhrzeigersinn wirkende, externe Kraft, z.B. eine Rückzugskraft
des Fadens oder die Kraft einer Person, die das Wickelelement W
gewollt oder ungewollt verdreht, einwirkt. Diese externe Kraft bewirkt,
dass sich der Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn zurückdreht,
beispielsweise über
den Sektor Nr. 24 bis in den Sektor Nr. 23. Dabei liest der Mikroprozessor
an seinen Eingängen
H2', H1' die Zahlen 0/1/1/0/0
und auch 0/0/1/1/0, woraus er den binären Code 01320 ableitet. Bereits
mit Auftreten der Zahlenfolge 01.... im binären Code weiß der Mikroprozessor,
dass die Drehrichtung T' gegen
den Uhrzeigersinn vorliegt. Ferner liest er aus der Kombination
von Nullen und Einsen die Drehwinkelposition bzw. die Sektornummer,
in der der Rotor dann zum Stillstand gekommen ist, um für einen
neuen Motoranlauf in der korrekten Drehrichtung T im Uhrzeigersinn
den Statorvektor wieder optimal einstellen zu können.
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Alternativ kann der Mikroprozessor
mit Programmroutinen ausgestattet sein, die bei Auftreten einer
solchen Rückdrehbewegung
gegen die normale Drehrichtung (hier T im Uhrzeigersinn) sogleich den
Statorvektor so einstellt, dass ein geringes Drehmoment aufgebaut
wird, das den Rotor wieder in die vorherige Anhalteposition (zwischen
die Sektoren Nr. 24 und Nr. 1) zurückdreht, oder gerade ausreicht,
bei Feststellen der Tendenz einer Rückwärtsdrehung dieser Tendenz so
weit entgegenzuwirken, dass der Rotor im Wesentlichen bei der registrierten
Stillstandsposition bleibt.
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Solange der Rotor R in der Drehrichtung
T' entgegen dem
Uhrzeigersinn gedreht wird, liest der Mikroprozessor den binären Code
01320 in Zuordnung zu den Sektorennummern, und im Gegensatz zum
gelesenen binären
Code 02310 bei der normalen Drehrichtung T und ebenfalls in Zuordnung
zu den Sektorennummern.
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4 verdeutlicht
nochmals, wie der Mikroprozessor an seinen Eingängen H1', H2' aus
den Signalen der Hallsensoren H1, H2 jeweils fortlaufend einen Code
ermittelt, der bei der Drehrichtung T im Uhrzeigersinn aus den Zahlen
02310 im Dualsystem, und bei der Drehrichtung T' entgegen dem Uhrzeigersinn aus der
Zahlenfolge 01320 im Dualsystem besteht. Zweckmäßig berücksichtigt der Mikroprozessor
nur die Zahlenfolge 231 oder 132, um die Informationen zur Drehwinkelposition
und zur Drehrichtung abzuleiten.
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Anstelle nur der beiden Hallsensoren
H1, H2 könnten
auch drei Hallsensoren (4)
vorgesehen sein, deren jeder an einen eigenen Eingang des Mikroprozessors
angeschlossen ist, und von denen der dritte zur Zusammenarbeit mit
dem Nullpunkt- Permanentmagneten 14 entweder
ein digitaler (wie gezeigt) oder ein analoger Hallsensor ist.
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Auf die gezeigte Ausführungsform
in 2 bezogen würde der
Mikroprozessor MP bei der gezeigten Stillstandsposition des Rotors
R und Aktivierung beider Hallsensoren H1, H2 darüber informiert sein, dass der
Stillstand bei der Zahl 3 in der Zahlenfolge 231 erfolgt
ist, dass die vorhergehende Drehrichtung T war, und dass der Sektor
Nr. 3 zwischen den beiden Hallsensoren H1, H2 positioniert ist.
Sollte im Stillstand eine externe Kraft den Rotor R weiter drehen,
dann wird der Mikroprozessor MP anhand der Zahl 1 und an der Zahl
0 im binären
Code wissen, dass der Rotor R in der normalen Drehrichtung T bis in
eine Winkelposition zwischen den Sektoren Nr. 3 und Nr. 4 weitergedreht
worden ist. Folgt hingegen auf die Zahl 3 im binären Code und beim Stillstand
im Sektor Nr. 3 die Zahl 2 im binären Code und nachfolgend die
Zahl 0, dann weiß der
Mikroprozessor MP, dass der Rotor R in der falschen Drehrichtung
T' gegen den Uhrzeigersinn
zurückgedreht
worden ist, bis zwischen die Sektoren Nr. 3 und Nr. 2.
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Die aus den Hallsensoren H1, H2 abgeleiteten
Informationen können
auch benutzt werden, um das Wickelelement W entweder exakt an der
Winkelposition X1 oder X2 anzuhalten und festzusetzen, beispielsweise
um dann bestimmte Einfädelvorgänge (automatisches
Einfädeln
oder manuelles Einfädeln)
problemlos durchführen
zu können.
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Mit den von den Hallsensoren H1,
H2 generierten Signalen kann der Permanentmagnetmotor PM auch gewollt
in der Drehrichtung T' mit
einer optimierten Vektorsteuerung angetrieben werden. Fadenliefergeräte müssen nämlich abhängig vom
Twist des verarbeiteten Fadens in der einen oder der anderen Drehrichtung
laufen, um den Faden optimal verarbeiten zu können.
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Bei der gezeigten Ausführungsform
hat der Rotor R vier Pole P. Dann können insgesamt zwölf Sektoren-Permanentmagneten 11 zweckmäßig sein (Sektorengröße 30°), besser
sind jedoch vierundzwanzig Sektoren-Permanentmagneten 11 (Sektorengröße 15°). Die Anzahl
der Sektoren wird unter anderem abhängig von der Anzahl der Pole des
Rotors und/oder der Statorwicklungen gewählt. Je höher die Polzahl ist, desto
kleiner sollten die Sektoren gewählt
werden, um eine möglichst
hohe Auflösung zu
erzielen.
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Da der Code 02310 oder 01320 für jeden Sektor
aus untereinander verschiedenen Signalkombinationen der Hallsensoren
H1, h2 abgeleitet wird, können,
um eine gegenüber
der Anzahl der Sektor-Permanentmagneten 11 höhere Auflösung bei der
Positionsdetektion des Rotors R zu erzielen, aus den Zahlen innerhalb
des Codes oder aus den Signalkombinationen vom Mikroprozessor MP
weitere Rotordrehwinkel innerhalb jedes Sektors abgeleitet werden.
Beispielsweise ist ein Sektor von 15° so in einzelne kleinere Winkelschritte
unterteilbar, um sehr genaue Rotordrehwinkel-Informationen zur Einstellung des Statorvektors
zu gewinnen.