DE10161905A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Positionserfassung eines Linearmotors - Google Patents

Abstract

Zur Positionserfassung bei einem Linearmotor wird mithilfe eines an einem beweglichen Schlitten angeordneten Magnetfeldsensors ein Magnetfeld entlang eines Sekundärteils des Linearmotors erfasst und in ein im Wesentlichen sinusförmiges elektrisches Signal umgesetzt, wobei das sinusförmige elektrische Signal abgetastet und aus den Abtastwerten die jeweilige Position des Linearmotors ermittelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Positionserfassungsvorrichtung für einen Linearmotor mit einem an einem beweglichen Schlitten angeordneten, stromdurchflossenen Primärteil und einem entlang einer Linearführung angeordneten Sekundärteil aus einer im wesentlichen gleich beabstandeten Reihung von Magneten mit wechselnder Polarität sowie ein Verfahren zur Positionserfassung bei einem solchen Linearmotor.
• Zur Erzeugung translatorischer Vorschubbewegungen werden heute zunehmend Linearmotoren eingesetzt. Dieser Motortyp entspricht einer linearen Ausführung einer rotierenden Maschine, bestehend aus einem stromdurchflossenen Primärteil, das dem Stator eines Rotationsmotors vergleichbar ist, und einem Reaktionsteil, dem Sekundärteil, das dem Rotor eines Rotationsmotors entspricht. Bei Linearmotoren werden Asynchron- und Synchronmotoren unterschieden, wobei bei der asynchronen Bauweise das Sekundärteil mit Kurzschlussstäben bestückt ist, beim Synchronmotor dagegen aus Permanentmagneten besteht. Synchronmotoren werden gegenüber asynchronen Motoren bevorzugt eingesetzt, da sie sich durch einen höheren Wirkungsgrad und vor allem größere Dauervorschubkräfte auszeichnen.
• Durch das direkte Erzeugen einer Linearbewegung sind bei Linearmotoren gegenüber herkömmlichen Rotationsmotoren die in elektromagnetischen Antriebsachsen benötigten Übertragungselemente, die ein Transformieren der Motordrehung in eine translatorische Bewegung realisieren, nicht mehr notwendig. Der Linearmotor zeichnet sich deshalb durch einen einfachen Aufbau, geringe Massen und wenige bewegte Teile mit einer großen Verschleißfreiheit und hohem Beschleunigungsvermögen bis 10 m/s aus. Linearmotoren werden deshalb insbesondere dort eingesetzt, wo auf kurzen Wegen große Beschleunigungen gefordert werden, so z. B. beim Bestücken von Leiterplatten, Handling-Aufgaben in Verpackungsmaschinen und beim Positionieren von Werkstücken in der Automobilfertigung.
• Linearmotoren sind aber im Vergleich zu Rotationsmotoren oft wesentlich teurer, wofür insbesondere die aufwändige Positionserfassung die Ursache ist. Herkömmliche Positioniersysteme von Linearmotoren benötigen komplizierte Wegmesssysteme, insbesondere dann, wenn der Fahrweg digital erfasst werden soll. So sind Drehgeber bekannt, die die Linearbewegung des Schlittens in eine Rotations- bzw. Winkelbewegung umsetzen, um eine Positionsbestimmung beim Linearmotor vorzunehmen. Bei solchen Drehgebern ist jedoch eine aufwändige Mechanik zur Umsetzung der Linear- in eine Drehbewegung sowie ein kompliziertes optisches Abtastsystem zur Erfassung der resultierenden Bewegung notwendig. Weiterhin werden gekapselte Absolutmessverfahren bei Linearmotoren eingesetzt, bei denen ein speziell strukturierter Glasmessstab entlang der Fahrstrecke angeordnet ist, der durch den mit dem beweglichen Schlitten des Linearmotors verbundenen Sensorkopf abgetastet wird. Auch hier ist eine komplexe Abtast- und Auswertelogik zur Positionsbestimmung des Linearmotors erforderlich. Des weiteren sind vor allem optisch ausgelegte Absolutentfernungssysteme bekannt, bei denen mithilfe am Schlitten montierter optischer Sensoren berührungslos die Distanz zwischen dem Sensor und einem Reflektor gemessen wird. Solche optischen Absolutmesssysteme sind aber aufwändig und teuer.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionserfassung für einen Linearmotor bereit zu stellen, mit der sich eine einfache und preiswerte Positionsbestimmung realisieren lässt.
• Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Gemäß der Erfindung ist zur Positionserfassung bei einem Linearmotor mit einem an einem beweglichen Schlitten angeordneten stromdurchflossenen Primärteil und einem entlang einer Linearführung angeordneten Sekundärteil aus einer im wesentlichen gleich beabstandeten Reihung von Magneten mit wechselnder Polarität wenigstens ein Magnetsensor am beweglichen Schlitten vom Sekundärteil der Linearführung beabstandet montiert, um ein Magnetfeld des Sekundärteils entlang der Linearführung zu erfassen und in ein im wesentlichen sinusförmiges elektrisches Signal umzusetzen, wobei mithilfe einer Abtasteinrichtung das sinusförmige elektrische Signal dann abgetastet und mithilfe einer Bewertungseinrichtung aus den Abtastwerten jeweils ein Positionswert des beweglichen Schlittens bestimmt wird.
• Die erfindungsgemäße Positionserfassung bei einem Linearmotor zeichnet sich durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aus, da zur Wegmessung nur ein zusätzlicher Magnetfeldsensor erforderlich ist, der das Magnetfeld entlang der Fahrstrecke des Linearmotors abtastet, das durch die gleich beabstandete Reihung von Magneten mit wechselnder Polarität entlang des Fahrweges erzeugt wird. Der Magnetfeldsensor liefert dabei ein sinusförmiges Signal, das auf einfache Weise von dem Analog-Digital-Wandler abgetastet und von der Bewertungseinheit ausgewertet werden kann, um die Position des Linearmotors zu bestimmen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Magnetfeldsensoren am beweglichen Schlitten des Linearmotors so voneinander beabstandet angeordnet, dass der Abstand zwischen den beiden Magnetfeldsensoren dem halben Abstand zweier Magneten wechselnder Polarität entspricht. Von dieser Magnetfeldsensoranordnung werden zwei um 90° phasenverschobene sinusförmige Signale aufgezeichnet, wobei in der Bewertungseinheit aus dem Amplitudenverhältnis die Position des Linearmotors bestimmt wird. Durch die Auswertung eines Amplitudenverhältnisses werden Fehler durch Amplitudenschwankungen eliminiert, die durch Geschwindigkeitsveränderungen, Temperaturschwankungen, Alterungsprozesse, Schwankungen in der Versorgungsspannung und Feldstärkenunterschiede der Magneten entstehen können, so dass eine hochgenaue Positionsbestimmung des Linearmotors ermöglicht wird. Gleichzeitig ist es mit diesem Verfahren möglich, aus dem Verhältnis der beiden Signale zueinander die Bewegungsrichtung des Linearmotors auf einfache Weise zu erkennen.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in der Bewertungseinheit die Position so bestimmt, dass aus den zeitlich korrelierten Abtastwerten der um 90° phasenverschobenen elektrischen Signale ein Arcustangenswert berechnet wird, um einen Positionswinkel festzustellen, wobei zusätzlich die Anzahl der durchlaufenen Nullpositionen hochgezählt wird. Mit diesem einfachen mathematischen Berechnungsverfahren ist eine exakte Positionsbestimmung des Linearmotors mit hoher Auflösung möglich.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Abstand des Magnetfeldsensors vom Sekundärteil entsprechend der Feldstärke der Magneten, dem Abstand dieser Magneten zueinander und der Breite der Magneten so gewählt, dass ein optimaler sinusförmiger Signalverlauf und damit eine genaue Positionsbestimmung ermöglicht wird.
• Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Linearmotors mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung;
• Fig. 2A und B eine schematische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Linearmotors mit der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung in der Aufsicht und im Querschnitt;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung; und
• Fig. 4 eine schematische Darstellung der von den beiden Magnetfeldsensoren der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung aufgezeichneten sinusförmigen elektrischen Signale.
• Im weiteren wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung mit zwei Magnetfeldsensoren erläutert.
• Die erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung dient dabei zur Positionsbestimmung eines Synchron-Linearmotors, der in Fig. 1 perspektivisch dargestellt ist. Dieser Synchron- Linearmotor weist eine Trägerplatte 10 auf, die den Fahrweg des Linearmotors darstellt. Auf dieser Trägerplatte 10 sind zwei parallel zueinander angeordnete Schienen 11, 12 montiert, die als Führungen für einen beweglich auf den Schienen angeordneten Schlitten 13 des Linearmotors dienen. Der Schlitten 13 weist eine Halteplatte 14 auf, die mit vier Klauen 15 auf den Schienen 11, 12 abgestützt ist.
• Auf der Halterplatte 14 des Schlittens 13 ist im Wesentlichen mittig ein stromdurchflossenes Primärteil 20 des Linearmotors angeordnet, während sich ein Sekundärteil 21 zwischen den beiden Schienen 11, 12 auf der Trägerplatte 10 erstreckt. Das Sekundärteil 21 setzt sich aus einer Reihung gleich beabstandeter Permanentmagneten 22a, 22b wechselnder Polarität zusammen. Der Wechsel der Polarität der aufeinander folgenden Permanentmagneten 22a, 22b ist als unterschiedliche Pfeilrichtung im schematischen Querschnitt in Fig. 2A eingezeichnet.
• Das Primärteil 20 des Linearmotors, das auf dem Schlitten 13 des Linearmotors angeordnet ist, weist drei in Reihe angeordnete Elektromagneten 23 mit jeweils einer Spule 23 und einem Eisenkern auf. Diese Elektromagneten 23 werden über eine bewegliche Kabelführung 25 mit Strom versorgt.
• Beim Betrieb gleitet der Schlitten 13 des Linearmotors mit seinen Klauen 15 auf den Schienen 11, 12. Die Gleitbewegung wird durch ein Drehfeld des Primärteils 20 hervorgerufen, das durch einen ständigen Wechsel der Stromphasen in den Elektromagneten 23 des Primärteils 20 erzeugt wird. Die Beschleunigung des Schlittens 13 und seine Geschwindigkeit wird dabei über den zeitlichen Verlauf des Stromphasenwechsels in den Elektromagneten 23 des Primärteils 20 gesteuert. Die Vorschubkräfte des Schlittens können über die den Elektromagneten 23 des Primärteils 20 zugeführte Stromstärke geregelt werden.
• Zur Steuerung des Linearmotors ist eine exakte Positionserfassung des Schlittens 13 erforderlich. Hierzu sind erfindungsgemäß zwei Magnetfeldsensoren 30a, 30b vorgesehen, die auf einer Halterplatine 26 am Schlitten 13 über dem Sekundärteil 21 positioniert sind. Die beiden Magnetfeldsensoren 30a, 30b sind dabei gegeneinander versetzt angeordnet, wobei der Abstand zwischen den beiden Magnetfeldsensoren 30a, 30b in Richtung des Sekundärteils und damit in Fahrtrichtung des Schlittens 13 dem halben Abstand zwischen zweier Permanentmagnete 22a, 22b wechselnder Polarität, d. h. der halben Polweite entspricht.
• Die beiden Magnetfeldsensoren 30a, 30b arbeiten zur Messung des durch die Permanentmagneten 22a, 22b im Sekundärteil 21 hervorgerufenen Magnetfelds vorzugsweise mit dem sogenannten Halleffekt. Hierzu ist in den Magnetfeldsensoren 30a, 30b eine Leiterplatte vorgesehen, die parallel zum Sekundärteil 21 angeordnet ist und über die Kabelführung 25 mit Strom versorgt wird. Senkrecht zum vom Sekundärteil 21 erzeugten Magnetfeld und der Stromrichtung wird in der Magnetplatte der Magnetfeldsensoren eine elektrische Spannung hervorgerufen, die proportional zur Stärke des Magnetfelds im Sekundärteil 21 ist.
• Die im weiteren auch als Hallsonden bezeichneten Magnetfeldsensoren 30a, 30b sind dabei vom Sekundärteil 21 so beabstandet, dass sich bei einer Bewegung des Schlittens 13 über der Trägerplatte 10 ein sinusförmiger Verlauf der in den Hallsonden aufgrund des Magnetfelds des Sekundärteils 21 erzeugten elektrischen Spannung ergibt. Signalverläufe der beiden Hallsonden 30a, 30b sind in Fig. 4 gezeigt.
• Der Abstand der Hallsensoren 30a, 30b vom Sekundärteil hängt dabei von der Feldstärke der Permanentmagneten 22a, 22b, dem Abstand der Permanentmagneten zueinander und der Breite der Permanentmagneten ab. Wenn wie bei einer typischen Ausführung eines synchronen Linearmotors der Polabstand zwischen zwei Permanentmagneten gleicher Polarität 25 mm im Sekundärteil beträgt, wobei die Permanentmagneten eine Feldstärke von 1,3 Tesla aufweisen, wird ein im wesentlichen sinusförmiger Verlauf des Ausgangssignals der Hallsonden bei einem Abstand der Hallsonden vom Sekundärteil von 4 mm erreicht.
• Durch die um eine halbe Polweite in Fahrtrichtung des Linearmotors versetzte Anordnung der Hallsonden 30a, 30b sind die beiden in den Hallsonden erzeugten sinusförmigen Spannungsverläufe, die, wie Fig. 4 zeigt, um 90° gegeneinander phasenverschoben.
• Um die beiden sinusförmigen Spannungsverläufe auszuwerten und daraus die Position des Linearmotors zu bestimmen, werden die von den Hallsensoren 30a, 30b erzeugten Spannungen jeweils an eine Abtasteinheit 31a, 31b geliefert, die als Analog-Digital-Wandler arbeitet, um die Spannungsverläufe zu digitalisieren. Die Abtastwerte der Analog-Digital-Wandler 31a, 31b werden dann in eine Bewertungseinheit 32 eingespeist, die aus diesen Abtastwerten dann den jeweiligen Positionswert für den Schlitten 13 des Linearmotors bestimmt. Das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt.
• Zur Berechnung des jeweiligen Positionswertes des Linearmotors bildet die Bewertungseinheit 32 jeweils aus den zeitlich korrelierten Abtastwerten ein Amplitudenverhältnis und berechnet den Arcustangens aus diesem Amplitudenverhältnis, um einen Positionswinkel zu ermitteln. Aus diesem Positionswinkel sowie der hochgezählten Anzahl der bis zu diesem Zeitpunkt bereits vom Schlitten überfahrenen Perioden, die durch den Nulldurchgang des Arcustangens festgelegt sind, berechnet die Bewertungseinheit 32 dann den jeweiligen Positionswert des Linearmotors. Die Bewegungsrichtung kennt die Bewertungseinheit 32 dabei aus dem Verlauf des Amplitudenverhältnisses der Abtastwerte der beiden Hallsensoren 30a, 30b.
• Die Auflösung des Positionswertes wird durch die Anzahl der Abtastwerte pro Polweite festgelegt, wobei die Polweite dem Abstand zweier Permanentmagneten 22 des Sekundärteils 21 gleicher Polarität entspricht. Bei einem Polabstand von 25 mm ergibt sich dann bei 250 Abtastwerten innerhalb dieses Polabstandes eine Auflösung von 0,1 mm.
• Die erfindungsgemäße Positionserfassung zeichnet sich durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aus, da nur zwei zusätzliche Magnetfeldsensoren mit nachgeschalteten Abtasteinheiten und eine Bewertungseinheit erforderlich sind. Die Abtast- und Bewertungsvorgänge können dabei auch von einer Resolver-Einheit eines Servoverstärkers im Linearmotor ausgeführt werden. Die Berechnung des Positionswertes des Linearmotors aus zwei um 90° phasenverschobene sinusförmige Spannungsverläufe der beiden Hallsonden 30a, 30b hat den Vorteil, durch Bildung des Amplitudenverhältnisses Schwankungen bei den Spannungsamplituden zu eliminieren. Diese Schwankungen können sich z. B. durch Temperaturänderungen, Alterungsprozesse, Schwankungen in der Versorgungsspannung und Feldstärkenunterschiede der Magneten ergeben.
• Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Positionswert aus einem sinusförmigen Spannungsverlauf eines einzelnen Magnetfeldsensors zu ermitteln. Aus den Abtastwerten des sinusförmigen Spannungsverlaufs lässt sich jeweils der Positionswinkel bestimmen, wobei sich dann aus dem ermittelten Positionswinkel und der Anzahl der überfahrenen Perioden die Position des Linearmotors berechnen lässt. Um eine Konstanz bei der Signalamplitude zu gewährleisten, ist dabei jedoch vorteilhaft, zusätzliche Referenzmessungen durchzuführen.
• Die in der vorangegangenen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (8)

1. Positionserfassungsvorrichtung für einen Linearmotor mit
einem an einem beweglichen Schlitten (13) angeordneten stromdurchflossenen Primärteil (20), und
einem entlang einer Linearführung (1, 11, 12) angeordneten Sekundärteil (21) aus einer im wesentlichen gleich beabstandeten Reihung von Magneten (22a, 22b) mit wechselnder Polarität,
gekennzeichnet durch
wenigstens einen am beweglichen Schlitten (13) angeordneten Magnetfeldsensor (30a, 30b), der vom Sekundärteil (21) der Linearführung (1, 11, 12) beabstandet ist, um ein Magnetfeld entlang des Sekundärteils zu erfassen und in ein im wesentlichen sinusförmiges elektrisches Signal umzusetzen,
eine Abtasteinheit (31a, 31b), um das sinusförmige elektrische Signal abzutasten, und
eine Bewertungseinheit (32), um aus den Abtastwerten jeweils einen Positionswert des Linearmotors zu bestimmen.

2. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Magnetsensoren (30a, 30b), die am Schlitten (13) in Bewegungsrichtung entsprechend dem halben Abstand zweier Magneten (22a, 22b) wechselnder Polarität des Sekundärteils (21) voneinander beabstandet angeordnet sind, um jeweils das Magnetfeld entlang des Sekundärteils zu erfassen und in ein im wesentlichen sinusförmiges elektrisches Signal umzusetzen, wobei die Abtasteinheit (31a, 31b) die beiden sinusförmigen elektrischen Signale getrennt abtastet und die Bewertungseinheit (32) aus den zeitlich korrelierten Abtastwerten den jeweiligen Positionswert des Linearmotors bestimmt.

3. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungseinheit (32) zur Bestimmung des jeweiligen Positionswertes des Linearmotors den Arcustangens des Verhältnisses der zeitlich korrelierten Abtastwerte bestimmt und aus dem ermittelten Positionswinkel und der hochgezählten Anzahl der Nullperioden die Position des Linearmotors berechnet.

4. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Magnetfeldsensor (30a, 30b) vom Sekundärteil (21) abhängig von der Feldstärke der Magneten (22a, 22b) dem Abstand der Magneten zueinander und der Breite der Magneten festgelegt wird, um einen sinusförmigen Signalverlauf zu erreichen.

5. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Magnetfeldsensor (30a, 30b) eine Hallsonde ist.

6. Verfahren zur Positionserfassung eines Linearmotors mit einem an einem beweglichen Schlitten angeordneten stromdurchflossenen Primärteil und einem entlang einer Linearführung angeordneten Sekundärteil aus einer im wesentlichen gleich beabstandeten Reihung von Magneten mit wechselnder Polarität, dadurch gekennzeichnet, dass
mithilfe eines am beweglichen Schlitten vom Sekundärteil beabstandet angeordneten Magnetfeldsensors ein Magnetfeld entlang des Sekundärteils erfasst und in eine im wesentlichen sinusförmiges elektrische Signal umgesetzt wird,
dass das sinusförmige elektrische Signal abgetastet wird, und
dass aus den Abtastwerten jeweils ein Positionswert des Linearmotors bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe zweier in Bewegungsrichtung des Linearmotors entsprechend dem halben Abstand zweier Magneten wechselnder Polarität zueinander beabstandeten Magnetfeldsensoren jeweils das Magnetfeld entlang des Sekundärteils erfasst und in zwei um 90° phasenverschobene sinusförmige elektrische Signale umgesetzt wird, wobei jedes der beiden sinusförmigen elektrischen Signale getrennt abgetastet und aus den jeweils zeitlich korrelierten Abtastwerten der Positionswert des Linearmotors bestimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Position des Linearmotors aus dem über Berechnung des Arcustangens ermittelten Positionswinkel und der Anzahl der überfahrenen Nullperioden bestimmt wird.