DE10229687A1

DE10229687A1 - Integrated displacement measurement in direct current linear motors, involves using flux density changes in sub-systems with magnets by using impedance measurement for displacement measurement

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Publication number: DE10229687A1
Application number: DE2002129687
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Gundelsweiler; Wolfgang Prof. Dr.-Ing. Schinköthe
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Gundelsweiler Bernd Dr Ing 78087 Muenchweiler; SCHINKOETHE, WOLFGANG, PROF. DR.-ING., 70437 STUTTG
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-22

Abstract

The method involves using flux density changes in sub-systems of direct current linear motors containing permanent magnets (3) as internal sensing characteristics of the drive by means of an impedance measurement for displacement measurement. The flux changes in a central iron core are caused by radially magnetized magnetic rings or segmented rings radially acting on it.

Description

Die Endung betrifft ein Verfahren zur integrierten Wegmessung in Gleichstromlinearmotoren. Derartige Motoren nutzen die Kraftwirkung auf bewegte Ladungen im vorzugsweise permanenterregten Magnetfeld. Dazu wird eine der beiden Hauptkomponenten des Motors, beispielsweise das Teilsystem mit Permanentmagneten, gestellfest angeordnet und das zweite Teilsystem, beispielsweise dann das Spulensystem, beweglich angeordnet, so dass zwischen beiden Teilsystemen eine Relativbewegung initiiert wird. Dabei kann sowohl das Teilsystem mit Permanentmagneten als auch das Teilsystem, das die Spulen enthält, die bewegliche Komponente darstellen.The extension concerns a procedure for integrated displacement measurement in DC linear motors. Such engines use the force effect on moving charges, preferably permanently excited Magnetic field. To do this, one of the two main components of the engine, for example the subsystem with permanent magnets, fixed to the frame arranged and the second subsystem, for example then the coil system, movably arranged so that a between the two subsystems Relative movement is initiated. Both the subsystem with permanent magnets as well as the subsystem that contains the coils that represent moving component.

Motoren dieser Bauform werden im Allgemeinen mit einem zusätzlichen äußeren Messsystem in einem geschlossenen Regelkreis betrieben. Bekannt sind dabei sowohl an den Motor angekoppelte externe Messsysteme oder auch in den Gesamtaufbau mechanisch integrierte Messsysteme, die jedoch im Allgemeinen von der Antriebswicklung unabhängige separate Bauteile, beispielsweise Messspulen nutzen.Motors of this design are used in Generally with an additional external measuring system operated in a closed control loop. Are known external measuring systems coupled to the motor or also in the overall structure of mechanically integrated measuring systems, however separate components generally independent of the drive winding, for example Use measuring coils.

Bekannt sind jedoch auch Verfahren und spezielle dafür ausgelegte Motoren, die vorhandene interne sensorische Eigenschaften von Gleichstromlinearmotoren zur Wegerfassung ausnutzen bzw. gezielt solche internen sensorischen Eigenschaften initiieren. EP 457 389 nutzt beispielsweise Kopplungen von verschiedenen Teilspulen über eine Kurzschlusswicklung, die im passiven Motorteil angeordnet ist. Diese elektromagnetische Verkopplung ist dann abhängig von der Lage des passiven Motorteils im Spulensystem. Nachteilig bei dieser Lösung sind einerseits die Notwendigkeit einer Kurzschlusswicklung und andererseits die Tatsache, dass der aktive Motorteil keine eigenen transformatorischen Kopplungen in Form eines leitfähigen magnetischen Rückschlusses tragen darf. Dies verringert die Schubkräfte des Motors erheblich.However, methods and specially designed motors are also known which use existing internal sensory properties of direct current linear motors for path detection or initiate such internal sensory properties in a targeted manner. EP 457 389 uses, for example, couplings from different sub-coils via a short-circuit winding, which is arranged in the passive motor part. This electromagnetic coupling is then dependent on the position of the passive motor part in the coil system. Disadvantages of this solution are on the one hand the need for a short-circuit winding and on the other hand the fact that the active motor part must not have its own transformer couplings in the form of a conductive magnetic return. This significantly reduces the engine's thrust.

Eine andere Lösung nach Gebrauchsmuster Nr. 297 05 315.9 detektiert Eisenteile, die sich ähnlich einem Differenzialtransformator-Messsystem bzw. einem Differenzialdrossel-Messsystem aus einer symmetrischen Mittellage innerhalb zweier Teilspulen bzw. einer Spule mit Mittelanzapfung unsymmetrisch heraus bewegen und damit über eine Induktivitätsmessung ein Maß für den Hub abzuleiten gestatten. Nachteil derartiger Lösungen ist die Notwendigkeit symmetrischer Teilspulen, in die jeweils in eine Teilspule Eisen hinein bzw. aus der anderer Teilspule Eisen heraus bewegt wird.Another solution according to utility model no. 297 05 315.9 Detects iron parts that, like a differential transformer measuring system or a differential choke measuring system, move asymmetrically out of a symmetrical middle position within two partial coils or a coil with center tap and thus allow a measure of the stroke to be derived via an inductance measurement. The disadvantage of such solutions is the need for symmetrical coil sections into which iron is moved into and out of another coil section.

Dies erfordert Stränge mit Mittelanzapfung bzw. Stränge aus zwei Teilspulen mit nach außen geführten Anschlüssen aus der Mitte jeden Stranges. Derartige Mittelanzapfungen sind sehr aufwendig zu realisieren, sie stören das Wickelbild durch zurückgeführte Leitungen (Mittelanzapfungen) und vermindern damit die für die Schubkrafterzeugung angestrebten möglichst vollständige Ausnutzung des Luftspaltes.This requires using strands Center tap or strands from two partial coils with the outside performed connections the middle of each strand. Such center taps are very complex to implement, they disturb the winding pattern through returned lines (Center taps) and thus reduce the target for the generation of thrust preferably full Utilization of the air gap.

In EP 1150416 wird gleiches Messverfahren basierend auf dem Prinzip des Differenzialdrosselsystems zum Detektieren einer Eisensättigung im Kern eines Motors ausgenutzt, wobei der Stator des Motors sich im Inneren befindet und aus einem Spulensystem auf einem Eisenkern besteht, wohingegen der Läufer einen Außenläufer darstellt, der radial magnetisierte Ringmagnete mit alternierender Polarität enthält, die im Inneren eines äußeren Rückschlussrohres angeordnet sind. Dieser bewegliche Magnetläufer mit alternierender magnetischer Polarität und damit alternierend polarisiertem Luftspaltfeld erzeugt im Kern der feststehenden Wicklung des Spulensystems bei Bewegung eine Änderung der Flussdichte. Diese Änderung der Flussdichte wird durch das oben genannte Differenzialdrosselprinzip detektiert. Nachteilig bei dieser Bauform ist die Tatsache, dass einerseits die Nachteile der Mittelanzapfung eines Differenzialdrosselsystems verbleiben und andererseits die Genauigkeit der Positionsmessung durch die Einflüsse der Spulenrückwirkungen sehr stark vermindert wird. Die verschieden hohen Flusskonzentrationen im inneren Kern des Spulensystems werden durch das äußere Magnetsystem bewirkt, auf den gleichen Kern wirken jedoch auch die unmittelbar auf diesen Kern gewickelten Antriebsspulen. Es kommt somit bei einem Stromfluss zu einer erheblichen Feldverdrängung und damit zu einem der Höhe des Stromes direkt proportionalen Messfehler.In EP 1150416 the same measuring method based on the principle of the differential throttle system is used to detect iron saturation in the core of a motor, the stator of the motor being inside and consisting of a coil system on an iron core, whereas the rotor is an external rotor that uses radially magnetized ring magnets with alternating Contains polarity, which are arranged inside an outer yoke tube. This movable magnetic rotor with alternating magnetic polarity and thus alternately polarized air gap field generates a change in the flux density in the core of the fixed winding of the coil system when moving. This change in the flux density is detected by the differential throttle principle mentioned above. A disadvantage of this type of construction is the fact that, on the one hand, the disadvantages of tapping the center of a differential throttle system remain and, on the other hand, the accuracy of the position measurement is greatly reduced by the influences of the coil reactions. The different flux concentrations in the inner core of the coil system are caused by the outer magnet system, but the drive coils directly wound on this core also act on the same core. When there is a current flow, there is therefore a considerable displacement of the field and thus a measurement error that is directly proportional to the current level.

Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur integrierten Wegmessung in Gleichstromlinearmotoren unter Ausnutzung von Flussdichteänderungen im magnetbehafteten Teilsystem ist es, diese Nachteile zu beseitigen. Dazu werden die Flussdichteänderungen im magnetbehafteten Teilsystem detektiert und nicht diejenigen, die im zweiten Teilsystem, dem Spulensystem, vom magnetbehafteten Teilsystem erst erzeugt werden.Object of the method according to the invention for integrated displacement measurement in direct current linear motors using of flux density changes in the magnetic subsystem is to eliminate these disadvantages. To do this, the flux density changes detected in the magnetic subsystem and not those those in the second subsystem, the coil system, of the magnetic one Subsystem to be created first.

Eine erste erfindungsgemäße Anwendung des Messverfahrens nach Patentanspruch 1 bezieht sich dabei beispielsweise auf einen Gleichstromlinearmotor, bei dem das magnetbehaftete Teilsystem innen und das spulenbehaftete außen angeordnet ist. Dabei besteht das magnetbehaftete Teilsystem aus einem zentralen Eisenkern zur Flussführung mit radial darauf angeordneten radial magnetisierten ringförmigen Magneten bzw. einer Anzahl von Segmentmagneten, die jeweils Ringe bilden, in axialer Richtung mehrfach hintereinander gereiht mit wechselnder magnetischer Polarität. Dadurch entsteht im inneren Rückschlusskern eine von der axialen Position abhängige Flussdichteänderung, die als interne sensorische Eigenschaft des Antriebes über eine Impedanzmessung eines Stranges zur Wegmessung ausgenutzt wird.A first application according to the invention of the measuring method according to claim 1 relates, for example, to a direct current linear motor in which the magnetic subsystem is arranged on the inside and the coil-based subsystem is arranged on the outside. The magnetic subsystem consists of a central iron core for flux guidance with radially magnetized annular magnets arranged radially thereon or a number of segment magnets, each of which forms rings, arranged in the axial direction several times in succession with changing magnetic polarity. This results in a flux density change dependent on the axial position in the inner yoke core, which is used as an internal sensory property of the drive via an impedance measurement of a line for distance measurement.

In den in radialer Richtung außen angeordneten Spulen bzw. Spulensystemen in ein- oder mehrsträngiger Ausführung können nun über eine hinlänglich bekannte Impedanzmessung positionsabhängig unterschiedliche Impedanzen detektiert werden, die ein Maß für die Istposition bzw. für die Relativposition zwischen Spulensystem und Magnetsystem darstellen. Die nicht unmittelbar sondern nur über einen Luftspalt und zusätzlich über die Dauermagnete hinweg auf das Eisen einwirkenden Spulen können mit ihrer Spulenrückwirkung (entspricht der Ankerrückwirkung bei rotatorischen Motoren) diese sensorischen Eigenschaften nur unwesentlich beeinflussen.In the radially arranged outside Coils or coil systems in single or multi-strand design can now be used via a well known one Impedance measurement depending on position Different impedances are detected, which are a measure of the actual position or for represent the relative position between the coil system and the magnet system. The not directly but only via an air gap and additionally via the Permanent magnets on the coils acting on the iron can also be used their coil reaction (corresponds to the anchor reaction with rotary motors) these sensory properties only influence insignificantly.

Die Impedanzmessung kann dabei über den gesamten Strang vorgenommen werden, es ist keine spezielle Anpassung der Konstruktion hinsichtlich der Abstände zwischen den Teilspulen und den Magnetabschnitten aus Sicht des integrierten Wegmessverfahrens mehr erforderlich. Außerdem entfällt die Notwendigkeit einer Mittelanzapfung und damit wird der Aufbau wesentlich vereinfacht.The impedance measurement can be done via the whole strand, it is not a special adjustment the construction with regard to the distances between the partial coils and the magnetic sections from the point of view of the integrated distance measuring method more needed. Moreover deleted the need for a tapping of funds and thus the buildup much simplified.

Nach Patentanspruch 2 schwankt die entstehende und detektierte Flussdichte im Eisenkern dabei von einem Maximalwert an der Position der Trennfugen der Magnete bis zu einem Minimalwert im Eisenkern an der Position der Mitte der Magnete. Bei einer Sättigung vermeidenden Dimensionierung des Eisenkernes führt diese Flussdichteänderung im Permanentmagnet behafteten Teilsystem dann zu einer Änderung der Permeabilität im flussführenden Eisen, wobei diese Permeabilitätsänderungen dann nach Patentanspruch 3 über eine Impedanzmessung eines Stranges als interne sensorische Eigenschaft des Antriebes zur Wegmessung ausgenutzt werden kann.According to claim 2, the fluctuates resulting and detected flux density in the iron core by one Maximum value at the position of the joints of the magnets up to one Minimum value in the iron core at the position of the center of the magnets. With saturation avoiding dimensioning of the iron core leads to this change in flux density then in the permanent magnet subsystem to a change of permeability in the river Iron, these permeability changes then according to claim 3 via a Impedance measurement of a string as an internal sensory property of the drive can be used for distance measurement.

Das magnetbehaftete Teilsystem mit den Permanentmagneten und dem inneren Eisenkern kann dabei nach den Patentansprüchen 4 und 5 entweder den Stator oder den Läufer des Motors bilden.The magnetic subsystem with the permanent magnet and the inner iron core can be used the patent claims 4 and 5 form either the stator or the rotor of the motor.

Nach den Ausgestaltungen in den Patentansprüchen 6 und 7 kann die Impedanzmessung eines kompletten Motorstranges in einer Bestromungs- bzw. Messpause in dem zur Schubkrafterzeugung bestromten Strang oder in einem nicht zur Schubkrafterzeugung bestromten Strang erfolgen, wobei diese Messwerte das wegproportionale Signal bilden.According to the configurations in claims 6 and 7 can measure the impedance of a complete engine train in one Current pause or measurement pause in the line that is energized to generate thrust or take place in a strand that is not energized to generate thrust, these measured values forming the path-proportional signal.

Nach Patentanspruch 8 besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, dass nacheinander oder gleichzeitig in zwei Strängen verfahrensgemäße Wegsignalerfassungen vorgenommen werden und aus der Phasenverschiebung beider Signale eine Richtungsinformation nach bekannten Verfahren der Technik abgeleitet wird.According to claim 8 there is a advantageous embodiment of the invention in that successively or simultaneously in two strands procedural path signal acquisitions be made and from the phase shift of both signals a directional information derived from known techniques becomes.

Diese Wegsignale werden nach Patentanspruch 9 als wiederkehrende inkrementale Messwerte für die Wegposition genutzt.These path signals are according to claim 9 used as recurring incremental measured values for the path position.

Vorteilhafter Weise koppelt man das Signal der integrierten Wegmessung nach Patentanspruch 10 in eine elektronische Regelschaltung ein, die das gemessene Wegsignal mit einem vorgegebenen Wegsollwert vergleicht und aus der Differenz der beiden Signale die Eingangsgröße für einen Positions- oder Bahnregler liefert, der wiederum die Antriebssignale so steuert, dass die Läuferposition auf den Positionssollwert.oder die Bewegung auf eine Soll-Fahrkurve ausgeregelt wird.This is advantageously coupled Signal of the integrated path measurement according to claim 10 in one electronic control circuit with the measured path signal compares a specified travel setpoint and the difference the two signals provide the input variable for a position or path controller, which in turn controls the drive signals so that the rotor position to the position setpoint or the movement to a set travel curve is settled.

Das vorgeschlagene Verfahren ist dabei nach Patentanspruch 11 nicht an rotationssymmetrische Aufbauten gebunden. Auch kastenförmige Spulensysteme, die rechteckförmige Magnetsysteme mit einem inneren Eisenkern umschließen, sind in gleicher Weise für dieses Messverfahren geeignet.The proposed procedure is according to claim 11 not on rotationally symmetrical structures bound. Also box-shaped Coil systems, the rectangular Enclose magnet systems with an inner iron core in the same way for suitable for this measurement method.

Ein Ausführungsbeispiel zu dem Verfahren zur integrierten Wegmessung in Gleichstromlinearmotoren unter Ausnutzung von Flussdichteänderungen im magnetbehafteten Teilsystem und dafür geeigneten Motoren ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.An embodiment of the method for integrated displacement measurement in direct current linear motors using of flux density changes in the magnetic subsystem and suitable motors is in the drawings and is described in more detail below.

Es stellen dar:They represent:

1 eine Schnittdarstellung des Prinzipaufbaus einer rotationssymmetrischen Ausführungsform eines für die Anwendung des Messverfahrens geeigneten Gleichstromlinearmotors, speziell mit bewegtem Spulensystem, 1 2 shows a sectional illustration of the basic structure of a rotationally symmetrical embodiment of a direct current linear motor suitable for the use of the measuring method, especially with a moving coil system,

2 den prinzipiellen Flussdichteverlauf im weichmagnetischen Statorkern des rotationssymmetrischen Motors als Ausschnitt über zwei Magnete, 2 the basic flux density profile in the soft magnetic stator core of the rotationally symmetrical motor as a cutout via two magnets,

3 den prinzipiellen, aus dem Flussdichteverlauf resultierenden Permeabilitätsverlauf im weichmagnetischen Statorkern des rotationssymmetrischen Motors als Ausschnitt über zwei Magnete, 3 the basic permeability curve resulting from the flux density curve in the soft magnetic stator core of the rotationally symmetrical motor as a section via two magnets,

4 die prinzipiellen Verläufe der komplexen Spulengesamtwiderstände in drei Motorsträngen in Abhängigkeit der Läuferposition (gemessen an einem realen Motor), 4 the basic courses of the complex total coil resistances in three motor lines depending on the rotor position (measured on a real motor),

5 die prinzipiellen Verläufe des ohmschen Anteils der Spulengesamtwiderstände in Form des Realteils der Impedanz in drei Motorsträngen in Abhängigkeit der Läuferposition (gemessen an einem realen Motor), 5 the basic courses of the ohmic part of the total coil resistance in the form of the real part of the impedance in three motor lines depending on the rotor position (measured on a real Mo goal),

6 ein Blockschaltbild einer Ansteuerung eines Gleichstromlinearmotors mit integrierter Wegmessung in Form einer Impedanzmessung in den Motorsträngen, 6 1 shows a block diagram of a control of a direct current linear motor with integrated path measurement in the form of an impedance measurement in the motor lines,

7 eine Prinzipskizze einer Wechselstrommessbrücke zur Impedanzmessung nach bekannten Verfahren der Technik. 7 a schematic diagram of an alternating current measuring bridge for impedance measurement according to known methods of technology.

Ein für die Anwendung des Messverfahrens geeigneten Gleichstromlinearmotors kann beispielsweise nach 1 ausgebildet sein. Bei diesem Motor handelt es sich um einen dreisträngigen elektronisch kommutierten Gleichstromlinearmotor mit bewegter Spule und feststehenden wechselpoligen Magnetsystem.A DC linear motor suitable for the application of the measuring method can, for example, according to 1 be trained. This motor is a three-strand electronically commutated direct current linear motor with a moving coil and fixed alternating pole magnet system.

Der Stator besteht aus einem weichmagnetischen Rundmaterial (4), optional zusätzlich aus einer aufgeschobenen weichmagnetischen Hülse (7), den aufgeklebten Segmentoder Ringmagneten (3) und ebenfalls optional aus einer Edelstahlhülse (6) darüber. Die Länge des feststehenden Stators ist in Abhängigkeit des erforderlichen Hubes zu dimensionieren.The stator consists of a soft magnetic round material ( 4 ), optionally additionally from a pushed-on soft magnetic sleeve ( 7 ), the glued segment or ring magnet ( 3 ) and also optionally from a stainless steel sleeve ( 6 ) about that. The length of the fixed stator is to be dimensioned depending on the required stroke.

Die Magnete (3) bestehen im konkreten Fall pro Ring aus insgesamt 4 Magnetviertelschalen, die diametral magnetisiert sind. Der Einsatz von Magnetringen ist ebenso möglich. Das Gesamtsystem ist wechselpolig auf die Stahlhülse (7) geklebt. Durch die Anordnung der Magnete, die Materialauswahl und die Dimensionierung des inneren weichmagnetischen Kerns ist die Flussverteilung im Statorkern fest voreingestellt. Vermeidet man bei der Dimensionierung eine Sättigung im Eisen, ist damit auch die Permeabilitätsverteilung eindeutig vorgegeben. Der direkte Kontakt der Magnete zu den inneren Flussführungen vermindert zudem den Einfluss von Spulenrückwirkungen des Läufers.The magnets ( 3 ) consist of a total of 4 magnetic quarter shells per ring, which are diametrically magnetized. The use of magnetic rings is also possible. The entire system is interchangeable on the steel sleeve ( 7 ) glued. Due to the arrangement of the magnets, the choice of materials and the dimensioning of the inner soft magnetic core, the flux distribution in the stator core is fixed. If you avoid saturation in the iron during dimensioning, the permeability distribution is clearly specified. The direct contact of the magnets with the inner flux guides also reduces the influence of coil reactions of the rotor.

Der Läuferaufbau besteht aus den Komponenten Rückschluss (5), Endstück/Führungsbuchse (1) und Spulensystem (2) mit Spulenträger. Der weichmagnetische Rückschluss (5) dient der magnetischen Flussführung. Das Spulensystem ist dreisträngig aufgebaut. Die Spulenlänge beträgt aufgrund der dreisträngigen Anordnung ein Drittel der Magnetlänge.The rotor structure consists of the components inference ( 5 ), End piece / guide bush ( 1 ) and coil system ( 2 ) with bobbin. The soft magnetic inference ( 5 ) is used for magnetic flux control. The coil system is constructed in three strands. Due to the three-strand arrangement, the coil length is one third of the magnet length.

Den Flussdichteverlauf im Eisenkern zeigt 2, eingeschränkt auf einen Ausschnitt mit einem Bereich von zwei Magneten. Die entstehende und detektierbare Flussdichte im flussführenden Eisenkern schwankt von einem Maximalwert im Eisenkern an der Position der Trennfugen der Magnete bis zu einem Minimalwert im Eisenkern an der Position der Mitte der Magnete. Das Wegmessverfahren basiert auf der Auswertung der unterschiedlichen, durch die Magnete fest voreingestellten Flussdichteverteilungen im Statorkern und der dadurch hervorgerufener Permeabilitätsänderungen. Den zugehörigen Permeabilitätsverlauf zeigt 3.The flux density curve in the iron core shows 2 , limited to a section with a range of two magnets. The resulting and detectable flux density in the flux-carrying iron core fluctuates from a maximum value in the iron core at the position of the joints of the magnets to a minimum value in the iron core at the position of the center of the magnets. The distance measuring method is based on the evaluation of the different flux density distributions in the stator core, which are fixed by the magnets and the resulting changes in permeability. The associated permeability curve shows 3 ,

Diese Permeabilitätsänderungen rufen eine Änderung des komplexen Gesamtwiderstandes der einzelnen Motorstränge (4) hervor. Die Änderungen des komplexen Gesamtwiderstandes sind in inkrementalen Abschnitten dem Motorhub nahezu proportional und werden schließlich zur Wegmessung mit aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen ausgewertet. Die Permeabilitätsänderung im Statorkern bei unterschiedlicher Feldstärke hängt dabei vom vennrendeten Kernwerkstoff und dem Kerndurchmesser ab. Beides ist entsprechend dem gewünschten Verhalten zu dimensionieren. Für ein optimales Auswertesignal ist ein starker Permeabilitätswechsel im Kern erforderlich, so dass Bereiche mit magnetischer Sättigung vermieden werden sollten.These changes in permeability call for a change in the complex total resistance of the individual engine trains ( 4 ). The changes in the complex total resistance are almost proportional to the engine stroke in incremental sections and are finally evaluated for displacement measurement using circuits known from the prior art. The change in permeability in the stator core with different field strengths depends on the core material used and the core diameter. Both are to be dimensioned according to the desired behavior. A strong permeability change in the core is required for an optimal evaluation signal, so areas with magnetic saturation should be avoided.

Den Signalverlauf des ohmschen Anteils des Spulengesamtwiderstandes in Form des Realteils der Impedanz in den Motorsträngen in Abhängigkeit der Läuferposition zeigt 5. Der Kurvenverlauf zeigt gleichfalls ein alternierendes Signalverhalten beim Wechsel der Materialien verschiedener Permeabilität. Dies zeigt die Notwendigkeit der Nutzung der Impedanzmessung zur Erzeugung eines Wegmesssignals, da durch eine reine Induktivitätsmessung Informationen verloren gehen und damit nur eine weniger genaue Erfassung des Weges möglich ist.The signal curve of the ohmic part of the total coil resistance in the form of the real part of the impedance in the motor lines depending on the rotor position 5 , The curve also shows an alternating signal behavior when changing materials of different permeability. This shows the necessity of using the impedance measurement to generate a displacement measurement signal, since information is lost through a pure inductance measurement and thus only a less precise detection of the displacement is possible.

6 zeigt ein Blockschaltbild einer Ansteuerung eines Gleichstromlinearmotors mit integrierter Wegmessung in Form einer Impedanzmessung in den Motorsträngen. Die Spulenstränge des Motors sind durch R-L-Glieder symbolisiert, deren Impedanzverhalten beim Verfahren des Läufers nach einer Signalverstärkung und Konditionierung mit einer Impedanzmessung ausgewertet wird. Die erhaltenen Messsignale werden über einen A-D-Wandler dem Mikroprozessor bereitgestellt, der die aktuellen Weginformationen mit den vorgegebenen Sollwerten vergleicht und die Vollbrücken des Leistungsstellgliedes entsprechend ansteuert. 6 shows a block diagram of a control of a DC linear motor with integrated displacement measurement in the form of an impedance measurement in the motor trains. The coil strands of the motor are symbolized by RL elements, the impedance behavior of which is evaluated when the rotor moves after signal amplification and conditioning with an impedance measurement. The measurement signals obtained are made available to the microprocessor via an AD converter, which compares the current path information with the specified setpoints and controls the full bridges of the power actuator accordingly.

Die Impedanzmessung wird dabei nach bekannten Verfahren der Technik durchgeführt. Die Messsignalverarbeitung erfolgt prinzipiell beispielsweise mittels Wechselstrommessbrücken nach Maxwell und Wien. 7 zeigt eine Prinzipskizze einer Wechselstrommessbrücke zur Impedanzmessung.The impedance measurement is carried out according to known methods in technology. In principle, measurement signal processing is carried out, for example, using AC current bridges according to Maxwell and Vienna. 7 shows a schematic diagram of an alternating current measuring bridge for impedance measurement.

Berechnungsvorschriften:

Lx = R1 ⋅ R4 ⋅ C2 (2) Calculation rules:

L x = R 1 ⋅ R 4 ⋅ C 2 (2)

Die einzelnen Widerstandsanteile (Real- und Imaginärteil) der Antriebsstränge können zur Impedanz zusammengefasst werden.The individual resistance components (Real and imaginary part) the powertrains can be summarized to the impedance.

XL = ω ⋅ Lx Blindwiderstand (3) XR = Rx Wirkwiderstand (4) Z = X L + X R Impedanz (Scheinwiderstand) (5)

X L = ω ⋅ L x Reactance (3) X R = R x Active resistance (4) Z = X L + X R Impedance (impedance) (5)

Der Verlauf der ermittelten Impedanzkennwerte bei der Verfahrbewegung kann dann zur Generierung der erforderlichen Positionssignale beispielsweise in einem Mikrorechner herangezogen werden. Dazu wird die Potenzialdifferenz der Messbrücke über einen A-D-Wandler in den Mikroprozessor eingelesen und in den innerhalb eines Inkrementes nahezu proportionalen Weg umgerechnet. Durch den Vergleich mit den vorgegebenen Positionssollwerten kann über einen Regler das Leistungsstellglied mit der entsprechenden PWM angesteuert werden.The course of the determined impedance parameters in the traversing movement can then be used to generate the required Position signals are used, for example, in a microcomputer become. For this purpose, the potential difference of the measuring bridge over a A-D converter in the Microprocessor read in and within the increment converted almost proportional path. By comparing with the The power actuator can be preset via a controller can be controlled with the appropriate PWM.

Die Impedanzmessung kann an einem kompletten nicht zur Schubkrafterzeugung bestromten Strang oder auch in einer Bestromungs- bzw. Messpause in einem zur Schubkrafterzeugung bestromten Strang erfolgen. Werden nacheinander oder gleichzeitig in zwei Strängen verfahrensgemäße Wegsignalerfassungen vorgenommen, lassen sich nach bekannten Verfahren der Technik aus der Phasenverschiebung beider Signale Richtungsinformationen ableiten.The impedance measurement can be done on one complete strand not energized for the generation of shear force or also in a current or measurement break in one for generating thrust energized strand. Be successively or simultaneously in two strands procedural path signal acquisitions made, can be made according to known methods of technology derive directional information from the phase shift of both signals.

Das vorgenannte Verfahren ist nicht daran gebunden, dass das magnetbehaftete Teilsystem mit den Permanentmagneten und dem inneren Eisenkern den Stator des Motors bildet, auch das spulenbehaftete Teilsystem kann als Stator verwendet werden.The above procedure is not tied to the magnetic subsystem with the permanent magnets and the inner iron core forms the stator of the motor, that too Coil-loaded subsystem can be used as a stator.

Das Messverfahren ist auch auf Gleichstromlinearmotoren in nicht rotationssymmetrischer Bauform anwendbar, beispielsweise auf Motoren mit kastenförmigen Spulensystemen, die rechteckförmige Magnetsysteme mit einem inneren Eisenkern umschließen.The measurement method is also on DC linear motors applicable in a non-rotationally symmetrical design, for example on engines with box-shaped Coil systems, the rectangular Enclose magnet systems with an inner iron core.

Claims

A method for integrated position measurement in linear DC motors utilizing flux density changes in the magnet affected subsystem characterized in that flux density changes are utilized in the permanent magnet affected subsystem of linear DC motors as internal sensory characteristic of the drive via an impedance measurement of a strand for measuring displacement, the flux changes in a flux conducting central iron core by radially on these radially magnetized magnetic rings arranged in the axial direction with alternating polarity or rings formed from magnetic segments.

Process for integrated displacement measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to claim 1, characterized in that the emerging and detected flux density changes in the river Iron core from a maximum value in the iron core at the position of the Separation joints of the magnets up to a minimum value in the iron core the position of the center of the magnets fluctuate.

Method for integrated path measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to at least one of the preceding claims, characterized in that the flux density changes in the permanent magnet subsystem of direct current linear motors cause a change in the permeability in the flux-carrying iron and these permeability changes via an impedance measurement of a strand as internal sensory property of Drive can be used for distance measurement.

Process for integrated displacement measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to at least one of the aforementioned Claims, thereby characterized in that the magnetic subsystem with the permanent magnets and the inner iron core forms the stator of the motor.

Process for integrated displacement measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the coil subsystem as Stator is used.

Process for integrated displacement measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to at least one of the aforementioned Claims, thereby characterized that the impedance measurements of a complete engine train in an energization or measurement break in the for the generation of thrust energized string and these measured values as path-proportional Signal can be used.

Process for integrated displacement measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to at least one of the aforementioned Claims, thereby characterized that the impedance measurements of a complete engine train in one not for generating thrust energized string and these measured values as path-proportional Signal can be used.

Process for integrated displacement measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to at least one of the aforementioned Claims, thereby characterized in that one after the other or simultaneously in two strands procedural signal acquisitions be made and from the phase shift of both signals a directional information derived from known techniques becomes.

Process for integrated displacement measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to at least one of the aforementioned Claims, thereby characterized that these impedance measurements on complete engine lines because of the continuously alternating permanent magnet and flux guide disks recurring incremental measured values for the path position represent.

Process for integrated displacement measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to at least one of the aforementioned Claims, thereby characterized that the overall system is an electronic control circuit which includes the measured path signal with a predetermined path setpoint compares and from the difference between the two signals the input variable for one Position or path controller, which in turn provides the drive signals so that controls the runner position to the position setpoint or the movement to a set travel curve is settled.

Process for integrated displacement measurement in direct current linear motors using flux density changes in the magnetic subsystem according to at least one of the aforementioned Claims, thereby characterized that this measurement method on DC linear motors is used in a non-rotationally symmetrical design, for example on engines with box-shaped Coil systems, the rectangular Enclose magnet systems with an inner iron core.