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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur integrierten Wegmessung in Gleichstromlinearmotoren mit alternierender
Anordnung von Permanentmagneten und Flussführungsteilen. Gleichstromlinearmotoren
nutzen die Kraftwirkung auf bewegte elektrische Ladungen in einem
vorzugsweise permanenterregten Magnetfeld. Das Magnetfeld kann dabei
prinzipiell nicht nur durch einen Permanentmagneten, sondern auch
von mehreren, in alternierender Anordnung, erzeugt werden. Dabei
wird das Feld durch jeweils angepasste Flussführungsteile so geführt, dass
Feldabschnitte verschiedener Polarität im Luftspalt alternierend
aneinander folgen (Wechselpolausführung). Zur Nutzung der zwischen
den beiden Hauptkomponenten des Motors, den Permanentmagneten und
den Spulensystemen, wirkenden Kräfte
zur linearen Bewegung ist eine der beiden Komponenten (z. B. das
Spulensystem) ortsfest. Die andere Komponente (im Beispielfall die
Permanentmagnete) stellen dann den bewegten Abtrieb der Anordnung
dar. Dabei kann der hier mit Permanentmagneten bezeichnete Teil
durchaus zusätzliche
Eisenteile zur Flussführung
beinhalten.
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Gleichstromlinearmotoren besitzen üblicherweise
keine internen Maßverkörperungen
zur Wegsignalableitung und erfordern deshalb im Allgemeinen ein
zusätzliches
separates Messsystem zur Weg- und gegebenenfalls auch Geschwindigkeitserfassung.
Bekannt sind dabei an den Motor angekoppelte externe Messsysteme
oder in den Gesamtaufbau mechanisch integrierte interne Messsysteme,
die jedoch generell von der Antriebswicklung unabhängige separate
Bauteile, beispielsweise Messspulen, nutzen (z. B. in Kallenbach,
E.; Bögelsack,
G.: Gerätetechnische
Antriebe. Carl Hansen Verlag, München,
Wien 1991, Seiten 07 ff. und 249 ff.).
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In jüngster Zeit werden jedoch vermehrt
Anstrengungen unternommen, einerseits Gleichstromlinearmotoren durch
einen speziellen konstruktiven Aufbau interne sensorische Eigenschaften
einzuprägen
und andererseits diese internen sensorischen Eigenschaften dann
in Form einer integrierten Wegsignalerfassung zu nutzen. Manche
Motoren besitzen jedoch infolge ihres konstruktiven Aufbaus von
vornherein schon interne sensorische Eigenschaften, die jedoch bisher
nicht zur Wegerfassung heran gezogen wurden.
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Zur Ermöglichung einer solchen Lageerfassung
in linearen Gleichstrommotoren ohne zusätzliche Messsysteme wurde deshalb
beispielsweise bereits in
EP 457
389 vorgeschlagen, verschiedene Teilspulen eines solchen
Motors über
eine Kurzschlusswicklung, die sich auf dem anderen spulenlosen,
passiven Motorteil befindet, elektromagnetisch zu koppeln und in
eine der Teilspulen zusätzlich
zum Stellsignal ein Messsignal einzukoppeln. Dadurch wird in mindestens
einer anderen Teilspule, die nicht vom Messsignal durchflossen wird,
eine transformatorische, von der Lage des passiven Motorteils abhängige Einkopplung
erzielt, die als Messsignal für
die Läuferstellung
nutzbar ist. Nachteil dieser Lösung
ist einerseits die Notwendigkeit einer Kurzschlusswicklung auf dem
passiven Motorteil, aber vielmehr noch andererseits die Tatsache,
dass der aktive Motorteil (Stator mit Spulensystem) keine eigene
transformatorische Kopplung in Form einer Kurzschlusswicklung oder
eines elektrisch leitfähigen
magnetischen Rückschlusses
tragen darf. Damit wird die erzielbare Motorkraft und das Einsatzpotential
des Motors sehr stark beeinträchtigt.
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Ein im Gebrauchsmuster Nr.
297 05 315.9 beschriebenes Verfahren
zur Wegmessung eines Gleichstromlinearmotors über die duale Nutzung der Teilspulen
als Antriebswicklung und Messwicklung durch die zusätzliche
Beaufschlagung mit einer Messwechselspannung nutzt die Verschiebung
von eisenbehafteten Komponenten oder von Permanentmagneten mit einer
relativen Permeabilität
deutlich größer eins
(z. B. AINiCo-Magnete) in einem zweiteiligen Spulensystem, das aus
zwei symmetrischen Teilspulen bzw. einer Spule mit Mittelanzapfung
besteht. Diese eisenbehafteten Komponenten, in vorliegendem Fall
als Läufer
ausgeführt, müssen dabei
in Bewegungsrichtung mindestens so lang sein, wie eine der Teilspulen.
Neben dem Nachteil der Verwendung einer zusätzlichen Messwechselspannung
und demzufolge der Eingrenzung auf analoge Leistungsendstufen zur
Ansteuerung sind die nutzbaren Motorbauformen stark eingegrenzt,
da stets Magnetmaterialien mit deutlich größerer relativer Permeabilität als eins
zum Einsatz kommen müssen.
Dies schränkt die
Auswahl auf die weniger stabilen AlNiCo-Magnetwerkstoffe ein und
verbietet den Einsatz moderner hochkoerzitiver und hochenergetischer
Werkstoffe.
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In
DE
197 48 647 wird ein Teil der Nachteile o. g. Gebrauchsmusters
beseitigt, in dem die integrierte Wegmessung mit pulsweitenmodulierter
Ansteuerung durch das erfindungsgemäße Vorgehen ermöglich wird. Die
Einschränkungen
in der Bauform der zum Einsatz kommenden Motoren bleiben jedoch
bestehen.
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Die Messverfahren und -anordnungen
im Gebrauchsmuster
297 05 315.9 und
in
DE 197 48 647 waren
zunächst
für einsträngige Motoren
mit Mittelanzapfung bzw. aus zwei identischen Teilspulen bestehenden Motoren
vorgesehen. Zwischenzeitlich wurden diese Messverfahren auch auf
mehrsträngige
Gleichstromlinearmotoren erweitert. Beispielsweise werden in der
Dissertation Hartramph (Hartramph, R.: „Integrierte Wegmessung in
feinwerktechnischen elektrodynamischen Lineardirektantrieben", Universität Stuttgart,
2001) Lösungsansätze beschrieben,
die die integrierte Wegmessung in mehrsträngigen Gleichstromlinearmotoren
erlauben, wobei die mehrsträngigen
Linearmotoren dann in ihrem konstruktiven Aufbau in ähnlicher
Form auszugestalten sind.
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So ist z. B. über die gesamte Läuferlänge, in
den genannten Beispielen vorzugsweise der permanentmagnetische Teil,
ein durchgehender innerer Eisenrückschluss
erforderlich, der letztendlich in zwei Teilsträngen eines Spulensystems, die
aus einem Strang mit Mittelabzapfung entstehen, detektiert wird.
Um trotzdem einen geeigneten alternierenden Feldverlauf im Luftspalt
zu erzielen, sind radial magnetisierte Magnetringe oder Magnetsegmente
in wechselnder Polarisation auf diesem zentralen inneren Eisenrückschluss
(eisenbehafteten Kern) angeordnet. Die Dauermagnete müssen dann
nicht mehr aus hochpermeablem Material bestehen, da der innere durchgehende
Eisenkern über
die gesamte aktive Baulänge
des Läufers
reicht.
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Auch diese Bauformen weisen Nachteile
auf. So sind radial magnetisierte Ringmagnete aus hochenergetischen
hochkoerzitiven Magnetmaterial kaum herstellbar und Magnetsegmente
zur Vermeidung von Ringen aus derartigen Materialien sehr teuer.
Auch die Montage ist sehr aufwendig.
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In
EP
1150416 wird eine Umkehrung der feststehenden und bewegten
Komponenten empfohlen. Hier werden die Permanentmagnete mit einem
durchgehenden Rückschluss,
der in diesem Fall als äußeres Rohr ausgebildet
ist, radial nach außen
versetzt und die Wicklungen, das Spulensystem, radial innen angeordnet. Dadurch
entsteht ein Außenläufermotor,
der im Prinzip jedoch nach dem gleichen Grundgedanken realisiert werden
muss.
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Ein durchgehender äußerer Rückfluss
dient dem Schließen
des alternierenden magnetischen Kreises. Darin anliegende radial
magnetisierte Permanentmagnete oder eine Vielzahl von Segmentmagneten über den Umfang
verteilt und in axialer Richtung mit alternierender Polarität aneinander
gereiht, erzeugen das für
die Schubkraft erforderliche Magnetfeld. Dabei wird im vorliegenden
Fall zur Wegmessung die durch den Außenläufer entstehende Sättigung
im zentral innerhalb der Spulen angeordneten Eisenkern ausgenutzt.
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Alle vorgenannten Verfahren nutzen
außerdem
stets eine Induktivitätsmessung
zur Gewinnung eines Wegmesssignals. Dies bewirkt jedoch unter Umständen erhebliche
Messfehler, da auch der ohmsche Anteil des komplexen Gesamtwiderstandes
wegabhängig
ist. Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur integrierten Wegmessung in Gleichstromlinearmotoren mit alternierender
Anordnung von Permanentmagneten und Flussführungen ist es deshalb, einerseits
weitere Motorbauformen, die in ihrem Aufbau wesentlich kostengünstiger
und montagefreundlicher sind, der integrierten Wegmessung zugänglich zu
machen und andererseits auch die Messgenauigkeit wesentlich zu verbessern.
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Dazu wird das Verfahren zur integrierten
Wegmessung in Gleichstromlinearmotoren gemäß Patentsanspruch 1 über Impedanzmessungen
an kompletten Motorsträngen
realisiert und diese Messwerte werden dann als wegproportionales
Signal genutzt bzw. in ein solches umgeformt. Nach den Patentansprüchen 2 und 3
können
diese Impedanzmessungen vorteilhafter Weise in einem nicht zur Schubkrafterzeugung
bestromten Strang oder auch in einer Bestromungs- bzw. Messpause
in dem zur Schubkrafterzeugung bestromten Strang erfolgen.
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Nach den Patentansprüchen 4 und
5 wird eine wesentliche Verstärkung
der Impedanzänderung
erreicht, wenn durch Wahl entsprechender Teilungsabstände in allen
denjenigen Einzelspulen jeden Stranges, die Dauermagnet- und Flussführungsscheiben
bzw. -ringe des anderen Teilsystems umfassen oder von diesen umfasst
werden, ein Materialwechsel des umfassten bzw. umfassenden Materials
zwischen Permanentmagnet und Flussführung bei der Bewegung erfolgt,
sich wegen der unterschiedlichen Permeabilitäten der beiden Materialien Änderungen
der Impedanzen der Einzelspulen und somit der Impedanzen der jeweiligen
Stränge zeigen
und diese in allen umfassten Einzelspulen eines Stranges dann gleichzeitig
gleichartige Änderungen darstellen.
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Nach Patentanspruch 6 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.
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Nach Patentanspruch 7 stellt das
Messsignal dieser Impedanzmessungen wegen der fortlaufenden alternierend
angeordneten Dauermagnet- und Flussführungsscheiben bzw. -ringe
zunächst
einen wiederkehrenden, inkrementalen Messwert für die Wegposition dar. Eine
eindeutige absolute Wegerfassung ermöglicht im Zusammenhang damit
eine Ausgestaltung nach Patentanspruch 8 dadurch, dass neben der
relativ genauen inkrementalen Lagemessung eine zusätzliche,
unter Umständen
weniger genaue analoge Lageerfassung über eine Impedanzmessung erfolgt.
Dazu müssen
am Motor an dem mit Permanentmagneten beaufschlagten Motorteil zusätzliche
asymmetrische Eisenteile in axialer Verlängerung der Permanentmagnete
und Polschuhe angeordnet sein, die letztlich unabhängig von
dem inkrementalen Signal detektiert werden, so dass dem inkrementalen
Messsignal eine absolute Änderung über die
gesamte Läuferposition
hinweg überlagert
wird. Vorteilhafter Weise koppelt man das Signal der integrierten
Wegmessung nach Patentanspruch 9 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.
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Für
das vorgestellten Messverfahren eignen sich sehr einfach aufgebaute
Gleichstromlinearmotoren, die aus einem ersten Teilsystem mit zu
einer ein- oder mehrsträngigen
Wicklung verschalteten Einzelspulen und einem zweiten Teilsystem
mit axial alternierend angeordneten Dauermagnet- und Flussführungsscheiben bzw.
-ringen bestehen, wobei jedes Teilsystem den feststehenden Stator
oder den beweglichen Läufer
bilden kann. Ein Beispiel dafür
stellen Motoren nach 1 mit
innen liegendem Läufer
aus alternierend aneinander gereihten, zylinderförmigen Dauermagneten und Eisenteilen
(Scheiben aus Dauermagnet- bzw. Eisenwerkstoffen) und außen liegenden,
ein- oder mehrsträngigen
Spulensystemen dar.
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Diese Anordnungen können gleichermaßen mit
bewegten Spulensystemen als Außenläufer realisiert werden
oder durch Umkehrung der radialen Anordnung in Form einer im Inneren
auf einem Eisenkern befindlichen Wicklung und eines außen angeordneten
Magnetsystems mit axial aneinander gereihten Magnetringen und Polschuhringen
aus Eisenwerkstoffen aufgebaut sein. Letztere Motoren sind beispielsweise
bekannt aus Stölting,
H. D.; Kallenbach, E.: Handbuch elektrische Kleinantriebe, Bild
4.217 im Abschnitt 4.
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Zur Ermöglichung einer integrierten
Wegsignalerfassung in derartig einfach aufgebauten und kostengünstigen
Motoren müssen
lediglich die Abmessungen der Magnetlängen und Polschuh- bzw. Eisenlängen in axialer
Richtung so gewählt
werden, dass eine Magnetbreite bzw. eine Polschuhbreite jeweils
der axialen Ausbreitung eines Spulensegmentes entspricht. Zur Schubkrafterzeugung
ist dann ohnehin eine entsprechende Strangzahl (im vorliegenden
Beispiel zwei Stränge)
erforderlich, so dass die jeweils von radial aus dem Polschuhen
austretenden Feldern durchsetzten Spulensegmente zur Kraftwirkung
benutzt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel zu dem Verfahren
zur integrierten Wegmessung in Gleichstromlinearmotoren mit alternierender
Anordnung von Permanentmagneten und Flussführungsteilen und dafür geeigneten
Motoren ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend
näher beschrieben.
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Es stellen dar:
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1 eine
Schnittdarstellung des Prinzipaufbaus einer Ausführungsform eines für die Anwendung
des Messverfahrens geeigneten Gleichstromlinearmotors, speziell
mit bewegtem, innen angeordnetem Magnetsystem,
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2 den
prinzipiellen Permeabilitätsverlauf
im Läufer
des Motors (Ausschnitt mit zwei Permanentmagneten und einem Flussführungsring),
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3 den
prinzipiellen Verlauf des komplexen Spulengesamtwiderstandes in
Form des Scheinwiderstandes (Betrag der Impedanz) in den Motorsträngen in
Abhängigkeit
der Läuferposition
(gemessen an einem realen Motor),
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4 den
prinzipiellen Verlauf des ohmschen Anteils des Spulengesamtwiderstandes
in Form des Realteils der Impedanz in den Motorsträngen in
Abhängigkeit
der Läuferposition
(gemessen an einem realen Motor),
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5 ein
Blockschaltbild einer Ansteuerung eines Gleichstromlinearmotors
mit integrierter Wegmessung in Form einer Impedanzmessung in beiden
Motorsträngen,
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6 eine
Prinzipskizze einer Wechselstrommessbrücke zur Impedanzmessung nach
bekannten Verfahren der Technik.
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Ein für die Anwendung des Messverfahrens
geeigneter Gleichstromlinearmotor nach 1 besteht beispielsweise aus einem zweisträngigen feststehenden
Spulensystem und einem beweglichen permanentmagnetisch erregten
Läufer.
Das Spulensystem (4) ist von einem weichmagnetischen Rückschluss
(2) umschlossen und optional auf einer Trägerhülse (1)
fixiert, die gleichzeitig als Gleitpartner zum beweglichen Läufer dient.
Das Spulensystem ist beispielhaft zweisträngig ausgeführt, wobei die Länge einer
einzelnen Teilspule der Länge
eines Magnet- bzw. Flussführungsringes
entspricht. Der bewegliche Läufer
ist mittels der Lagereinheiten (3) und (8) geführt. Das
Magnetsystem besteht beispielsweise aus hochwertigen NdFeB-Magnetringen (6)
und inneren weichmagnetischen Flussführungsringen bzw. -scheiben
(5). Das gesamte System wird wechselpolig auf einer Edelstahlstange
(7) gestapelt und fixiert. Der Bewegungsabgriff erfolgt
durch die Ankoppelstange (9) des Läufers, die auch aus magnetisierbarem
Eisen sein kann.
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Das Wegmessverfahren basiert auf
einer Verschiebung verschieden permeabler Materialien, die positionsabhängig die
Größe der Impedanz
eines Stranges bestimmen (Magnete mit geringer Permeabilität im Wechsel
mit Flussführungsringen
hoher Permeabilität).
Mittels einer Impedanzmessung der Einzelstränge ist ein wegproportionales
Spannungssignal ableitbar. In 2 ist
der Permeabilitätsverlauf
eines Läuferausschnittes
dargestellt, der zwei Permanentmagnete und einen weichmagnetischen
Flussführungsring
enthält.
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Den Signalverlauf des komplexen Gesamtwiderstandes
in Form des Scheinwiderstandes (Betrag der Impedanz) in den Motorsträngen in
Abhängigkeit
der Läuferposition
bei einer getrennten Auswertung der Einzelstränge 1 und 2 zeigt 3. Aus dem Kurvenverlauf
wird durch das alternierende Signalverhalten der Wechsel der Materialien
verschiedener Permeabilität
deutlich. Die dadurch hervorgerufenen Impedanzänderungen zeigen einen inkremental
wiederkehrenden Verlauf mit jeweils nahezu linearen Abschnitten
des komplexen Gesamtwiderstandes in Abhängigkeit von der Relativposition
zwischen Läufer
und Ständer.
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Den Signalverlauf des ohmschen Anteils
des Spulengesamtwiderstandes in Form des Realteils der Impedanz
in den Motorsträngen
in Abhängigkeit
der Läuferposition
bei ebenfalls getrennter Auswertung der Einzelstränge 1 und 2 zeigt 4. 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
Information verloren gehen und damit nur eine weniger genaue Erfassung
des Weges möglich
ist.
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Beim Ausfahren des Läufers wird
zusätzlich
auch die Ankoppelstange (9) des Läufers aus dem Spulensystem
ausgefahren. Durch optionale Wahl eines weichmagnetischen Materials
für diese
Ankoppelstange wird hier zusätzlich
ebenfalls hochpermeables Material in Abhängigkeit der Läuferposition
im Spulensystem verschoben. Dadurch ist der inkrementalen Impedanzänderung
eine absolute Änderung überlagert
und es kann neben einer inkrementalen Positionsbestimmung über die
verteilten Flussführungsscheiben
zusätzlich eine
absolute Positionsbestimmung vorgenommen werden. Dazu ist die gleiche
Auswerteschaltung, wie für
die inkrementale Wegsignalerfassung nutzbar, da wie in 3 bzw. 4 erkennbar, dem
inkrementalen Signal ein linearer Anstieg über den gesamten Motorhub überlagert
ist.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild einer Ansteuerung eines Gleichstromlinearmötors mit
integrierter Wegmessung in Form einer Impedanzmessung in beiden
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.
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Die Impedanzmessung wird dabei nach
bekannten Verfahren der Technik durchgeführt. Die Messsignalverarbeitung
erfolgt prinzipiell beispielsweise mittels Wechselstrommessbrücken nach
Maxwell und Wien. 6 zeigt
eine Prinzipskizze einer Wechselstrommessbrücke zur Impedanzmessung.
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Berechnungsvorschriften:
Lx = R1 ⋅ R4 ⋅ C2 (2) -
Die einzelnen Widerstandsanteile
(Real- und Imaginärteil)
der Antriebsstränge
können
zur Impedanz zusammengefasst werden.
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XL = ω ⋅ L Blindwiderstand (3)
XR =
Rx Wirkwiderstand (4)
Z = X
L +
X
R Impedanz (Scheinwiderstand) (5)
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Der Verlauf des 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.
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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.