Regeleinheit für einen mehrphasigen Direktantrieb und Verfahren zur Ansteuerung eines solchen Antriebs Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regeleinheit für einen mehrphasigen Direktantrieb nach dem Prinzip des permanenterregten Reluktanzschrittmotors, der eine Aktiveinheit mit Elementen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses durch Einspeisung elektrischer Speiseströme, eine Passiveinheit mit magnetisierbaren bzw. den MagnetfluS leitenden Bereichen in Form von Polzähnen mit einer auf die Aktiveinheit abgestimmten Teilungsperiode, einer Führungseinheit vorzugsweise mit Luftlagerung und ein Leistungsstellglied, das die Speiseströme bereitstellt, umfaßt. Derartige Direktantriebe werden zumeist als Schrittmotoren betrieben, wobei die Position zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit durch das Verhältnis der Phasenströme bestimmt wird und eine kontinuierliche Bewegung durch sinus-und cosinusförmige Phasenströme erzeugt wird.

Wird das Stromverhältnis geändert, so erfolgt eine Bewegung des Motors. Durch die Kommutierung erhält der Schrittmotor den Charakter eines Gleichstrommotors.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines derartigen Direktantriebs.

In letzter Zeit kommen insbesondere in der Feinmechanik und Gerätetechnik immer häufiger Direktantriebe, insbesondere Linearmotoren zum Einsatz, deren wesentlicher Vorteil in der Integration mehrerer für Antriebseinheiten erforderlicher Funktionen in wenigen Baueinheiten besteht. Derartige Linear- antriebe besitzen, so wie andere Motoren, die nach dem elek-

tromagnetischen Prinzip arbeiten, eine Aktiveinheit und eine Passiveinheit. Die Krafterzeugung wird durch das Zusammenwir- ken dieser beiden Einheiten erreicht, wobei sowohl die Aktiv- einheit als auch die Passiveinheit das sich gegenüber der jeweils anderen Einheit bewegende Motorteil sein kann. Bei geeigneter konstruktiver Gestaltung, wie sie häufig bei Line- arantrieben anzutreffen ist, übernehmen die Krafterzeugungs- elemente gleichzeitig die Funktion der Führung der sich bewe- genden Teile und stellen zudem das Gestellsystem für beliebige Anwendungen dar.

Ein derartiger Linearantrieb ist in der deutschen Offenle- gungsschrift DE 32 08 380 A1 beschrieben. Hier handelt es sich um einen bürstenlosen Gleichstromlinearmotor, bei welchem in der Aktiveinheit Permanentmagneten und Elektromag- neten zur Erzeugung eines steuerbaren Magnetflusses kombi- niert sind, während die Passiveinheit aus einem mit Polzähnen versehenen Weicheisenstreifen besteht.

In der amerikanischen Patentschrift US 4 563 602 ist ein Linearmotor beschrieben, der unter anderem eine sehr einfach aufgebaute Passiveinheit angibt und sowohl als Einphasensyn- chronmaschine als auch als Mehrphasensynchronmaschine ausge- staltet sein kann. Ebenso ist aus diesem Dokument die Mög- lichkeit einer Luftlagerung zwischen Aktiv-und Passiveinheit vorbekannt.

Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, daß Linearmotoren nicht nur zur Erzeugung geradliniger Bewegungen in einer Richtung eingesetzt werden können. Beispielhaft wird hier die europäische Patentanmeldung EP 0 237 639 A1 angeführt, die eine Verwendung des Direktantriebs in einem zylinderförmig aufgebauten Motor angibt. Damit lassen sich beispielsweise Bewegungen in Richtung der z-Achse realisieren.

In der Zeitschrift"Antriebstechnik"33 (1994) Nr. 7, S. 68 ist bereits ein Präzisionsdirektantrieb des Anmelders beschrieben. Dort ist das Funktionsprinzip eines permanent- magneterregten Zweiphasen-Reluktanzschrittmotors in Hybrid- technik gezeigt. Der Inhalt dieses Dokuments wird bezüglich der Funktionsweise von Direktantrieben in die Offenbarung einbezogen, um Wiederholungen zu vermeiden.

In einer vorangegangenen Patentanmeldung des Anmelders, die veröffentlicht ist als DE 44 36 865 A1, wird ein modularer Planarläufer angegeben, der aus mehreren Modulbausteinen auf- gebaut ist. Der Inhalt dieser Schrift wird ebenfalls in die Offenbarung einbezogen, soweit der Aufbau und die Funktions- weise der hier nicht näher beschriebenen Antriebseinheiten betroffen ist.

In der deutschen Patentanmeldung 195 13 325.0 des Anmelders ist eine Wegmeßeinrichtung beschrieben, bei der an einem Direktantrieb Hall-Sensoren zum Einsatz kommen. Die Struktur des Stators soll dabei als Wegmeßsystem genutzt werden.

In einer Patentanmeldung des Anmelders vom 22.10.1996 mit dem Titel"Linearantrieb und Verfahren zur Herstellung einer Passiveinheit eines Linearantriebs, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens"ist ein Direktantrieb mit einem besonders ausgestalteten Leichtbaustator beschrieben, wobei auf das Prinzip des Direktantriebs eingegangen wird. Soweit der Antrieb als solches betroffen ist, wird dieses Dokument in die Offenbarung einbezogen, um detaillierte Ausführungen über den Aufbau eines Direktantriebs an dieser Stelle nicht wiederholen zu müssen.

Die meisten bekannten Direktantriebe bzw. Linearmotoren wur- den bislang als Schrittmotoren betrieben. Die erzielbaren

Positioniergenauigkeiten sind somit von der begrenzten mecha- nischen Fertigungsgenauigkeit bei diesen Motoren bestimmt.

Allgemein besteht bei Schrittmotoren der Nachteil, daß keine Rückinformationen über die Stellung zwischen Aktiv-und Pas- siveinheit vorliegen, wodurch hochgenaue Einstellungen nicht möglich sind. Aufgrund der mangelnden Rückinformation besteht weiterhin die Gefahr, daß es zu ungünstigem Schwingungsver- halten des Schrittmotors kommen kann.

Außerdem tritt bei den als Schrittmotor betriebenen Direktantrieben der Nachteil auf, daß die einer von außen entgegen der Bewegungsrichtung auf den Antrieb einwirkenden Kraft jeweils entgegengesetzte Haltekraft abhängig ist von der Stellung der Polzähne der Aktiveinheit gegenüber den Polzähnen der Passiveinheit. Die vom Motor erzeugte Antriebskraft schwankt daher zwischen einem >Maximalbetrag und Null, je nach der Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit. Dies resultiert aus der Kraft-Weg-Kennlinie, die bei sinusförmigen Speiseströmen ebenfalls sinusförmig verläuft, also Bereiche maximaler Krafterzeugung und Bereiche mit der Kraft gleich Null besitzt. Nach jedem vollständig ausgeführten Schritt des Motors ist daher die Haltekraft bzw. die Antriebskraft gleich Null, solange keine weitere Bewegung zwischen Aktiv-und Passiveinheit erfolgt.

In einer anderen Patentanmeldung des Anmelders vom 22. 10. 96 mit dem Titel"Linearantrieb in Modulbauweise und Verfahren zur Herstellung eines Aktiveinheit eines solchen Linearantriebs"wird unter anderem dargelegt, daß Motormodule mit integriertem Wegmeßsystem und übliche Motormodule leicht zu größeren Aktiveinheiten verbunden werden können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Regeleinheit zur Verfügung zu stellen, die die genannten Nachteile vermeidet und mit der ein Direktantrieb im Regelkreis betrieben werden kann. Es soll eine Regeleinheit ermöglicht werden, bei der die vom Direktantrieb erzeugte Kraft in keiner zwischen Aktiv-und Passiveinheit angenommenen Stellung Null ist, vorzugsweise immer den Maximalwert annimmt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Regeleinheit einen Geber, der ein von der Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit abhängiges Positionssignal erzeugt, und eine Auswerteeinheit, die das Positionssignal und weitere Steuersignale empfängt, diese verarbeitet und ein Regelsignal an die Ansteuereinheit abgibt, besitzt, wobei in Abhängigkeit vom Regelsignal die von der Ansteuereinheit bereitgestellten Speiseströme einen Vorlaufwinkel aufweisen.

Durch die Verwendung einer derartigen Regeleinheit werden Rückinformationen über die aktuelle Stellung zwischen Aktiv- und Passiveinheit ermittelt, die nach einer Verarbeitung innerhalb geeigneter Logikschaltungen zur Beeinflussung der Speiseströme herangezogen werden. Damit ist es möglich, daß die dem Direktantrieb zugeführten Speiseströme zu jedem Zeitpunkt besser ausgewählt werden können, daS aufgrund des gewählten Vorlaufwinkels vom Antrieb jeweils die maximale Kraft, die der Antriebskraft entspricht, erzeugt wird. Die Phasenlage zwischen den einzelnen Phasen des Speisestroms bleibt dabei unverändert.

Bei einer besonders zu bevorzugenden Ausführungsform wird ein zweiphasiger Steuerstrom von der Regeleinheit zur Verfügung gestellt. Dies bietet den Vorteil, daß Direktantriebe mit einfachem Aufbau und guten Leistungswerten durch die Regel- einheit angesteuert werden können.

Zur Erzielung der maximalen Antriebskraft an zweiphasigen Direktantrieben ist es besonders vorteilhaft, wenn der Vorlaufwinkel mindestens 90° bzw. kleiner als-90° bei entgegengesetztem Richtungssinn ist.

In einer besonders zu bevcrzugenden Ausführungsform wird die Regeleinheit mit einem permanenterregten Zweiphasen-Reluk- tanzmotor eingesetzt, bei welchem die magnetisierbaren Berei- che an der Passiveinheit in feiner Strukturierung Polzähne mit einer auf die Aktiveinheit abgestimmten Teilungsperiode besitzen.

Eine weiter zu bevorzugende Ausführungsform zeichnet sich zudem dadurch aus, daß der das Positionssignal erzeugende Geber innerhalb einer Teilungsperiode eine Vielzahl von Lage- werten liefert, die sich in der darauffolgenden Teilungsperi- ode zyklisch wiederholen. Dadurch ist bereits bei kleinsten Bewegungen, die sich nur über Bruchteile einer Teilungsperi- ode erstrecken, eine genaue Regelung des Antriebs möglich, woraus geringste Reaktionszeiten und. hohe Positioniergenauig- keiten resultieren.

Bei einer besonders zu bevorzugenden Ausführungsform sind im Zentrum der Aktiveinheit vier Hall-Sensoren so angeordnet, daß sie in Bezug auf die Teilungsperiode jeweils ein um 90° phasenversetztes Sensorsignal abgeben. Die Auswertung der vier Sensorsignale erfolgt in bekannter Weise, wobei aus dem ersten Sensorsignal mit 0° Grad Phasenlage und dem zweiten Sensorsignal mit 180° Phasenlage ein erstes Differenzsignal gebildet wird, aus dem dritten Sensorsignal mit 90° Phasen-

lage und dem vierten Sensorsignal mit 270° Phasenlage ein zweites Differenzsignal gebildet wird und die beiden Diffe- renzsignale anschließend digitalisiert werden. Aus den gewon- nenen digitalen Signalen kann in bekannter Weise sowohl die absolute Stellung der Aktiveinheit gegenüber der Passivein- heit innerhalb einer Teilungsperiode bestimmt werden, als auch der aktuelle Richtungssinn der Bewegung ermittelt werden. Die Vorgehensweise bei der Auswertung derartiger Signale und die dafür erforderlichen Schaltungen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so daß diese hier nicht näher beschrieben werden.

Es ist zweckmäßig, in der Regeleinheit weiterhin eine in- terne Geschwindigkeitsmeßeinheit vorzusehen, die unter Verknüpfung der ermittleten digitalisierten Signale mit der Zeit die aktuelle Geschwindigkeit der Bewegung bestimmt. Bereits aus zwei Positionswerten, die innerhalb einer Teilungsperiode liegen können, aber auch in aufeinanderfolgenden Teilungsperioden ermittelbar sind, kann die Geschwindigkeit hinreichend genau bestimmt werden. Der so gewonnene Geschwindigkeitswert wird anschließend in der Auswerteeinheit mit dem Positions- signal verknüpft. Das resultierende Regelsignal ist entspre- chend verändert, wobei der Betrag des Vorlaufwinkels mit wachsender Geschwindigkeit vergrößert wird. Daraus resultiert ein Vorlaufwinkel der Steuerströme, der größer als 90° bzw. kleiner als-90° ist. Aufgrund veränderter magnetischer Eigenschaften und von Trägheiten ist der für die maximale Krafterzeugung erforderliche Vorlaufwinkel nur bei Geschwin- digkeiten nahe Null mit einem Betrag von 90° optimal gewählt.

Bei höheren Geschwindigkeiten wird vom Direktantrieb die maximale Antriebskraft nur dann zur Verfügung gestellt, wenn der Betrag des Vorlaufwinkels größer als 90° bzw. in entgegengesetzter Richtung kleiner als-90° ist.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, da$ die Regeleinheit weiterhin ein externes Meßsystem umfaßt, welches ein die Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit repräsentierendes externes Meßsignal abgibt. Das externe Me$system kann z. B. bei Linearantrieben ein beliebiges Längenmeßsystem sein. Es ist lediglich erforderlich, da$ das externe Meßsignal über den gesamten Bewegungsbereich, der erfaßt werden soll, direkt von der jeweiligen Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit abhängig ist.

Es können beispielsweise Lasermeßsysteme oder auf einem Glas- maßstab basierende Längenmeßsysteme verwendet werden. Durch Auswertung des externen Meßsignals kann unter Berücksichti- gung der Zeit die Geschwindigkeit der Bewegung separat bestimmt werden. Daraus resultiert ein externer Geschwindig- keitswert, welcher vorzugsweise mit einem Geschwindigkeits- sollsignal verglichen wird, wobei im Ergebnis dieses Vergleichs ein Korrektursignal gebildet wird. tuber das Geschwindigkeitssollsignal ist die erwünschte Geschwindigkeit des Systems vorgebbar. Das ermittelte Korrektursignal spie- gelt die Abweichungen vom Sollwert wieder, was durch hinläng- lich bekannte Schaltungseinheiten und logische Verknüpfungen realisierbar ist. Indem das Korrektursignal der Auswerteein- heit zugeführt und bei der Bildung des Regelsignals herange- zogen wird, lassen sich im Ergebnis die Speiseströme so beeinflussen, daß vom Direktantrieb die gewünschte Geschwin- digkeit zur Verfügung gestellt wird.

Zum Aufbau der externen Regelschaltung eignen sich Standard- regler, insbesondere ist für einen entsprechenden Direktan- trieb ein PID-Regler geeignet. Je nach Anwendungsfall und gewünschter Genauigkeit können aber auch andere Regler verwendet werden.

In gleicher Weise kann mit einer weiteren Führungsgröße die

maximal vom Antrieb zu erzeugende Kraft vorgegeben und gere- gelt werden.

Die Regeleinheit kann weiterhin eine Positionsbestimmungsein- heit umfassen, der das aus dem externen Meßsystem gewonnene externe Meßsignal zugeführt wird. In die Positionsbestim- mungseinheit wird ebenfalls eine Führungsgröße eingespeist, die einer gewünschten Position entspricht, an der die Rela- tivbewegung zwischen Aktiv-und Passiveinheit gestoppt werden soll. Die Positionsbestimmungseinheit verarbeitet die beiden Eingangsgrößen und erzeugt ein Stoppsignal, welches an die Auswerteeinheit abgegeben wird, wodurch das Stoppen an der gewünschten Position erreicht werden kann. Das Stoppsignal wird vorzugsweise mit dem externen Geschwindigkeitssignal gekoppelt. Beispielsweise kann das Geschwindigkeitssollsignal eine zwischen einem positiven und einem negativen Maximalwert veränderliche Spannung sein, wobei je nach Polarität der Richtungssinn der Bewegung bestimmt ist und bei einer Span- nung gleich Null die Geschwindigkeit ebenfalls Null wird.

Durch diese Verwendung des externen Meßsystems sind Positio- niergenauigkeiten erzielbar, die im wesentlichen nur durch die Genauigkeit der externen Maßverkörperung bestimmt sind.

Die erzielbaren Genauigkeiten sind damit deutlich höher, als die lediglich unter Verwendung des integrierten Wegmeßsystems erreichbaren Positioniergenauigkeiten.

Weitere Vorteile, Weiterbildungen und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh- rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen : Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Regeleinheit für einen zweiphasigen Direktantrieb ;

Fig. 2 eine vereinfachte, teilweise geschnittene Ansicht von vorn des Direktantriebs mit Aktiv-und Passiveinheit, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist ; Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht der Aktiveinheit des Direktantriebs mit vier integrierten Hall-Sensoren ; Fig. 4 eine Ansicht von unten auf die in Fig. 3 gezeigte Aktiveinheit ; Fig. 5 eine vereinfachte Schnittansicht von vorn, gesehen entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 4 ; Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinheit, die Teil der in Fig. 1 gezeigten Regeleinheit ist ; Fig. 7 in Diagrammform die Verläufe der Standardspei- seströme bei einem als Schrittmotor betriebenen Direktantrieb, die über die Wegachse aufgetragen sind, und die zugehörigen Spannungsverläufe von Sen- sorsignalen, die sich bei Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Bauvariante der Aktiveinheit ergeben ; Fig. 8 ein Diagramm, in dem ein von der Auswerteeinheit ermittelter Lagewert über der Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit aufgetragen ist ; Fig. 9 ein Diagramm, in dem ein interner Geschwindigkeitswert über der aktuellen Geschwindigkeit der Bewegung auf- getragen ist ; Fig 10 in Diagrammform die Signalverläufe von Regelsignalen, die von der Auswerteeinheit gebildet werden, aufge- tragen über dem Weg, jeweils für positiven und nega- tiven Richtungssinn ;

Fig. 11 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Regeleinheit mit einem externen Meßsystem.

Fig. 12 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Regeleinheit ohne externes Meßsystem ; Fig. 13 den Prinzipaufbau eines Hallsensormeßsystems mit 2 Strukturkörpern ; Fig. 14 eine andere Anordnungsvariante für ein integriertes Hallsensorwegmeßsystem ; Fig. 15 eine andere Variante eines Hallsensorwegmeßsystems mit 4 Hallsensoren.

In Fig. 1 ist ein prinzipielles Blockschaltbild einer Regel- einheit für einen zweiphasigen Direktantrieb gezeigt. Die Regeleinheit 1 umfaßt einen Geber 2 und eine Auswerteeinheit 3. Der Geber 2 ist als integrierter Sensor in einer Aktivein- heit 5 des Direktantriebs ausgebildet. Die Aktiveinheit 5 kann aus mehreren Motorelementen 6 bestehen, von denen zumin- dest eins als Servomotorelement 7 arbeitet, wobei die weite- ren Motorelemente 6 in identischer Weise angesteuert werden.

Das Servomotorelement 7 ist unmittelbar mit dem integrierten Sensor 2 verbunden. Der integrierte Sensor liefert zumindest ein Positionssignal 8, welches die relative Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit des Direktantriebs widerspiegelt. Im vorliegenden Fall besteht das Positionssignal 8 aus vier einzelnen Sensorsignalen, die eine Phasenverschiebung von jeweils 90° aufweisen.

Das Positionssignal 8 wird der Auswerteeinheit 3 zugeführt.

Als weitere Eingangsgröße erhält die Auswerteeinheit ein oder mehrere Steuersignale 9, die beispielsweise als Stellgrößen wirken. Die Funktion der Auswerteeinheit 3 wird weiter unten

beschrieben. Nach Verarbeitung der Steuersignale 9 und des Positionssignals 8 gibt die Auswerteeinheit ein Regelsignal 10 ab, welches sich im gezeigten Beispiel in die beiden Steu- erspannungen Usti und Ust2 aufteilt. Das Regelsignal 10 wird einem Leistungsstellglied 15 zugeführt, das die Speiseströme 16 bereitstellt, mit dem die Aktiveinheit 5 angetrieben wird.

Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines Direktantriebes, der als permanenterregter Zweiphasen-Reluk- tanzmotor ausgelegt ist. Der Direktantrieb besitzt die Aktiv- einheit 5 und eine Passiveinheit 20. Bei der Passiveinheit 20 handelt es sich beispielsweise um einen auf einem Träger auf- gebrachten Weicheisenstreifen, der durch eine Vielzahl von Polzähne 21 quer zur Bewegungsrichtung strukturiert ist. Die Polzähne 21 sind im einzelnen in Fig. 2 nur vom Prinzip her erkennbar. Sie sind sehr dicht aneinander angereiht. Eine Teilungsperiode p, die jeweils einen Polzahn und eine Zahnlücke umfaßt, von 0,64 mm oder 1,28 mm hat sich als besonders geeignet erwiesen.

Die Aktiveinheit 5 umfaßt zumindest eine erste Rückschlußplatte 22 und zwei Blechpakete, um die eine erste elektrische Wicklung 23 aufgebracht ist, und eine zweite Rückschlußplatte 24 und zwei weitere Blechpakete mit einer zweiten elektrischen Wicklung 25. Im einfachsten Fall wird die erste elektrische Wicklung 23 von der ersten Phase des Steuerstroms durchflossen, währenddessen die zweite Phase des Steuerstroms an die zweite elektrische Wicklung angelegt ist. Die Rückschlußplatten 22,24 sind weiterhin mit je einem Permanentmagneten 26 in magnetischem Kontakt, wodurch ein ständiger MagnetfluS 27 erzeugt wird, der sowohl die Blechpakete als auch die strukturierten Bereiche der Passiveinheit 20 durchsetzt.

Die Phasen des Speisestroms, welche die elektrischen Wicklun- gen 23,25 durchfließen, erzeugen einen temporären Magnetfluß 28. Der resultierende Gesamtmagnetfluß wird daher in Verstär- kungsbereichen 29 vergrößert und in Schwächungsbereichen 30 entsprechend verkleinert. Zwischen der Aktiveinheit 5 und der Passiveinheit 20 wirken demzufolge magnetische Kräfte, die als Antriebskräfte genutzt werden, woraus eine Relativbewe- gung zwischen Aktiv-und Passiveinheit resultiert. Die Funk- tionsweise eines derartigen Direktantriebes ist in soweit bekannt.

Die Lagerung zwischen Aktiveinheit 5 und Passiveinheit 20 kann beispielsweise durch ein Luftlager 31 ausgebildet sein, welches mit Druckluft aufgebaut wird, die tber eine Düse 32 in der Aktiveinheit zugeführt wird. Die Zahnlücken sind deshalb beispielsweise mit einem Polymer verfüllt.

Fig. 3 zeigt eine seitliche Schnittansicht der Aktiveinheit 5, in deren Zentrum Sensoren zur Erfassung der Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit angeordnet sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind ein erster Hall-Sensor 41, ein zweiter Hall-Sensor 42, ein dritter Hall-Sensor 43 und ein vierter Hall-Sensor 44 vorgesehen. Es ist zweckmäßig, wenn zusätzliche Permanentmagnete 45 in der Nähe dieser Sensoren angeordnet sind, die in Strukturkörpern 51-54, die den jewei- ligen Sensoren 41-44 zugeordnet sind, einen definierten permanenten Magnetfluß erzeugen. Die Hall-Sensoren 41-44 registrieren in bekannter Weise signifikante Veränderungen des Magnetflusses, die im vorliegenden Fall durch die Rela- tivbewegung zwischen Aktiv-und Passiveinheit hervorgerufen werden, wobei die Polzahnstrukturen der Passiveinheit gut erfaßbare Magnetflußänderungen bewirken. In der Aktiveinheit 5 können daruber hinaus elektronische Bauelemente 55 angeord- net sein, mit denen die von den Hall-Sensoren gelieferten Signale erfaßt und weiter verarbeitet werden.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht von unten auf die Aktiveinheit 5 mit den Hall-Sensoren, die hinter den sichtbaren Strukturkörpern 51-54 verborgen sind. Die Anordnung der Sensoren in der Mitte des Servomotorelements, 7 ist besonders zweckmäßig, da an dieser Stelle die geringsten Fehlerabweichungen von der gewünschten Führungsbahn auftreten. Die Strukturierung der Strukturkörper 51-54 entspricht im wesentlichen der Struktu- rierung der einzelnen Polzähne, die an den Blechpaketen der Aktiveinheit ausgebildet sind. Jedoch weisen die Strukturkör- per jeweils einen Versatz von 90° Grad, bezogen auf die Tei- lungsperiode p von Polzähnen und Zahnlücken auf.

In Fig. 5 ist eine vereinfachte Schnittansicht von vorn ent- lang der Schnittlinie A-A dargestellt. Diese Ansicht dient der Verdeutlichung der konkreten Anordnung der Strukturkörper 51-54 mit der jeweils erwünschten Phasenlage. Im Bereich 60 ist die Struktur des ersten Strukturkörpers 51 erkennbar, der mit einer Phasenlage von 0° Grad gegenüber der Teilungsperi- ode p angeordnet ist. Zur besseren Veranschaulichung sind darüber die Schnittbilder entlang der in Fig. 4 bestimmten Schnittlinien B-B, C-C, D-D eingezeichnet, wodurch die Anord- nung der weiteren Strukturkörper 52,53, erkennbar ist.

Die Schnittansicht D-D entspricht der Struktur des zweiten Strukturkörpers 52, der eine Phasenlage von 180° Grad gegen- über der Teilungsperiode p aufweist. Die Schnittansicht C-C ist dem dritten Strukturkörper 53 zugeordnet, der mit einer Phasenlage von 90° Grad eingesetzt ist. Schließlich verdeut- licht die Schnittansicht B-3 die Anordnung des vierten Struk- turkörpers 54, der eine Phasenlage von 270° gegenüber der Teilungsperiode p aufweist.

Kommt es zu einer Relativbewegung zwischen der Aktiv-und Passiveinheit, so andern sich die Magnetflüsse durch die

Strukturkörper 51-54. Die Hallsensoren 41-44 messen die Magnetflüsse und geben das Positionssignal 8.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild, in dem einzelne Baugruppen der Auswerteeinheit 3 dargestellt sind. Das Positionssignal 8 wird mit den jeweils um 90° phasenversetzten vier Komponenten in die Ansteuereinheit eingespeist. Jeweils zwei zueinander um 180° phasenversetzte Sensorsignale sind auf Differenzver- stärker 61 geführt, die ein erstes Differenzsignal 62 und ein zweites Differenzsignal 63 bilden, welche an zwei Verstärker 64 weitergeführt werden. Die Verstärker 64 dienen der Signalanpassung und speisen jeweils eine Steuerspannung 65 in zwei Analog/Digital-Wandler 66 ein. Mit Hilfe dieser an sich bekannten Signalaufbereitung stehen digitale Signale zur Verfügung, in denen die Stellung der Aktiveinheit gegenüber der Passiveinheit innerhalb einer Teilungsperiode p in absolut kodierter Form enthalten ist. Außerdem ist in den Signalen eine Richtungsinformation enthalten, aus welcher der aktuelle Richtungssinn bestimmt werden kann.

Die Analog/Digital-Wandler 66 geben zwei digitale Signale 67 an eine erste Logikschaltung 68 ab. In der ersten Logikschal- tung 68 wird aus den digitalen Signalen 67 ein die aktuelle Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit kennzeichnender Lagewert 70 gewonnen, der an eine zweite Logikschaltung 71 abgegeben wird.

Außerdem bildet die erste Logikschaltung 68 einen den aktuel- len Richtungssinn kennzeichnenden Richtungswert 72, der eben- falls an die zweite Logikschaltung 71 abgegeben wird. In der zweiten Logikschaltung 71 werden aus den eingespeisten Werten 70,72 die binär kodierten Sollwerte 73 für die zwei Phasen des Speisestroms gebildet. Es folgen zwei Digital/Analog- Wandler 74, die diese digitalen Sollwerte 73 in analoge

Signale wandeln, welche an weitere Verstärker 75 abgegeben werden. Diese weiteren Verstärker 75 führen eine Pegelanpas- sung durch und geben die beiden Phasen des Regelsignals 10 ab, welche an die in Fig. 1 gezeigten Leistungsstellglieder 15 weitergeführt werden, die die Speiseströme 16 bereitstellen.

Der Auswerteeinheit 3 wird weiterhin mindestens ein Steuer- signal 9 zugeführt, welches beispielsweise auf die Digital- Analog-Wandler 74 einwirkt. Damit lassen sich z. B. die gewünschte maximale Antriebskraft und der Richtungssinn vor- wählen. In der zweiten Logikschaltung 71 werden ausgehend von dem Lagewert 70 die binäre Sollwerte 73 so ermittelt, daß der Vorlaufwinkel der beiden Phasen des Speisestroms mindestens +90° Grad bzw.-90° Grad bei negativem Richtungssinn beträgt.

Damit ist gewährleistet, daß unabhängig von der aktuellen Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit der Speisestrom stets mit einem Vorlaufwinkel zugeführt wird, der am Direktantrieb die maximale Antriebskraft erzeugt.

Versuche und mathematische Berechnungen haben gezeigt, daß ein Vorlaufwinkel von +90° bzw.-90° Grad nur dann zu einer maximalen Krafterzeugung führt, wenn die Geschwindigkeit der ausgeführten Bewegung nahe Null ist. Bei höheren Geschwindig- keiten ist zur maximalen Krafterzeugung ein höherer Betrag des Vorlaufwinkels erforderlich. Dies ergibt sich aus den veränderten magnetischen Bedingungen und den entsprechenden Trägheiten. Bei einer abgewandelten Ausführungsform wird aus diesen Gründen bei der Bestimmung des Vorlaufwinkels des Speisestroms auch die aktuelle Geschwindigkeit berück- sichtigt.

Dazu wird aus den digitalen Signalen 67 in der ersten Logik- schaltung 68 weithin ein Geschwindigkeitswert 80 gebildet,

der wiederum der zweiten Logikschaltung 71 zugeführt wird.

Zur Bestimmung des Geschwindigkeitswertes können zwei von den Sensoren aufgenommene Positionswerte mit der Zeit verknüpft werden. Vorzugsweise werden, zumindest bei kleineren Geschwindigkeiten, zwei unterschiedliche Positionen innerhalb einer Teilungsperiode p ausgewertet. In der zweiten Logik- schaltung 71 wird der Geschwindigkeitswert 80 durch logische Verknüpfung derart bei der Ermittlung der binär kodierten Sollwerte 73 berücksichtigt, daß der Betrag des zu bildenden Vorlaufwinkels bei höheren Geschwindigkeiten jeweils größer ist.

Die in den Fig. n 7 bis 10 gezeigten Diagramme dienen dem bes- seren Verständnis der Funktionsweise der Regeleinheit, so daß auf eine detailliertere Beschreibung der verwendeten Schal- tungseinheiten verzichtet werden kann. In den gezeigten Ausführungsformen werden die einzelnen Signalbearbeitungen durch Hardwarelösungen realisiert. Der konkrete Aufbau ergibt sich aus den allgemein bekannten Prinzipien der Schal- tungsstrukturen und unter Verwendung standardisierter Bauele- mente. Es ist aber auch möglich, die Signalbearbeitung von einem oder mehreren Mikroprozessoren vornehmen zu lassen, die mit einer speziellen Software an diesen Einsatzzweck angepaßt werden.

Bei den vier in Fig. 7 gezeigten Diagrammen ist der Weg x an der Abszisse aufgetragen. Die Strecke p entspricht einer mechanischen Teilungsperiode, die einen Polzahn und eine Zahnlücke auf der Passiveinheit umfaßt. An der Ordinate der oberen beiden Diagramme ist die erste Phase Iphasel bzw. die zweite Phase Iphase2 eines Standardspeisestroms auEgetragen.

Die erste Phase hat einen sinusförmigen Verlauf und die zweite Phase verläuft cosinusförmig. Der dargestellte Strom- verlauf entspricht dem Betrieb des Direktantriebs als norma- ler Schrittmotor mit einem Vorlaufwinkel von 0°. Die beiden

unteren Diagramme zeigen den Verlauf der zugeordneten Steuer- spannungen 65, Us und Uc, die nach Differenzbildung aus den um 180° Grad versetzten Sensorsignalen gebildet werden. Diese haben ebenfalls einen sinus-bzw. cosinusähnlichen Verlauf.

In dem in Fig. 8 gezeigten Diagramm ist der Lagewert 70 über dem Weg innerhalb einer Teilungsperiode p aufgetragen. Durch Verwendung der ersten Logikschaltung 68 ist jeder Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit ein diskreter Lagewert zugeordnet. Damit ist es auch möglich, bestimmte systemati- sche Fehler, die bei der Positionsermittlung auftreten, aus- zugleichen. Besonders zweckmäßig ist der Einsatz von fest programmierten oder frei programmierbaren Logikschaltungen, wie z. B. ein EPROM. Im gezeigten Beispiel sind innerhalb jeder Teilungsperiode p 256 verschiedene Lagewerte definiert.

Bei gewünschter höherer Genauigkeit können mit dem vorge- schlagenen Aufbau aber auch höhere Auflösungen erreicht werden.

Soweit die aktuelle Geschwindigkeit in die Bestimmung des Vorlaufwinkels einbezogen werden soll, ergibt sich beispiels- weise ein in Fig. 9 dargestellter Verlauf des Geschwindig- keitswerts 80, der über der tatsächlichen Geschwindigkeit aufgetragen ist. Es hat sich gezeigt, daß eine Gruppierung der aktuellen Geschwindigkeit in 32 diskrete Geschwindig- keitswerte ausreichend ist, um den Vorlaufwinkel mit genügen- der Genauigkeit einzustellen.

In Fig. 10 sind in vier Diagrammen die Signalverläufe der von der Auswerteeinheit gebildeten Regelsignale 10 (jeweils die beiden Phasen) über dem Weg aufgetragen. Die beiden oberen Diagramme gelten für die positive Bewegungsrichtung und die beiden unteren Diagramme zeigen die entsprechenden Signalver- laufe bei negativer Bewegungsrichtung. Es handelt sich dabei

um idealisierte Darstellungen der zu erzeugenden Signale, wie sie für Geschwindigkeiten nahe Null angestrebt werden. Bei diesen kleinen Geschwindigkeiten wird die maximale Antriebs- kraft bei einem Vorlaufwinkel des Steuerstroms von +90° bzw.

-90° erzielt. Der Winkel zwischen den beiden Phasen wird dabei nicht beeinflußt.

Durch die Erfassung der Geschwindigkeit und deren Verarbei- tung in einer Logikschaltung ist es auch möglich, jedem Geschwindigkeitswert ganz gezielt einen veränderten Speise- strom zuzuordnen.

Aus den dargestellten Regelsignalen 10 werden in der genann- ten Weise die Speiseströme erzeugt, die den gleichen Vorlauf- winkel aufweisen.

Fig. 11 zeigt das Blockschaltbild einer erweiterten Ausfüh- rungsform der Regeleinheit. Diese Ausführungsform beinhaltet die bereits detailliert beschriebene Auswerteeinheit 3.

Darüber hinaus ist ein externes Meßsystem 90 vorgesehen, welches ein externes Meßsignal 91 erzeugt. Bei dem externen Meßsystem 90 handelt es sich um ein beliebiges Meßsystem, mit dem die Stellung zwischen Aktiv-und Passiveinheit ermittelt werden kann, wobei das externe Meßsignal 91 aber die gesamte zu erfassende Bewegungsstrecke direkt abhängig von dieser Stellung sein muß. Es kommen hier gebräuchliche Längenmeß- systeme zum Einsatz, insbesondere eignen sich Lasermeßsysteme und auf einem Lineal (beispielsweise ein Glasmaßstab) basie- rende Längenmeßsysteme. Das so gewonnene externe Meßsignal 91 wird einer externen-Geschwindigkeitsmeßeinheit 92 zugeführt.

Aus wenigstens zwei vom externen Meßsystem 90 ermittelten Stellungen wird wiederum unter Berücksichtigung der Zeit die aktuelle Geschwindigkeit ermittelt. Die externe Geschwindig- keitsmeßeinheit 92 enthält weiterhin eine gebräuchliche Regelschaltung, die das ermittelte zweite Geschwindigkeits-

signal mit einem von außen zugeführten Geschwindigkeitssoll- signal 93 vergleicht und ein Korrektursignal 94 bereitstellt, welches der Auswerteeinheit 3 zugeführt wird. Damit ist es möglich, die tatsächlich ausgeführte Geschwindigkeit des Gesamtsystems an einen äußeren Vorgabewert anzupassen, wobei standardisierte Einheiten der Regeltechnik zum Einsatz kommen. Als Regelschaltung kann beispielsweise ein PID-Regler verwendet werden.

Bei einer nochmals abgewandelten Ausführungsform enthält die Regeleinheit zusätzlich eine Positionsbestimmungseinheit 95, die das vom externen Meßsystem 90 ermittelte externe Meß- signal 91 als Eingangsgröße empfängt und von außen eine weitere Führungsgröße 96 erhält. Mit der weiteren Führungs- größe 96 wird eine Stopposition vorgegeben, die vom Direktan- trieb eingenommen werden soll. Die Positionsbestimmungsein- heit 95 vergleicht die weitere Führungsgröße 96 und das externe Meßsignal 91 und generiert gegebenenfalls ein Stopp- signal, welches mit dem Geschwindigkeitssollsignal 93 an den externen Geschwindigkeitsregler 92 übergeben wird, wodurch im Ergebnis die Geschwindigkeit Null eingestellt wird. Es ist zweckmäßig, das Geschwindigkeitssollsignal 93 als Spannungswert zwischen einer positiven und einer negativen Maximalspannung auszulegen, wobei mit dem Vorzeichen der Spannung der Richtungssinn festgelegt ist und bei einer Spannung gleich Null die Geschwindigkeit zu Null eingestellt wird, wodurch der Direktantrieb stoppt.

Die beschriebene Regeleinheit ist vorteilhaft so ausgelegt, daß standardisierte Schnittstellensignale zur Verfügung stehen, so daß sie in bestehende Regelketten eingepaßt werden kann.

Die Fig. 12 zeigt im Blockschaltbild eine weitere Ausführungsform der Regeleinheit ohne externes Me3system Die Informationen 98 vom integrierten Wegmeßsystem werden im Interpolator 97 in Informationen 91 umgewandelt und dem Geschwindigkeitsregler 92 bereitgestellt.

Die Figuren 13 bis 15 zeigen verschiedene Anordnungsvarianten für integrierte HallsensorwegmeSsysteme