POSITIONSBESTIMMUNG EINES ELEKTRISCHEN ANTRIEBS MIT ZWEI STATOREN UND ZWEI ROTOREN

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb, insbesondere für einen Schwenk- αrm, z.B. einen Roboterαrm, mit einem Rotor, mehreren magnetischen Perioden sowie mit einer Einrichtung für die Bestimmung der Drehlage des Rotors anhand wenigstens eines Messsignals, das für die Induktivität eines Polwickiungsstrangs maßgebend ist, die von der Lage des Polwicklungsstrangs relativ zu den magnetischen Perioden abhängt.

Ein elektrischer Antrieb solcher Art ist aus der DE 10031 423 Al und der DE 046 638 Al bekannt. Die Drehposition des Rotors einer elektrischen Maschine wird anhand eines von der Phasenstranginduktivität abhängigen Spannungssignals bestimmt.

Beim Betrieb der elektrischen Maschine durch Impulsweitenmodulation lassen sich solche Signale z.B. am Stempunkt im Stern verschalteter Phasenstränge abgreifen.

Da sich die Phasenstranginduktivität periodisch entsprechend den magnetischen Perioden ändert, kann die Drehlage des Rotors auf diese Weise nur innerhalb des jeweiligen Drehwinkelbereichs einer magnetischen Periode bestimmt werden.

Drehlagebestimmungen darüber hinaus sind nur indirekt durch Zählung der durchlaufenen magnetischen Perioden möglich. Die Zählungsinformation darf nicht verloren gehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen elektrischen Antrieb der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der eine direkte Drehlagebestimmung in einem größeren Drehwinkelbereich als nach dem Stand der Technik ermöglicht.

Der diese Aufgabe lösende elektrische Antrieb nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei gekoppelte, gemeinsam in zueinander festem Drehwinkelverhältnis drehbare Rotorteile und für die Rotorteile getrennte Anordnungen von magnetischen Perioden und Polwicklungssträngen vorgesehen sind, wobei die Zahlen der magnetischen Perioden je Rotorteil teilerfremd sind, und dass die Einrichtung für die Bestimmung der Drehlage des Rotors zur Lagebestimmung aus den Messsignalen für die beiden Rotorteile vorgesehen ist.

Vorteilhaft lässt sich der Rotordrehwinkel durch die Erfindung direkt innerhalb einer vollen Drehung ermitteln. Innerhalb der vollen Drehung treten keine übereinstimmenden Wertepaare der beiden Messsignale auf, so dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Messsignalwertepaaren und dem Drehwinkel besteht.

Der erfindungsgemäße Antrieb eignet sich daher in besonderem Maße für begrenzt bewegte Objekte, wie z.B. Schwenkarme.

Während es denkbar wäre, den elektrischen Antrieb in zwei vollkommen selbständige Maschinen zu unterteilen, deren Rotorwellen in gegenseitiger Antriebsverbindung, z.B. über ein Zahnrad, stehen, weisen gemäß einer bevor- zugten Ausführungsform der Erfindung die Rotorteile eine gemeinsame Drehachse auf. Insbesondere sind die Rotorteile miteinander axial starr im Drehwinkelverhält- nis 1 :1 gekoppelt.

In einer solchen Ausführungsform kann für die Rotorteile ein gemeinsames Gehäuse vorgesehen sein, wobei die Rotorteile einen Außenläufer bilden. Entsprechend lassen sich die getrennten Polwicklungsanordnungen an einem gemeinsamen, innerhalb der Rotorteile angeordneten Statorträger anbringen.

Vorzugsweise umfasst die Einrichtung für die Ermittlung der Drehlage des Rotors die Messsignale an den Polwicklungsanordnungen als Spannungssignale abgreifende Messeinrichtungen.

Diese Messeinrichtungen können insbesondere zum Abgreifen der Messsignale am Sternpunkt im Stern verschalteter Phasenstränge der Polwicklungsanordnungen vorgesehen sein.

Die Einrichtung für die Ermittlung der Drehlage des Rotors umfasst zweckmäßig die Messsignale normierende Einrichtungen, welche die Vergleichbarkeit der Messsignale verbessern.

Ferner umfasst die Einrichtung für die Ermittlung der Drehlage des Rotors zweckmäßig eine die Messsignale mit gespeicherten Tabellenwerten vergleichende Ein- richtung. In der Vergleichseinrichtung können Wertepααre der Messsignαle oder Quotienten der Messsignαle in Zuordnung zu Drehwinkelpositionen (α) gespeichert sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Antriebsmaschine nach der Erfindung, Rg. 2 eine die Drehlageabhängigkeit von Phasenstranginduktivitäten der

Maschine von Fig. 1 erläuternde Darstellung, und Fig. 3 eine Betriebseinrichtung für die Antriebsmaschine von Fig. 1 , die eine

Einrichtung zur Ermittlung der Rotordrehlage umfasst.

Eine elektrische Maschine weist einen um eine Achse 1 drehbaren Rotor 2 auf. Innerhalb des einen Außenläufer bildenden Rotors 2 befindet sich, in Fig. 1 nicht sichtbar, der Stator.

Die vielpolige elektrische Maschine umfasst neben gemeinsamen Gehäuse- und Halterungsteilen zwei Rotorteile 3 und 4 mit getrennten Anordnungen magnetischer Perioden 5 und 6 in unterschiedlicher Anzahl je Anordnung, wobei die magnetischen Perioden 5 und 6 durch Permanentmagnete 7 und 8 gebildet und die Permanentmagnete mit einem den Rotorteilen gemeinsamen Gehäuse 21 verbunden sind. Unterschiedlich sind auch die Zahlen der Statorpole getrennter, den Rotorteilen 3 und 4 zugeordneter Polwicklungsanordnungen.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen die Polwicklungsanordnungen jeweils drei im Stern verschaltete Phasenstränge 1 1 bzw. 12 (Fig. 3) mit jeweils mehreren Polwicklungen auf.

Die Induktivität der Phasenstränge hängt von der Feldstärke des die Polwicklungs- keme durchsetzenden Magnetfeldes und damit von der Stellung des Rotors 2 relativ zu den Phasensträngen ab. Die Induktivität I der einzelnen Phasenstränge ändert sich periodisch mit dem Rotordrehwinkel a, wobei die Drehwinkelperioden wiederkehrender Induktivität den magnetischen Perioden entsprechen. Fig. 2α zeigt die Induktivität b eines dem Rotorteil 3 zugeordneten Phasenstrangs 1 1 und Fig. 2b die Induktivität U eines dem Rotorteil 4 zugeordneten Phasenstrangs 12 jeweils in Abhängigkeit vom Rotordrehwinkel a für eine Drehung des Rotors 2 um 360°. Entsprechend den unterschiedlichen Zahlen magnetischer Perioden der Rotorteile 3 und 4 ergeben sich für die volle Rotordrehung periodisch wiederkehrende Maxima der Induktivität bund U in unterschiedlicher Zahl.

Sofern die Zahlen der magnetischen Perioden 5 und 6 der Rotorteile 3 und 4 teilerfremd sind, ergibt sich innerhalb einer vollen Drehung des Rotors 2 kein sich wiederholendes Wertepaar b,l4. Jedem Wertepaar b,U ist eindeutig ein Drehwinkel a zugeordnet.

Der Betrieb der elektrischen Maschine von Fig. 1 erfolgt in dem hier beschriebenen Beispiel nach dem Impulsmodulationsverfahren unter Verwendung der in Fig. 3 schematisch dargestellten Einrichtung.

Strichlinien 9 und 10 in Fig.3 deuten die Rotorteile 3 und 4 an, deren diesen zugeordnete Polwicklungsanordnungen jeweils drei im Stern verschaltete Phasenstränge 1 1 bzw. 12 umfassen.

Die Phasenstränge 1 1 stehen mit einer Steuereinrichtung 14 und die Phasenstränge 12 mit einer Steuereinrichtung 15 in Verbindung. Die Steuereinrichtungen 14,15 erzeugen aus der Gleichspannung einer Batterie 13 Spannungsimpulse zum getrennten Betrieb der die Rotorteile 3 und 4 umfassenden Teilmaschinen.

Eine erste Messeinrichtung 16 greift am Sternpunkt der Phasenstränge 1 1 , ggf. gesteuert durch die Steuereinrichtung 14, ein von der Induktivität b abhängiges Spannungssignal S3 ab. Eine zweite Messeinrichtung 17 greift am Sternpunkt der Phasenstränge 12 ein entsprechendes Spannungssignal S ₄ ab.

Zu den Möglichkeiten der Erzeugung bzw. des Abgreifens von Spannungssignalen, insbesondere am Sternpunkt wird auf die hier einbezogenen Schutzrechtsschriften DE 10031 423 Al und DE 046 638 Al verwiesen.

An die Messeinrichtungen 15 und 17 schließt sich jeweils eine Normierungseinrichtung 18 bzw. 19 an. Die Normierungseinrichtungen bilden aus den Spannungs- Signalen S3,S4 normierte, z.B. auf eine mechanische Anschlagposition des Rotors bezogene, Spannungssignale S3,S4.

Eine mit den Normierungseinrichtungen 18,19 verbundene Vergleichseinrichtung 20 enthält eine Nachschlagetabelle, in der Wertepaaren S3,S4 oder Quotienten S3/S4 der diesen entsprechende Drehwinkel a des Rotors 2 zugeordnet ist.