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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur sensorlosen Positionserfassung
eines elektrischen Stell- oder Positionierantriebs mit einem Gleichstrommotor,
der eine Anzahl unabhängig voneinander bestrombarer Motorstränge
und einen Rotor aufweist.
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Aus
dem Stand der Technik sind Stell- oder Positionierantriebe mit Gleichstrommotoren
in zahlreichen unterschiedlichen Ausführungsformen bereits
bekannt. Häufig werden bei derartigen Antrieben permanterregte
Gleichstrommotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren oder
auch so genannte geschaltetete Reluktanzmotoren (engl.: Switched
Reluctance Motor, SRM) eingesetzt. Ein wichtiger Aspekt bei derartigen
Stellantrieben ist die Lageerfassung, die häufig mit Hilfe
geeigneter Positionssensormittel sowie Signalverarbeitungsmittel durchgeführt
wird.
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Die
DE 198 34 108 C2 offenbart
ein Verfahren zur Bestimmung der Anzahl von Motorumdrehungen eines
Elektromotors aus Stromripplen, wobei der Motorstrom einen Gleichstromanteil
und einen Wechselstromanteil aufweist. Das Motorstromsignal durchläuft
bei diesem Verfahren einen Tiefpassfilter und wird anschließend
differenziert. Das aus der vorstehend genannten Druckschrift bekannt
gewordene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Zeitintervall
bestimmt wird und dass die Differenzwerte zwischen aufeinanderfolgenden
Minimal- und Maximalwerten des differenzierten, tiefpassgefilterten
Motorstroms innerhalb des Zeitintervalls berechnet werden. Die Differenzwerte
innerhalb des Zeitintervalls werden gespeichert und die Ripple werden
aus den gespeicherten Differenzwerten bestimmt. Schließlich
wird die Länge des Zeitintervalls in Abhängigkeit
von den vorhergehenden erkannten Ripplen angepasst.
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Um
die Herstellung und den Betrieb eines Stell- oder Positionierantriebs
mit einem Gleichstrommotor zu vereinfachen, ist es häufig
wünschenswert, auf einen Lagesensor zur Erfassung der Position
des Stell- oder Positionierantriebs verzichten zu kön nen.
Dann müssen sowohl der Kommutierungszeitpunkt als auch
das Lagesignal des Stell- oder Positionierantriebs aus den Motorstranggrößen
des Gleichstrommotors bestimmt werden. Wenn auch bei hohen Drehzahlen
eine kontinuierliche Lageerfassung durchgeführt wird, steigt
der Leistungsbedarf der Signalverarbeitung verhältnismäßig
stark an. Wird bei steigender Drehzahl der Antrieb statt im geregelten
Betrieb mit Lageerfassung als gesteuerter Schrittmotor betrieben,
besteht das Risiko, dass ein Schritt nicht zuverlässig
ausgeführt wird, dies jedoch von der Steuerung nicht registriert
wird.
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Hier
setzt die vorliegende Erfindung an.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur sensorlosen Positionserfassung eines elektrischen Stell- oder
Positionierantriebs der eingangs genannten Art zur Verfügung
zu stellen, das eine zuverlässige Positionserfassung ermöglicht
und sich insbesondere auch für Antriebe eignet, bei denen
der Gleichstrommotor eine rotorlageabhängige Stranginduktivität
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch
1 zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur sensorlosen Positionserfassung eines elektrischen Stell- oder
Positionierantriebs mit einem Gleichstrommotor, der eine Anzahl
unabhängig voneinander bestrombarer Motorstränge
und einen Rotor aufweist, dadurch aus, dass
- – die
Induktivität L(φ, I) der Motorstränge
in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ des Rotors bestimmt
und in einem Speichermittel gespeichert wird,
- – die Spannung U(t) und der Strom I(t) mindestens eines
der Motorstränge erfasst werden,
- – die Position des Rotors des Gleichstrommotors anhand
der Gleichung L(φ, I) = (U(t) – R·I(t)): dI(t) / dt durch einen
Vergleich mit der im Speichermittel gespeicherten Induktivität
L(φ, I) bestimmt wird.
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Das
hier vorgestellte Verfahren eignet sich für eine genaue
Erfassung der Position des Stell- oder Positionierantrieb. Es kann
insbesondere bei Stell- oder Positionierantrieben eingesetzt werden,
bei denen der Gleichstrommotor eine rotorlageabhängige
Stranginduktivität aufweist. Die Motorstränge
des Gleichstrommotors werden im Betrieb nacheinander bestromt, um
die gewünschte Bewegung des Rotors innerhalb des Ständers
zu bewirken. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt die Lageerfassung des Stell- oder Positionierantriebs ausgehend
von der Differentialgleichung eines Motorstrangs, welche unter der
Annahme, dass die Gegeninduktivität der Ständerspulen
des Gleichstrommotors gering ist, zunächst die folgende
Form hat:
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In
dieser Gleichung bezeichnen U(t) die Spannung, I(t) den Strom, R
den Widerstand und L(φ, I) die Induktivität eines
Motorstrangs, wobei φ der Drehwinkel des Rotors des Gleichstrommotors
und t die Zeit ist. Anhand dieser Gleichung wird deutlich, dass
sich die angelegte Spannung U(t) in insgesamt vier Teile aufteilt. Dabei
sorgt der Wirkwiderstand der Wicklung für einen Spannungsabfall,
wenn er von einem Strom durchflossen wird. Wenn der Rotor des Gleichstrommotors
rotiert, ändert sich die Induktivität des betreffenden
Motorstrangs.
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Die
Gleichung vereinfacht sich unter der Annahme, dass sich die Induktivität
L(φ, I) durch Vermeidung von Sättigungseffekten
in den Motorteilen nur wenig ändert ( ∂L(φ, I) / ∂I ≈ 0) und
das Verfahren nur im Stillstand oder bei niedrigen Drehzahlen (vorzugsweise
unterhalb der Grundgeschwindigkeit des Gleichstrommotors) beziehungs weise
niedrigen Winkelgeschwindigkeiten ω = dφ / dt ≈ 0 des
Gleichstrommotors ausgeführt wird, zu:
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In
dieser Gleichung ist die Induktivität L(φ, I)
somit die einzige winkelabhängige Größe,
so dass die Position des Stell- oder Positionierantriebs durch eine
Bestimmung der übrigen Terme der Gleichung durch Messung
der Spannung U(t) und des Stroms I(t) eines Motorstrangs ermittelt
werden kann. Es gilt:
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Somit
wird deutlich, dass die Position des Rotors des Gleichstrommotors
mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens bei Kenntnis des Widerstands
R durch eine Messung der Spannung U(t) und des Stroms I(t) sowie
durch eine Bestimmung der zeitlichen Änderung des Stroms dI(t) / dt bestimmt
werden kann. Die berechnete Induktivität L(φ,
I) kann mit der vorab bestimmten und in einem Speichermittel gespeichert
Induktivität L(φ, I) verglichen werden, um dadurch
die Position des Rotors zuverlässig zu bestimmen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass während des Stillstands des Gleichstrommotors alle
Motorstränge des Gleichstrommotors gleichzeitig mit einer
Gleichspannung erregt werden und anschließend einer der
Motorstränge zur Bestimmung der Anfangsposition des Rotors
ausgewählt wird. Die Erregung der Motorstränge
erfolgt vorzugsweise über einen vergleichsweise kurzen
Zeitraum, der klein genug ist, um kein nennenswertes Drehmoment
zu erzeugen. Dabei wird der Strom, der durch jeden der Motorstränge
fließt, gemessen und derjenige Motorstrang ermittelt, durch
den der größte Strom fließt. Ein zu diesem
Motorstrang benachbarter Motorstrang kann dann zur Positionserfassung
des Rotors nach dem vorstehend erläuterten Prinzip verwendet
werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,
dass während der Drehung des Rotors stets einer der Motorstränge
des Gleichstrommotors zur Bestimmung der Stellung des Rotors ausgewählt
wird.
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Da
sich die Lage des Stell- oder Positionierantriebs mit Hilfe des
hier erläuterten Verfahrens auf einfache und genaue Weise
bestimmen lässt, kann ein lagegeregelter Betrieb des Antriebs
durchgeführt werden. Um den Aufwand für die Signalverarbeitung
möglichst gering zu halten, erfolgt der geregelte Betrieb
des Stell- oder Positionierantriebs vorzugsweise nur während
der anfänglichen Lagebestimmung und bei Erreichen der Endposition.
Verfahrwege, welche einen ganzen Schritt überschreiten,
werden vorteilhaft im gesteuerten Betrieb ausgeführt.
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Damit
ein Schrittverlust zuverlässig erkannt werden kann, wird
die lageabhängige Induktivität der Motorstränge
bei einem Schrittbetrieb des Gleichstrommotors in einer besonders
bevorzugten Ausführungsform zu Beginn und am Ende eines
jeden Schrittes ausgewertet. Eine Vereinfachung dieser Messung ergibt
sich aus der Tatsache, dass die Bestromung der Motorstränge
eines Gleichstrommotors zumeist blockförmig erfolgt. Dies
kann vorteilhaft mit einem Hysteresestromregler erreicht werden.
Ein Hysteresestromregler schaltet den Strom in einem Motorstrang
bei Abweichungen vom Sollwert um einen bestimmten voreingestellten
oder voreinstellbaren Betrag ein oder aus. Wenn sich die Induktivität
beim Verdrehen des Rotors des Gleichstrommotors ändert,
so ändern sich auch die Zeiten zwischen den einzelnen Schaltvorgängen
des Hysteresestromreglers, da eine große Induktivität
den Strom langsamer ansteigen und sinken lässt als eine
kleine Induktivität und umgekehrt. Die Zeit zwischen zwei
Schaltvorgängen am Anfang und am Ende eines Schrittes muss
sich also um einen festzulegenden Wert ändern. Anderenfalls
ist davon auszugehen, dass der Schritt nicht ausgeführt
wurde. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird
vorgeschlagen, dass die lageabhängige Induktivität
L(φ, I) über die Schaltzeiten des Hysteresestromreglers
bestimmt wird. Die Auswertung der Schaltzeiten des Hysteresestromreglers
kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform auch
für eine kontinuierliche Lagebestimmung des Stell- oder
Positionierantriebs verwendet wer den. Diese Ausführungsform
erfordert einen relativ geringen Logikaufwand und lässt
sich leicht integrieren. Die Grenze ergibt sich gegebenenfalls bei
einer hohen Schrittfrequenz, so dass das oben beschriebene Verfahren
ergänzend eingesetzt werden kann.
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Um
das Verfahren zur Lageerfassung des Stell- und Positionierantriebs
effizienter zu gestalten, wird in einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform vorgeschlagen, dass die lageabhängige
Induktivität L(φ, I) in Form einer Nachschlagetabelle
im Speichermittel gespeichert wird.
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Anhand
der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend
näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Gleichstrommotors, der als geschalteter
Reluktanzmotor ausgeführt ist;
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2 eine
graphische Darstellung der Induktivität der Statorwindungen
als Funktion der Rotorposition des geschalteten Reluktanzmotors
gemäß 1.
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Unter
Bezugnahme auf 1 und 2 soll nachfolgend
ein Verfahren zur sensorlosen Positionserfassung eines elektrischen
Stell- oder Positionierantriebs mit einem Gleichstrommotor 1 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
näher erläutert werden. In 1 ist zunächst
ein Gleichstrommotor 1 schematisch stark vereinfacht dargestellt,
der sich für die Durchführung eines derartigen Verfahrens
eignet und in diesem Ausführungsbeispiel ein so genannter
geschalteter Reluktanzmotor (engl.: Switched Reluctance Motor, SRM)
ist.
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Der
Gleichstrommotor 1 weist einen Ständer 2 und
einen Rotor (Läufer) 3 auf, der innerhalb des
Ständers 2 drehbar gelagert ist. Sowohl der Ständer 2 als
auch der Rotor 3 sind bei einem geschalteten Reluktanzmotor
relativ stark genutet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
umfasst der Ständer 2 insgesamt sechs Zähne 20, 20', 21, 21', 22, 22',
die jeweils mit einer Spule 4 umwickelt sind. Zwei diagonal
gegenüberliegend angeordnete Zähne 20, 20', 21, 21', 22, 22' und
die zugehörigen Spulen 4 bilden jeweils einen
bestrombaren Motorstrang des Gleichstrommotors 1. Der Gleichstrommotor 1 weist
somit insgesamt drei Motorstränge auf, die während
des Betriebs des Gleichstrommotors 1 unabhängig
voneinander bestromt werden können.
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Der
Rotor 3 des Gleichstrommotors 1 besitzt keine
Spulen und keine Permanentmagneten und weist in diesem Ausführungsbeispiel
insgesamt vier Zähne 30, 31, 32, 33 auf.
Anhand der Darstellung in 1 wird deutlich,
dass die Zahnzahlen des Ständers 2 und des Rotors 3 bei
einem geschalteten Reluktanzmotor unterschiedlich sind. Es hängt
vom Verhältnis der Zahnzahl des Ständers 2 zur
Zahnzahl des Rotors 3 ab, welches in dem hier gezeigten
Ausführungsbeispiel sechs zu vier beträgt, in
welche Richtung sich der Rotor 3 relativ zur Bewegungsrichtung
des umlaufenden Ständerfeldes dreht. Ist das Verhältnis
der Zahnzahl des Ständers 3 zur Zahnzahl des Rotors 3 wie
in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel größer
als eins, so bewegt sich der Rotor 3 entgegengesetzt zur
Richtung der Bewegung des umlaufenden Ständerfeldes. Der
in 1 dargestellte Gleichstrommotor 1 dreht
sich also im Uhrzeigersinn (durch einen Pfeil angedeutet), wenn
das Ständerfeld gegen den Uhrzeigersinn umläuft.
Die drei Motorstränge erzeugen jeweils einen Drehmomentimpuls,
wenn sich einer der Zähne 30, 31, 32, 33 des
Rotors 3 während des Betriebs des Gleichstrommotors 1 an
ihnen vorbeibewegt.
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Bei
der Durchführung des hier vorgestellten Verfahrens zur
sensorlosen Positionserfassung des elektrischen Stell- oder Positionierantriebs
mit dem in 1 dargestellten Gleichstrommotor 1 wird
vorab die Induktivität L(φ, I) der Motorstränge
des Gleichstrommotors 1 in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ des
Rotors 3 bestimmt und in einem Speichermittel – vorzugsweise
in Form einer Nachschlagetabelle (Look-Up-Table) – gespeichert.
Die lageabhängige Induktivität L(φ, I)
ist in 2 in Abhängigkeit vom Drehwinkel des
Rotors 3 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Induktivität
L(φ, I) eine ansteigende Flanke und eine absteigende Flanke aufweist.
Vorzugsweise wird die absteigende Flanke der Induktivität
L(φ, I) für die Positionsbestimmung des Rotors 3 eingesetzt.
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Zur
Bestimmung des Drehwinkels des Rotors
3 werden die Spannung
U(t) und der Strom I(t) erfasst. Anhand der nachfolgenden Gleichung,
die allerdings nur während des Stillstands beziehungsweise
bei niedrigen Drehzahlen (vorzugsweise unterhalb der Grundgeschwindigkeit
des Gleichstrommotors
1) ihre Gültigkeit hat,
kann die Position des Rotors
3 des Gleichstrommotors
1 bei
Kenntnis des Widerstands R bestimmt werden
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In
der vorstehend aufgeführten Gleichung ist die Induktivität
L(φ, I) die einzige winkelabhängige Größe, so
dass die Position des Stell- oder Positionierantriebs durch eine
Bestimmung der übrigen Terme der Gleichung durch eine Messung
der Spannung U(t) und des Stroms I(t) ermittelt werden kann. Es
gilt:
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Die
Position des Rotors 3 des Gleichstrommotors 1 kann
also durch eine Messung der Spannung U(t) und des Stroms I(t) sowie
durch eine Bestimmung der zeitlichen Änderung des Stroms dI(t) / dt bestimmt
werden. Dabei wird mittels der vorstehend aufgeführten
Gleichung die Induktivität L(φ, I) berechnet und
mit der im Speichermittel gespeicherten Induktivität L(φ,
I) verglichen, so dass die Position des Rotors 3 mit hoher
Genauigkeit bestimmt werden kann.
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Um
den optimalen Motorstrang für die Bestimmung der Position
des Rotors 3 während des Stillstands des Gleichstrommotors 1 auszuwählen,
werden zunächst alle drei Motorstränge des Ständers 2 über
einen vergleichsweise kurzen Zeitraum, der klein genug ist, um kein
nennenswertes Drehmoment zu erzeugen, gleichzeitig mit einer Gleichspannung
erregt. Der Strom I(t), der dabei durch jeden der drei Motorstränge
fließt, wird gemessen. Dabei wird derjenige der drei Motorstränge
bestimmt, durch den der größte Strom I(t) fließt.
In der in 1 dargestellten Stellung des
Rotors 3 innerhalb des Ständers 2 ist
dies der durch die beiden diagonal gegenüberliegenden Zähne 20, 20' gebildete
erste Motorstrang, da keiner der vier Zähne 30, 31, 32, 33 des
Rotors 3 mit einem der Zähne 20, 20' des
Motorstrangs fluchtet. Ein zu diesem Motorstrang benachbarter Motorstrang
(in der in 1 gezeigten Position des Rotors 3 zum
Beispiel der durch die beiden gegenüberliegenden Zähne 21, 21' gebildete
zweite Mo torstrang) kann dann zur Positionserfassung des Rotors 1 nach
dem vorstehend erläuterten Prinzip verwendet werden.
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Sobald
die Anfangsposition des Rotors 3 bekannt ist, kann durch
ein gesteuertes Bestromen der Spulen 4 des Ständers 2 der
Rotor 3 in Bewegung versetzt werden. Um einen Schrittverlust
auf Grund der mechanischen Trägheit von Motor, Getriebe
und Last zu vermeiden, kann sowohl beim Anfahren als auch beim Abbremsen
des Gleichstrommotors 1 eine Rampenfunktion abgefahren
werden. Für eine kontinuierliche Drehmomenterzeugung bei
dem in 1 dargestellten Gleichstrommotor 1 mit
insgesamt drei Motorsträngen, wird jeweils einer der drei
Motorstränge bestromt, während die beiden übrigen
Motorstränge nicht bestromt werden.
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Um
den optimalen Motorstrang für die Bestimmung der Position
des Rotors 3 während der Rotation auszuwählen,
wird zunächst derjenige der drei Motorstränge
bestimmt, welcher den größten Strom I(t) trägt. Dies
ist derjenige Motorstrang, der für den Betrieb des Gleichstrommotors 1 bestromt
wurde. Dann wird ein dazu benachbarter Motorstrang ausgewählt,
um die Position des Rotors 3 zu bestimmen. Wird beispielsweise der
durch die Zähne 22, 22' gebildete dritte
Motorstrang bestromt, um die Drehung des Rotors 3 zu bewirken, kann
der durch die Zähne 21, 21' gebildete
zweite Motorstrang für die Positionsbestimmung des Rotors 3 während
der Rotation eingesetzt werden.
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Damit
ein Schrittverlust zuverlässig erkannt werden kann, wird
die lageabhängige Induktivität der Motorstränge
bei einem Schrittbetrieb des Gleichstrommotors 1 vorzugsweise
zu Beginn und am Ende eines jeden Schrittes ausgewertet. Eine Vereinfachung
dieser Messung ergibt sich aus der Tatsache, dass die Bestromung
der Motorstränge eines Gleichstrommotors 1 zumeist
blockförmig erfolgt. Dies kann vorteilhaft mit einem Hysteresestromregler
erreicht werden. Ein Hysteresestromregler schaltet den Strom in
einem Motorstrang bei Abweichungen vom Sollwert um einen bestimmten
voreingestellten oder voreinstellbaren Betrag ein oder aus. Wenn
sich die Induktivität beim Verdrehen des Rotors 3 innerhalb
des Ständers 2 ändert, so ändern
sich auch die Zeiten zwischen den einzelnen Schaltvorgängen
des Hysteresestromreglers, da eine große Induktivität
den Strom langsamer ansteigen und sinken lässt als eine
kleine Induktivität und umgekehrt. Die Zeit zwischen zwei Schaltvorgängen
am Anfang und am Ende eines Schrittes muss sich also um einen festzulegenden
Wert ändern. Andernfalls ist davon auszugehen, dass der
Schritt nicht ausgeführt wurde. Es kann vorgesehen sein, dass
die lageabhängige Induktivität L(φ, I) über
die Schaltzeiten des Hysteresestromreglers bestimmt wird. Die Auswertung
der Schaltzeiten des Hysteresestromreglers kann vorteilhaft auch
für eine kontinuierliche Lagebestimmung des Stell- oder
Positionierantriebs verwendet werden. Diese Ausführungsform
erfordert einen relativ geringen Logikaufwand und lässt
sich leicht integrieren.
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- 1
- Gleichstrommotor
- 2
- Ständer
- 3
- Rotor
- 4
- Spule
- 20,
20'
- Zähne
eines ersten Motorstrangs des Ständers
- 21,
21'
- Zähne
eines zweiten Motorstrangs des Ständers
- 22,
22'
- Zähne
eines dritten Motorstrangs des Ständers
- 30,
31, 32, 33
- Zähne
des Rotors
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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