Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Transporteinrichtung mit einem Stator, einem Läufer und einem Positionsregelkreis, wobei der Läufer entlang des Stators entlang zumindest einer Bewegungsrichtung mit einer Läufer-Geschwindigkeit bewegbar ist, und wobei am Stator entlang der zumindest einen Bewegungsrichtung eine Mehrzahl von Positionssensoren ortsfest und voneinander beabstandet angeordnet ist. Die Positionssensoren generieren ein Positionsmesssignal, welches eine Mess-Position beschreibt, die um einen Positions- Messfehler von der wahren Position des Läufers abweicht, und welches eine Schwingungskomponente mit einer Schwingungskomponenten-Frequenz aufweist.

Langstatorlinearmotoren (LLM) und Planarmotoren (PM), deren Anwendungen sowie deren Funktionsweise sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. LLM bestehen allgemein aus einem Stator (auch als „Langstatorlinearmotorstator“ oder „LLM-Stator“ bezeichnet) und aus zumindest einem Läufer (auch als „Shuttle“ oder „Transporteinheit“ bezeichnet). Wie z.B. in der US 6,876,107 B2 beschrieben, ist ein LLM-Stator üblicherweise aus einer Vielzahl von Statorsegmenten zusammengesetzt, wobei am Stator, bzw. an den Statorsegmenten, eine Vielzahl von Antriebsspulen (auch „LLM-Spulen“) ortsfest nebeneinander angeordnet ist. Die Statorsegemente können unterschiedliche Geometrien aufweisen, wie Geraden, Kurven, Weichen, und können durch Aneinanderreihung zu einem gewünschten LLM-Stator zusammengesetzt werden. Der LLM-Stator bildet so eine Förderstrecke aus, entlang derer ein Läufer oder mehrere Läufer bewegt werden können. Die Läufer werden dabei an der Förderstrecke gehalten und geführt.

Auch Planarmotoren (PM) sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die US 9,202,719 B2 den grundlegenden Aufbau und die Funktionsweise eines PM. Ein PM weist im Wesentlichen ebenso einen Stator auf, der bei einem PM aber eine Transportebene ausbildet, in der eine oder mehrere Läufer zumindest zweidimensional bewegt werden können. Bei PM sind Antriebsspulen üblicherweise in der Transportebene angeordnet, in manchen Ausführungen auch in mehreren Ebenen.

Um die Bewegung eines Läufers kontrolliert herbeiführen sowie regeln und/oder steuern zu können, sind neben den am Stator angeordneten Antriebsspulen an einem Läufer Antriebsmagnete (Permanent- oder Elektromagnete) sowie am Stator Positionssensoren (AMR-Sensoren, Hall-Elemente usw.) angeordnet. Durch Ansteuern der Antriebsspulen, welches insbesondere durch das Anlegen einer entsprechenden Spulenspannung zum Erzeugen eines Antriebsstromes in den Antriebsspulen erfolgen kann, kann ein bewegtes Magnetfeld, ein sogenanntes magnetisches Antriebsfeld, erzeugt werden, welches zum Bewegen eines Läufers mit den Antriebsmagneten des Läufers zusammenwirkt. Antriebsspulen, die zum Zweck der Erzeugung eines magnetischen Antriebsfeldes angesteuert, also bestromt werden, werden hierbei und so auch im Zuge der nachfolgenden Ausführungen als „aktive“ Antriebsspulen bezeichnet. Um einen Läufer entlang des Stators zu bewegen, sind immer einige der Antriebsspulen aktive Antriebsspulen, wobei üblicherweise laufend unbestromte Antriebsspulen zu aktiven Antriebsspulen werden und aktive Antriebsspulen zu unbestromten Antriebsspulen werden. Ein Läufer kann so in Richtung des bewegten magnetischen Antriebsfeldes bewegt werden.

Zum gezielten Bewegen eines Läufers können eine Soll-Position, in welche die Position des Läufers überführt werden soll, oder eine Soll-Geschwindigkeit für die Geschwindigkeit des Läufers oder eine Soll-Beschleunigung für die Beschleunigung des Läufers vorgegeben werden. Eine Soll-Position oder eine Soll-Geschwindigkeit oder eine Soll-Beschleunigung oder auch ein anderer Sollwert (z.B. ein magnetischer Fluss) können dabei zeitlich konstant vorgegeben werden, z.B. in Form eines Festwertes bei einer Festwertregelung. Eine Soll- Position oder eine Soll-Geschwindigkeit oder eine Soll-Beschleunigung oder ein anderer Sollwert können aber auch zeitlich veränderlich vorgegeben werden.

Von praktischer Relevanz ist hierbei insbesondere die Vorgabe rampenförmiger Verläufe für die Soll-Position. Wird für den Verlauf einer Soll-Position eine Rampe mit konstanter Rampensteigung vorgegeben, resultieren daraus im Fall einer, bei LLM oder PM üblichen, kaskadierten Regelkreisstruktur mit einem überlagerten Positionsregler und einem unterlagerten Geschwindigkeitsregler (üblicherweise zumindest näherungsweise) konstante Soll-Geschwindigkeiten. Bekanntermaßen ermittelt bei einer kaskadierten Regelkreisstruktur ein überlagerter Regler (z.B. Positionsregler) als Stellgrößen weitere Sollvorgaben, die von unterlagerten Reglern (z.B. Geschwindigkeitsregler) umzusetzen sind. In einer solchen kaskadierten Regelkreisstruktur kann demnach mittels eines rampenförmigen Verlaufs für eine Soll-Position eine zeitlich (zumindest näherungsweise) konstante Soll-Geschwindigkeit erzeugt werden. Diese Vorgehensweise ist insbesondere in Fällen von Relevanz, in denen ein vorhandener Positionsregler nicht deaktiviert werden kann, aber dennoch ein Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit gewünscht ist.

Wie erwähnt können Sollwerte wie Soll-Position, Soll-Geschwindigkeit oder Soll- Beschleunigung bei LLM oder PM durch geeignete Ansteuerung der am Stator angeordneten Antriebsspulen umgesetzt werden. Zur Ermittlung der zu einer solchen Ansteuerung erforderlichen Spulenspannungen wird, wie in der Regelungstechnik üblich, vielfach in jedem Zeitschrift der Regelung ein Vergleich zwischen einem vorgegebenen Sollwert und einem üblicherweise als „Istwert“ bezeichneten Messsignal des zeitlichen Verlaufs der zu regelnden Größe durchgeführt. Ein derartiger Vergleich kann mittels Differenzbildung zwischen Soll- und Istwert erfolgen, wovon das Ergebnis bekanntermaßen als Regelfehler bezeichnet wird. Im Fall eines LLM oder eines PM kann ein derartiger Regelfehler in einen zur Regelung der zu regelnden Größe vorgesehenen Regler geführt werden, in welchem ausgehend vom Regelfehler die zur Ansteuerung der Antriebsspulen erforderlichen Spulenspannungen direkt ermittelt werden können. Liegt andererseits ein kaskadierter Regelkreis vor, kann ein überlagerter Regler (z.B. ein Positionsregler) zunächst ebenso einen Sollwert für einen unterlagerten Regler (z.B. Geschwindigkeitsregler) vorgeben. Die für die Ansteuerung von Antriebsspulen erforderlichen Spulenspannungen werden im Fall eines mit einer Kaskade von Reglern aufgebauten Regelkreises üblicherweise vom innersten, also dem letzten Regler der Kaskade ermittelt. Der innerste Regler einer derartigen Kaskade ist bei LLM oder PM vielfach durch einen Stromregler gegeben.

Auf die beschriebene Weise kann auch eine Vielzahl von Läufern unabhängig voneinander entlang einer von einem Stator gebildeten Förderstrecke bewegt werden. Nähere dahingehende Ausführungen können der WO 2013/143783 A1, der WO 98/50760 A2, der US 6,876,107 B2, der US 2013/0074724 A1 oder der EP 1 270 311 B1 entnommen werden.

Unabhängig von der konkreten Implementierung eines Regelkreises haben Güte und Genauigkeit der im Regelkreis herangezogenen Messsignale, beispielsweise Istwerte der Regelung, teils erheblichen Einfluss auf die erreichbare Betriebsqualität, beispielsweise auf die Genauigkeit einer Positionsregelung. Liegen bei einem LLM oder PM fehlerhafte Positionsmesssignale vor, könnte aufgrund einer Gleichheit von Positionsmesssignal und Soll-Position der Eindruck entstehen, dass sich ein Läufer bereits an einer vorgegebenen Soll-Position befindet, obwohl das (noch) nicht der Fall ist. Ebenso können Schmutzeffekte wie Messrauschen und/oder Quantisierung die erzielbare Regeldynamik und Regelgenauigkeit empfindlich beeinträchtigen.

Zur Regelung der Bewegung des Läufers eines LLMs oder PMs ist es deshalb von wesentlicher Bedeutung, dessen aktuelle Position relativ zum Stator genau zu kennen, um die Antriebsspulen zur Erzeugung des bewegten Magnetfeldes richtig ansteuern zu können. Der Positionsbestimmung des Läufers kommt daher für den Betrieb des LLMs oder PMs eine besondere Rolle zu. Bei der Positionsmessung ist in diesem Zusammenhang insbesondere auf systematische, durch das Messprinzip der eingesetzten Positionssensoren bedingte Messfehler hinzuweisen. Bei der Positionsmessung mit Sin/Cos-Gebern treten mitunter prinzipbedingte Offsetfehler, Phasenfehler und Amplitudenfehler auf, mit sämtlichen oben genannten nachteiligen Konsequenzen. Derartige Probleme sind auch im Stand der Technik bekannt.

So beschreibt die EP 1 195 880 A1 die Verwendung zusätzlicher Sensoren zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit. Ebenso ist im Stand der Technik die Verwendung von aufwendigen, externen Linearmaßstäben oder Lasertrackern zur Ermittlung von systematischen Positions- Messfehlern bekannt.

Die US 10,914,620 B2 beschreibt demgegenüber einen datenbasierten Ansatz, in dem gemessene Signalverläufe mit gespeicherten Zielwerten verglichen werden. Die gespeicherten Zielwerte müssen hierbei vorab bekannt sein, was sich in vielen praktischen Situationen als problematisch erweisen kann. Mögliche Veränderungen (Verschleiß, Alterung) eines Transportsystems im Zuge des Betriebs, wovon auch die Positionsmesstechnik betroffen sein kann, werden in der US 10,914,620 B2 nicht berücksichtigt.

Für die zitierten Druckschriften gilt demnach, dass die darin beschriebenen Ansätze entweder die Verwendung zusätzlicher Komponenten, wie zusätzlicher Sensoren oder zusätzlicher Messmittel, erforderlich machen, oder dass bereits vorab bekannte Datensätze benötigt werden. Beides ist in der praktischen Anwendung nachteilig.

Es ist demnach eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein, insbesondere hinsichtlich der Berücksichtigung systematischer Messfehler, verbessertes Verfahren zur Positionsmessung und Positionsregelung für elektromagnetische Transportsysteme anzugeben.

Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes elektromagnetisches Transportsystem durch die Merkmale der Kennzeichen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die unabhängigen Ansprüche beschreiben hierbei ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Transporteinrichtung sowie eine elektromagnetische Transporteinrichtung.

Erfindungsgemäß wird während des Betriebs der elektromagnetischen Transporteinrichtung, bei der es sich beispielsweise um einen LLM oder einen PM handeln kann, zumindest ein Positions-Schwingungsparameter ermittelt, der das Schwingungsverhalten der zumindest einen Schwingungskomponente des Positionsmesssignals beschreibt, und es wird mittels einer vorgegebenen Beschreibung eines Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal und dem Positions-Messfehler aus dem zumindest einen Positions- Schwingungsparameter zumindest ein Fehler-Schwingungsparameter ermittelt, welcher das Schwingungsverhalten des Positions-Messfehlers bei der Schwingungskomponenten- Frequenz beschreibt. Darauf aufbauend wird das Positionsmesssignal mittels des Fehler- Schwingungsparameters zu einem Positionskorrektursignal korrigiert, welches im Positionsregelkreis rückgekoppelt und dazu herangezogen wird, die Position des Läufers zu regeln. Durch diese Vorgehensweise werden systematische Positions-Messfehler durch eine denkbar einfache Art und Weise beschrieben, im einfachsten Fall lediglich durch einen Fehler-Schwingungsparameter. Diese Herangehensweise erlaubt eine Ermittlung von systematischen Positions-Messfehlern ohne großen Aufwand und eine ebenso problemfreie Einbindung des Fehler-Schwingungsparameters in die Regelung der elektromagnetischen Transporteinrichtung. Erfindungsgemäß erfolgt die Berücksichtigung in der Regelung durch eine Korrektur des Positionsmesssignals durch den Fehler-Schwingungsparameter, wodurch die Regelungsgenauigkeit im Positionsregelkreis in einem teils bemerkenswerten Maß verbessert werden kann.

In einer bevorzugten Weise entspricht die Schwingungskomponente des Positionsmesssignals einer Grundwelle des Positionsmesssignals, wobei die Grundwellen- Frequenz der Grundwelle durch die Läufer-Geschwindigkeit und die Anordnung der Positionssensoren festgelegt ist. Weiters entsprechen ein Positions-Schwingungsparameter bevorzugt einem Positions-Grundwellenparameter, welcher das Schwingungsverhalten der Grundwelle des Positionsmesssignals beschreibt, sowie ein Fehler-Schwingungsparameter bevorzugt einem Fehler-Grundwellenparameter, welcher das Schwingungsverhalten des Positions-Messfehlers bei der Grundwellen-Frequenz beschreibt. Diese Vorgehensweise beruht auf der Erkenntnis, dass insbesondere die Grundwelle des Positions-Messfehlers entscheidend ist für die systematischen Positions-Messfehler. Die Erfindung erlaubt grundsätzlich die Berücksichtigung beliebiger Schwingungskomponenten und damit die Berücksichtigung von Grund- sowie Oberwellen. Da es sich bei der Grundwelle aber vielfach um die dominierende Schwingungskomponente handelt, wird oftmals bereits durch die Berücksichtigung der Grundwelle eine merkliche Verbesserung der genannten Regelungsgenauigkeit im Positionsregelkreis möglich.

Demnach entsprechen in einer weiteren vorzugsweisen Ausführung der Erfindung eine Schwingungskomponente des Positionsmesssignals einer Oberwelle des Positionsmesssignals, deren Oberwellen-Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen einer Grundwellen-Frequenz, die durch die Läufer-Geschwindigkeit und die Anordnung der Positionssensoren festgelegt ist, sowie ein Positions-Schwingungsparameter einem Positions-Oberwellenparameter, der das Schwingungsverhalten der Oberwelle des Positionsmesssignals beschreibt, und ein Fehler-Schwingungsparameter einem Fehler- Oberwellenparameter, welcher das Schwingungsverhalten des Positions-Messfehlers bei der Oberwellen-Frequenz beschreibt. Durch eine Berücksichtigung weiterer Schwingungskomponenten kann das Betriebsverhalten der Transporteinrichtung teils merklich weiter verbessert werden. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, anstelle der eingangs genannten Grundwelle eine Oberwelle zu berücksichtigen, insbesondere dann, wenn das Verhalten der auftretenden systematischen Messfehler stark durch Oberwellen geprägt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem zumindest einen Fehler-Schwingungsparameter ein Positions-Kompensationssignal ermittelt, welches zum Positionsmesssignal addiert wird, um das Positionsmesssignal zum Positionskorrektursignal zu korrigieren. Das Positionskorrektursignal wird in weiterer Folge zur verbesserten Positionsregelung herangezogen. Es sei erwähnt, dass durchaus auch andere Vorgehensweisen an dieser Stelle denkbar sind, so können auch Positions- Kompensationssignale ermittelt werden, die vom Positionsmesssignal subtrahiert werden, oder durch die das Positionsmesssignal dividiert wird, oder mit denen das Positionsmesssignal multipliziert wird. Die Erfindung ist an dieser Stelle nicht einschränkend, sondern erlaubt die individuelle Abstimmung auf einen gegebenen Anwendungsfall, um stets eine möglichste weitgehende Verbesserung zu erreichen.

Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer elektromagnetischen Transporteinrichtung, wie einem LLM oder eine PM, wird das Positionskorrektursignal im Positionsregelkreis zur Regelung der Position des Läufers mit einer vorgegebenen Soll- Position verglichen, und im Positionsregelkreis aus dem Ergebnis dieses Vergleichs eine Stellgröße ermittelt, anhand derer aktive Antriebsspulen des Stators bestromt werden, um eine auf den Läufer wirkende Vortriebskraft zu erzeugen und den Läufer in die vorgegebene Soll-Position zu überführen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der gegenständlichen Erfindung wird der Stator in eine Mehrzahl von Stator-Abschnitten unterteilt, wobei den Stator-Abschnitten jeweils zumindest ein auf den jeweiligen Stator-Abschnitt bezogener Fehler-Schwingungsparameter zugewiesen wird. Auf diese Weise wird eine entlang des Stators fein aufgelöste Berücksichtigung des Positionsmessfehlers möglich, wobei je nach Anwendungsfall aufgrund der großen Flexibilität der Erfindung die Mehrzahl der Stator-Abschnitte angepasst werden kann, um stets die beste Abstimmung aus numerischer Komplexität, die sich durch eine Erhöhung von Schwingungsparametern aufgrund einer gegebenenfalls erhöhten Anzahl an Stator-Abschnitten ergibt, und erreichbarer Verbesserung der Regelungsgenauigkeit zu erreichen.

Bei einer dementsprechenden Unterteilung des Stators in Stator-Abschnitte können bei der Korrektur des Positionsmesssignals zum Positionskorrektursignal stets jene Fehler- Schwingungsparameter herangezogen werden, die demjenigen Stator-Abschnitt des Stators zugeordnet sind, über dem sich der Läufer zum Zeitpunkt der Korrektur des Positionsmesssignals befindet. Auf diese Weise wird das Positionskorrektursignal spezifisch auf die jeweiligen Gegebenheiten entlang des Stators abgestimmt, was vielfach eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt.

Der zumindest eine Fehler-Schwingungsparameter kann im Rahmen der Erfindung mittels einer Identifikationsfahrt des Läufers entlang des Stators identifiziert werden, es besteht aber ebenso die Möglichkeit, Fehler-Schwingungsparameter rechnerisch zu ermitteln, beispielsweise aus Konstruktionsdaten der Transporteinrichtung oder auch durch Vorgabe durch einen Bediener oder durch eine andere Vorgabe. Die Ermittlung durch eine Identifikationsfahrt bietet allerdings den Vorteil, dass der Fehler-Schwingungsparameter konkret für jenen Stator ermittelt wird, wo er auch zu Regelung eingesetzt wird.

Bevorzugt wird der Läufer im Zuge der Identifikationsfahrt mit konstanter Läufer- Geschwindigkeit bewegt wird und/oder die Identifikationsfahrt in einer Konstant- Geschwindigkeits-Phase des Läufers durchgeführt. Die Möglichkeit, die genannte Identifikation während Konstant-Geschwindigkeits-Phasen während des Betriebs durchzuführen erlaubt hier, während Konstant-Geschwindigkeits-Phasen, die beispielsweise zufällig während des Betriebs auftreten können, erfasste Daten auch unmittelbar für eine weitere Verbesserung der Betriebsqualität der Transporteinheit zu nutzen.

Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn bei der Ermittlung des zumindest einen Fehler-Schwingungsparameters neben dem Positionsmesssignal eine für die Position des Läufers vorgegebene Soll-Position miteinbezogen wird. Im Rahmen dieser Variante kann das Positionsmesssignal von der Soll- Position subtrahiert werden, um einen unkorrigierten Positionsregelfehler zu ermitteln, und der unkorrigierte Positionsregelfehler kann herangezogen werden, um den zumindest einen Fehler-Schwingungsparameter zu ermitteln. Dieser Herangehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Information über das Verhalten eines Positionsmessfehlers durch das Positionsmesssignal transportiert wird, und das Positionsmesssignal üblicherweise Bestandteil eines bei der Regelung verwendeten Positionsregelfehlers ist. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn, wie in der Regelungstechnik üblich, der Positionsregelfehler durch Subtraktion des Positionsmesssignals von der Soll-Position gebildet wird. In gewissen Fällen ist der Positionsregelfehler leichter bzw. besser für Berechnungen verfügbar, als ein Positionsmesssignal an sich. Durch den Umstand, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Basis eines Positionsregelfehlers durchgeführt werden kann, ergibt sich vielfach eine signifikante Erweiterung der praktischen Anwendbarkeit der Erfindung.

Weiters kann die vorgegebene Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal und dem Positions-Messfehler in Form eines linearen und frei parametrierbaren Übertragungssystems gegeben sein. Konkret kann es sich dabei um eine lineare und zeitinvariante Übertragungsfunktion handeln, was in vielen Fällen vorteilhaft ist, da der Umgang mit linearen und zeitinvarianten Übertragungsfunktionen aus der Regelungstechnik hinlänglich bekannt ist und eine Reihe von Werkzeugen zu deren Handhabe zur Verfügung steht. Es sei angemerkt, dass anstelle von linearen und zeitinvarianten Übertragungsfunktionen auch andere Formen zur Umsetzung der Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal und dem Positions- Messfehler verwendet werden können, beispielsweise Tabellen oder Lookup-Tables oder andere Umsetzungsformen.

Mithilfe der gegenständlichen Erfindung wird es möglich, den systematischen Positions- Messfehler, welcher auf das Geberprinzip (z.B. Hall-Geber, AMR-Geber) zurückzuführen ist, ohne den Einsatz eines Referenzsystems (z.B. Messlineal, Lasertracker, Referenzdatensätze, ...) zu ermitteln und in weiterer Folge auch zu kompensieren.

Durch die gegenständliche Erfindung wird überdies die Inbetriebnahme von Transportsystemen in Form eines LLM oder PM vereinfacht. Der Wegfall eines ansonsten vielfach benötigten Referenzsystems in Form eines Messlineals oder eines Lasertrackers erlaubt die Reduktion von Kosten und Komplexität des Transportsystems.

Durch die Erfindung wird weiters eine erhöhte Positionsgenauigkeit erreicht, sowohl statisch als auch dynamisch. Eine erhöhte Positionsgenauigkeit bringt wiederum eine Vielzahl weiterer Vorteile mit sich, wie sich im Zuge des Betriebs ergebende glattere Positionsverläufe. Im Zuge der Positionsregelung ergeben sich aufgrund glatterer Positionsverläufe in der Folge glattere Stromverläufe, womit meist eine geringere Strombelastung einhergeht. Durch eine geringere Strombelastung können wiederum eine höhere Energieeffizienz, weniger Erwärmung, etc. erreicht werden. Als weitere Vorteile sind in diesem Zusammenhang auch eine verbesserte Laufruhe, verbesserte Gleichlaufeigenschaften und eine verbesserte Akustik zu nennen.

Die gegenständliche Erfindung kann dabei in den verschiedensten Transport- bzw. Antriebssystemen eingesetzt werden, insbesondere wenn in diesen Transport- bzw. Antriebssystemen ein Magnetfeld sowohl zur Kraftbildung als auch zur Ermittlung einer Position / von Positionsmesswerten genützt wird. Dies umfasst unter anderem Langstator- Linearmotoren und Planarmotoren, aber auch Kurzstator-Linearmotoren.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 9 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

Fig. 1 das Funktionsprinzip eines Langstatorlinearmotors,

Fig. 2 ein typisches Magnetfeld einer Anordnung von Antriebsmagneten am Läufer,

Fig. 3 ein typisches Sensorsignal eines Positionssensors,

Fig. 4 eine typische aus dem Sensorsignal gewonnen Sensorantwort eines Positionssensors,

Fig. 5 einen Verlauf einer tatsächlichen Position eines Läufers und eines fehlerbehafteten Messsignals, Fig. 6 einen Verlauf eines Messfehlers in Abhängigkeit der Position eines Läufers,

Fig. 7 einen Positionsregelkreis für einen Langstatorlinearmotor,

Fig. 8 eine Zuordnung von Fehler-Schwingungsparametern zu Stator-Abschnitten,

Fig. 9 einen Vergleich von mit und ohne erfindungsgemäßes Verfahren erzielten Messverläufen.

In Fig. 1 ist eine Transporteinrichtung 1 in Form eines Langstatorlinearmotors (LLM) beispielhaft dargestellt. Obwohl die Erfindung nachfolgend am Beispiel eines Langstatorlinearmotors beschrieben wird, gelten die Ausführungen in analoger Weise auch für Planarmotoren gleichermaßen.

Der LLM 1 besteht in dieser Ausführung aus einer Mehrzahl von separaten Statorsegmenten Z ₁ , ... , Z _p , welche nachfolgend mittels Z _m (mit m≥1 als Laufindex) referenziert werden, und die zu einem ortsfesten Stator 2 des LLM 1 zusammengesetzt sind. Die Statorsegmente Z ₁ , ... , Z _p können dazu auf einer ortsfesten Stützkonstruktion (in Fig.1 nicht dargestellt) angeordnet sein. Weiters können die Statorsegmente Z ₁ , ... , Z _p , wie ebenfalls in Fig. 1 dargestellt, in verschiedenen geometrischen Formen ausgeführt sein, beispielsweise als Geradensegmente oder Kurvensegmente, um verschiedene Transportpfade realisieren zu können. Die Geometrie des Stators 2 kann grundsätzlich beliebig sein und der Stator 2 kann in einer Ebene angeordnet sein, kann aber auch dreidimensional geformt sein. Bei einem Planarmotor (PM) bilden Statorsegmente Z ₁ , ... , Z _p eine Ebene aus.

Entlang des Stator 2 ist in bekannter Weise eine Mehrzahl elektrischer Antriebsspulen L _m1 , ... , L _mn angeordnet (in Fig.1 nur für das Statorsegment Z ₁ dargestellt), die mit Antriebsmagneten Y ₁ , ... , Y _L des Läufers 3 Zusammenwirken (ein einzelner Antriebsmagnet wird nachfolgend mit Y _k referenziert). Im Falle von Statorsegmenten Z _m trägt jedes Statorsegment Z _m eine Mehrzahl von Antriebsspulen L _m1 , ... , L _mn . In ebenso bekannter Weise wird anhand von Spulenregelungseinheiten 101 , 102 durch Regelung/Einstellung von an den Antriebsspulen L ₁₁ , ... , L _1n abfallenden Spulenspannungen U _L1 , ... , U _Ln ein Antriebsmagnetfeld und damit für den Läufer 3 eine Vortriebskraft F _x erzeugt, um den Läufer 3 entlang des Stators 2 mit einer Läufer-Geschwindigkeit v _x entlang einer Bewegungsrichtung X zu bewegen.

Ist ein Stator 2 eines LLM 1 aus Statorsegmenten Z ₁ , ... , Z _p zusammengesetzt, die als verschiedene geometrische Formen ausgeführt sind, beispielsweise als Geradensegmente und/oder als Kurvensegmente, kann sich ein Läufer 3 unter Umständen auch entlang weiterer Bewegungsrichtungen bewegen. Die Bewegung des Läufers 3 ist im Sinn einer Zwangsbedingung (z.B. holonome, skleronome, rheonome Zwangsbedingungen) aber auf die Form des Stators 2 eingeschränkt. Für diese Fälle sind die nachfolgend zur Beschreibung der Position eines Läufers 3 verwendeten Positions-Variablen, wie x _real , x _mess , x _act , als Bahnparameter zu verstehen, die jedem Punkt auf dem Stator 2 einen eindeutigen Wert zuweisen und damit trotz gegebenenfalls vorhandener Kurven die Position eines Läufers 3 am Stator 2 eindeutig beschreiben. Im Fall eines PM ist in der Transportebene üblicherweise eine Bewegung entlang zumindest einer weiteren Bewegungsrichtung Y möglich.

In der Regel wirken auf einen Läufer 3 gleichzeitig mehrere sogenannte aktive Antriebsspulen L ₁₁ , ... , L _1q , deren Anzahl nachfolgend mit der ganzzahligen Variablen q notiert wird. Eine aktive Antriebsspule ist eine Antriebsspule im Bereich eines Läufers 3, bzw. im Bereich der Antriebsmagnete Y ₁ , ... , Y _L eines Läufers 3, die bestromt wird, um ein Antriebsmagnetfeld zu erzeugen, dass mit den Antriebsmagneten Y ₁ , ... , Y _L des Läufers 3 zusammenwirkt, um den Läufer 3 zu bewegen.

Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in Fig. 1 nur zwei Spulenregelungseinheiten 101 , 102 gezeigt. Natürlich wird jede Spulenspannung U _L1 , ... , U _Ln jeder Antriebsspule L _m1 , ... , L _mn in jedem Statorsegment Z _m mit einer Spulenregelungseinheit 101 , 102 geregelt, wobei mehrere Spulenregelungseinheit 101 , 102 auch zu einer Regelungseinheit zusammengefasst sein können. Mögliche Realisierungen einer Spulenregelungseinheit 101 , 102 sind unter anderem durch mikroprozessorbasierte Hardware, wie beispielsweise Mikrocontroller, und integrierte Schaltungen (ASIC, FPGA) gegeben. Mikroprozessorbasierte Hardware oder integrierte Schaltungen können hierbei mit einer Abtastzeit T _s getaktet sein.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführung eines LLMs 1 können neben dem gezeigten Läufer 3 natürlich noch weitere Läufer 3 vorgesehen sein. Mittels einer den Spulenregelungseinheiten 101 , 102 übergeordneten Transportsteuerung 100 können sämtliche gegebenen Läufer 3 individuell (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Bahn, Richtung) und unabhängig (bis auf die Vermeidung von möglichen Kollisionen) von anderen Läufern 3 bewegt werden. Die Spulenregelungseinheiten 101 , 102 erhalten hierbei von der Transportsteuerung 100 Sollgrößen SG1, ... , SG _n für die Regelung. Da für das Prinzip der gegenständlichen Erfindung bereits ein einzelner Läufer 3 ausreichend ist, zeigt Fig. 1 nur einen Läufer 3. Die Erweiterung des erfindungsgemäßen Prinzips auch auf eine Vielzahl von Läufern stellt für eine Fachperson auf dem Gebiet der LLM aber eine reine Routinetätigkeit und damit keine Schwierigkeit dar.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführung ist am Stator 2 eine Vielzahl von Positionssensoren S _mj angeordnet, um die Position x _real eines Läufers 3 am Stator 2 messtechnisch zu erfassen und ein entsprechendes Positionsmesssignal x _act zu erzeugen. Hierbei referenziert m das Statorsegment Z _m und j die darin angeordneten Positionssensoren. In allgemeinen Fällen ohne Unterteilung eines Stators 2 in Statorsegmente Z _m kann eine Referenzierung auch nur mit einem Index j, also Sj, ausreichend sein. In bekannter Weise können Positionsmesssignale der Transportsteuerung 100 und/oder den Spulenregelungseinheiten 101 , 102 zugeführt werden, um zur Regelung der Bewegung eines Läufers 3 bzw. zur Steuerung des gesamten LLMs 1 oder eines PMs eingesetzt zu werden. Auf den konkreten Aufbau einer solchen Regelung, die in einer Spulenregelungseinheit 101 , 102 oder in einer Transportsteuerung 100 oder teilweise in einer Spulenregelungseinheit 101 , 102 und/oder teilweise in der Transportsteuerung 100 implementiert sein kann und die durch Positionssensoren S _mj generierte Positionsmesssignale berücksichtigt, wird an späterer Stelle gesondert eingegangen.

Im Bereich von LLM und PM haben sich zur Positionsbestimmung insbesondere magnetische, magnetoresistive oder magenostriktive Positionssensoren S _mj (wie ein Anisotroper-Magneto-Resistiver Sensor, ein Tunnel-Magneto-Resistance Sensor oder Giant- Magneto-Resistance Sensor) und Hall-Sensoren etabliert. Derartige Positionssensoren S _mj messen ein vom Läufer 3 erzeugtes Magnetfeld M, z.B. ein durch die Antriebsmagnete Y ₁ , ... , Y _L eines Läufers 3 oder durch eigene Positionsmagnete am Läufer 3 erzeugtes Magnetfeld M, oder eine Eigenschaft dieses Magnetfeldes M, beispielsweise die Magnetfeldintensität, also den Betrag des Magnetfeldes M, (z.B. ein Hall-Sensor) oder die Richtung des Magnetfeldes M (z.B. ein magnetoresistiver Sensor) im Bereich des jeweiligen Positionssensors S _mj . Daneben können auch weitere Sensortypen eingesetzt werden, die in der Lage sind, ein Magnetfeld M zu erfassen.

Hinsichtlich der Anordnung von Positionssensoren S _mj ist insbesondere deren Abstand zueinander von Bedeutung. Üblicherweise sind Positionssensoren S _mj in einem konstanten Abstand voneinander angeordnet. Gerade in Kurvensegmenten kann sich der Abstand aber auch ändern. In vielen praktisch relevanten Fällen sind Positionssensoren S _mj und am Stator 2 angeordnete Antriebsspulen L _m1 , , L _mn abwechselnd voneinander angeordnet, z.B. dass nach jeder der Antriebsspulen L _m1 , ... , L _mn ein Positionssensor S _mj angeordnet ist. Vielfach sind die Anordnungen von Antriebsspulen L _m1 , ... , L _mn und Positionssensoren S _mj in Abhängigkeit voneinander gestaltet, z.B. indem am Stator 2 zu jeder Antriebsspule L _m1 , ... , L _mn in einem stets gleichen Abstand jeweils ein Positionssensoren S _mj angeordnet ist.

Bekanntermaßen wird der Abstand zwischen zwei Antriebsmagneten Y ₁ , ... , Y _L eines Läufers 3 (von Polmitte zu Polmitte) als Polteilung τ _p bezeichnet, der Abstand zwischen zwei Antriebsspulen L _m1 , ... , L _mn (von Polmitte zu Polmitte) am Stator 2 demgegenüber als Nutteilung τ _n . In den oben beschriebenen Möglichkeiten zur Anordnung von Positionssensoren S _mj entspricht der Abstand zwischen zwei Positionssensoren S _mj der Nutteilung τ _n . Davon wird in den nachfolgenden Ausführungen auch ausgegangen, also von einer der Nutteilung τ _n entsprechenden Beabstandung von Positionssensoren S _mj am Stator 2. Diese Annahme stellt allerdings keine Beschränkung der gegenständlichen Erfindung dar. Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung könnte der Abstand zwischen den genannten Positionssensoren S _mj auch variabel gestaltet sein, sich also entlang des Stators 2 verändern, und insbesondere von der Nutteilung τ _n verschieden sein.

In Fig. 2 ist ein Magnetfeld M einer Anordnung von Antriebsmagneten Y ₁ , ... , Y _L an einem Läufer 3 in Form von Magnetfeldlinien beispielhaft dargestellt. Aus diesem auf den Positionssensor S _mj einwirkenden Magnetfeld M erzeugt ein Positionssensor S _mj in bekannter Weise zunächst eine Sensorantwort. Eine Sensorantwort kann beispielsweise eine Sinusspur und/oder eine Cosinusspur (in Form eines elektrischen Spannungsmesswertes u) umfassen, wie in Fig. 3 dargestellt. Bekannterweise kann aus einer solchen Sensorantwort (Sinus- und Cosinusspur), z.B. in Form einer Spannung u, abhängig vom Winkel y des Magnetfeldes M (der Winkel in dem das Magnetfeld M am Positionssensor S _mj auftrifft) in linearer Näherung die Position x _k eines einzelnen beweglichen Antriebsmagneten Y _k proportional zum Magnetfeldwinkel γ des Magnetfeldes M in einer Auswerteeinheit ermittelt werden, beispielsweise als x _k = r*arctan (sin(2γ)/cos(2γ)), mit r als bekanntem konstanten Faktor, z.B. r= τ _p /(2π )). Zur Erzeugung eines Magnetfeldes M zur Positionsmessung können in bekannter Weise auch eigens zu diesem Zweck an einem Läufer 3 angeordnete Positionsmagnete vorgesehen sein.

Ein Positionssensor S _mj kann als Sensorantwort aber auch direkt eine Position x _k (eines Antriebsmagneten Y _k Oder eines Läufers 3) liefern, oder eine Sinus- und/oder Cosinusspur, die dann ausgewertet wird, oder eine Winkelinformation y. Ebenso kann der Positionssensor S _mj (in Abhängigkeit vom Typ des Sensors) als Sensorantwort einen Absolutwert |A| für den Betrag des Magnetfeldes M (Amplitude der Sinus- und Cosinusspur), liefern, beispielsweise als . Die Sensorantwort kann damit auch mehrere Größen enthalten, beispielsweise Winkelinformation y und Absolutwert |A|.

Wird ein Antriebsmagnet Y _k oder ein Positionsmagnet an einem Positionssensor S _mj vorbeibewegt, ergibt sich typischerweise ein sägezahnähnlicher Verlauf der Winkelinformation y zwischen Null und 2π (Wert in Abhängigkeit vom Sensor) sowie des Absolutwertes |A| in Abhängigkeit von der Position x _k des Antriebsmagneten Y _k relativ zum Positionssensor S _mj , wie in Fig. 4 dargestellt. Jede Spannung eines solchen Sägezahns ist einer eindeutigen Position x _k eines Antriebsmagnets Y _k relativ zum Positionssensor S _mj zugeordnet. Nachdem die Einbauposition des Positionssensors S _mj und der konstruktive und geometrische Aufbau des Läufers 3 bekannt sind, kann damit ein Positionsmesssignal x _act ermittelt werden, welches eine Mess-Position x _mess beschreibt. Wie nachfolgend ausgeführt wird, kann eine Mess-Position x _mess allerdings von der wahren Position x _real eines Läufers 3 abweichen. Nähere Details zu den genannten Positionssensoren, deren Messprinzip, der anschließenden Signalverarbeitung, oder der Berücksichtigung der genauen Einbauorte der Antriebsmagnete Y _k am Läufer 3 bei der Positionsmessung, können der einschlägigen Literatur entnommen werden, wie der WO 2021/105387 A1 oder der EP 3 376 166 B1 .

Wie eingangs ausgeführt, kommt es in der praktischen Umsetzung von LLM 1 und PM allerdings zu Sensor-Fehlern bei der Messung der Position x _real eines Läufers 3. Als Hauptursachen für Sensor-Fehler sind hierbei Fertigungstoleranzen, Materialfehler oder auch elektrische und/oder nichtelektrische Schmutzeffekte bzw. Störeinflüsse bei den verwendeten Positionssensoren S _mj zu nennen.

Wie sich derartige Sensor-Fehler auf die in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigten Situationen auswirken können, ist in Fig. 3 und Fig. 4 durch die strichlierten Linien und dargestellt. Die beschriebenen Sinus- und Cosinusspuren können von einem idealen sinus- bzw. cosinusförmigen Verlauf abweichen, wie anhand der Linie in Fig. 3 gezeigt. In direkter Konsequenz kann ein daraus identifiziertes Mess-Winkelsignal ebenso von einem richtigen Verlauf des Winkelsignals abweichen, wie in Fig. 4 anhand von dargestellt.

Fig. 5 zeigt weiters, wie sich die beschriebenen Fehler auf ein letztlich aus fehlerbehafteten Sensorantworten ermitteltes Positionsmesssignal x _act auswirken können. Konkret ist in Fig. 5 eine tatsächliche Position x _real eines Läufers 3 über der Zeit t gezeigt. Daneben ist der Verlauf einer Mess-Position x _mess dargestellt. Die Mess-Position x _mess entspricht dabei der von einem fehlerbehafteten Positionsmesssignal x _act beschriebenen Position des Läufers 3. Aufgrund der beschriebenen Sensor-Fehler kann die Mess-Position x _mess , auch abwechselnd über oder unter der wahren Position x _real des Läufers 3 liegen.

Um die Beschaffenheit der genannten Sensor-Fehler und der Auswirkungen näher darzustellen, zeigt Fig. 6 mehrere gemessene Verläufe von Positions-Messfehlern n _x in Abhängigkeit einer wahren Position x _real eines Läufers 3. Fig. 6a stellt dabei gemessene Verläufe von Positions-Messfehlern n _x über ein Statorsegment Z _m dar, Fig. 6b einen Ausschnitt der Verläufe aus Fig. 6a im entsprechenden Statorsegment Z _m . Die Länge des gesamten Statorsegments Z _m ist in Fig. 6a mit L _seg,m bezeichnet, die Anfangskoordinate des Ausschnittes aus Fig.6b mit x _m,1 , die Endkoordinate des Ausschnittes aus Fig.6b mit x _m,2 . Dem vergrößert dargestellten Ausschnitt in Fig.6b ist zu entnehmen, dass in Fig.6b eine Vielzahl an Messungen mit verschiedenen Läufern 3 übereinandergelegt wurde, um die dargestellten Verläufe zu validieren.

Anhand der Figuren 6a und 6b kann erkannt werden, dass die gegenständlichen Positions- Messfehler n _x aufgrund der gegebenen Einbaupositionen der Positionssensoren S _mj zumindest näherungsweise periodisch mit dem Abstand der Positionssensoren S _mj zueinander, beispielsweise periodisch mit der Nutteilung τ _n , sind. Von dieser Periodizität sind insbesondere die dargestellte Grundwelle GW sowie die erste Oberwelle OW1 maßgebend. Wie aus den dargestellten Verläufen ersichtlich wird, ist im gegenständlichen Fall die Grundwelle GW des Positions-Messfehlers n _x dominant.

Eine Grundwelle GW und Oberwellen OW (wie eine erste Oberwelle OW1 , und/oder eine zweite Oberwelle OW2, usw.) werden nachfolgend auch allgemein als Schwingungskomponenten bezeichnet. Dabei sei angemerkt, dass in anderen Fällen bzw. in anderen Ausführungsformen auch andere Schwingungskomponenten SK das zeitliche Verhalten des Positions-Messfehlers n _x dominieren können. Andere Schwingungskomponenten SK können beispielsweise Frequenzen aufweisen, die in einem nicht-ganzzahligen Verhältnis zur Grundwellenfrequenz f ₀ der Grundwelle stehen. Wie nachfolgend gezeigt wird, erlaubt die gegenständliche Erfindung auch die Berücksichtigung solcher anderer, allgemeiner Schwingungskomponenten SK.

Die gegenständliche Erfindung greift diese Gegebenheiten zur Verbesserung der Positionsmessung und Positionsregelung bei einem LLM 1 oder einem PM auf. So basiert die Erfindung unter anderem auf der Erkenntnis, dass sich die Form der in Fig. 6 schematisch gezeigten Verläufe von Betriebspunkt zu Betriebspunkt meist nur geringfügig oder gar nicht verändern. Ein Betriebspunkt kann hierbei durch eine bestimmte Läufer- Geschwindigkeit v _x und/oder durch eine bestimmte Reglerparametrierung und/oder durch eine bestimmte Temperatur und/oder durch eine bestimmte elektrische Belastung und/oder durch eine bestimmte mechanische Belastung definiert sein.

Bewegt sich ein Läufer 3 demnach mit veränderlicher Läufer-Geschwindigkeit v _x entlang eines entsprechenden Stators 2, ändern sich zwar die Frequenzen der Frequenzkomponenten eines Positions-Messfehlers n _x , wie die Frequenz f ₀ der Grundwelle GW oder die Frequenz f ₁ der ersten Oberwelle OW1 oder die Frequenz f _K einer allgemeinen Schwingungskomponente SK, deren Amplituden und Phasenlagen bleiben jedoch (zumindest näherungsweise) unverändert. Auf Basis dieser Erkenntnis schlägt die gegenständliche Erfindung vor, den positionsabhängigen Amplitudenverlauf des Positions- Messfehlers n _x , wie in Fig. 6 schematisch gezeigt, einmal zu identifizieren, und anschließend das Ergebnis der Identifikation auch für andere Betriebspunkte mit beispielsweise anderen Läufer-Geschwindigkeiten v _x eines Läufers 3 heranzuziehen, um das gemessene Positionsmesssignal x _act zu korrigieren.

Im Zuge der gegenständlichen Erfindung wurde überdies erkannt, dass der Zusammenhang zwischen einem gemessenen Positionsmesssignal x _act und einem Positions-Messfehler n _x in vielen für die Praxis relevanten Fällen (teilweise sogar sehr genau) bekannt ist. Diese Erkenntnis erlaubt es, die oben beschriebene Identifikation des Positions-Messfehlers n _x ausgehend von einem gemessenen Positionsmesssignal x _act auf einfache Weise durchzuführen. Dazu kann anhand einer (meist modellhaften und mathematischen) Beschreibung des Zusammenhangs zwischen gemessenem Positionsmesssignal x _act und Positions-Messfehler n _x aus dem Positionsmesssignal x _act der Positions-Messfehler n _x berechnet werden. Hierbei sei angemerkt, dass der Positions-Messfehler n _x für eine nachfolgende Kompensation des Positions-Messfehlers n _x , die an späterer Stelle im Detail beschrieben wird, auch auf andere Weise ermittelt werden kann. Beispielhaft können dafür zusätzliche Referenzmesssysteme eingesetzt werden, oder ein Abgleich eines gemessenen Positionsmesssignals x _act mit bereits vorab bekannten Referenzdaten bzw. Vergleichsdaten vorgenommen werden.

Durch die Erfindung wird es möglich, den beschriebenen Positions-Messfehler n _x in einer sehr allgemeinen Form zu ermitteln und zu beschreiben, d.h. unabhängig von Einflussfaktoren wie Läufer-Geschwindigkeit v _x und/oder Lastfall und/oder Reglerparametrierung und/oder Temperatur. Auf Basis dieser allgemeinen Form der Beschreibung kann der einmalig identifizierte Positions-Messfehler n _x zur Kompensation bei beliebigen Betriebspunkten (unterschiedliche Läufer-Geschwindigkeit v _x , unterschiedlicher Lastfall, unterschiedliche Reglerparametrierung oder Temperatur) verwendet werden.

In der Folge wird gezeigt, wie die oben beschriebenen Schritte am Beispiel eines konkreten Positionsregelkreises 200 zur Positionsregelung eines Läufers 3 durchgeführt werden können. Dazu zeigt Fig. 7 in einer möglichen Ausführung der Regelung einen in Form einer Kaskade aus einem Positions-Regler F ₁ und Geschwindigkeits-Regler F ₂ aufgebauten Positionsregelkreis 200 zur Regelung der Position x _real eines Läufers 3. Die nachfolgenden Ausführungen sind dabei jedoch keineswegs als einschränkend aufzufassen. Ein Positionsregelkreis 200 zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens könnte ebenso noch weitere Regler erhalten, wie einen Strom- oder Spannungsregler, oder in nicht- kaskadierter Form aufgebaut sein, oder einen oder mehrere Vorsteuerungspfade aufweisen, oder eine Mehrzahl von Filtern zum Filtern der im Positionsregelkreis 200 gegebenen Signale oder andere Komponenten aufweisen.

Im in Fig. 7 dargestellten Positionsregelkreis 200 stellen die Blöcke F _1; F ₂ , F ₃ generische, lineare und frei parametrierbare Übertragungssysteme dar. Wie erwähnt nimmt das Übertragungssystem F ₁ die Rolle des Positionsreglers ein, das Übertragungssystem F ₂ die Rolle des Geschwindigkeitsreglers. Der Positionsregler F ₁ ermittelt hierbei aus einer für die Position des Läufers 3 vorgegebenen Sollposition x _soll eine Sollgeschwindigkeit v _xsoll , die vom unterlagerten Geschwindigkeitsregler F ₂ umgesetzt wird, indem der Geschwindigkeitsregler F ₂ aus dem Geschwindigkeitsregelfehler e _vx eine auf den Läufer 3 wirkende Soll- Vortriebskraft f als Stellgröße ermittelt. Die Soll-Vortriebskraft f ist am LLM 1 einzustellen, insbesondere durch das Bestromen der beteiligten aktiven Antriebsspulen. Die letztlich auf den Läufer wirkende Kraft F _x (in Fig.7 nicht dargestellt) kann aufgrund von in der Praxis stets auftretenden Störungen und Schmutzeffekten von der Soll-Vortriebskraft f abweichen.

Das Übertragungssystem G steht weiters für ein Modell eines LLM 1 mit einem Läufer 3, dessen Position x _real geregelt wird. Im Block G ist schematisch ein einzelnes Statorsegment Z _m des geregelten LLM 1 gezeigt, mit einem Läufer 3 und mit Positionssensoren S _i-1 , S _mi , S _mi+1 .

Der Block F3 dient im gezeigten Positionsregelkreis 200 zur Ermittlung der Läufer- Geschwindigkeit v _xact aus dem gemessenen Positionsmesssignal x _act . Der Block F ₃ kann dazu beispielsweise als Differenzierer mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter ausgeführt sein. Zur Umsetzung der vom Geschwindigkeitsregler F ₂ ermittelten Kraft f können in bekannter Weise noch weitere Regler vorhanden sein, wie ein Kraftregler oder ein Stromregler. Diese Regler sind zur Darstellung des Prinzips der Erfindung aber nicht erforderlich und demnach nicht dargestellt. Ebenso ist es bekannt, dass am LLM 1 auch eine Leistungselektronik (nicht dargestellt) vorgesehen ist, um die benötigten Spulenspannungen zu erzeugen und an die beteiligten aktiven Antriebsspulen anzulegen.

Das Eingangssignal d steht weiters für eine Eingangsstörung, die optional berücksichtigt werden kann. Eine bei LLM 1 typische Eingangsstörung d ist das sogenannte Rastmoment (Cogging-Effekt). Der gegenständlich betrachtete Positions-Messfehler n _x ist ebenfalls als eine Eingangsgröße dargestellt, die als Ausgangsstörung auf den Positionsregelkreis 200 wirkt und das Positionsmesssignal x _act beeinflusst.

Die nachfolgenden Ausführungen beruhen auf der Annahme, dass die Elemente F _1; F ₂ , F ₃ , G als lineare, zeitinvariante SISO-Übertragungsfunktionen beschrieben werden können. Diese Annahme schränkt die gegenständliche Erfindung jedoch keineswegs ein. Auch andere, lineare sowie nichtlineare, zeitinvariante sowie zeitvariante, SISO- („single-input, single- output“) sowie MIMO- („multiple-input, multiple-output“) Übertragungssysteme sind für die Elemente F _1; F ₂ , F ₃ , G denkbar. Lediglich die konkrete mathematische Ausführung würde sich in solchen Fällen ändern.

Für Regelkreise wie den gezeigten Positionsregelkreis 200 sind zur Analyse bekanntermaßen Integraltransformationen üblich (für zeitdiskrete Signale die z- Transformation, für kontinuierliche Signale z.B. die Laplace- oder Fourier-Transformation). Unter Anwendung einer Integraltransformation für die im Positionsregelkreis 200 gegebenen Signale und der dabei üblichen Einführung von Großbuchstaben, also z.B. Z{x _act } = X _act für die z-Transformierte des Positionsmesssignals x _act , kann das gemessene Positionsmesssignal X _act in Fig.7 mittels dreier Teile beschrieben werden: Die Übertragungsfunktion von der Ausgangsstörung n _x (Positions-Messfehler) auf den Ausgang wird hierbei als Sensitivitäts-Übertragungsfunktion (kurz „Sensitivität“) bezeichnet, jene von der Eingangsstörung d auf den Ausgang , als Eingangssensitivitäts-Übertragungsfunktion.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Eingangsstörung d (Cogging-Effekt) an den typischen Frequenzen f ₀ einer Grundwelle GW eines Positions-Messfehler n _x , sowie an den darüber liegenden Frequenzen der Oberwellen OW (z.B. Oberwellenfrequenzen f ₁ , f ₂ , der ersten beiden Oberwellen OW1 , OW2 usw.) eines Positions-Messfehler n _x vernachlässigt werden kann. Wird überdies der Verlauf der Sollposition x _soll geeignet gewählt, beispielsweise in Form einer Rampe zur Sicherstellung einer konstanten Läufer- Geschwindigkeit v _x , liefert auch der Verlauf der Sollposition x _soll keine Beiträge an den genannten Frequenzen.

Es wurde erkannt, dass es im in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel, aber auch bei beliebig anders gestalteten Positionsregelkreisen 200 zur Regelung der Position x _real eines Läufers 3, möglich ist, alleine mithilfe der Sensitivitäts-Übertragungsfunktion Q aus dem gemessenen Positionsmesssignal x _act einen an bestimmten, interessierenden Frequenzen (Grundwellenfrequenz f ₀ oder Oberwellenfrequenz f ₁ oder Schwingungskomponenten- Frequenz f _K ) geschätzten Positions-Messfehler n _x zu bestimmen. Die Sensitivitäts- Übertragungsfunktion Q stellt dabei eine mögliche Beschreibung Q des Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal x _act und dem Positions-Messfehler n _x dar. Eine Beschreibung Q des Zusammenhangs zwischen dem Positionsmesssignal x _act und dem Positions-Messfehler n _x kann dabei aber auch anderweitig gegeben sein, wie durch eine Tabelle, oder ein Bode-Diagramm, oder eine Ortskurve, oder ein Zustandsraummodell.

In einem nächsten Schritt kann das transformierte Positionsmesssignal X _act zunächst an einer interessierenden Frequenz ausgewertet werden (z.B. Frequenz f ₀ einer Grundwelle GW; nachfolgend werden, wie in der Signalverarbeitung üblich, insbesondere Kreisfrequenzen ω = 2πf zur Notation verwendet, z.B. ω ₀ = 2πf ₀ ). Zur Ermittlung transformierter Signale, wie einem transformierten Positionsmesssignal X _act , kann in bekannter Weise zunächst eine Speicherung bzw. Bufferung des zugehörigen Zeitsignals x _act über eine vorgegebene Zeitdauer vorgenommen werden, und anschließend das gespeicherte, gebutterte Signal transformiert werden. Die Ergebnisse X _act ( ω ) der oben genannten Auswertungen werden nachfolgend auch als Schwingungsparameter bezeichnet, die das Schwingungsverhalten (Amplitude und Phase) des zugehörigen Zeitsignals bei der vorgegebenen Frequenz ω beschreiben. Ein Schwingungsparameter X _act (w) kann zum Zweck der erfindungsgemäßen Identifikation des Positions-Messfehlers n _x weiters mit der Inversen der Sensitivitäts-Übertragungsfunktion Q, ebenfalls ausgewertet an der interessierenden Frequenz ω , multipliziert werden:

N _x (ω ) = [Q(ω )] ^-1 X _act (ω ).

Auf diese Weise können Schwingungsparameter (ω ) (typischerweise komplexe Zahlen) ermittelt werden, die das Schwingungsverhalten (Amplitude und Phase) des Positions- Messfehlers n _x an einer Frequenz ω beschreiben.

Nachfolgend werden die beschriebenen Schwingungsparameter auch in der wohlbekannten Sinus-Cosinus-Form notiert, also z.B. mithilfe eines Schwingungsparameters für den Realteil a _x = Re{N _x ( ω )} und mithilfe eines Schwingungsparameters für den Imaginärteil b _x = lm{N _x (ω )} des ursprünglichen Schwingungsparameters N _x (ω ).

Wie beschrieben ist der gegenständlich betrachtete Positions-Messfehler n _x (zumindest näherungsweise) periodisch in der Koordinate x, wobei von dieser Periodizität insbesondere die Grundwelle GW und die erste Oberwelle OW1 entscheidend sind. Der zur Grundwelle GW des Positionsmesssignal x _act gehörende Schwingungsparameter wird nachfolgend als Xo notiert und als Positions-Grundwellenparameter X ₀ bezeichnet, zu Oberwellen gehörende Schwingungsparameter werden nachfolgend als X ₁ notiert und als Positions- Oberwellenparameter X ₁ bezeichnet.

Werden allgemein Schwingungskomponente SK mit einer Schwingungskomponenten- Frequenz f _K betrachtet, werden die zugehörigen Parameter allgemein als Positions- Schwingungsparameter X _K bezeichnet. In entsprechender Weise werden Schwingungsparameter des Positions-Messfehler n _x als Fehler-Grundwellenparameter N _x0 und als Fehler-Oberwellenparameter N _x1 bezeichnet, bzw. allgemein als Fehler- Schwingungsparameter N _xK .

Werden demnach zur oben beschriebenen Berechnung die Grundwellenfrequenz f ₀ und die Frequenz der ersten Oberwelle f ₁ gewählt, also ω ₀ = 2π f ₀ und ω ₁ = 2πf ₁ , wobei üblicherweise f ₁ = 2f ₀ gilt, können ein Fehler-Grundwellenparameter N _x0 und ein Fehler- Oberwellenparameter N _x1 entsprechend den Vorschriften bzw. ermittelt werden. Sind die Positionssensoren S _mj entlang des Stators 2 durch einen konstanten Sensorabstand d _s beabstandet, ergibt sich die Frequenz f ₀ zur Auswertung der Grundwelle GW entsprechend dem Ausdruck Die zur Auswertung herangezogene Kreisfrequenz hängt dann von der Läufer-Geschwindigkeit v _x und von dem Sensorabstand d _s ab. Die Frequenzen der Oberwellen f ₁ , f ₂ , usw. können sich in bekannter Weise als ganzzahlige Vielfache der Grundwellenfrequenz f ₀ ergeben. Es können aber auch andere Oberwellenfrequenzen f ₁ , f ₂ , gewählt werden, die in keinem ganzzahligen Verhältnis zur Grundwellenfrequenz f ₀ stehen.

Sind die Positionssensoren S _mj entlang des Stators 2 durch eine konstante Nutteilung τ _n beabstandet, ergibt sich die Frequenz f ₀ zur Auswertung der Grundwelle GW entsprechend dem Ausdruck . Die zur Auswertung herangezogene Kreisfrequenz hängt dann von der Läufer-Geschwindigkeit v _x und von der Nutteilung τ _n ab.

Mit diesen Schwingungsparametern N _x0 , N _x1 bzw. einem allgemeinen Fehler- Schwingungsparameter N _xK kann das Verhalten des Positions-Messfehler n _x entlang eines Stators 2 in großer Genauigkeit beschrieben werden. Da, wie beschrieben, in vielen Fällen die Grundwelle GW den dominierenden Signalanteil des Positions-Messfehlers n _x darstellt, ist es oftmals bereits ausreichend, alleine den Fehler-Grundwellenparameter N _x0 zur Beschreibung des Positions-Messfehlers n _x zu ermitteln.

Aufgrund der Erkenntnis, dass sich bei veränderlichen Läufer-Geschwindigkeiten v _x zwar die Frequenzen von Grundwelle GW und Oberwellen OW des Positions-Messfehlers n _x ändern, nicht aber die Amplituden und Phasenlagen von Grundwelle GW oder Oberwellen OW oder einer anderen Schwingungskomponente SK, kann durch die Ermittlung des Fehler- Grundwellenparameters N _x0 und des Fehler-Oberwellenparameters N _x1 bei nur einer Läufer- Geschwindigkeit v _x eine umfassende und exakte Beschreibung des Positions-Messfehlers n _x für beliebige Läufer-Geschwindigkeiten v _x erreicht werden. Die Amplitude einer Grundwelle GW bzw. einer Oberwelle OW stellt hierbei in bekannter Weise die maximale Auslenkung der Grundwelle GW bzw. Oberwelle OW aus der Lage ihres arithmetischen Mittelwertes dar. Die Phasenlage einer Grundwelle GW bzw. einer Oberwelle OW stellt demgegenüber in bekannter Weise die zeitliche Lage der Grundwelle GW bzw. Oberwelle OW dar, z.B. deren zeitliche Verschiebung ihres Maximums zu einem Beginn eines Messintervalls.

In einer besonders vorteilhaften Weise kann die erfindungsgemäße Identifikation der Fehler- Schwingungsparameter bei konstanter Läufer-Geschwindigkeit v _x oder bei konstanter Läufer- Sollgeschwindigkeit v _x,soll erfolgen. Die Frequenz f ₀ zur Auswertung der Grundwelle GW ergibt sich dann aus der Läufer-Geschwindigkeit v _x und der Anordnung bzw. den Einbaupositionen der Positionssensoren S _mj . Bei entsprechender Berücksichtigung einer sich gegebenenfalls verändernden Läufer-Geschwindigkeit v _x stehen aber auch veränderliche Läufer-Geschwindigkeiten v _x einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht entgegen. Hinsichtlich der Wahl einer konstanten Läufer-Geschwindigkeit v _x für eine Identifikationsfahrt wurde erkannt, dass die konstante Läufer-Geschwindigkeit v _x nicht kleiner als v _min = f ₀ τ _n gewählt werden sollte. Bei einer Unterschreitung dieser Minimalgeschwindigkeit v _min kann es passieren, dass die interessierenden Frequenzen (Grundwellenfrequenz f ₀ , Oberwellenfrequenzen f ₁ , f ₂ , usw.) nicht ausreichend angeregt werden.

Nach oben sollte die konstante Läufer-Geschwindigkeit v _x in Abhängigkeit von der Abtastzeit T _s des vorgesehenen Positionsmesssystems des LLM 1 die maximale Geschwindigkeit nicht überschreiten. Bei einer Überschreitung dieser Maximalgeschwindigkeit v _max kann es passieren, dass nicht mehr ausreichend viele Mess-Samples aufgenommen werden können und in der Folge keine ausreichend feine Frequenz-Auflösung mehr sichergestellt werden kann. In diesem Fall kann es passieren, dass die zu den interessierenden Frequenzen (Grundwellenfrequenz f ₀ , Oberwellenfrequenzen f ₁ , f ₂ , usw.) gehörenden Schwingungsparameter nicht mehr berechnet werden können.

M _min stellt dabei die minimale Anzahl an Samples des gemessenen Positionsmesssignal x _act dar, die zur Identifikation der gewünschten Oberwellen des Positions-Messfehlers n _x erforderlich sind. Konkret ergibt sich die minimale Anzahl an benötigten Samples M _min aus der gewünschten Anzahl der zu identifizierenden Oberwellen n _harm zu M _min = 2 (n _harm + 1), sodass sich z.B. zur alleinigen Identifikation der Grundwelle M _min = 2 ergibt. Diese theoretische maximale Geschwindigkeit liegt jedoch in der Praxis meist weit über dem realistischen Betrieb, sodass normalerweise stets genügend gemessene Samples zur Verfügung stehen.

In einer vorteilhaften Weise kann bei der Berechnung des Positions-Messfehlers n _x auch auf den Regelfehler bzw. Schleppfehler e _x übergegangen werden. Da der Verlauf der Sollposition x _soll in den üblichen Fällen keine Beiträge an den für die Charakterisierung des Positions-Messfehlers n _x benötigten Frequenzen liefert, und da der Regelfehler bzw. Schleppfehler e _x in der Regelung vielfach leichter verfügbar ist für Berechnungen, kann auf die folgend beschriebene Modifikation zurückgegriffen werden. Konkret kann hierbei für die Sensitivität Q der Ausdruck angesetzt werden, sodass der Positions-Messfehler n _x in Abhängigkeit des Regelfehlers e _x als berechnet werden kann. E _x (ω ) steht hierbei für entsprechende Schwingungsparameter des Regelfehlers e _x . Damit kann der Positions-Messfehler n _x anhand von Größen ermittelt werden, die ohnehin für die Reglung benötigt werden und vorhanden sind.

In der praktischen Umsetzung erweist es sich vielfach als vorteilhaft, für vorgegebene Stator- Abschnitte des Stators 2 jeweils separate bzw. individuelle Schwingungsparameter N _x zu ermitteln. Stator-Abschnitte können hierbei insbesondere den Statorsegmenten Z _m des Stators 2 entsprechen. Stator-Abschnitte können aber auch anders gewählt sein, und mehrere Statorsegmenten Z _m umfassen, oder nur Teile von Statorsegmenten Z _m umfassen.

Die Ermittlung individueller Schwingungsparameter N _x ist oftmals vorteilhaft, da Schwingungsparameter N _x in vielen Fällen entlang des Stators 2 nicht konstant bleiben. Bei geeigneter Wahl der vorgegebenen Stator-Abschnitte kann ein auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmter Kompromiss aus Komplexität, aufgrund vieler zu speichernder Schwingungsparameter N _x , und hinreichend genauer Beschreibung des Positions- Messfehlers n _x entlang des Stators 2 erreicht werden.

Bei mit konstanter Nutteilung τ _n beabstandeten Positionssensoren S _mj erweist es sich darüber hinaus oftmals als vorteilhaft, den Stator 2 bzw. die gegebenen Statorsegmente Z _m in Stator-Abschnitte der Länge τ _n (Nutteilung) zu unterteilen. Bei einer Gesamtlänge L _stat des Stators 2 ergeben sich so Stator-Abschnitte, sodass für den Index i der Stator-Abschnitte i ∈ [0, i _max - 1] gilt.

Bei einer Identifikationsfahrt wird dann für jeden Stator-Abschnitt zumindest ein

Schwingungsparameter N _x berechnet. Dafür wird in vorteilhafter Weise ein in diesem Stator- Abschnitt gemessenes und gebuffertes Positionsmesssignal x _act herangezogen. Je nachdem wie viele Oberwellen OW neben der Grundwelle GW zu identifizieren sind, kann auch eine Vielzahl von Schwingungsparameter N _x ermittelt und den genannten Stator-Abschnitten zugewiesen werden.

Das Resultat einer derartigen Identifikationsfahrt kann z.B. als Tabelle abgelegt werden, wie in Fig. 8 gezeigt, die eine Zuordnung zwischen einem Stator-Abschnitt und den Schwingungsparametern des Positions-Messfehlers n _x herstellt. In der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform ist die Tabelle mithilfe von Parametern a ₀ , b ₀ , usw. aufgebaut, die der eingangs beschriebenen Sinus-Cosinus-Form entsprechen. Andere Parameter, die die durch die Schwingungsparameter N _x bzw. a ₀ , b ₀ , usw. transportierte Information über den Positions-Messfehlers n _x zur Verfügung stellen, sind an dieser Stelle jedoch ebenfalls denkbar.

Um die ermittelten Fehler-Schwingungsparameter N _x in weiterer Folge zur Korrektur eines fehlerbehafteten Positionsmesssignals x _act heranzuziehen, kann aus den ermittelten Fehler- Schwingungsparametern N _x für jeden vorgegebenen Stator-Abschnitt des Stators 2 ein Kompensationssignal x _komp ermittelt werden. Die Fehler-Schwingungsparameter N _x können dazu aus einer wie in Fig. 8 gezeigten Tabelle ausgelesen werden. Dieses Kompensationssignal x _komp kann anschließend zum gemessenen Positionsmesssignals x _act addiert werden, um das gemessenen Positionsmesssignals x _act zu einem korrigierten Positionskorrektursignal x _korr zu generieren. Ein korrigiertes Positionskorrektursignal x _korr kann weiters, wie in Fig. 7 dargestellt, im Positionsregelkreis 200 rückgekoppelt und zur Regelung der Position x _real des Läufers 3 herangezogen werden.

Zur Ermittlung des Kompensationssignals x _komp ist in der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform eine Kompensationseinheit 201 vorgesehen. In der Kompensationseinheit 201 kann in einer vorteilhaften Weise eine Tabelle, wie anhand von Fig. 8 gezeigt, abgelegt werden. Weiters kann einer Kompensationseinheit 201 auch das gemessene Positionsmesssignals x _act zugeführt werden, um der Kompensationseinheit 201 den aktuellen Stator-Abschnitt am Stator 2, für den die Kompensation zu berechnen ist, mitzuteilen. Mögliche Realisierungen einer Kompensationseinheit 201 sind unter anderem durch mikroprozessorbasierte Hardware, wie beispielsweise Mikrocontroller, und integrierte Schaltungen (ASIC, FPGA) gegeben.

Wie die oben beschriebene Korrektur konkret durchgeführt werden kann, ist nachfolgend beispielhaft anhand der Korrektur der Grundwelle GW eines Positions-Messfehlers n _x gezeigt. Im Zuge der Kompensation wird zunächst aus der gemessenen Position x _act der aktuelle Stator-Abschnitt berechnet, über dem sich der Läufer 3 befindet. Dazu kann der Index des Stator-Abschnitts gemäß ermittelt werden. Darauf aufbauend können aus einer Tabelle, wie in Fig. 8 gezeigt, die entsprechenden Sinus-Cosinus-Koeffizienten ausgelesen werden, für die Grundwelle GW die Parameter a ₀ und b ₀ . Mithilfe der Parameter a ₀ und b ₀ kann beispielsweise entsprechend der Vorschrift ein von der gemessenen Position x _act abhängiges Kompensationssignal x _komp ermittelt werden. Anstatt des Positionssignals x _act kann obige Berechnung auch mit einer relativen Position x _rel (z.B. relativ zur Nutteilung τ _n ) erfolgen, also x _rei = mod(x _act , τ _n ). Die Läufer- Geschwindigkeit v _x , mit der sich ein Läufer 3 im Rahmen der Kompensation bewegen darf, ist dabei nicht eingeschränkt. Je nach Stator-Abschnitt können die entsprechenden Parameter a ₀ , b ₀ ,... in Abhängigkeit von i _act bezogen werden und die obige Vorschrift mit den bezogenen Parametern a ₀ , b ₀ ,... parametriert werden.

Da sich Fehler-Schwingungsparameter N _x oder damit einhergehende Parameter a _x , b _x in Sinus-Cosinus-Form von Betriebspunkt zu Betriebspunkt meist nur geringfügig oder gar nicht verändern, können Fehler-Schwingungsparameter N _x bei einer ersten Läufer- Geschwindigkeit v _x identifiziert werden, aber in der Folge auch bei anderen Läufer- Geschwindigkeiten v _x während des Betriebs zur Kompensation eingesetzt werden. Beispielsweise können Fehler-Schwingungsparameter N _x bei einer ersten Läufer- Geschwindigkeit v _x1 identifiziert werden, aber in der Folge bei einer zweiten Läufer- Geschwindigkeiten v _x2 während des Betriebs zur Korrektur des Positionsmesssignals x _act herangezogen werden.

Hierbei ist entscheidend, dass beispielsweise Fehler-Schwingungsparameter N _x oder damit einhergehende Parameter a _x , b _x bei einer ersten Identifikations-Frequenz ermittelt werden können, aber zur Kompensation auch bei von der Identifikations-Frequenz gänzlich verschiedenen Frequenzen eingesetzt werden können.

Das Kompensationssignal x _komp kann in Abhängigkeit der gemessenen Position x _act zur gemessenen Position x _act addiert werden. Fig. 9 zeigt die Wirkung der beschriebenen Kompensation auf den im Zuge einer Positionsregelung resultierenden Regelfehler e _x (durchgezogen: „K“... kompensiert, strichliert: „UK“ unkompensiert) entlang eines Ausschnittes eines Statorsegments Z _m , wobei im unkompensierten Fall die Grundwelle GW deutlich sichtbar ist und im kompensierten Fall beinahe gänzlich verschwindet.

Im Rahmen der Kompensation kann wahlweise auch ein sogenanntes „Ausblenden“ aktiviert werden, welches die Aufschaltung des Kompensationssignal x _komp in den Randbereichen der Statorsegmente Z _m (wo insbesondere der Segmentübergang dominiert) linear skaliert. Wird die Weite der Randbereiche mit x _fade bezeichnet wird, kann für diese Bereiche eine skalierte Kompensation mittels der Vorschrift berechnet und vorgegeben werden.

Wie eingangs beschrieben, kann die gegenständliche Erfindung in gleicher Weise wie bei LLM 1 auch bei PM angewandt werden. Das Grundprinzip bleibt bei der Anwendung bei PM das gleiche, lediglich die Komplexität der Umsetzung der Erfindung steigt. Aufgrund der bei PM üblicherweise gegebenen sechs Freiheitsgrade für die Bewegung eines Läufers 3 wird im Betrieb von PM üblicherweise auch auf sechs Regelkreise zur Regelung der Bewegung des Läufers zurückgegriffen. Die erfindungsgemäße Identifikation von Positions-Messfehlern n _x ist in diesem Fall üblicherweise auf sechs Regelkreise auszudehnen.