DE10021589C2

DE10021589C2 - Vorrichtung zur Positionierung eines Aktors

Info

Publication number: DE10021589C2
Application number: DE10021589A
Authority: DE
Inventors: Joerg Woerner; Thomas Mueller; Joerg Droemer
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 2000-05-04
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2020-05-05
Also published as: DE10021589A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionierung eines Aktors.

Eine derartige Vorrichtung weist einen an einer Halterung beweglich gelagerten Aktor auf, der mittels eines vorzugsweise zeitlich veränderlichen Magnetfelds auslenkbar ist.

An dem Aktor kann beispielsweise ein optisches Element zur Veränderung der Fokussierung oder Strahlrichtung von Sendelichtstrahlen eines optischen Sen sors befestigt sein. Dabei kann das optische Element insbesondere von einer Sendeoptik gebildet sein, welche von einer Linse oder dergleichen gebildet ist.

Wird beispielsweise diese Sendeoptik durch den Aktor periodisch quer zur Strahlachse der die Sendeoptik durchsetzenden Sendelichtstrahlen abgelenkt, so werden die Sendelichtstrahlen durch deren zeitlich veränderliche Auftreff punkte auf der Sendeoptik periodisch quer zur optischen Achse der Sendelicht strahlen abgelenkt. Das System des Aktors mit der daran gelagerten Sendeoptik bildet somit eine Ablenkeinheit, welche die Sendelichtstrahlen periodisch in nerhalb eines flächigen Abtastbereichs führt.

Ein Problem bei einer derartig ausgebildeten Ablenkeinheit besteht darin, dass der an der Halterung beweglich gelagerte Aktor ein schwingungsfähiges Sys tem bildet.

Durch Anlegen eines zeitlich veränderlichen Magnetfelds wird dann zwar der Aktor periodisch zwischen zwei Sollpositionen hin- und herbewegt. Jedoch werden durch diese Bewegungen Schwingungen der Halterung induziert, so dass der gerichteten Ablenkbewegung des Aktors in unerwünschter Weise eine Schwingungsbewegung überlagert ist.

Damit ist eine genaue Positionierung des Aktors nicht mehr gewährleistet.

Die DE 33 17 521 C2 betrifft eine Positionier-Vorrichtung für einen Linear- Motor, bestehend aus einem Statorkern aus magnetischem Material mit min destens zwei parallelen Schenkeln und wenigstens einer Wicklung um einen der Schenkel, einem permanentmagnetischen Läufer, der parallel zu den Stator schenkeln verschiebbar zwischen diesen in Führungsvorrichtungen angeordnet ist, wobei die aus zwei Teilen bestehende Positioniervorrichtung mit ihrem einen Teil am Stator befestigt ist und mit ihrem anderen Teil die Bewegung des Permanentmagnet-Läufers mitmacht. Zudem ist eine elektronische Schaltungs anordnung vorgesehen, die ein der tatsächlichen Läuferposition entsprechendes Signal als Funktion der relativen Lage des beweglichen und des stationären Teils des Positionssensors erzeugt, wobei durch Vergleich dieses Signals mit einem vorgegebenen Signalwert der Läuferposition ein Steuersignal erzeugt wird, so dass die Wicklung des Stators mit einem Signalstrom geeigneter Pola rität und Dauer beaufschlagt wird, um den Läufer in die vorgegebene Position zu bringen. Der Positionssensor ist ein kapazitiver Positionsmesswandler, der im Arbeitsluftspalt des Linear-Motors angebracht ist, dessen stationärer Teil an der Oberfläche der oder einer Statorspule und dessen beweglicher Teil am per manentmagnetischen Läufer befestigt sind.

Aus der US 3,889,164 ist ein Positioniersystem bekannt, bei welchem ein Ob jekt mittels magnetischer Kräfte positionierbar ist. Zur Erzeugung von Magnet feldern dienen ein Elektromagnet und eine magnetische Substanz, die durch einen Luftspalt getrennt sind. Das zu kontrollierende Objekt ist mittels einer Feder auslenkbar, wobei die Auslenkung durch eine geeignete Vorgabe der Magnetfelder einstellbar ist. Die aktuelle Auslenkung der Feder und des Ob jektes wird mittels optischer Sensoren überwacht, wobei die Vorgabe der Mag netfelder in Abhängigkeit der von den Sensoren generierten Signale erfolgt.

Die US 5,488,240 A betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Drehbewegun gen eines optischen Elementes. Die Drehbewegungen werden mittels einer be weglichen Spule erzeugt. Weiterhin ist ein optischer Encoder zur Kontrolle der Drehbewegung des optischen Elements vorgesehen. Das von dem Encoder er zeugte Drehsignal wird einem Regelkreis zugeführt, der die Bewegung der Spule regelt. Dabei wird das aktuelle Drehsignal mit einem Referenzsignal ver glichen.

In der DE 42 10 934 C1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die genaue Lage eines beweglichen Teiles bzw. eines damit verbundenen Spiegels exakt und temperaturunabhängig bestimmt werden kann, in dem ein als Referenzmarke dienendes magnetisches Element von einem ersten digitalen Hallsensor abge tastet wird und das Ausgangssignal dieses Hallsensors so ausgewertet wird, dass das magnetische Element zunächst in der einen und dann in der anderen Richtung am Hallsensor vorbeigeschoben wird und die jeweils auftretenden Schaltpunkte abgespeichert werden. Durch Halbierung des Abstandes dieser Schaltpunkte wird die Referenzposition gewonnen. Mit einem zweiten Hallsen sor werden die Umdrehungen des Antriebmotors, der das bewegliche Element über eine Spindel verschiebt, gemessen. Damit bestimmt dieser zweite Hallsen sor den relativen Weg um den die Referenzposition und damit auch der Spiegel verschoben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art so auszubilden, dass eine genaue Positionierung des Aktors mög lich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionierung eines Aktors für eine optische Ablenkeinheit ist an einer Halterung zwischen zwei Sollpositionen periodisch mittels eines Magnetfelds schwingungsfrei bewegbar und weist ei nen Sensor zur Erfassung der aktuellen Position des Aktors (2) auf. Die Aus gangsspannung U_ist und die differenzierte Ausgangsspannung d/dt U_ist des Sen sors bilden Eingangsgrößen eines Regelkreises, mittels dem durch Variation des Magnetfelds der Aktor (2) aus einer Anfangsposition jeweils im aperiodi schen Grenzfall gleichlaufend in eine der Sollpositionen auslenkbar ist.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, die Variation des Mag netfelds so zu regeln, dass der Aktor schwingungsfrei, das heißt gleichlaufend in die Sollposition einläuft. Der so geregelte Aktor wird periodisch zwischen zwei Sollpositionen schwingungsfrei bewegt, wodurch die optische Ablenkein heit genau positionierbar ist.

Mit dem Regelkreis wird vorzugsweise der Strom einer Spule geregelt, welche das zeitlich veränderliche Magnetfeld erzeugt. Wesent lich bei diesem Regelkreis ist, dass bei der Regelung der aktuelle Wert des Stromes in der Spule nicht nur von der Differenz des Istwerts und eines Sollwerts des Ausgangssignals des Sensors zur Positionsbestimmung des Aktors abhängt, sondern auch von der zeitlichen Ableitung des Ausgangssignals, wel ches einen geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungsterm bildet. Durch eine geeignete Dimensionierung des geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungsterms ist die Dynamik des Systems der Halterung und des Aktors so einstellbar, dass sich der Aktor im aperiodischen Grenzfall dieses schwingungsfähigen Systems auf die Sollposition zu bewegt.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionierung eines Aktors.

Fig. 2 Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemä ßen Vorrichtung 1 zur Positionierung eines Aktors 2. Der Aktor 2 ist an einer Halterung beweglich gelagert. Diese Halterung weist zwei Blattfedern 3 auf, die an den längsseitigen Enden des Aktors 2 befestigt sind. Die Blattfedern 3 sind von biegbaren Blechteilen oder dergleichen gebildet und verlaufen parallel zueinander senkrecht zur Längsachse des Aktors 2. Die freien Enden der Blatt federn 3 sind an einer starren Aufnahme gelagert, die von einer Platte 4 oder dergleichen gebildet ist.

Der Aktor 2 ist stabförmig ausgebildet, wobei an einer seiner Längsseiten ein erster Permanentmagnet 5 aufgebracht ist. Diese Längsseite des Aktors 2 mit dem Permanentmagneten 5 liegt einer Spule 6 gegenüber, die in einem Eisen kern 7 gelagert ist. Durch die Spule 6 fließt ein zeitlich veränderlicher Strom I_Spule, der ein magnetisches Wechselfeld generiert. Dadurch werden wie in Fig. 1 dargestellt, die Enden des Eisenkerns 7, welche dem Aktor 2 gegenüber liegen, in einem vorgegebenen Zeittakt unterschiedlich polarisiert. Die ver schiedenen Polaritäten sind mit N und S in Fig. 1 gekennzeichnet. Dabei wei sen die beiden äußeren Enden des Eisenkerns 7 jeweils immer dieselbe Polari tät und das mittlere Ende des Eisenkerns 7 die jeweils entgegengesetzte Pola rität auf. Dadurch wird der Aktor 2 periodisch in Richtung seiner Längsachse hin- und herbewegt.

An der zweiten Längsseite des Aktors 2 ist ein weiterer Permanentmagnet 8 angeordnet. Die Längsseite des Aktors 2 mit dem Permanentmagneten 8 liegt einem Hallsensor 9 gegenüber, welcher in einer Ummantelung 10 gelagert ist. Der Hallsensor 9 bildet einen Sensor zur aktuellen Positionsbestimmung des Aktors 2.

Durch den in der Spule 6 generierten Strom I_Spule wird der Aktor 2 in Längs richtung ausgelenkt, wobei der an den Blattfedern 3 gelagerte Aktor 2 eine pe riodische Bewegung zwischen zwei Sollpositionen ausführt.

Die durch die Blattfedern 3 ausgeübten Rückstellkräfte wirken der Bewegung des Aktors 2 entgegen, wobei der Aktor 2 mit den Blattfedern 3 ein schwin gungsfähiges System bildet. Damit die Bewegung des Aktors 2 schwingungs frei und damit gleichlaufend zwischen den beiden Sollpositionen erfolgt, ist ein Regelkreis zur Regelung der Bewegung des Aktors 2 vorgesehen.

Das Blockschaltbild der Komponenten dieses Regelkreises ist in Fig. 2 darge stellt. Der Regelkreis wird über einen Microcontroller 11 zentral gesteuert. In dem Microcontroller 11 sind zwei Analog-Digitalwandler 12, 13 mit einer Wortbreite von jeweils 8 bit integriert. Über diese Analog-Digitalwandler 12, 13 können analoge Signale in den Microcontroller 11 eingelesen und in digitale Signale gewandelt werden.

Als Eingangsgrößen des Regelkreises wird die Ausgangsspannung U_ist des Hallsensors 9 über den ersten Analog-Digitalwandler 12 in den Microcontroller 11 eingelesen. Zudem wird über den zweiten Analog-Digitalwandler 13 die differenzierte Ausgangsspannung d/dt U_ist des Hallsensors 9 in den Micro controller 11 eingelesen. Hierzu ist dem Hallsensor 9 ein analoger Differenzie rer 14 nachgeordnet, in dem das Ausgangssignal U_ist des Hallsensors 9 diffe renziert wird. Der Ausgang des Differenzierers 14 ist auf den zweiten Analog- Digitalwandler 13 geführt. Prinzipiell könnte das Ausgangssignal U_ist auch im Microcontroller 11 differenziert werden. Hierzu müsste jedoch die Auflösung des Analog-Digitalwandlers 13, über welchen U_ist in den Microcontroller 11 eingelesen wird, sehr hoch sein, um die gewünschte Genauigkeit der Differen zierung zu erhalten. Hierzu wären Wortbreiten des Analog-Digitalwandlers 13 von wenigstens 16 bit erforderlich.

Über zwei Ausgänge 15, 16 des Microcontrollers 11 führt jeweils eine Zulei tung auf einen Eingang einer H-Brückentreiberstufe 17, an deren Ausgänge die Spule 6 angeschlossen ist.

Über den ersten Ausgang 15 des Microcontrollers 11 wird die Richtung des Stromes der Spule 6 I_Spule durch eine geeignete Beschaltung der H- Brückentreiberstufe 17 vorgegeben.

Dabei ist durch die Ansteuerung der Spule 6 über die vom Microcontroller 11 gesteuerte H-Brückentreiberstufe 17 der Strom in der Spule 6 pulsweitenmo duliert. Über den zweiten Ausgang 16 des Microcontrollers 11 wird durch eine geeignete Vorgabe der Pulsweitenmodulation die Stromstärke des Stromes der Spule 6 vorgegeben.

Erfindungsgemäß wird über den Regelkreis der Strom I_Spule der Spule 6 in Ab hängigkeit der aktuellen Werte der Ausgangsspannungen U_ist und deren Diffe rentiale d/dt U_ist eingestellt.

Dabei erfolgt die Einstellung des Stromes I_Spule in vorgegebenen Zeitabständen t_k = T.k gemäß folgender Beziehung:

Dabei ist T ein in dem Microcontroller 11 fest vorgegebenes Zeitintervall. U_soll stellt das Ausgangssignal des Hallsensors 9 dar, welches der Sollposition des Aktors 2 entspricht. c₁, c₂ und c₃ sind positive Konstanten.

Wesentlich bei dieser Regelung ist, dass der aktuelle Wert des Stromes I_Spule,k nicht nur von der aktuellen Differenz des Ist- und Sollwerts der Ausgangsspan nung U_ist sondern auch von der Summe der früheren Differenzen des Ist- und Sollwerts abhängt.

Vielmehr stellt der mit c₂ gewichtete Term in oben genannter Beziehung ein geschwindigkeitsabhängiges Dämpfungsglied dar. Durch eine geeignete Wahl dieses Dämpfungsglieds wird der aperiodische Grenzfall des schwingungsfähi gen Systems des über I_Spule getriebenen Aktors 2 mit den Blattfedern 3 einge stellt, so dass sich der Aktor 2 gleichlaufend auf die Sollposition zu bewegt.

Die Konstanten c₁, c₂, c₃ werden während eines Einlernvorganges vor Inbe triebnahme der Vorrichtung 1 vorzugsweise experimentell bestimmt.

Die Einstellung der Konstanten c₁, c₂ und c₃ erfolgt in folgender Reihenfolge:

1. Als Anfangsbedingung werden die Konstanten auf die Werte c₁ = c₂ = c₃ = 0 gesetzt.
2. Die Blattfedern 3 und die bewegte Masse des Aktors 2 bilden einen Oszil lator, der durch den c₂-Term gedämpft wird. c₂ wird solange variiert, bis sich der Oszillator im aperiodischen Grenzfall befindet. Die korrekte Ein stellung von c₂ wird überprüft, indem man den Oszillator in transversaler Richtung mit kleinen Schlägen zu einer Schwingung anregt, die bei kor rekter Einstellung von c₂ sofort wieder abklingt.
3. Damit die Regelgröße U_ist der Sollgröße U_soll folgt, muss der Koeffizient c₁ eingestellt werden. Man variiert c₁ solange, bis der Oszillator anfängt zu vibrieren. Danach reduziert man c₁ auf 2/3 dieses kritischen Wertes.
4. Nun ist das Regelsystem stabil und die Regelgröße U_ist bewegt sich auf die Sollgröße zu. Allerdings bleibt eine ständige Regelabweichung bestehen. Diese Regelabweichung kann durch Variieren von c₃ minimiert werden. Die Einstellung von c₃ erfolgt in analoger Weise wie die Einstellung von c₂.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Aktor

3

Blattfeder

4

Platte

5

Permanentmagnet

6

Spule

7

Eisenkern

8

Permanentmagnet

9

Hallsensor

10

Ummantelung

11

Microcontroller

12

Analog-Digitalwandler

13

Analog-Digitalwandler

14

Differenzierer

15

Ausgang

16

Ausgang

17

H-Brückentreiberstufe

Claims

1. Vorrichtung zur Positionierung eines Aktors für eine optische Ablenk einheit, welcher an einer Halterung zwischen zwei Sollpositionen perio disch mittels eines Magnetfelds schwingungsfrei bewegbar ist, mit einem Sensor zur Erfassung der aktuellen Position des Aktors (2), wobei die Ausgangsspannung U_ist und die differenzierte Ausgangsspannung d/dt U_ist des Sensors Eingangsgrößen eines Regelkreises bilden, mittels dem durch Variation des Magnetfelds der Aktor (2) aus einer Anfangspo sition jeweils im aperiodischen Grenzfall gleichlaufend in eine der Soll positionen auslenkbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (2) die Form eines Stabes aufweist, wobei der Aktor (2) in Längsrichtung auslenkbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Längsseiten des Aktors (2) zwei Permanentmagnete (5, 8) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wechselwirkung des ersten Permanentmagneten (5) mit dem Magnetfeld der Aktor (2) auslenkbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, dass der Sensor von einem Hallsensor (9) gebildet ist, mittels dessen der zweite Permanentmagnet (8) zur Positionsbestimmung des Aktors (2) erfassbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung zwei Blattfedern (3) aufweist, welche jeweils an ei nem längsseitigen Ende des stabförmigen Aktors (2) befestigt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld durch einen in einer Spule (6) fließenden Strom I_Spule erzeugt wird, der über den Regelkreis eingestellt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom I_Spule pulsweitenmoduliert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, dass die Richtung der Auslenkung des Aktors (2) durch die Richtung des Stromes I_Spule vorgegeben ist, wobei die Richtung des Stromes durch eine H-Brückentreiberstufe (17) vorgegeben ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis über einen Microcontroller (11) gesteuert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass über einen ersten Analog-Digitalwandler (12) die aktuelle Ausgangsspannung U_ist und über einen zweiten Analog-Digitalwandler (13) die differenzierte Ausgangsspannung d/dt U_ist in den Microcontroller (11) eingelesen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus gangsspannung U_ist in einem dem Microcontroller (11) vorgeschalteten analogen Differenzierer (14) differenziert wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass die Analog-Digitalwandler (12, 13) jeweils eine Wortbreite von 8 bit aufweisen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass die H-Brückentreiberstufe (17) über Zuleitungen an Ausgänge des Microcontrollers (11) angeschlossen ist, wobei an Ausgänge der H- Brückentreiberstufe (17) die Spule (6) angeschlossen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass über den ersten Ausgang (15) des Microcontrollers (11) die Pulsweitenmodulation und über den zweiten Ausgang (16) des Microcontrollers (11) die Rich tung des Stromes I_Spule der Spule (6) vorgebbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Position des Aktors (2) im Microcontroller (11) der in der Spule (6) fließende Strom I_Spule in vorgegebenen Zeitabständen t_K = T.k gemäß folgender Beziehung eingestellt wird:
wobei U_soll dem der Sollposition entsprechende Wert der Ausgangsspan nung des Hallsensors (9) entspricht,
und wobei c₁, c₂, c₃ positive Konstanten sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kon stanten c₁, c₂, c₃ während eines Einlernvorgangs bestimmt werden.