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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein Fördersysteme,
insbesondere Fördersysteme
in der Form modularer Linearmotoren mit einer Vielzahl von unabhängig gesteuerten
sich bewegenden Elementen.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
bekannten herkömmlichen
Fördersysteme,
die ein Band für
den Transport von Paletten zwischen Verarbeitungsstationen verwenden,
weisen eine Anzahl grundsätzlicher
Begrenzungen auf. Erstens ist die Geschwindigkeit des Bandes typischerweise
ziemlich begrenzt. Dies ist grösstenteils
auf die Tatsache zurückzuführen, dass
die Paletten beispielsweise zur Verarbeitung bei den Verarbeitungsstationen
typischerweise durch mechanische Stoppmechanismen angehalten werden.
Wird daher der Bandförderer
bei hoher Geschwindigkeit betrieben, ist es wahrscheinlich, dass
durch den starken Aufprall zwischen einer Palette und einem mechanischen
Stopper wie auch immer geartete, von den Paletten zur Verarbeitung
getragene Teile erschüttert werden.
Zweitens ist es im Allgemeinen nicht möglich, die Beschleunigungs-
und Geschwindigkeitsprofile einzelner Paletten zu variieren. Ist
z. B. eine erste Palette leer und eine zweite Palette mit empfindlichen Teilen
beladen, ist es im Allgemeinen nicht möglich, die erste Palette stark
auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen und gleichzeitig
die zweite Palette unter Verwendung sanfterer Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsprofile
zu steuern. Diese Beschränkung
beeinträchtigt
die Latenz und möglicherweise den
Durchsatz der Fabrikationslinie. Drittens ist der Bandförderer typischerweise
nicht bidirektional, was zu einem suboptimalen Design der Fabrikationslinie führen kann.
Viertens weist der Bandförderer
typischerweise eine begrenzte Flexibilität oder Programmierbarkeit,
wie beispielsweise die Fähigkeit,
die Positionen von Verarbeitungsstationen sehr rasch zu ändern, auf.
Schlussendlich sind die durch den Bandförderer bereit gestellten Datenakquisitionsmöglichkeiten
typischerweise ziemlich begrenzt. Beispielsweise ist es typischerweise
nicht möglich,
jederzeit zu wissen, wo sich die Paletten und ihre Ladungen entlang
des Förderers
befinden. So kann es beispielsweise schwierig sein, zu wissen, wie
viele Paletten bei einer bestimmten Verarbeitungsstation eine Schlange
bilden. Aus diesem und anderen Gründen kann ein Fördersystem
mit einer Vielzahl unabhängig gesteuerter
Elemente oder Paletten für
verschiedene Typen von Anwendungen wünschenswert sein.
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Fördersysteme
mit einer Vielzahl unabhängig
gesteuerter Paletten sind bekannt, leiden aber an einer Vielzahl
von Beschränkungen.
Beispielsweise offenbart das U.S. Patent Nr. 4,841,869, erteilt
am 27. Juni 1989 an Takeuchi et al., ein Fördersystem mit einem Linearinduktionsmotor,
umfassend einen Förderwagen
und eine Führungsschiene
zum beweglichen Stützen
des Förderwagens.
Die Führungsschiene
umfasst Primärspulen,
und der Förderwagen umfasst
einen flexiblen Sekundärleiter,
der sich in Längsrichtung
des Wagens erstreckt und so der Führungsschiene folgt. Die Primärspulen
umfassen eine Stationsprimärspule,
die bei jeder Beladungs- und Entladungsstation zum Anhalten und
Starten des Förderwagens
angeordnet ist, zwei den entgegen gesetzten Enden der Stationsprimärspule benachbarten
Primärspulen
zum Verzögern
des bei der Station durch die Stationsprimärspule anzuhaltenden Förderwagens
und zum Beschleunigen des bei der Station zu startenden Förderwagens
auf eine bestimmte Umlaufgeschwindigkeit, und eine Vielzahl von
zwischen zwei benachbarten Stationen angeordneten Beschleunigungsprimärspulen
zum Beschleunigen des Förderwagens,
um letzteren auf der bestimmten Umlaufgeschwindigkeit zu halten.
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Eine
wesentliche Unzulänglichkeit
des Takeuchi et al. Systems liegt darin, dass dessen Wagen oder
Paletten nicht so eingestellt werden können, um an irgendeinem Punkt
entlang dem Förderer
anzuhalten, sondern nur an der Stelle der Linearmotoren. Dies macht
das Wechseln des Ortes einer Station zu einer mühsamen Anstrengung. Zudem ist
das System nicht fähig,
den Ort einer sich bewegenden Palette jederzeit zu lokalisieren.
In Anbetracht dieser Beschränkungen
weist das Takeuchi et al. System nicht eine wirklich unabhängige und
totale Steuerung einer Vielzahl sich bewegender Elemente auf.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,023,495, erteilt am 11. Juni 1991 an Ohsaka et
al., offenbart einen linearen bürstenlosen
Gleichstrommotor vom Typ eines sich bewegenden Magneten mit einer
Vielzahl zur Bewegung entlang einer Schiene angeordneten, sich bewegenden
Elementen. Die Schiene umfasst eine kernlose Statorarmatur mit einer
Vielzahl von auf dieser benachbart angeordneten Spulen. Jedes sich
bewegende Element umfasst einen Schub erzeugenden Feldmagneten mit
aneinandergrenzenden magnetischen Polen P mit alternierender N und
S Polarität
(d.h. ein polypolarer Magnet), dessen eine Seite der Statorarmatur
gegenüberliegt.
Jedes sich bewegende Element kann auch einen polypolaren Positionsbestimmungsmagneten
umfassen. Die Schiene umfasst eine Reihe von Positionssensoren, wobei jede
Reihe von Positionssensoren zur ausschliesslichen Feststellung der
magnetischen Pole des Positionsbestimmungsmagneten eines entsprechenden, sich
bewegenden Elementes bereitgestellt wird. Die Positionssensoren
werden in der Steuerungsschaltung zur Erzeugung eines elektrischen
Stromes in der Statorarmatur verwendet, um die sich bewegenden Elemente
einzeln und unabhängig
in vorbestimmte Richtungen zu bewegen.
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Das
Ohsaka et al. System hat auch eine Anzahl von Unzulänglichkeiten,
insbesondere hinsichtlich der Modularitäts- oder Skaliereigenschaften
des Systems. Erstens kann das System aufgrund der Tatsache, dass
eine separate Schiene mit Positionssensoren für jedes sich bewegende Element
erforderlich ist, nur eine verhältnismässig kleine
Anzahl von sich bewegenden Elementen aufnehmen. Zweitens ist die Länge der
Linearmotoren durch einen Servosteuerungsmechanismus begrenzt, beschrieben
als einzelner Mikrocomputer, der nur eine begrenzte Anzahl Positionssensoren
mit zugehöriger,
elektrischen Strom erzeugenden Steuerungsschaltung verarbeiten und
aufnehmen kann. Drittens führt
die Verwendung der magnetischen Positionsfeststellungselemente zu
einer für
die Messung der Position des sich bewegenden Elementes verhältnismässig schlechten
Auflösung.
Viertens ist die Wicklungsanordnung der Statorarmatur im Wesentlichen
die eines Linearschrittmotors, der eine ungleichmässige magnetische
Reluktanz entlang der Statorarmatur aufweist, die zu verhältnismässig beachtlichen
Cogging-Effekten und zu ruckartigen Schüben führt. Schlussendlich führt das
kernlose Design der Statorarmatur auch zu einer verhältnismässig geringen
mittleren Schubproduktion, die für
typische Fördersystemanwendungen nicht
geeignet sind.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP 0 294 541 beschreibt
ein modulares Fördersystem
mit mehreren Schienenabschnitten (... n – 1, n, n + 1 ...), welches
die Möglichkeit
bietet, mehrere separate und unabhängige Paletten zu steuern.
Die Schienenabschnitte kommunizieren mit einer einzelnen, zentralen
Steuerungseinheit, wobei die zentrale Steuerungseinheit alle Steuerungsberechnungen
basierend auf Paletten-Positionsinformationen ausführt, welche
ihr von jedem Schienenabschnitt gesendet werden. Die zentrale Steuerungseinheit
retourniert die Steuerungsparameter (solche wie Palettengeschwindigkeit
und anzuwendende Kräfte)
an eine logische Signale verarbeitende Steuerungseinheit (Logic
Control) im betreffenden Abschnitt, wobei die logische Signale verarbeitende
Steuerungseinheit das bei der Armatur anzuwendende Phasensignal
bestimmt.
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Zusätzlich offenbaren
sowohl die Schrift „Grundsätzliche Überlegungen
betreffend die Linearmotorsteuerung durch auf Fahrzeugen befestigte Dauermagnetpole" („Basic
Considerations on the Linear Motor drive by Permanent Magnet Poles
Mounted on Vehicles")
von Yoshitaka Ikeda et al., welche an der Power Electronics Specialists
Conference, PESC '94
Record, 25th Annual IEEE Taipeh, Taiwan 20–25 Juni 1994, New York, USA,
vorgestellt wurde, als auch die deutsche Patentanmeldung 42 29 278 besondere
Ausführungen
eines Linearmotors, und das US Patent 4,698,996 offenbart eine Methode zum
Abstimmen eines Apparates zur kontaktlosen Positionsmessung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung sucht viele der Begrenzungen des Standes der Technik zu
vermeiden, indem ein Fördersystem
bereitgestellt wird, das eine Mehrzahl von unabhängig gesteuerten, sich bewegenden
Elementen aufweist, insbesondere ein solches Fördersystem, das aus einzelnen,
autonomen, modularen Schienenabschnitten aufgebaut sein kann, mit
wenig praktischen Einschränkungen
bezüglich
der Länge des
Fördersystems
oder der Anzahl der von diesem gesteuerten Paletten.
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Erfindungsgemäss ist ein
Linearmotor vom Typ eines sich bewegenden Magneten bereitgestellt, welcher
aufweist: eine Vielzahl von sich entlang einer Schiene bewegenden
Elementen; eine Statorarmatur, welche im Wesentlichen entlang der
gesamten Schiene der sich bewegenden Elemente zur Verfügung steht;
wobei sich jedes sich bewegende Element separat und unabhängig bewegt
und n Dauermagnete umfasst, welche genau gegenüber (face to face) mit der
Statorarmatur angeordnet sind, wobei diese Magnete alternierend
Nord und Süd
aufeinander folgend angeordnet sind und einen Polabstand P halten;
wobei die Statorarmatur eine Vielzahl von individuellen Spulen umfasst,
welche in einer im Wesentlichen zusammenhängenden Sequenz von individuellen
polyphasenartigen Spulensätzen
angeordnet sind, wobei jeder Satz p überlappende Spulen besitzt,
deren entsprechende Zentren durch einen Abstand P/p (wobei p>= 2) getrennt sind;
und ein Servosteuerungssystem zur Regulierung und Kommutierung der
Spulen, um eine separate sich bewegende magnetgetriebene Kraft für jedes
sich bewegende Element zu produzieren; gekennzeichnet dadurch, dass
das Servosteuerungssystem mehrere Verarbeitungsmittel beinhaltet,
um eine Position jedes beweglichen Elementes zu analysieren und
einen Kraftvektor zu sich bewegende Element anzuwenden ist, und wobei
dadurch jedes bewegliche Element unabhängig steuerbar ist.
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Spezielle
und weiterführende
Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
vorstehend erwähnten
und andere Aspekte der Erfindung werden nachfolgend detaillierter diskutiert
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die zum Zweck der Beschreibung
und nicht der Beschränkung
dargestellt werden, wobei gleiche Gegenstände mit gleichen Bezugszahlen
bezeichnet sind; es zeigen
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1 eine
isometrische Ansicht eines Teils eines modularen Fördersystems
in Übereinstimmung mit
der bevorzugten Ausführungsform,
bei der sich mehrere Paletten über
eine Schiene bewegen;
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2 eine Explosionsansicht des in 1 gezeigten
Systems;
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3 eine
Ansicht des Fördersystems
im Querschnitt entlang der Linie III-III von 1
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4 in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
eine Draufsicht auf einen beim Fördersystem
verwendeten einzelnen polyphasenartigen Spulensatz;
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5 in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
einen Leitungszyklus einer einzelnen, in 4 gezeigten
Spule in Bezug auf die entsprechende Bewegung einer Palette darüber;
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6 ein
Systemblockdiagramm einer bevorzugt verteilten Steuerungsarchitektur
zum Steuern des Fördersystems
von 1 und jedes Abschnitts davon;
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7 ein
Hardwareblockdiagramm der zur Steuerung jedes in 6 gezeigten
Fördersystemabschnittes
verwendeten, bevorzugten elektronischen Schaltung;
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8 ein
elektronisches schematisches Diagramm zur Illustration verschiedener
Teile der in 7 gezeigten elektronischen Schaltung
im Detail;
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9 ein
Systemblockdiagramm zur Illustration eines mit der bevorzugten Ausführungsform übereinstimmenden
Servosteuerungssystems zur Steuerung von Paletten in jedem Fördersystemabschnitt;
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10 ein
Flussdiagramm eines beim Servosteuerungssystem von 9 verwendeten
digitalen P.I.D. Positionssteuerungskreises;
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11 ein
Flussdiagramm, das sich auf ein im Servosteuerungssystem von 9 verwendetes Kommutationssteuergerät bezieht;
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12 ein
Flussdiagramm eines vom Selbststeuerungssystem von 9 verwendeten, bevorzugten
Schemas zum Demultiplexen linearer, entlang jedes Fördersystemabschnittes
beabstandet angeordneten linearen Codierern, um die Position einer
vorbestimmten Palette aufzulösen;
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13 ein
Zustandsübergangsdiagramm
in Bezug auf das Demultiplexschema von 12;
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14 ein
Diagramm eines bevorzugten Schemas zum Synchronisieren der Servosteuerungssysteme
(einzeln in 9 gezeigt) benachbarter Fördersystemabschnitte
zur weichen Steuerung einer Palette darüber; und
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15 ein
Zustandsübergangsdiagramm
in Bezug auf das Synchronisationsschema von 14.
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Ausführliche
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt
in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
einen Teil eines modularen Fördersystems 20.
Das System 20 weist mehrere Paletten oder sich bewegende
Elemente 22 (nur eines ist dargestellt) auf, die gezwungen
werden, entlang einer kontinuierlichen stationären Schiene 24 zu laufen
oder sich zu bewegen.
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Die
Beschreibung des Fördersystems 20 ist wie
folgt aufgebaut: (1) eine Einführung
in seine Arbeitsprinzipien; (2) kurze Beschreibung der physischen
Struktur des Systems, das eine Vielzahl von Schienenabschnitten
oder Einheiten 26 umfasst; (3) Beschreibung der bevorzugten
elektromagnetischen Struktur des Systems; (4) Einführung in
eine verteilte Steuerungsarchitektur zur Steuerung des Systems; (5)
detaillierte Beschreibung eines Servosteuerungssystems für jede Schieneneinheit 26;
(6) detaillierte Beschreibung eines Servosteuerungssubsystems zur
Feststellung der Position jeder Palette entlang jeder Schieneneinheit 26;
(7) detaillierte Beschreibung eines mit der bevorzugten Ausführungsform übereinstimmenden
Verfahrens zum Synchronisieren der Servosteuerungssysteme benachbarter
Schienenabschnitte 26, wenn irgend eine bestimmte Palette 22 diese überschreitet.
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Arbeitsprinzip
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Unter
zusätzlicher
Bezugnahme auf die 2 und 3 beherbergt
jede Palette 22, wie weiter unten detaillierter erläutert, eine
Vielzahl von Permanentmagneten 28, die zur Schaffung eines
durch Vektoren 30, 31 dargestellten, senkrecht
zur Schiene 24 ausgerichteten magnetischen Flusses angeordnet sind.
Die Schiene 24 beherbergt, wie weiter unten detaillierter
erläutert,
eine Statorarmatur 32, umfassend eine Vielzahl von eingebetteten
Spulen 35, die einzeln angeregt werden, so dass ein von
der Statorarmatur 32 erzeugter elektrisch induzierter magnetischer
Fluss (dargestellt durch die Vektoren 36 und 37)
sich nur unter einer bestimmten zu steuernden Palette 22 befindet,
in einer senkrechten Richtung dazu, ohne benachbarte Paletten zu
beeinflussen. Die Antriebskraft zum Verschieben jeder Palette 22 stammt
von der von jeder Palette und der Statorarmatur erzeugten magnetomotorischen
Kraft (MMF), d.h., durch die Richtung der durch den Stator und die auszurichtende
Palette geschaffenen entsprechenden magnetischen Flüsse. Ein
Servosteuerungsmittel, wie unten detaillierter beschrieben, ermöglicht die Erzeugung
separater und sich unabhängig
bewegender MMFs entlang der Länge
der Schiene 24 für
jede Palette, so dass jede Palette 22 individuell mit einem von
jeder anderen Palette unabhängigen
Bahnprofil gesteuert werden kann. Ein Servosteuerungsmittel verwendet
ein berührungsloses
Subsystem zur Feststellung der Palettenposition, wie unten detaillierter beschrieben.
Strukturell kann der Förderer 20 daher breit
als bürstenloser
Linearmotor vom Typ sich bewegender Magnete mit mehreren sich bewegenden Elementen
klassifiziert werden.
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Physische Struktur
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Mechanisch
setzt sich die Schiene 24 zusammen aus einer Vielzahl von
Schienenabschnitten oder -einheiten 26, die mechanisch
unabhängig
sind und wegen ihres modularen Aufbaus schnell und einfach voneinander
trennbar sind. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Schieneneinheiten 26 auf einem
(nicht gezeigten) Substrat montiert, um damit lediglich zueinander
ausgerichtet und aneinander stossend zu sein, um die kontinuierliche
Schiene 24 zu bilden. Dieses bevorzugte Merkmal macht erforderlich,
dass die Statorarmaturspulen 35 der einen Schieneneinheit
nicht mit der Statorarmatur einer benachbarten Schieneneinheit überlappen
oder gegen diese gerichtet ist, wie unten detaillierter beschrieben.
Jede Schieneneinheit 26 beherbergt auch die gesamte elektronische
Schaltung 38, die zur Steuerung der Schieneneinheit erforderlich
ist.
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Wie
am besten aus den 2 und 3 ersichtlich,
umfasst jede Palette 22 eine Verlängerung 40, auf der
ein relativ langer, graduierter, optisch reflektierender Streifen 45 montiert
ist. Die Verlängerung 40 ist
so angeordnet, dass der reflektierende Streifen 45 mit
berührungslosen
optischen Linear-Codierer-Leseköpfen 50,
die an einer entsprechenden, von einer Seitenwand 48 der
Schiene 24 abstehenden Verlängerung 46 montiert
sind, in Wechselwirkung tritt. Mit Hilfe einer Lasche 52 schützt diese
ineinander greifende Struktur die optischen Komponenten 45 und 50 vor
dem Verkehr auf der Schiene und hilft, dass umgebendes Licht, d.h. Lichtinterferenzen
oder -geräusche,
falsche Impulse an die optischen Linear-Codierer-Leseköpfe 50 weiterleiten.
Die optischen Komponenten 45 und 50 werden im
Subsystem zur Positionsfeststellung von Paletten verwendet, wie
unten detaillierter erläutert.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass durch die Anordnung
der Leseköpfe 50 auf
der Schiene 24 und nicht auf den Paletten 22 die
Paletten nicht in irgendeiner Weise angebunden und in ihrer Mobilität eingeschränkt sind.
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Jede
Palette 22 ist gekennzeichnet durch tragende Räder 24,
die entlang Schienen 56 der Schienen 24 fahren.
Jede Palette ist auch gekennzeichnet durch federbelastete Lager 58,
die die Palette zwingen, auf den Schienen 26 zu bleiben
und die Ausrichtung zwischen den optischen Komponenten 45 und 50 aufrechterhalten.
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Elektromagnetische Struktur
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Die
magnetische Struktur jeder Palette 22 umfasst wenigstens
zwei Schubkraft erzeugende Permanentmagnete, die in einer alternierenden Nord-Süd-Sequenz
angeordnet sind. Das Permanentmagnetmaterial, das Neodym-Eisen-Bor,
Alnico und Keramik (Ferrit) basierte Magnete umfassen kann, ist
auf der Basis von erforderlichen Luftspaltflussdichten und der physischen
Dimensionen der magnetischen Struktur der Palette ausgewählt. In
der bevorzugten Ausführungsform
trägt jede
Palette 22 zwei Neodym-Eisen-Bor Permanentmagnete 28,
die durch eine Poltrennung P voneinander beabstandet sind. Dadurch
ist jede Palette mit einem Permanentmagnetpolpaar 60 ausgerüstet, das
in entgegen gesetzte Richtungen weisende magnetische Flussvektoren 30 und 31 aufweist.
Aus unten erläuterten Gründen und
zusätzlich
bezugnehmend auf 5 ist die Poltrennung P bevorzugt
etwa gleich 2D/3, wobei D die Gesamtbreite des Permanentmagnetpolpaares ist,
und die Breite W jedes Magneten 28 ist bevorzugt etwas
D/3. Das Permanentmagnetpolpaar grenzt an eine magnetische Rückenplatte
(2), und diese Komponenten sind bevorzugt
in einem Hohlraum 64 der Palette 22 montiert,
so dass die Endteile 66 des Palettenkörpers als tote Pole wirken,
die das Permanentmagnetpolpaar 60 der Palette vom Permanentmagnetpoolpaar
jeder benachbarten Palette magnetisch isolieren.
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Die
magnetische Struktur der Statorarmatur 32 umfasst ein Joch 68 aus
Elektrostahl und ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von im Wesentlichen
in gleichem Abstand und verhältnismässig eng zueinander
angeordneten Schlitzen 70. Ein repräsentativer Schlitzabstand ist
3 mm und repräsentative
Schlitzdimensionen sind 1.5 × 7 × 75 mm.
Die Windungen der Statorarmaturspulen 35 sind in den Jochschlitzen
montiert.
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Die
Windungen jeder Spule sind in zwei Abschnitte 72 und 72' geformt (4),
die räumlich über eine
spezifische Anzahl von Jochschlitzen 70 verteilt sind.
Die Spulenabschnitte 72 und 72' stellen elektrisch induzierte
magnetischen Fluss produzierende Polpaare bereit, die in entgegen
gesetzte Richtungen weisende Magnetflussvektoren 36 und 37 erzeugen.
Die räumliche
Verteilung der Spulenabschnitte 72 oder 72' reduzieren
durch ungleichmässige
Abstossung verursachte Cogging-Effekte und ermöglichen im Vergleich zu einem
nicht räumlich
verteilten Spulenabschnitt oder elektrisch induzierten Pol eine
weichere Schuberzeugung entlang der Statorarmatur 32.
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Die
elektrische Poltrennung (5) jeder Spule 35 ist
im Wesentlichen gleich der mechanischen Poltrennung P des Permanentmagnetpolpaares 60 jeder
Palette. In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Breite jedes Spulenabschnittes 72 oder 72' ungefähr gleich
der Breite W des Permanentmagneten 28 jeder Palette, wobei
die Gesamtbreite jeder Spule 34 etwas gleich der Gesamtbreite D
des Permanentmagnetpolpaares 60 der Palette ist.
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Die
Spulen 35 sind als Sequenz individueller polyphasenartiger
Windungen oder Spulensätze
angeordnet, wobei sich die Spulen in jedem Satz überlappen, so dass die Spulenzentren
voneinander um eine Distanz P/p beabstandet sind, wobei p die Anzahl
Quasiphasen darstellt. Die in den 2 und 4 gezeigte,
bevorzugte Ausführungsform
(die eine Draufsicht auf einen isolierten Spulensatz zeigt), weist
eine zweiphasenartige Anordnung auf, bei der jeder polyphasenartige
Windungs- oder Spulensatz (nachfolgend „Spulenpaar 75" genannt) zwei überlappende
Spulen 35 umfasst, deren Zentren 76, 77 durch
eine Distanz P/2 beabstandet sind. Da die Breite W der Abschnitte 72 oder 72' jeder Spule 35 D/3 ist,
und die Breite des leeren inneren Raumes der Spule ebenfalls D/3
ist, ergibt sich aus den 2 und 4,
dass einer der Abschnitte 72 oder 72' jeder Spule 35 im
Spulenpaar 75 im Wesentlichen den leeren Innenraum 78 der
Gegenspule belegt, so dass es keine vom Spulenpaar überspannte
ungefüllte
Jochschlitze 70 gibt. Zusätzlich sind die Spulenpaare 75 so
angeordnet, dass sie einander unmittelbar benachbart sind, so dass
es keine ungefüllten
Jochschlitze 70 in einer Zwischenspulenpaarregion gibt. Diese
Anordnung, in Kombination mit der räumlichen Verteilung der Windungen
jedes Spulenabschnittes, ermöglicht
der Statorarmatur 32 eine verhältnismässig gleichmässige Reluktanz
zu zeigen, um Cogging-Effekte zu minimieren.
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Ein
anderer, durch die individuellen polyphasenartigen Windungs- oder
Spulensätze
geschaffener Vorteil liegt darin, dass die Schiene 24,
wie oben beschrieben, modular aus einzelnen Abschnitten aufgebaut
sein kann, so dass keine Spule des einen Statorabschnittes mit einem
benachbarten Statorabschnitt überlappt,
diesen übergreift
oder auf andere Weise beeinträchtigt.
Im Gegensatz dazu weist eine herkömmliche konvolute Polyphasenwechselstromstatorwindung
eine im Wesentlichen endlose Spulenüberlappungsanordnung auf, so
dass Windungen nicht mechanisch getrennt werden können.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann eine Spule ein kurzes Segment einer herkömmlichen Polyphasenwechselstromwindung
umfassen, vorzugsweise vorausgesetzt, dass die Länge jedes Segmentes ungefähr gleich
der Länge
der magnetischen Struktur der Palette ist. Eine Statorarmatur entsprechend
dieser Ausführungsform
umfasst eine Serie individuell gesteuerter Polyphasenwechselstromwindungen.
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Der
durch die Palette und die Statorarmatur bereitgestellte magnetische
Kreis ergibt sich wie folgt (2): Der
magnetische Fluss zirkuliert durch die Rückwandplatte 62 der
Palette, durch den Permanentmagneten 28, über einen
Luftspalt zu den und durch die Staturarmaturpole (d.h. Spulen 35),
durch das Joch 68, zurück
durch die Statorpole und zurück durch
die Permanentmagnete 28, um zur Rückwandplatte 62 der
Palette zurückzukehren.
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5(b) zeigt einen Leitungszyklus 80 für eine einzelne
Spule 35 eines bestimmten Spulenpaares 75. 5(a) zeigt, dass der Spulenzyklus 80 gerade
beginnt, wenn eine Vorderkante 82 des Permanentmagnetpolpaares 60 (in
ausgezogenen Linien gezeigt) einer Palet te eine vordere Aussenwindung der
Spule 35 erreicht und dann endet, wenn eine Hinterkante 84 des
Polpaares 60 (in unterbrochenen Linien gezeigt) der Palette über eine
zurückstehende äussere Windung
der Spule geht. Abstände
entlang der Positionsachse von 5(b) entsprechen
den relativen Distanzen zwischen einem Zentrumspunkt 86 der
Spule 35 und einem Zentrumspunkt 87 des Palettenpolpaares 60.
Der Leitungszyklus 80 entspricht einem 540° elektrischen
Zyklus. Es sei auch darauf hingewiesen, dass der in 5(b) gezeigte, bevorzugte
Leitungszyklus, in Verbindung mit dem Design der oben beschriebenen
Statorarmatur 32, zu einer verhältnismässig konstanten MMF mit einer Welligkeit
von nur etwa 5 bis 10% führt.
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Verteilte Steuerungsarchitektur
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6 ist
eine höhere
Abstraktion einer bevorzugten, im Fördersystem 20 verwendeten
Steuerungsarchitektur. Architekturmässig ist das Fördersystem 20 in
eine Vielzahl von Steuerungszonen aufgeteilt, wobei jede einer Schienenabschnittseinheit 26 entspricht,
die der Steuerung eines lokalen Abschnittsteuerungsgerätes (Local
Section Controller) 90 unterstellt ist. Die Abschnittsteuerungsgeräte 90 sind
in einem Peer-to-Peer-Kommunikationsnetzwerk
verbunden, so dass jedes Abschnittsteuerungsgerät 90 über Hochgeschwindigkeitskommunikationslinks 92 mit
einem vorangehenden und einem nachfolgenden Steuerungsgerät verbunden
ist.
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Jedes
Abschnittsteuerungsgerät 90 ist
auch mit einem zentralen Steuerungsgerät (Central Controller) 94 verbunden,
wie z. B. mit einer Computerarbeitsstation, über ein Überwachungsnetzwerk (Supervisory
Network), welches einen Multi-Drop-Bus 96 verwendet. Das
zentrale Steuerungsgerät 94 und das
Supervisory Network schaffen ein effizientes Mittel zum Initialisieren
der Abschnittsteuerungsgeräte. Das
zentrale Steuerungsgerät
kann auch Bestimmungsdaten zu den Abschnittsteuerungsgeräten für die Paletten
(die vorzugsweise einmalig adressiert sind) kommunizieren und Bestätigungsmeldungen empfangen,
wenn Paletten ihre Bestimmungsorte erreichen. Das zentrale Steuerungsgerät als solches kann
zur Prozesssteuerung (z. B. einer Fabrikationslinie) verwendet werden.
Das zentrale Steuerungsgerät
erfüllt
auch eine aufsichtsführende
Diagnoserolle durch Überwachung
des Abschnittsteuerungsgerätes
(z. B. durch Eingriff in ein kontinuierliches Pollingverfahren),
um zu bestimmen, ob irgendein Abschnittskontrollgerät ausgefallen
ist.
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Jedes
Abschnittskontrollgerät 90 kann
auch (muss aber nicht notwendigerweise) einen Zellenausgang (Cell
Port) 98 zum Verknüpfen
von Abschnittsteuerungsgeräten 90 mit
einem Stationssteuerungsgerät
wie beispielsweise einem externen programmierbaren logischen Steuerungsgerät (Programmable
Logical Controller, PLC) 100. Die PLCs stellen fabrikationslinienstationsverarbeitende
Instruktionen an die Schiene 24 bereit, wie z. B. die Anweisung
des nächsten
Bestimmungsortes für
eine Palette entlang der Schiene, oder Bereitstellung von stationsspezifischen
Bewegungsinstruktionen bezüglich
einer bestimmten, im Bereich oder in einer (nicht gezeigten) Verarbeitungsstation
gestoppten Palette. Z. B. arbeitet ein bestimmtes Zweiachsenstationssteuerungsgerät oder PLC
durch Bereitstellung von Impulssignalen, um die Bewegung einer Palette
entlang der Schiene mit der Bewegung eines Stationsendeffektors
oder -dispensers, der sich entlang einer Querachse bewegt, zu synchronisieren, wobei
jeder Impuls einen inkrementellen Palettenbewegungsbefehl darstellt.
Es sei hier erwähnt,
dass die Bereitstellung des Stationssteuerungsgerätes oder
PLC den Bereich der Bandweite reduziert, der sonst zur Übermittlung
dieser Information an das zentrale Steuerungsgerät 94 erforderlich
ist, wodurch im Wesentlichen eine potentielle Begrenzung der Länge und
der Verfahrensmöglichkeiten
des Fördersystems
eliminiert werden.
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Wie
gezeigt, ist jedes Abschnittsteuerungsgerät 90 mit allen Spulen 35 der
Statorarmatur in der entsprechenden Schieneneinheit 26 verbunden
und ist, wie unten detaillierter beschrieben, verantwortlich für die Kommutierung
der Spulen in der Steuerungszone gemäss einem unabhängigen Bahn-
oder „Bewegungs"-Befehl für jede darin
befindliche Palette. Im Gegensatz zu einer konventionellen konvoluten Zweiphasenstatorarmaturwindung
ist die Kommutation dadurch kompliziert, dass eine bestimmte Palette (wie
beispielsweise die gezeigte Palette 22') zwei Spulenpaare 75 übergreifen
kann, wobei beide Spulenpaare simultan erregt sein müssen, um
eine geeignete sich bewegende MMF entlang der Schiene 24 zu
erzeugen.
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Jedes
Abschnittsteuerungsgerät 90 ist
auch mit allen in seiner Steuerungszone befindlichen optischen Leseköpfen 50 verbunden.
Das Abschnittsteuerungsgerät
ist verantwortlich für
die Auflösung
der absoluten Position jeder in seiner Steuerungszone befindlichen
Palette 22, wie unten detaillierter beschrieben.
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Servosteuerungssystem
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7 ist
ein Hardwareblockdiagramm, welches in Übereinstimmung mit der bevorzugten
Ausführungsform
die Hauptkomponenten eines bestimmten Abschnittsteuerungsgerätes 90 zeigt,
das physisch eine Steuerungstafel (Control Board) 102 und
zwei Kraftschalttafeln (Power Board) 104 umfasst. Die Steuerungstafel 102 umfasst
einen ADSP2181 Digitalsignalprozessor (DSP) 105, der von
Advanced Micro Devices of Norwood, MA, U.S.A., kommerziell erhältlich ist,
und ein zugehöriges
Programm-Memory 106. Der DSP 105 umfasst zwei
serielle on-chip Ausgänge
(Serial Port) 108 zur Bereitstellung der Kommunikationslinkinterfaces 92 zu
benachbarten vorgängigen
und nachfolgenden Abschnittsteuerungsgeräten. Ein separates Mikrosteuerungsgerät 110 stellt
ein Interface zum Überwachungsnetzwerk 96 bereit,
welches das Abschnittsteuerungsgerät 90 mit dem zentralen
Steuerungsgerät 94 verbindet.
Ein Field Programmable Gate Array (FPGA) 112 wird verwendet,
um den Zellausgang 98 mit dem lokalen PLC 100 zu
verbinden. Das FPGA 112 wird auch verwendet, um die optischen Leseköpfe 50 mit
dem DSP 105 zu verbinden.
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Die
Kraftschalttafeln 104 umfassen eine Vielzahl von Stromverstärkern 114,
einer für
jede durch das Abschnittsteuerungsgerät gesteuerte Spule 35 (es
gibt 18 Spulen in der gezeigten Ausführungsform). Jeder Stromverstärker 114 umfasst
einen Inverter wie z. B. eine Zweiphasen- oder H-Brücke (H Bridge) 116,
Treiber (Driver) 118 zum Konvertieren logischer Pegelsignale
in analoge Pegelsignale, um die Leistungsschalter der H-Brücke anzusteuern,
und Strommesser (Current Sense) 120 zur Messung des Spulenstromes.
Jede Kraftschalttafel umfasst auch ein FPGA 122, das zur
Verwendung des DSP 105 mit dem Stromverstärker 114 verwendet
wird. Insbesondere, wie in 8 gezeigt,
die einen bestimmten Stromverstärker
und seine zugehörige
FPGA-Schaltung darstellt, stellt das FPGA 122 einen (für jede einzelne
Spule 35 durch eine bestimmte Kraftschalttafel gesteuerten)
Schalter (Latch) 124 bereit, adressierbar durch das DSP 105,
zur Speicherung eines impulsbreiten modulierten (PWM) Arbeitszyklus-Wertes,
der zur Ansteuerung der H-Brücke 116 verwendet
wird. Der Schalter 124 ist mit einem Festfrequenz PWM-Generator 126 verbunden,
der durch Vergleich der im Schalter 124 gespeicherten Werte
mit einem kontinuierlichen Zykluszähler 128 arbeitet
und ein entsprechendes Outputsignal 130 setzt. Das Outputsignal 130 und
ein komplementäres
Signal 132 sind mit Treibern 118 verbunden, um
die als Schaltelemente in den H-Brücken 116 verwendeten
Basisinputs der Power-MOSFET-Vorrichtungen 134 zu
steuern.
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Die
Strommessschaltung (Current Sensing Device) 120 umfasst
einen Stromsensor 136, der zur Messung des durch eine bestimmte
Spule 35 fliessenden Stromes für alle Kommutationsphasen der H-Brücken verwendet
wird. Ein geeigneter Stromsensor ist beispielsweise offenbart in
der anhängigen U.S.S.N.
08/873,158, hinterlegt am 11. Juni 1997 durch Derek C. Schuurman
und übertragen
auf einen Inhaber der vorliegenden Anmeldung. Eine Vielzahl von
alternativen Strommessvorrichtungen können verwendet werden, wie
beispielsweise Stromtransformer oder offene und geschlossene Kreise
von Hall Effekt Vorrichtungen. Der Output des Stromsensors 136 ist
mit einem Analogfilter 138 verbunden, der mit einem Analog-Multiplexer 140 (in 7 nicht
gezeigt) verbunden ist. Der Analog-Multiplexer 140 multiplext
die Strommesssignale von mehreren Stromsensoren, die mit den auf
der Kraftschalttafel 104 angeordneten anderen Stromverstärkern 114 verbunden
sind und diese Signale an einen Analog-zu-Digitalkonverter (A/D) 142 bereitstellen,
der mit einem durch das DSP 105 adressierbaren Schalter 144 verbunden
ist. Das FPGA 122 stellt ein Kanalwählmittel (Channel Selector) 146 zum
kontinuierlichen Sampeln der Strommesssignale von jedem Stromverstärker 114 bereit.
Das FPGA 122 stellt auch eine Schaltanordnung 148 zur
Erzeugung geeigneter Steuerungssignale an den A/D 142 bereit.
Es sei hier darauf hingewiesen (7), dass,
da jedes Abschnittsteuerungsgerät 90 zwei
Kraftschalttafeln 104 mit je einem A/D 142 umfasst,
das DSP 105 in der Pipeline arbeiten kann, so dass zwei
Spulenstromanzeigen im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen können.
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Jede
Kraftschalttafel 104 umfasst auch einen Temperatursensor
(Temperature Sense) 147 und ein Spannungsmessgerät (Voltage
Sense) 149, die an das A/D 142 angeschlossen und über das
FPGA 122 mit dem DSP 105 verbunden sind. Die zentrale
Steuerungseinheit 94 ruft periodisch jedes Abschnittsteuerungsgerät 90 auf,
um von diesen Sensoren bereitgestellte diagnostische Daten zu erhalten.
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Das
DSP 105 jedes Abschnittsteuerungsgeräts 90 wird verwendet,
um einen digitalen Servosteuerungs-Systemregelkreis zu implementieren,
der in systemischer Form in 9 gezeigt
ist. Das Servosteuerungssystem umfasst einen Bahngenerator (Trajectory
Generator) 150, wie er an sich bekannt ist, um einen Palettenpositions-Sollwert-Vektor
S (S1, S2, ...,
SK) zu berechnen, wobei die Komponente oder das
Signal S den Positionssollwert für
eine sich in der Steuerungszone aufhaltende bestimmte Palette bedeutet,
die durch das bestimmte Abschnittsteuerungsgerät bedient wird, und K ist die
Anzahl von Paletten in der Steuerungszone zu jeder vorgegebenen Zeit.
Der Bahngenerator 150 erzeugt Sollwerte für jede Palette
entsprechend vorgegebenen Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsprofilen
für die
Paletten, die während
der Systeminitialisierung von der zentralen Steuerungseinheit 94 an
die Abschnittsteuerungseinheit 90 heruntergeladen werden
kann. Beispielsweise kann der Bahngenerator ein trapezoides Beschleunigungsprofil
zur weichen Beschleunigung der Palette von einer anfänglichen
Ruheposition zu einer Endposition und anschliessenden weichen Verzögerung der
Palette zu einer Bestimmungsposition verwenden. In der bevorzugten
Ausführungsform wird
der Sollwertvektor S der Palettenposition mit einer Geschwindigkeit
von etwa 1 KHz berechnet.
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Die
Palettensollwerte werden mit den gemessenen Positionen X (X1, X2, ... XK) der Paletten berechnet, wie durch ein
Palettenpositions-Feedback-Subsystem (Pallet Position Feedback System) 152,
welches ebenfalls Palettenpositionen bei einer Geschwindigkeit von
etwa 1 KHz abtastet. Dieser Vergleich führt zu einer Berechnung eines
Palettenpositions-Fehler-Vektors ΔS (ΔS1, ΔS2, ... ΔSK). Der Palettenpositions-Fehler-Vektor ΔS wird in
einem Positionskompensator (Position Compensator) 154 eingegeben,
der einen Kraftvektor F (F1, F2,
... FK) berechnet, der die Kraft spezifiziert,
die auf jede Palette einwirken muss, um den Palettenpositionsfehler
zu minimieren. Der Kraftvektor F wird auch mit einer Geschwindigkeit
von etwa 1 KHz berechnet.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
verwendet der Positionskompensator 154 eine gut bekannte
Proportional Integral Derivative (P.I.D.) Steuerungsfunktion, jedoch
können
alternative Steuerungsverfahren wie beispielsweise die State-Space-Technik
angewendet sein. 10 zeigt einen Pseudocode zur
Implementierung eines digitalen P.I.D. Regelkreises in Bezug auf
eine Palette. Es wird sich herausstellen, dass zur Berechnung eines
derivativen Wertes D_term der P.I.D. Steuerungsfunktion der P.I.D.
Regelkreis einen Fehlerhistorypuffer E[1 ... q] verwendet, um einen
Satz {ΔSi[T], ΔSi[T – 1], ΔSi[T – 2],
... ΔSi[T – q]}
von Positionsfehlern zu speichern, wobei T einen zuletzt empfangenen
Palettenpositionsfehler bedeutet und q der Grösse des Puffers entspricht.
Zusätzlich
verwendet der P.I.D. Regelkreis einen Akkumulator I_term zur Speicherung
des integralen Wertes der P.I.D. Steuerungsfunktion. Diesem Wert
kommt eine spezielle Bedeutung zu, wenn sie eine Palette über Steuerungszonen
bewegt, wie unten näher
erläutert.
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Der
Kraftvektor F und der Palettenpositionsvektor X werden in ein Kommutationssteuerungsgerät (Commutation
Controller) 155 (9) eingegeben,
das die Stromsollwertdaten für
die Spulen 35 bereitstellt. 11 zeigt
einen durch das Kommutationssteuerungsgerät 155 ausgeführten, bevorzugten Steuerungsalgorithmus.
Die Verfahrensschritte 158 und 162 bauen geschachtelte
Schlaufen auf. Die innere Schlaufe wird N mal ausgeführt, wobei
N die Anzahl der durch das Abschnittsteuerungsgerät 90 gesteuerten
Spulen 35 ist. Die äussere
Schlaufe führt die
innere Schlaufe K mal aus, wobei K die Anzahl der sich gegenwärtig in
der Stromsteuerungszone aufhaltenden Paletten ist. Beim Verfahrensschritt 160 in
der äusseren
Schlaufe berechnet das Kommutationssteuerungsgerät 155 den Zentrumspunkt
CPP(i) des Permanentmagnetpolpaares 60 für die Palette (i),
1 < i ≤ K (siehe
zusätzlich 5).
Diese Berechnung basiert auf einem (a) Inputparameter oder Signal
Xi, der gemessenen Palettenposition (i),
die, wie unten detaillierter beschrieben, bei einem zum Palettenpolpaarzentrumspunkt 87 unterschiedlichen
Referenzpunkt gemessen wird; und (b) einer Konstante, die von den
physischen Dimensionen der Palette (i) abhängig ist. Beim Verfahrensschritt 164 in
der inneren Schlaufe (11) berechnet das Kommutationssteuerungsgerät 155 die
relative Distanz RD(j) zwischen dem Zentrumspunkt CPP(i) der Palette
(i) und dem Zentrumspunkt CPC(j) einer bestimmten Spule (j), 1 < j ≤ N. Beim Schritt 166 erfolgt
eine Überprüfung, ob
oder nicht –D ≤ RD(j) ≤ D. Dies gibt
an, wie oben unter Bezugnahme auf 5 beschrieben,
ob das Polpaar 60 der Palette (i) sich über der Spule (j) befindet.
Wenn das Polpaar 60 der Palette (i) sich nicht über der
Spule (j) befindet, wird die Flusssteuerung an die nächste Iteration
der inneren Schlaufe übergeben.
Wenn das Polpaar 60 der Palette (i) sich über der
Spule (j) befindet, liest (11) das
Kommutationssteuerungsgerät
bei den Schritten 168, 170 und 172 eine
dem Leitungszyklus 80 (5) entsprechende
Tabelle, um einen nominalen Stromsollwert zu extrahieren, skaliert
den nominalen Stromsollwert mit dem Inputparameter Fi,
der erforderlichen Kraft für
die Palette (i) und aktualisiert eine Stromsollwerttabelle 182.
Dieses Verfahren wird für
jede Palette in der Steuerungszone wiederholt, um einen Stromsollwert-Vektor
Is (IS1, IS2, IS3, ... ISN bereitzustellen. Der Stromsollwert-Vektor
IS wird mit einer Geschwindigkeit von 20
KHz berechnet oder nachgeführt.
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Der
Stromsollwert-Vektor Is wird (9)
mit einem aktuellen oder gemessenen Spulenstrom-Vektor IA (IA1, IA2, IA3, ... IAN) verglichen, der durch die Strommessschaltanordnung 120 erzeugt
wird, um einen Stromfehlervektor ΔI
(ΔI, ΔI2, ΔI3, ... ΔIN) bei einer Geschwindigkeit von 20 KHz zu
berechnen. Der Stromfehlervektor ΔI
wird in einen Stromkompensator (Current Compensator) 184 gegeben,
der einen PWM Arbeitszykluswert für jeden Stromver stärker 114 jeder
Spule 35 unter Verwendung einer proportionalen integralen
(P.I.) Steuerungsfunktion bekannter Art berechnet. Auf die vorstehend
beschriebene Weise appliziert das Kommutationssteuerungsgerät 155 den
Leitungszyklus 80 auf die erforderlichen Statorarmaturspulen 35,
um eine sich bewegende MMF für
eine vorbestimmte Palette in der Steuerungszone bereitzustellen,
sogar wenn die Palette zwei Spulenpaare 75 übergreift.
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Palettenpositions-Feedback-Subsystem
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Das
Palettenpositions-Feedback-Subsystem 152, das gemessene
Palettenpositionswerte an den Bahngenerator 150 liefert,
der Positionskompensator 154 und das Kommutationssteuerungsgerät 155 werden
nun detaillierter beschrieben. Bezugnehmend auf die 6, 7 und 12,
wenn der reflektierende Streifen 45 einer bestimmten Palette 22 sich über einen
bestimmten optischen Lesekopf 50 bewegt, werden zwei 90° phasenverschobene
Signale erzeugt und die Phasenverschiebungsdecodierschaltung 186 veranlasst
einen an diese angeschlossenen Zähler
oder ein Register 188, entsprechend der Verschiebungsrichtung
des reflektierenden Streifens 45 hinzu- oder wegzuzählen. Wenn
beispielsweise ein 400 Linien pro Inch graduierter reflektierender
Streifen sich ein Inch durch einen bestimmten optischen Lesekopf 50 hindurch
bewegt, veranlasst eine derartige Bewegung den zugehörigen Zähler zu einer
Veränderung
um +/– 400,
unabhängig
von der Verschiebungsrichtung. Der optische Lesekopf 50 und
die Decodierschaltung 186 und 188 (nachfolgend „Decodierer" genannt) sowie der
zugehörige
reflektierende Streifen sind kommerziell erhältlich, beispielsweise von
Hewlett Packard Company of Santa Clara, U.S.A.
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Wie
in 6 dargestellt, weist jede Steuerungszone eine
Vielzahl M optischer Leseköpfe 50 auf,
die im Wesentlichen in einem gleichen Abstand E voneinander getrennt
entlang jeder Schieneneinheit 26 angeordnet sind. Die Länge R des
reflektierenden Streifens 45 ist so, dass R um einen vorbestimmten
Betrag XR grösser
ist als E. So kann der irgendeiner bestimmten Palette zugeordnete
reflektierende Streifen gleichzeitig bei verschiedenen Punkten entlang
der Schiene zwei Codierer auslösen
oder in diese eingreifen. Zusätzlich
ist die Länge
L der Palette selbst zumindest gleich wie oder grösser als
R, um sicherzustellen, dass ein mit einer benachbarten Palette nicht
mit der bestimmten Palette interferiert. In anderen Worten wird
die Länge
L gewählt,
um sicherzustellen, dass nicht zwei reflektierende Streifen den
gleichen Codierer auslösen
können.
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Wie
in 7 dargestellt, verbindet das FPGA 112 jedes
Abschnittsteuerungsgeräts 90 die
linearen Codierer mit ihrem DSP 105. Das DSP stellt ein
Parallel-Verarbeitungsmittel zum Abtasten des Codierers und zum
Auflösen
der Position jeder sich in der zugehörigen Schieneneinheit befindlichen
Palette bei einer Geschwindigkeit von etwa 1 KHz dar. Grob gesprochen
verknüpfen
die Verarbeitungsmittel den reflektierenden Streifen 45 irgendeiner
bestimmten Palette jederzeit mit nur einem Codierer, so dass die
absolute Position der bestimmten Palette berechnet werden kann,
basierend auf einer festgelegen Position des verknüpften Codierers
(oder spezifischer seines Lesekopfes 50) und einer relativen
Position des reflektierenden Streifen bezüglich des verknüpften Codierers.
Zusätzlich,
wenn der reflektierende Streifen gleichzeitig in zwei Codierer eingreift, transferiert
oder übergibt
das Verarbeitungsmittel, wie unten detaillierter beschrieben, die
Verknüpfung oder
das „Eigentumsrecht" an der Palette vom
aktuellen Codierer zum benachbarten eingreifenden Codierer. Auf
diese Weise kann die Position einer bestimmten Palette kontinuierlich über die
Steuerungszone verfolgt werden. Wenn eine Palette Steuerungszonen überschreitet,
geschieht ein ähnlicher Prozess,
wobei zusätzlich
das benachbarte Abschnittsteuerungsgerät eine Datenstruktur erzeugt, um
die Position der bestimmten Palette zu verfolgen, und zu irgendeinem
Zeitpunkt wird, wie unten detaillierter beschrieben, wenn die Übergabe
vollständig ist,
die Datenstruktur für
die Palette in der (nun) vorgängigen
Steuerungszone gelöscht.
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Die 12 und 13 zeigen
ein Verfahren gemäss
der bevorzugten Ausführungsform
zur Ausführung
der Übergabe
oder des Transfers des Eigentumsrechts an einer bestimmten Palette
zwischen benachbarten Codierern. Insbesondere zeigt 12, wie
ein bestimmter Codierer verschiedene Steuerungszustände annehmen
kann, und 13 ist ein Diagramm einer verknüpften Übergangsphasentabelle.
Bei der gezeigten Ausführungsform
weist der reflektierende Streifen 45 3300 Graduierungen auf, d.h.,
3300 Zählimpulse
vom Anfang zum Ende, und eine Steuerungszone weist sieben Codierer
(adressiert von enc = 0 bis enc = 6) auf.
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Ein „Zone 2" Zustand 200 stellt
eine Gleichgewichtszustandsbedingung dar, wobei der reflektierende
Streifen in einen bestimmten Codierer (n) eingreift und noch nicht
nahe dem Codierer (n – 1)
oder dem Codierer (n + 1) ist. Zieht man die Situation in Betracht,
wo sich die bestimmte Palette in 12 nach
rechts bewegt, bewegt sich bei einem bestimmten Punkt (d.h. bei
count = 3060) die rechte Vorderkante des zugehörigen reflektierenden Streifens
geradezu in einen „right-reset" Zustand, in dem
der benachbarte rechte Codierer (n + 1) zur Vorbereitung der Übergabe
kontinuierlich auf Null zurückgesetzt wird.
Der reflektierende Streifen tritt sodann in einen „Zone 3" Zustand 204 (bei
count = 3120). Bei einem gewissen Punkt in diesem Zustand greift
die Vorderkante des reflektierenden Streifens in den Codierer (n +
1 =), der seine Zählung,
die den Abstand wiedergibt, den die Vorderkante des reflektierenden
Streifens durch diesen zurückgelegt
hat, beginnt. Der Codierer (n) besitzt jedoch immer noch die vorbestimmte
Palette. Das Eigentumsrecht besteht fort, bis die Vorderkante des
reflektierenden Streifens einen „Eigentumsübergabe" Zustand 206 (count = 3240)
erreicht. Irgendwo in diesem Zustand, abhängig von der Geschwindigkeit,
mit der das DSP 105 die Codierer abtastet, wird das Eigentumsrecht
der bestimmten Palette an den Codierer (n + 1) übergeben. Die Übertragung
des Eigentumsrechts ist im wechselnden Zustand der Tabelle 220 (12)
vor und nach der Übergabe
gezeigt (i stellt die bestimmte Palette dar).
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Ein ähnlicher
Vorgang geschieht, wenn die bestimmte Palette sich nach links bewegt. „Reset-left", „Zone 1", und „linke Übergabe" Zustände 208, 210 und 212 sind
die entsprechenden Gegenstücke
zu den „Reset-right", „Zone 3" und „rechte Übergabe" Zuständen 202, 204 und 206.
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Das
bevorzugte Verfahren schafft einen Hystereseeffekt, wenn sich die
bestimmte Palette kurz nach der Vollendung der Übergabe zurückbewegt. Die zusätzliche
Distanz XR, um welche die Länge
R jedes reflektierenden Streifens den Codierabstand E überschreitet,
ermöglicht
es, den mit jedem Codierer verknüpften
Steuerungszustandsmustern 215 und 215' (12),
zu überlappen
und sich teilweise temporär
zu decken, wie gezeigt. Die relativen Längen und Positionen der Steuerungszustände oder
-zonen werden so gewählt,
dass, wenn die Übergabe
durchgeführt
wird, der Codierer (n + 1) im „Zone
1" Steuerungszustand 210 ist.
Wenn während
dieses Zustandes die bestimmte Palette sich zurück bewegt, muss sie wenigstens
eine minimale Hysteresedistanz H rückwärts überschreiten, bevor das Eigentumsrecht der
bestimmten Palette auf den Codierer (n) zurück übertragen wird. Der Hystereseeffekt
führt zu
einem stabileren Palettenpositions-Feedback-System durch Vermeidung
des Oszillierens oder Flip-Floppens von Übergaben, wenn eine Palette
zwei Codierer übergreift
und angewiesen wird, sich verhältnismässig kurze
Distanzen vor und zurück
zu bewegen. Eine solche Bedingung könnte beispielsweise auftreten,
wenn die Palette sich bei einer Verarbeitungsstation befindet und
die Bewegung der Palette entlang der Achse der Schiene 24 durch
das PLC 100 mit der Bewegung eines Stationsendschalters
oder -dispensers, der sich entlang einer Querachse bewegt, koordiniert
ist.
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Das
bevorzugte Verfahren wird von jedem Abschnittsteuerungsgerät 90 für jede sich
in der entsprechenden Steuerungszone befindliche Palette durchgeführt.
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Die
Fachleute erkennen ohne weiteres, dass andere Vorrichtungen als
der optische Linear-Codierer-Leser 50 und
der reflektierende Streifen 45 in alternativen Ausführungsformen
verwendet werden können.
Beispielsweise kann die passive lesbare Vorrichtung ein Magnetstreifen
sein und die Linear-Codierer-Leser können magnetischen Detektoren entsprechen.
Eine solche alternative Ausführungsform
könnte
eine sehr feine Auflösung
bereitstellen, beispielsweise Graduierungen von etwa einem Mikron,
jedoch sind die Kosten derartiger Linear-Codierer typischerweise
sehr hoch, und sind für
die meisten Anwendungen mit einer guten, durch die optisch reflektierenden
Streifen bereitgestellte Auflösung
von typischerweise einem Tausendstel Inch nicht erforderlich.
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Synchronisierung des Servosteuerungssystems
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Die
Länge der
Schiene 24, die ein bestimmtes Abschnittsteuerungsgerät 90 steuern
kann, ist durch verschiedene praktische Überlegungen begrenzt, wodurch
die Erzeugung von sich bewegenden MMFs für die Paletten, welche die
Steuerungszonen überqueren
müssen,
kompliziert wird. Dementsprechend stellt die bevorzuge Ausführungsform Mittel
zum Synchronisieren der Servosteuerungssysteme benachbarter Abschnittsteuerungsgeräte und zur
Bewegungssteuerung einer diese überschreitenden
Palette bereit.
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Die 14 und 15 zeigen
ein mit der bevorzugten Ausführungsform übereinstimmendes Verfahren
und ein Protokoll zum Synchronisieren der Servosteuerungssysteme
benachbarter Abschnittsteuerungsgeräte und zur Bewegungssteuerung
einer die Steuerungszone überschreitenden
Palette i. 14 zeigt verschiedene von den
Abschnittsteuerungsgeräten
(n) des Schienenabschnittes oder der Steuerungszone N und Abschnittsteuerungsgeräten (n +
1) des Schienenabschnittes oder der Steuerungszone N + 1 angenommene
Zustände,
wenn eine bestimmte Palette von der Zone N in die Zone N + 1 eintritt,
und umgekehrt.
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Die 15 zeigt
eine verknüpfte
Zustandsüberführungstabelle,
der beide Steuerungsgeräte
(n) und (n + 1) folgen.
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Ein „Solo Palette" Zustand 250 stellt
eine Gleichgewichtszustandbedingung dar, wenn die bestimmte Palette
vollständig
der Steuerung eines Abschnittsteuerungsgerätes unterliegt.
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Wenn
die bestimmte Palette sich in 14 von
der Zone N in die Zone N + 1 nach rechts bewegt, erreicht die rechte
Vorderkante des zugehörigen
reflektierenden Streifens einen Punkt t1,
der als nahe zur Zone N + 1 angesehen wird. Nach dem Auftreten dieses
Ereignisses wird eine PM_CREATE genannte Meldung vom Steuerungsgerät (n) zum
Steuerungsgerät
(n + 1) über
den Peer-to-Peer-Kommunikationslink 92 übermittelt, unter Verwendung
eines vorbestimmten Handshaking-Protokolls (zur Sicherstellung einer
verlässlichen
Kommunikation), und das Steuerungsgerät (n) tritt in einen „Pallet
Struct" Zustand 252.
Entsprechend empfängt
das Steuerungsgerät
(n + 1) die PM_CREATE Meldung und tritt in einen „Pallet
Ready" Status 260.
Während
der durch die in sich im Wesentlichen deckenden Zustände der Abschnittsteuerungsgeräte dargestellten
Zeitperiode t1–t2 treten
die folgenden Ereignisse ein: (1) Das Steuerungsgerät (n + 1)
erzeugt oder initialisiert eine Datenstruktur für die bestimmte Palette, und
(2) das Steuerungsgerät
(n) übergibt
verschiedene statische Daten von seiner die bestimmte Palette darstellenden
Datenstruktur an das Steuerungsgerät (n + 1) über den Peer-to-Peer-Kommunikationslink 92 gemäss einem
vorbestimmten Kommunikationsprotokoll. Diese Daten umfassen Informationen
wie beispielsweise den Palettenbestimmungspunkt, derzeitige Geschwindigkeit
und Beschleunigung, Länge, Anzahl
von Magneten und Offsetdaten, und Füllkurven- oder Pufferraumdaten
für Kollisionsvermeidungszwecke.
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Beim
Punkt t2 erreicht die Vorderkante des Permanentmagnetpolpaares 60 der
Palette die vordere Windung eines sich in der Zone N + 1 befindlichen
Randspulenpaares (siehe beispielsweise 5(a)).
Nach dem Auftreten dieses Ereignisses wird eine als PM_COILSTART
bezeichnete Meldung vom Steuerungsgerät (n) an das Steuerungsgerät (n + 1) übermittelt,
und das Steuerungsgerät
(n) tritt in einen „Send
Coil Control" Zustand 256.
Entsprechend empfängt
das Steuerungsgerät
(n + 1) die PM_COILSTART Meldung und tritt in einen „Receive Coil
Control" Zustand 258.
Während
der durch die sich deckenden Zustände der Abschnittsteuerungsgeräte dargestellten
Zeitperiode t2–t3 ist
das Steuerungsgerät
(n) immer noch verantwortlich zur Ausführung der Positionssteuerungsschlaufe
für die
bestimmte Palette, welche die Berechnung einer Kraftsollwertkomponente
Fi für
die bestimmte Palette und die Bestimmung ihrer Position Xi umfasst. Das Steuerungsgerät (n) verwendet
diese Daten, wie oben beschrieben, um das Randspulenpaar 75 in
der Zone N zu regulieren. Der Kraftsollwert Fi und
die Position Xi werden ebenfalls zum Steuerungsgerät (n + 1)
mit einer Geschwindigkeit von etwas 1 KHz über den Peer-to-Peer-Kommunikationslink 92 übermittelt. Das
Steuerungsgerät
(n + 1) verwendet diese Daten in seinem Kommutationssteuergerät 155 und
dem Stromkompensator 184, um Stromsollwertkomponenten I1 und I2 in der Zone
N + 1 zu erzeugen und das Randspulenpaar 75 in der Zone
N + 1 zu regulieren, um die bestimmte Palette genau servozusteuern.
Auf diese Weise sind die Steuerungsgeräte (n) und (n + 1) zur gemeinsamen
Ausführung
der Stromsteuerungsschlaufe für
die bestimmte Palette zur Regulierung der Randspulenpaare in ihren
entsprechenden Zonen synchronisiert.
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Beim
Punkt t3 erreicht die Vorderkante des reflektierenden
Streifens der bestimmten Palette, wie oben beschrieben, einen Punkt,
bei dem die Eigentumsrechte der bestimmten Palette von einem Randcodierer
in der Zone N an einen Randcodierer in der Zone N + 1 übergeben
werden sollten. Nach dem Eintritt dieses Ereignisses wird eine als EM_CHANGE_ACTIVE_ENCODER
bezeichnete Meldung durch das Steuerungsgerät (n) an das Steuerungsgerät (n + 1) übermittelt,
und das Steuerungsgerät
(n) tritt in den „Receive
Coil Control" Zustand 258.
Entsprechend empfängt
das Steuerungsgerät
(n + 1) die Meldung EM_CHANGE_ACTIVE_ENCODER und tritt in den „Send Coil
Control" Zustand 256.
Während
der durch die im Wesentlichen sich deckenden Zustände der Abschnittsteuerungsgeräte dargestellten
Zeitperiode t3–t4 ereignen
sich eine Anzahl Schritte:
- (1) Die dynamischen
oder memorybasierten Daten, die vom Steuerungsgerät (n) für die Positionssteuerungsschlaufe
der bestimmten Palette verwendet werden, werden auf das Steuerungsgerät (n + 1) übertragen.
In der bevorzugten Ausführungsform
umfasst dies (a) den Akkumulator I_term; und (b) einen Teil des
Fehlerhistorypuffers E[2 ... q] bezüglich des Satzes {ΔSi[T – 1], ΔSi[T – 2],
(ΔSi[T - q]} von Positionsfehlern zum Berechnen
des derivativen Wertes der P.I.D. Steuerungsfunktion.
- (2) Die dynamischen oder memorybasierten Daten, die vom Steuerungsgerät (n) zur
Erzeugung der Bahn der bestimmten Palette verwendet werden, werden
auf das Steuerungsgerät
(n + 1) übertragen.
In Ausführung
der bevorzugten Ausführungsform
umfasst dies up-to-date Geschwindigkeit, Beschleunigung, Position
und Zeitbasisdaten.
- (3) Das Steuerungsgerät
(n) sendet an das Steuerungsgerät
(+1) eine Meldung, die den Übergang der
Eigentumsrechte an der bestimmten Palette vom Randcodierer in der
Zone N an den Randcodierer in der Zone N + 1 auslöst. Dieser
Zustandswechsel ist auch in der 13 dargestellt,
wo beispielsweise, wenn der Randcodierer (enc = 6) im „Zone 2" Zustand 204 ist
und sich rechts in eine Übergabezone
bewegt, der Randcodierer in einen „Right Hand-off Message" Zustand 216 tritt,
in dem die zonenüberschreitende
Steuerungsgerät-Eigentumsrecht-Übertragungsmitteilung übermittelt
wird.
- (4) Sobald der Schritt (3) ausgeführt ist, wird das Steuerungsgerät (n + 1)
verantwortlich für
die Ausführung
der Positionssteuerungsschlaufe für die bestimmte Palette, umfassend
die Berechnung der Kraftsollwertkomponente F, für die bestimmte Palette und
die Bestimmung deren Position X1. Das Steuerungsgerät (n + 1)
verwendet diese Daten, wie oben beschrieben, zum Regulieren des
Grenzspulenpaares in der Zone N + 1. Nun kommuniziert das Steuerungsgerät (n + 1) den
Kraftsollwert Fi und bestimmt die Position
Xi zum Steuerungsgerät (n) mit einer Geschwindigkeit
von etwa 1 KHz über
den Peer-to-Peer-Kommunikationslink 92.
Das Steuerungsgerät
(n) verwendet nun diese Daten in seinem Kommutationssteuerungsgerät 155 und
Stromkompensator 148, um die Stromsollwertkomponenten IN und IN-1 in der
Zone N zu erzeugen und reguliert das Grenzspulenpaar in der Zone
N, um die bestimmte Palette genau servozusteuern. Auf diese Weise bleiben
das Steuerungsgerät
(n) und das Steuerungsgerät
(n + 1) synchronisiert für
die fortgesetzte gemeinsame Ausführung
der Stromsteuerungsschlaufe für
die bestimmte Palette.
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Beim
Punkt t4 passiert die Hinterkante des Permanentpolpaares 60 der
Palette die letzte Windung der sich in der Zone N befindlichen Grenzspule. Nach
dem Eintreten dieses Ereig nisses wird eine mit PM_COILSTOP bezeichnete
Meldung vom Steuerungsgerät
(n + 1) an das Steuerungsgerät
(n) übermittelt,
wobei das Steuerungsgerät
(n) in den „Pallet Ready" Zustand 26 eintritt.
Sobald dieser Punkt erreicht ist, werden die Positionssteuerungsschlaufen-Sollwertdaten
nicht mehr vom Steuerungsgerät (n
+ 1) an das Steuerungsgerät
(n) übermittelt.
Eine Regulierung der Grenzspule in der Zone N ist nicht länger erforderlich.
Beim Punkt t5 tritt das Steuerungsgerät (n + 1) in den „Solo Pallet" Gleichgewichtszustand,
wobei eine mit PM_DESTROY bezeichnete Meldung an das Steuerungsgerät (n) gesendet
wird, um seine Datenstruktur für
die bestimmte Palette zu beenden.
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Beim
bevorzugten Verfahren unterscheidet sich der Punkt, bei dem irgendeiner
der oben beschriebenen Abschnittsteuerungsgerätzustände eintrifft, in Abhängigkeit
von der Richtung, in die sich die bestimmte Palette bewegt. Dies
bewirkt einen Hystereseeffekt, ähnlich
dem oben beschriebenen, zur Erzielung eines stabileren Steuerungssystems
durch Verhinderung der ineffizienten Oszillation zwischen Zuständen, wenn
eine Palette zwei Schienenabschnitte übergreift und veranlasst wird,
sich verhältnismässig kurze
Distanzen vor und zurück
zu bewegen.
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Das
vorstehende Verfahren wurde an einem Rand zwischen Schieneneinheiten
beschrieben. Ein gleiches Verfahren kann simultan an den entgegen gesetzten
Rändern
zwischen Schieneneinheiten eintreten, wenn eine Palette sich darüber bewegt.
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Für den Fachmann
ist es verständlich,
dass, während
die bevorzugte Ausführungsform
ein Positionsfehlerminimierungssignal wie z. B. F1 zwischen benachbarten
Abschnittsteuerungsgeräten
passiert, wenn eine Palette die Steuerungszonen überquert, an seiner Stelle
eine alternative Ausführungsform
die Stromsollwerte für
das Spulenpaar in einer benachbarten Steuerungszone, die von einer überquerenden
Palette überspannt
wird, berechnet, und diese Daten an das benachbarte Abschnittsteuerungsgerät übergibt.
Die Stromsollwertsignale stehen in einem linearen Zusammenhang mit
dem Positionsfehlerminimierungs-Sollwert oder -Signal, und beide
Signaltypen können
als Fälle
von Spulenregulierungssignalen angesehen werden. Der Vorteil der
bevorzugten Ausführungsform
ist der, dass weniger Information über den relativ langsamen (verglichen
mit der Verarbeitungsgeschwindigkeit des DSP 105) seriellen Kommunikationslink 92 gehen
muss.
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Die
Vorrichtung zum Feststellen der Position eines sich bewegenden Elementes
gemäss
vorliegender Erfindung einschliesslich des bevorzugten Fördersystems 20 schafft
eine Anzahl von Vorteilen gegenüber
dem hier offenbarten Stand der Technik. Beispielsweise führt die
elektromagnetische Struktur des Fördersystems zu verhältnismässig weichen Schuberzeugungsfähigkeiten,
und die Fördergeschwindigkeit
ist gegenüber
typischen Bandfördersystemen
stark verbessert. Beispielsweise erreichten bei einem von den Anmeldern
entwickelten Prototypsystem die Paletten eine 2g Beschleunigung
und eine Gleichgewichtsgeschwindigkeit von 2 m/s. Zusätzlich ermöglicht das
Palettenpositionsfeststellungssubsystem, die absolute Position jeder
Palette mit hoher Auflösung
jederzeit und irgendwo entlang der Schiene zu bestimmen, was eine
präzise
Positionierung der Paletten an jeden beliebigen Punkt entlang der
Schiene ermöglicht.
Weiter ermöglicht
das bevorzugt verteilte Steuerungssystem, jede Palette individuell
und separat zu steuern und mit den Fabrikationsprozess-Steuerungsgeräten zu verbinden. Schlussendlich
ermöglichen
diese Elemente in Kombination mit der physischen Struktur des Fördersystems
eine Konstruktion aus einzelnen in sich geschlossenen modularen
Schienenabschnitten mit wenig praktischen Beschränkungen bezüglich der Länge des Fördersystems oder der Anzahl
der von diesen gesteuerten Paletten.