DE10010962A1 - Differential stepper motor unit has two stepper motors that operate in opposition for fine steps and together for maximum speed, achieving a significant increase in dynamic range - Google Patents

Differential stepper motor unit has two stepper motors that operate in opposition for fine steps and together for maximum speed, achieving a significant increase in dynamic range

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    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K37/24—Structural association with auxiliary mechanical devices

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)

Abstract

The unit consists of two stepper motors with different full step numbers, a rotary bearing for a motor with a suitable number of slip contacts for power supply, a rotationally rigid coupling between the motors, a fixed holder for the motor housing and a stepper motor controller for both motors. The motors operate in opposition for fine steps and together for maximum speed. The unit consists of two stepper motors (1,2) with different full step numbers, a rotary bearing for a motor with a suitable number of slip contacts for power supply, a rotationally rigid coupling between the motors, a fixed holder for the motor housing and a stepper motor controller for both motors. The drive shaft of one motor forms the drive shaft for the entire differential stepper motor unit. The motor housing, which is rotatable relative to the surroundings, has a rotationally fixed coupling to the drive shaft of the second motor, which is attached to the surroundings by its housing. The motors operate in opposition for fine steps and together for maximum speed.

Description

1. Stand der Technik1. State of the art

Schrittmotoren sind sehr wichtige Komponenten in der modernen Antriebs- und Automatisierungs­ technik. Es gibt sie als linear oder rotatorisch wirkende Antriebsmotoren in einer breiten Palette verschiedener Baureihen und Typen.Stepper motors are very important components in modern drive and automation technology. They are available in a wide range as linear or rotary drive motors different series and types.

Bei der Auswahl des jeweils richtigen Schrittmotors sind im wesentlichen 3 Kriterien von Bedeutung:
When choosing the right stepper motor, three main criteria are important:

  • 1. die Maximalgeschwindigkeit bzw. die Maximalleistung1. the maximum speed or the maximum power
  • 2. das maximale Haltemoment und2. the maximum holding torque and
  • 3. der kleinste auflösbare Schritt3. the smallest resolvable step

Die elektronische Ansteuerung eines Schrittmotors spielt für den einwandfeien Betrieb desselben eine wichtige Rolle. Hierbei sind angepasste Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen sowie die Interpolation zur Erzeugung von Mikroschritten entscheidend.The electronic control of a stepper motor plays one for the perfect operation of the same important role. Here are adapted acceleration and deceleration ramps as well as the Interpolation is crucial for the generation of microsteps.

Desweiteren ist beim Einsatz von Schrittmotoren zu beachten, dass das zur Verfügung stehende Beschleunigungsmoment stark von der Ansteuerfrequenz abhängt. Wird dieser Aspekt nicht berücksichtigt, so treten Schrittverluste auf, die in der Regel unerwünscht sind.Furthermore, when using stepper motors, it should be noted that this is available Acceleration torque strongly depends on the control frequency. That aspect won't are taken into account, step losses occur which are usually undesirable.

Insbesondere im Mikroschrittbetrieb lassen sich präzise Positionierung erreichen, die heute bei Standard-Scanningtischen um 1 µm und bei Präzisions-Scanningtischen in der Größenordnung 0,1 µm und wenig darunter liegen. Werden noch höhere Positioniergenauigkeiten benötigt (nm-Bereich), so müssen entsprechende Zwischengetriebe, die starke Untersetzungen aufweisen, eingesetzt werden, weil hierbei selbst der Mikroschrittbetrieb nicht mehr ausreicht. Dabei ist im wesentlichen die zu geringe Antriebssteifigkeit des Schrittmotors im Mikroschrittbetrieb die Ursache für das Versagen.Precise positioning can be achieved, particularly in micro-stepping mode, which today Standard scanning tables around 1 µm and precision scanning tables around 0.1 µm and lie a little below. If even higher positioning accuracies are required (nm range), Corresponding intermediate gears with strong reduction ratios must be used because even microstep operation is no longer sufficient. This is essentially the too low drive stiffness of the stepper motor in micro-stepping mode is the cause of the failure.

Durch den Einsatz hoch untersetzender Getriebe - wie beispielsweise ein Harmonic Drive Getriebe - zur Verbesserung der Positioniergenauigkeiten und der damit einhergehenden Verbesserung der Antriebssteifigkeit birgt natürlich den Nachteil, dass dabei die Maximalgeschwindigkeit der gesamten Antriebsanordnung stark verringert wird. D. h., dass hohe Positioniergenauigkeiten nur zu Lasten der Maximalgeschwindigkeiten erreicht werden kann.By using high reduction gears - such as a harmonic drive gear - to improve the positioning accuracy and the associated improvement of the Drive stiffness naturally has the disadvantage that the maximum speed of the entire Drive arrangement is greatly reduced. This means that high positioning accuracy is only at the expense of Maximum speeds can be reached.

Soll der Antrieb jedoch vorrangig schnell sein, so ist dies im Umkehrschluss zu den o. g. Ausführungen nur mit eingeschränkter Positioniergenauigkeit möglich. Der "natürliche, physikalisch begrenzte" Dynamikbereich des jeweiligen Schrittmotors muss somit entsprechend der Anforderungen sinnvoll aufgeteilt werden.However, if the drive is primarily to be fast, this is the opposite of the above. Versions only possible with limited positioning accuracy. The "natural, physical limited "dynamic range of the respective stepper motor must therefore correspond to the Requirements are divided up sensibly.

Die derzeitigen Trends der Antriebstechnik gehen in zwei Richtungen: schneller und feiner. Hierfür sind grundsätzlich neue Ansätze für Antriebskomponenten notwendig, weil die heute verfügbaren Schrittmotoren mit Ansteuerungen diese stetig zunehmenden Anforderungen irgendwann nicht mehr erfüllen können.The current trends in drive technology go in two directions: faster and finer. In principle, new approaches for drive components are necessary for this because they are today available stepper motors with controls these ever increasing requirements at some point can no longer meet.

Es wird also ein neues Antriebskonzept benötigt, welches den "natürlichen" Dynamikbereich wesentlich vergrößert und dabei ausreichende Antriebsteifigkeiten besitzt.So a new drive concept is needed which covers the "natural" dynamic range significantly enlarged and has sufficient drive stiffness.

2. Aufgabe der Erfindung2. Object of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, einen Antrieb zu schaffen, dessen "natürlicher, physikalisch begrenzter" Dynamikbereich wesentlich größer ist, als bei heutigen Antriebssystemen. Auf diese Weise lassen sich insbesondere hochgenau positionierende Antriebe ohne Getriebe realisieren, ohne dabei Maximalgeschwindigkeit zu verlieren. Vielmehr lässt sich die Maximalgeschwindigkeit noch steigern.The invention is based on the task of creating a drive whose "natural, physically limited "dynamic range is much larger than in today's drive systems. In this way, drives can be positioned with high precision without a gear realize without losing maximum speed. Rather, the Increase the maximum speed even more.

Als ergänzende Aufgabenstellung lag zugrunde, den Antrieb so zu gestalten, dass sehr kleine Positionierschritte auch stromlos (d. h., im Vollschrittbetrieb) gehalten werden können.The additional task was to design the drive so that it was very small Positioning steps can also be kept currentless (i.e., in full step mode).

3. Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe3. Solution of the task according to the invention

Die erfindungsmäßige Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwei Schrittmotoren kinematisch "in Reihe" geschaltet werden, derart, dass der erste Motor die eigentliche Antriebsspindel (z. B. Kugelumlaufspindel) mit seinem Rotor antreibt, und dass der zweite Motor mit seinem Rotor an das Gehäuse (den Stator) des ersten Motors gekoppelt ist und diesen wiederum antreibt. Das Gehäuse (der Stator) des ersten Motors muss dabei drehbar gelagert sein. Um den Motor 1 von außen elektronisch ansteuern zu können, müssen die elektrischen Verbindungen von außen zum drehbaren Stator mit Hilfe von Schleifkontakten realisiert werden. Das Gehäuse des Motors 2 ist fest mit der Umgebung verbunden und wird ebenfalls elektronisch angesteuert. Der gesamte Aufbau ist aus Bild 1 ersichtlich.The object according to the invention is achieved in that two stepper motors are connected kinematically "in series" in such a way that the first motor drives the actual drive spindle (eg ball screw) with its rotor, and that the second motor with its rotor on the housing (the stator) of the first motor is coupled and in turn drives it. The housing (the stator) of the first motor must be rotatably mounted. In order to be able to electronically control the motor 1 from the outside, the electrical connections from the outside to the rotatable stator must be implemented with the aid of sliding contacts. The housing of the motor 2 is firmly connected to the environment and is also controlled electronically. The entire structure can be seen in Figure 1.

Die jeweilige Anzahl der Vollschritte der beiden Schrittmotoren ist nun entscheident für die Lösung der erfindungsmäßigen Aufgabenstellung. Ist beispielsweise der Motor 1 so realisiert, dass er 50 Vollschritte je Umdrehung aufweist, so muss der Motor 2 eine dazu unterschiedliche Anzahl von Vollschritten je Umdrehung besitzen, z. B. 51 Vollschritte. Die kleinsten Vollschrittauflösungen der Einzelmotoren betragen somit 1/50 Umdrehung bzw. 1/51 Umdrehung. Steuert man die beiden Motoren nun so an, dass Motor 1 einen Vollschritt im Uhrzeigersinn ausführt und Motor 2 einen Vollschritt im Gegenuhrzeigersinn vollführt, so ergibt sich eine resultierende Drehbewegung von 1/50- 1/51 Umdrehung; also 1/2550 Umdrehung. Auf diese Weise kann die kleinste Vollschrittauflösung um den Faktor 50 gesteigert werden.The respective number of full steps of the two stepper motors is now decisive for solving the task according to the invention. If, for example, the motor 1 is realized in such a way that it has 50 full steps per revolution, the motor 2 must have a different number of full steps per revolution, e.g. B. 51 full steps. The smallest full-step resolutions of the individual motors are therefore 1/50 revolution or 1/51 revolution. If you now control the two motors so that motor 1 executes a full step clockwise and motor 2 executes a full step counterclockwise, the result is a rotary movement of 1 / 50-1 / 51 revolutions; so 1/2550 revolution. In this way, the smallest full-step resolution can be increased by a factor of 50.

Verwendet man andere Vollschrittpaarungen - beispielsweise 100 und 101 -, so lässt sich die kleinste Vollschrittauflösung 100-fach steigern. Dieses gelingt ohne zusätzliches Getriebe. Wählt man die Vollschrittpaarungen z. B. 60 und 70, so ergibt sich eine entsprechend höhere Auflösung von 1/60-1/70 = 1/420 Umdrehung (hier Faktor 7 zu Motor 1). Generell sind also beliebige Vollschrittzahlen kombinierbar. Den größten Auflösungseffekt erreicht man jedoch - wie bereits vorher erwähnt -, wenn die Vollschrittanzahlen sich nur um 1 unterscheiden und die Anzahl der Vollschritte an sich bereits hoch ist (100, 300 . . . .).If you use other full step pairings - for example 100 and 101 - the smallest full step resolution can be increased 100 times. This works without an additional gear. If you choose the full step pairings z. B. 60 and 70, there is a correspondingly higher resolution of 1 / 60-1 / 70 = 1/420 rotation (here factor 7 for motor 1 ). In general, any number of full steps can be combined. However, the greatest resolution effect can be achieved - as already mentioned before - if the number of full steps differs only by 1 and the number of full steps is already high (100, 300 ...).

Steuert man nun beide Motoren in die gleiche Richtung an, so lässt sich die Maximalgeschwindigkeit annähernd verdoppeln. Voraussetzung ist hierbei jedoch, dass das drehende Gehäuse des Motors 1 mit Aufnahme entsprechend gut ausgewuchtet ist.If you now control both motors in the same direction, the maximum speed can be almost doubled. However, the prerequisite here is that the rotating housing of the motor 1 is correspondingly well balanced with the receptacle.

Die erfindungsmäßige Aufgabenlösung bietet zusammengefasst folgende Vorteile:
The task solution according to the invention offers the following advantages:

  • 1. große Steigerung der Vollschrittauflösung je nach Anzahl der verwendeten Vollschritte der Motoren (50-, 100-, 300-fach . . . .) ohne zusätzliches Getriebe!!1. Big increase in full step resolution depending on the number of full steps used Motors (50, 100, 300 times...) Without additional gear !!
  • 2. die relativ hohen Auflösungen sind bereits bei einfachster Vollschrittansteuerung möglich.2. The relatively high resolutions are already possible with the simplest full step control.
  • 3. im Vollschrittbetrieb bleiben die kleinsten Auflösungen auch ohne Haltestrom bestehen.3. In full step mode, the smallest resolutions remain even without a holding current.
  • 4. die Maximaldrehzahl lässt sich bei entsprechend guter Auswuchtung des ersten Motors annähernd verdoppeln.4. The maximum speed can be balanced if the first motor is properly balanced almost double.
  • 5. insbesondere die Vorteile 1 und 4 erhöhen den "natürlichen, physikalisch begrenzten" Dynamikbereich des gesamten Antriebs wesentlich. 5. In particular, advantages 1 and 4 significantly increase the "natural, physically limited" dynamic range of the entire drive.
  • 6. hohe elektronische Interpolationen für Mikroschrittbetrieb sind vielfach nicht mehr notwendig.6. High electronic interpolations for microstep operation are often no longer necessary.
  • 7. bei Präzisionsantrieben entstehen praktisch keine thermischen Störungen infolge Haltestromverlusten.7. With precision drives there are practically no thermal disturbances as a result Loss of holding current.
  • 8. große Aufweitung des Dynamikbereichs ohne zusätzliches Getriebe.8. Large expansion of the dynamic range without additional gear.
  • 9. durch den Vollschrittbetrieb ist eine ausreichende Antriebssteifigkeit vorhanden.9. Due to the full step operation there is sufficient drive rigidity.

Nachteilig ist zu sehen, dass der Motor 1 komplett drehend gelagert und gut ausgewuchtet werden muss und dass Schleifkontakte zur elektronischen Ansteuerung notwendig sind.It is disadvantageous to see that the motor 1 must be mounted so that it rotates completely and must be well balanced and that sliding contacts are necessary for electronic control.

Führt man den erfindungsmäßigen Lösungsgedanken weiter, so lässt sich beispielsweise ein dritter (oder auch vierter) Motor kinematisch "in Reihe" ankoppeln, so dass noch gößere Effekte möglich sind.If one continues the inventive idea of the solution, a third can be done, for example (or also fourth) coupling the motor kinematically "in series", so that even greater effects are possible are.

Der ausgeführte Lösungsgedanke ist natürlich auch mit sogn. Servoantrieben mit Inkrementalgebern möglich. Hierbei müssen die Inkrementalgeber geringfügige Schrittzahlenunterschiede aufweisen.The proposed solution is of course also with sogn. Servo drives with incremental encoders possible. The incremental encoders must show slight differences in the number of steps.

Claims (4)

1. Differential-Schrittmotor-Einheit bestehend aus zwei Schrittmotoren mit den Vollschrittanzahlen N1 und N2, einer Drehlagerung zur Gehäuseaufnahme des Motors 1 mit entsprechender Anzahl von elektrischen Schleifkontakten zur dessen Stromversorgung, einer drehstarren Kupplung zwischen dem Motor 1 und Motor 2 sowie einer festen Aufnahme des Gehäuses des Motors 2 und einer Schrittmotoransteuerung für die beiden Motoren dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle des Motors 1 die Abtriebswelle der gesamten Differential-Schrittmotor-Einheit darstellt, dass die zur Umgebung drehbar gelagerte Aufnahme für das Gehäuse des Motors 1 mit einer drehstarren Kupplung an die Abtriebswelle des Motors 2 gekoppelt ist, der Motor 2 mit seinem Gehäuse fest mit der Umgebung verbunden ist, beide Schrittmotoren mit einer Steuerelektronik mit zwei Endstufen angesteuert werden, wobei die Stromversorgung des Motors 1 mittels elektrischer Schleifkontakte geschieht und die Vollschrittanzahlen N1 und N2 der beiden Schrittmotoren verschieden sind und beide Motoren zur Erzeugung feinster Vollschritte an der Abtriebswelle der gesamten Einheit gegenläufig und zur Erzeugung der maximalen Geschwindigkeit der Abtriebswelle gleichläufig angesteuert werden müssen wodurch der "natürliche, physikalisch begrenzte" Dynamikbereich der Differential-Schrittmotor-Einheit im Vergleich zum Dynamikbereich der Einzelmotoren wesentlich vergößert wird.1.Differential stepper motor unit consisting of two stepper motors with the full step numbers N1 and N2, a rotary bearing for housing the motor 1 with a corresponding number of electrical sliding contacts for its power supply, a torsionally rigid coupling between the motor 1 and motor 2 and a fixed mounting of the Housing of the motor 2 and a stepper motor control for the two motors, characterized in that the output shaft of the motor 1 represents the output shaft of the entire differential stepper motor unit, that the receptacle rotatably mounted to the environment for the housing of the motor 1 with a torsionally rigid coupling to the Output shaft of the motor 2 is coupled, the motor 2 with its housing is firmly connected to the environment, both stepper motors are controlled by control electronics with two output stages, the power supply to the motor 1 being effected by means of electrical sliding contacts and the full step numbers N1 and N2 of the two stepper motors are different and both motors have to be driven in opposite directions in order to generate the finest full steps on the output shaft of the entire unit and in order to generate the maximum speed of the output shaft, which means that the "natural, physically limited" dynamic range of the differential stepper motor unit compared to the dynamic range the individual motors is significantly enlarged. 2. Differential-Schrittmotor-Einheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz der Vollschrittanzahlen der beiden Schrittmotoren N2 - N1 ≧ 1 ist.2. Differential stepper motor unit according to claim 1 characterized in that is the amount of the difference between the full step numbers of the two stepper motors N2 - N1 ≧ 1. 3. Differential-Schrittmotor-Einheit nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittmotoren durch Servomotoren mit Inkrementalgebern der Vollteilungsschritte N1 und N2 mit entsprechender Ansteuerelektronik ersetzt werden. 3. Differential stepper motor unit according to claim 1 and 2 characterized in that the stepper motors with servomotors with incremental encoders of full division steps N1 and N2 appropriate control electronics are replaced.   4. Differential-Schrittmotor-Einheit nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Motoren kinematisch "in Reihe" geschaltet werden können, wobei jeder zusätzliche "Zwischenmotor" eine Gehäuse-Drehlagerung mit entsprechenden Schleifkontaktanordnungen aufweisen muss.4. Differential stepper motor unit according to claim 1 to 3, characterized in that more than two motors can be connected kinematically "in series", each additional "Intermediate motor" is a rotary housing with corresponding sliding contact arrangements must have.
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