DE102010054603B4 - Electro-mechanical angular position control device - Google Patents
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Abstract
Elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung für lagestabilisierte Kameraplattformen bei der luftgestützten Bodenbeobachtung, mit einem Stator (2) und Rotor (3) aufweisenden Schrittmotor (4), einem mit dem Schrittmotor (4) verbundenen Winkelsensor (5) und einer mit dem Winkelsensor (5) verbundenen digitalen Stellelektronik (6), die den Schrittmotor (4) in Abhängigkeit des Signals des Winkelsensors (5) ansteuert, wobei der Stator (2) des Schrittmotors (4) einen weichmagnetischen Glattring (14) zum Führen des magnetischen Flusses und am weichmagnetischen Glattring (14) eine Ringkette (22) von Feldspulen (13) mit axialer Leiterrichtung im Luftspalt (23) zwischen Stator (2) und Rotor (3) aufweist.Electro-mechanical angular position control device for position-stabilized camera platforms in airborne ground observation, comprising a stepper motor (4) having a stator (2) and rotor (3), an angle sensor (5) connected to the stepper motor (4) and an angle sensor (5) ) connected digital control electronics (6) which controls the stepping motor (4) in response to the signal of the angle sensor (5), wherein the stator (2) of the stepping motor (4) has a soft magnetic smooth ring (14) for guiding the magnetic flux and the soft magnetic Glattring (14) has a ring chain (22) of field coils (13) with axial conductor direction in the air gap (23) between the stator (2) and the rotor (3).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung insbesondere für lagestabilisierte Kameraplattformen bei der luftgestützten Bodenbeobachtung.The invention relates to an electro-mechanical angular position control device, in particular for position-stabilized camera platforms in airborne ground observation.
Derartige Kameraplattformen sind üblicherweise um mindestens zwei räumliche Drehachsen stabilisiert. Jede dieser Drehachsen wird mit Hilfe einer Regelvorrichtung stabilisiert, indem Winkelpositionssensoren und/oder Winkelgeschwindigkeitssensoren die Ist-Bewegung gegenüber dem inertialen Raum bzw. gegenüber einem Trägerflugzeug ermitteln, ein elektronischer Lageregler die Ist-Bewegung (Regelgröße) mit der vorgegebenen Soll-Bewegung (Führungsgröße) vergleicht und daraus Stellbefehle (Stellgröße) für einen elektromagnetischen Stellantrieb bestimmt, die dieser Stellantrieb daraufhin ausführt. Dadurch ist es möglich, die Kameraplattform lagestabil zu halten.Such camera platforms are usually stabilized by at least two spatial axes of rotation. Each of these axes of rotation is stabilized by means of a control device by angular position sensors and / or angular velocity sensors determine the actual movement relative to the inertial space or against a carrier aircraft, an electronic position controller the actual movement (controlled variable) with the predetermined target movement (command variable) compares and determines therefrom Stellbefehle (manipulated variable) for an electromagnetic actuator, which then performs this actuator. This makes it possible to keep the camera platform stable.
Als Stell- bzw. Drehantriebe dienen üblicherweise Gleichstrommotoren mit Getriebeuntersetzung oder Schrittmotore, wobei letztere meist im getriebefreien Direktantrieb zum Einsatz kommen.As a servo or rotary drives are usually used DC motors with gear reduction or stepper motors, the latter usually come in gearless direct drive used.
Nachteilig ist bei beiden üblichen Antriebsformen im Einsatz für lagestabilisierte Kameraplattformen, dass im stromlosen Zustand unvermeidlich starke Ruhemomente vorliegen. Im Fall des vorgenannten Gleichstrommotors handelt es sich dabei um das Haltemoment des Getriebes, im Fall des vorgenannten Schrittmotors um die bauartbedingte Polrastung zwischen Stator und Rotor. Diese Ruhemomente haben zur Folge, dass die entsprechenden Antriebe ständig mit hoher Genauigkeit aktiv betrieben werden müssen, da ansonsten die Ruhemomente die Lage der Kameraplattform sofort verändern würden.A disadvantage of both conventional drive forms in use for position-stabilized camera platforms that unavoidable strong idle moments are present in the de-energized state. In the case of the aforementioned DC motor, this is the holding torque of the transmission, in the case of the aforementioned stepping motor to the design-related Polastastung between the stator and rotor. These quiescent moments mean that the corresponding drives must always be actively operated with high accuracy, since otherwise the idle moments would change the position of the camera platform immediately.
Eine andere technische Möglichkeit zur Ausbildung derartiger Antriebe besteht darin, für diesen Einsatzfall geeignete, ruhemomenten-freie Wechselstrom-Drehmelder einzusetzen. Diese werden üblicherweise getriebefrei genutzt. Sie sind als Drehmomenten-Ausführungen verfügbar. Diese Drehmelder haben zwar meist eine dreiphasige Polstruktur; jedoch treten durch die Verwendung ausschließlich weichmagnetischer Materialien keine Polrastmomente auf. Die einzigen Ruhemomente sind Reibungsmomente der Achsenlager, welche meist als Miniatur-Kugellager ausgebildet sind, und der als Federdrähte ausgeführten Kontaktbürsten des Rotors.Another technical possibility for the formation of such drives is to use suitable, quiet torque-free AC resolver for this application. These are usually used without gears. They are available as torque versions. Although these resolvers usually have a three-phase pole structure; However, no Polrastmomente occur through the use of exclusively soft magnetic materials. The only moments of rest are frictional moments of the axle bearings, which are usually designed as a miniature ball bearings, and designed as spring wires contact brushes of the rotor.
Nachteilig ist dabei, dass Drehmelder hochpräzise und damit kostenaufwändige analoge Bauteile sind, die ferner nur mittels aufwändiger Signalkonverter an digitale Datenverarbeitungsprozesse angepasst werden können. Aus diesem Grund werden Drehmelder heute praktisch nicht mehr verwendet.A disadvantage is that resolvers are highly accurate and therefore costly analog components that can be further adapted only by means of complex signal converter to digital data processing processes. For this reason, resolvers are practically no longer used today.
Eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung für Kameraplattformen bei der luftgestützten Bodenbeobachtung ist beispielsweise aus
Aus der
Diese Oszillation muß vor der Messung der Regelabweichung abgeklungen sein, was gemäß dieser Schrift durch Wartezeiten in den algorithmischen Abläufen realisiert wird. Das Beispiel dieser Schrift zeigt einen Lichtkreuzprojektor für die Anzeige des Standortes in einer topographischen Karte. Zur Vermeidung von Schrittverlusten wird der Schrittmotor üblicherweise für die in dieser Schrift genannte Aufgabe stets bestromt gehalten. Ein Betriebszustand ohne Bestromung und noch dazu mit fehlendem Rastmoment ist hier nicht wünschenswert, weil dann Störmomente leicht zu Bewegungen des Schrittmoments führen können, die nicht aufgeschalteten Impulsen entsprechen.This oscillation must have subsided before the measurement of the control deviation, which is realized according to this document by waiting times in the algorithmic sequences. The example of this font shows a cross-over projector for displaying the location in a topographic map. To avoid step losses, the stepper motor is usually kept energized for the task mentioned in this document usually. An operating state without current supply and, moreover, with missing cogging torque is not desirable here, because then disturbance torques can easily lead to movements of the stepping moment which correspond to non-activated pulses.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche wirtschaftlicher betreibbar ist und bei der insbesondere die Regelung der Lagestabilisierung vereinfacht ist.The invention has for its object to provide an electro-mechanical angular position control device of the type mentioned above, which is more economical to operate and in particular the control of the position stabilization is simplified.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved by an electro-mechanical angular position control device with the features of claim 1. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.
Die elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung hat einen Stator und Rotor aufweisenden Schrittmotor, einen mit dem Schrittmotor verbundenen Winkelsensor und eine mit dem Winkelsensor verbundene digitale Stellelektronik, die den Schrittmotor in Abhängigkeit des Signals des Winkelsensors ansteuert. Der Stator des Schrittmotors ist derart ausgebildet, dass er einen weichmagnetischen Glattring zum Führen des magnetischen Flusses aufweist. Ein solcher Schrittmotor hat den beträchtlichen Vorteil, dass er im stromlosen Zustand keine Ruhemomente ausübt und sich in einfacher Weise in digitale Regelsysteme integrieren lässt. Insofern kommt anstatt des bei Schrittmotoren üblichen Polkammes des Stators erfindungsgemäß am Stator ein weichmagnetischer Glattring zum Einsatz. Dieser weist im Unterschied zu einem üblicherweise verwendeten Polkamm keine Polrastung auf. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass bei der erfindungsgemäßen Winkelpositions-Regelvorrichtung das inertiale, durch ihr Trägheitsmoment gegebene Lagebeharrungsvermögen der Kameraplattform für die Lagestabilisierung nutzbar ist. Dadurch lässt sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die passiv-inertiale Lagestabilisierung der Kameraplattform physikalisch nutzen. Das unter Verzicht auf den Polkamm sich einstellende verminderte Drehmoment stellt für die Lagestabilisierung von Kameraplattformen kein Problem dar, da dafür ohnehin nur geringe Drehmomente aufzubringen sind. Insofern ist die von der Regelvorrichtung durchzuführende Regelung sehr viel einfacher und wirtschaftlicher durchführbar. Die Massenträgheit der Kameraplattform lässt sich damit für deren Lagestabilisierung nutzen. Gemäß der Erfindung weist der Stator des Schrittmotors am weichmagnetischen Glattring eine Ringkette von Feldspulen mit axialer Leiterrichtung im Luftspalt zwischen Stator und Rotor auf. Dadurch lässt sich das Drehmoment in Richtung und Betrag gemäß digitaler Stufung quasi stetig einstellen, wodurch die Regelung verfeinert und dadurch verbessert werden kann.The electro-mechanical angular position control device has a stator and rotor stepper motor, an angle sensor connected to the stepper motor, and a digital positioner connected to the angle sensor that drives the stepper motor in response to the signal from the angle sensor. The stator of the stepping motor is formed to have a soft-magnetic smooth ring for guiding the magnetic flux. Such a stepper motor has the considerable advantage that it does not exert any idle moments when de-energized and can be easily integrated into digital control systems. In this respect, according to the invention, a soft-magnetic smooth ring is used instead of the pole comb of the stator, which is customary in stepper motors, on the stator. This has in contrast to a commonly used Polkamm on no Polastron. This results in the particular advantage that in the angular position control device according to the invention the inertial, given by its moment of inertia Lagebeharrungsvermögen the camera platform for the position stabilization is available. As a result, the passive-inertial position stabilization of the camera platform can be used physically in the device according to the invention. The reduction in torque, which eliminates the pole comb, does not pose a problem for the position stabilization of camera platforms since only small torques are required for this in any case. In this respect, the regulation to be carried out by the regulating device is much simpler and more economical to carry out. The inertia of the camera platform can thus be used for their position stabilization. According to the invention, the stator of the stepping motor on the soft-magnetic smooth ring on a ring chain of field coils with axial conductor direction in the air gap between the stator and the rotor. As a result, the torque in the direction and magnitude according to digital grading can be set quasi-steadily, whereby the control can be refined and thereby improved.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Schrittmotor ein Flach-Drehantrieb und als Innenläufer oder als Außenläufer, vorzugsweise als zweiphasiger Außenläufer, ausgebildet. Ein solcher Schrittmotor benötigt nur wenig Platz und weist nur ein geringes Gewicht auf, so dass dadurch der wirtschaftliche Einsatz der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung weiter verbessert werden kann.According to an advantageous development, the stepper motor is a flat rotary drive and designed as an internal rotor or as an external rotor, preferably as a two-phase external rotor. Such a stepper motor requires only little space and has only a low weight, so that thereby the economic use of the control device according to the invention can be further improved.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Winkelsensor ein digitaler Winkelkodierer, welcher vorzugsweise als optischer oder magnetischer Winkelkodierer derart in den Schrittmotor integriert ist, dass am Rotor eine optische oder magnetische Kodierscheibe und am Stator auslesende Lichtschranken oder Magnetfeldsensoren vorgesehen sind. Dadurch entsteht eine äußerst kompakte Regelvorrichtung, welche nur einen geringen Platzbedarf hat. Auch diese Weiterbildung trägt damit zur Verbesserung des wirtschaftlichen Einsatzes der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung bei.According to another embodiment of the invention, the angle sensor is a digital angle encoder, which is preferably integrated as an optical or magnetic angle encoder in the stepper motor, that on the rotor, an optical or magnetic encoder disc and read out on the stator photocells or magnetic field sensors are provided. This creates an extremely compact control device, which has only a small footprint. This development also contributes to the improvement of the economic use of the control device according to the invention.
Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung bilden. Es zeigen:Embodiments of the subject invention are explained in more detail with reference to the drawing, wherein all described and / or illustrated features alone or in any combination form the subject matter of the present invention, regardless of their combination in the claims or their dependency. Show it:
In
Die Regelvorrichtung
Der Aufbau des Schrittmotors
Der Stator
Mit dem zylindrischen Innenumfang
Der Schrittmotor
Der Stator
Der Winkelsensor
Radial an den Stator
Der Stator
Die fett schraffierten Elemente
Es ist klar, dass der gesamte Außenumfang des Glattrings
Wie zuvor erwähnt, ist der Schrittmotor
Insofern ist ein Schrittmotor mit einem ringartigen, permanentmagnetischen Rotor vorgesehen, der durch Stromumschaltungen in den Feldspulen
Es ist klar, dass bei einer Ausbildung des Schrittmotors als sogenannter Innenläufer der Stator radial außen angeordnet ist und dass bei einer Ausbildung des Schrittmotors als sogenannter Außenläufer der Stator radial innen angeordnet ist.It is clear that in a design of the stepping motor as a so-called internal rotor, the stator is arranged radially outside and that in a design of the stepping motor as a so-called external rotor of the stator is arranged radially inward.
Es ist auch möglich, Stator und Rotor axial in Reihe anzuordnen. Aufgrund der bei derartiger Anordnung axial wirkenden großen und konstruktiv (insbesondere in Lagern) aufzufangenden magnetischen Anziehungskräfte zwischen Stator und Rotor kann ein solcher Aufbau in Ausnahmefällen Vorteile aufweisen. In aller Regel ist die hier beschriebene und dargestellte radiale Anordnung vorteilhaft, da sich bei dieser die Anziehungskräfte zwischen den Feldspulen und den Permanentmagneten über den Umfang aufheben und ansonsten nur als materialinterne Zugspannungen wirken.It is also possible to arrange stator and rotor axially in series. Due to the large and structurally (especially in bearings) magnetic attraction forces between the stator and the rotor, which are effective axially in such an arrangement, such a construction can have advantages in exceptional cases. As a rule, the radial arrangement described and illustrated here is advantageous, since in this case the forces of attraction between the field coils and the permanent magnets cancel out over the circumference and otherwise act only as material-internal tensile stresses.
Der Winkelsensor
Die Regelvorrichtung ist so aufgebaut, dass die digitale Stellelektronik die Signale des Winkelkodierers und gegebenenfalls weitere Lagesignale zum Beispiel aus der Lagesensorik des Trägerflugzeuges mit der vorgegebenen Führungsgröße (siehe Führungssignal
Der Drehantrieb kann auch als einfacher Schrittmotor ohne Stellungs- oder Winkelgeschwindigkeitsrückmeldung betrieben werden, indem die Feldspulenströme ”blind” nach einem festen Zeitablaufprogramm gesteuert werden.The rotary actuator can also be operated as a simple stepper motor without position or angular velocity feedback by the field coil currents are controlled "blind" to a fixed timing program.
Der als Schrittmotor ausgebildete Drehantrieb wird als Drehmomentengeber betrieben, dessen Drehmoment in Richtung und Betrag gemäß digitaler Stufung quasi stetig einstellbar ist, und zwar unabhängig von der aktuellen Winkelstellung bzw. relativen Phasenstellung von Stator und Rotor. Hierfür werden in der digitalen Stellelektronik die Signale des Winkelsensors derart ausgewertet, dass die jeweils zur aktuellen Winkelstellung passende, d. h. winkelmäßig versetzte Feldspulenphase in der geeigneten Polarität bestromt wird. Die Steuerung des Betrages des Drehmoments erfolgt in zweckmäßiger Weise durch digitale Pulsbreiten-Modulation der Feldspulenströme.Trained as a stepper motor rotary drive is operated as a torque sensor whose torque in the direction and magnitude according to digital gradation is quasi-continuously adjustable, regardless of the current angular position or relative phase position of the stator and rotor. For this purpose, the signals of the angle sensor are evaluated in the digital control electronics such that the respectively appropriate for the current angular position, d. H. angularly offset field coil phase is energized in the appropriate polarity. The control of the amount of torque is carried out in an expedient manner by digital pulse width modulation of the field coil currents.
Im stromlosen Zustand sind antriebsseitig, wie zuvor erwähnt, nur mehr die Reibungsmomente der Achsenlager, z. B. Kugellager, wirksam, die in der Praxis des Instrumentenbaus meist vernachlässigbar klein sind. Auf diese Weise ist das passiv-inertiale Stabilisierungsvermögen der statisch ausgewuchteten Kameraplattform nutzbar, indem im stromlosen Zustand die Kameraplattform praktisch momentenmäßig von den Drehbewegungen des Trägerflugzeugs entkoppelt ist und für Ausgleich von Restfehllagen schwache Korrektur-Momentenwirkungen des digitalen Drehantriebs ausreichend sind.In the de-energized state are the drive side, as mentioned above, only the friction moments of the axle bearings, z. As ball bearings, effective, which are usually negligible in the practice of instrument making. In this way, the passive-inertial stabilization capability of the statically balanced camera platform can be utilized by decoupling the camera platform practically without torque from the rotational movements of the carrier aircraft in the de-energized state and weak correction torque effects of the digital rotary drive being sufficient to compensate for residual misplacements.
Bei in den Schrittmotor integriertem Winkelsensor ist die optische oder magnetische Kodierscheibe ringförmig ausgebildet und am Rotor angebracht. Die Winkelstellung der Kodierscheibe wird, wie erwähnt, durch am Stator montierte Lichtschranken oder Magnetfeldsensoren ausgelesen.When integrated in the stepper motor angle sensor, the optical or magnetic encoder is annular and mounted on the rotor. The angular position of the encoder is, as mentioned, read by mounted on the stator photocells or magnetic field sensors.
Die Regelvorrichtung
Wie zuvor angedeutet, stehen bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel letztlich sechzehn Positionen aufgrund des Schrittzyklus
Damit ist eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung geschaffen, die besonders wirtschaftlich aufgebaut und betreibbar ist und bei der insbesondere der Regelprozess vereinfacht ist.Thus, an electro-mechanical angular position control device is provided, which is constructed and operated particularly economical and in particular the control process is simplified.
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: KANDLBINDER, MARKUS, DIPL.-PHYS., DE |