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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Antriebsstranges mit einem Schrittmotor, wobei der Antriebsstrang vorzugsweise eine mit dem Schrittmotor gekoppelte Übertragungseinheit, beispielsweise ein Getriebe, aufweist. Insbesondere dient die Vorrichtung und das Verfahren zur Echtzeitsteuerung des Antriebsstrangs.
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Der Antriebsstrang kann beispielsweise dazu dienen, ein Maschinenelement zu positionieren, beispielsweise einen Rundtisch zu drehen oder einen Schlitten zu bewegen. Die mit dem Schrittmotor gekoppelte Übertragungseinheit kann eine beliebige Bewegung aus der Drehbewegung des Schrittmotors erzeugen. Die Übertragungseinheit bzw. das Getriebe kann sowohl eine Übersetzung als auch eine Untersetzung zwischen einem Eingangselement und einem Ausgangselement des Getriebes vorgeben.
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DE 43 19 715 C2 beschreibt ein Verfahren zum Bewegen eines Drehkörpers mithilfe eines Schrittmotors. Dabei soll ein Stellungsfehler des Drehkörpers durch Toleranzen in der Antriebseinrichtung kompensiert werden. Dies wird durch einen Kalibriervorgang beim Inbetriebnehmen des Geräts, beispielsweise eines den Drehkörper aufweisenden Druckers, erreicht. Über einen Encoder und einen Zähler erfolgt ein Kalibiervorgang. Der Zähler zählt die tatsächlich durchgeführten Mikroschritte des Schrittmotors und ordnet diese einer von dem Encoder erfassten Stellung des Drehkörpers zu. Dabei wird jeder einzustellenden und anzufahrenden Stellung des Drehkörpers die vom Zähler erfassten Mikroschritte zugeordnet und in einer Tabelle abgespeichert. Nach diesem Kalibriervorgang kann im anschließenden Betrieb die sich aus der Kalibrierung ergebende Anzahl von Mikroschritten verwendet werden, um eine in der Tabelle abgelegte Stellung anzufahren.
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Ein solches Verfahren ist allerdings mit einigen Nachteilen behaftet. Zunächst ist bei einer Inbetriebnahme ein Kalibriervorgang erforderlich. Der Kalibriervorgang wäre bei Werkzeugmaschinen oder anderen komplexeren Systemen enorm aufwendig, da die Anzahl der anzufahrenden Sollstellungen letztendlich beliebig groß werden kann. Für solche komplexeren Systeme ist das in
DE 43 157 15 C2 beschriebene Verfahren daher untauglich.
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Bei vielen Anwendungen, insbesondere im Bereich der Werkzeugmaschinen, müssen Maschinenbestandteile wiederholbar exakt positioniert werden können. Diese Vorgabe wird durch Temperatureinflüsse, Verschleiß und andere Einflüsse erschwert. Gerade solche äußeren Einflüsse können durch ein einmaliges Kalibrierverfahren nicht berücksichtigt werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Antriebsstrangs mit einem Schrittmotor zu schaffen, das eine wiederholbare und exakte Positionierung der Drehlage des Schrittmotors in einer vorgegebenen Solldrehlage ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patenanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst.
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Zu der Vorrichtung gehört eine Steuervorrichtung, die den Schrittmotor steuert. Dem Schrittmotor ist ein Drehlagenbestimmungsmittel zugeordnet, das die Drehlage des Schrittmotors ermittelt. Zu dem Drehlagenbestimmungsmittel kann ein Drehlagensensor gehören, der als Inkrementalgeber oder als Absolutwertgeber ausgeführt sein kann. Unter der Drehlage des Schrittmotors wird nicht nur die Winkellage zwischen 0° und 360° verstanden, sondern auch Drehlagen, die betragsmäßig größere Drehwinkel aufweisen und daher größer sind als eine oder mehrere vollständige Umdrehungen des Schrittmotors. Beispielsweise kann ein Drehbereich für den Schrittmotor von einer definierten Endlage bei 0° bis zu einer anderen definierten Endlage bei n mal 360° für die Steuerung des Antriebsstrangs vorgegeben sein, wobei n eine positive Zahl größer als 1 ist.
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Zur Steuerung des Antriebsstranges bzw. des Schrittmotors wird durch die Steuervorrichtung zunächst eine Solldrehlage vorgegeben oder bestimmt. Dies kann durch eine externe Anforderung erfolgen. Beispielsweise kann von einer Maschinensteuerung oder von einer Bedienperson das Anfahren einer neuen Solldrehlage durch einen Fahrbefehl gefordert werden. Liegt ein solcher Fahrbefehl vor, wird durch die Steuervorrichtung zunächst die Ausgangsdrehlage des Schrittmotors ermittelt. Die Ausgangsdrehlage kann zum Beispiel durch die Drehlagenbestimmungsmittel bestimmt werden, indem die aktuelle Drehlage des Schrittmotors ermittelt wird. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die aktuelle Drehlage, also die Ausgangsdrehlage aus einem Speicher der Steuervorrichtung auszulesen. Dazu wird nach dem Abschluss einer Drehbewegung des Schrittmotors die jeweils aktuelle Drehlage in einem vorzugsweise nicht-flüchtigen Speicher abgelegt. Dann ist es auch möglich, nach einem Abschalten des Stromes ohne Kalibrierbewegung sofort die Ausgangsdrehlage ohne Kalibriervorgang zu bestimmen.
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Nachdem die Ausgangsdrehlage und die Solldrehlage bekannt sind, ermittelt die Steuervorrichtung eine Anzahl von Vollschritten, die notwendig ist um den Schrittmotor aus seiner Ausgangsdrehlage zunächst in eine Zwischendrehlage zwischen der Ausgangsdrehlage und der Solldrehlage zu bewegen. Die Zwischendrehlage befindet sich näher an der Solldrehlage als an der Ausgangsdrehlage. Sie kann beispielsweise genau einen oder alternativ auch zwei bis drei Vollschritte Abstand zur Solldrehlage aufweisen. Der Schrittmotor wird anschließend während einer ersten Phase um die ermittelte Anzahl von Vollschritten aus der Ausgangslage in die Zwischendrehlage gedreht. Diese Drehbewegung erfolgt gesteuert ohne Positionsregelung. Die Steuervorrichtung erzeugt die für die Drehbewegung entsprechend der berechneten Anzahl von Vollschritten notwenigen Ansteuersignale ohne die Istdrehlage an die vorgegebene Zwischendrehlage durch eine Regelung anzupassen.
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Durch das Anfahren der Zwischendrehlage wird sichergestellt, dass der Schrittmotor während der ersten Phase keinesfalls über die vorgegebene Solldrehlage hinaus bewegt wird. Dadurch ist eine Drehbewegung des Schrittmotors von der Ausgangslage in die Solldrehlage ohne Richtungsumkehr möglich. Ein Spiel im Antriebsstrang, beispielsweise ein Getriebespiel, wird dadurch eliminiert, da die Zahnflanken bei immer derselben Drehrichtung des Schrittmotors stets aneinander anliegen. Bei einer Drehrichtungsumkehr müsste zunächst das Spiel überwunden werden, was bei einer hochgenauen Positionierung nachteilig ist.
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Nach dem Abschluss der Drehung des Schrittmotors um die ermittelte Anzahl von Vollschritten wird die aktuelle, tatsächliche Drehlage des Schrittmotors als Zwischendrehlage mit Hilfe des Drehlagenbestimmungsmittels ermittelt. Im Anschluss daran wird eine Anzahl von Mirkoschritten ermittelt, die notwendig ist, um den Schrittmotor aus der Zwischendrehlage in die Solldrehlage zu bewegen. Daraufhin wird der Schrittmotor während einer zweiten Phase um die ermittelte Anzahl von Mikroschritten in die Solldrehlage bewegt. Erforderlichenfalls kann nach dem Abschluss der zweiten Phase erneut eine Ermittlung der aktuellen tatsächlichen Drehlage des Schrittmotors durchgeführt und gegebenenfalls eines verbleibende Positionsdifferenz zur Solldrehlage durch Drehen des Schrittmotors um eine ermittelte Anzahl von Mirkoschritten ausgeglichen werden. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis die tatsächliche Drehlage des Schrittmotors mit der Solldrehlage übereinstimmt.
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Somit kann mit Hilfe des Schrittmotors eine hochgenaue Positionierung eines Ausgangs- oder Abtriebsteils des Antriebsstranges bzw. eines damit verbundenen Maschinenteils erfolgen. Ein möglicherweise im Antriebsstrang vorhandenes Spiel wird ausgeglichen.
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Vorzugsweise wird die Drehlage des Schrittmotors nach Erreichen der Solldrehlage in den Speicher der Steuervorrichtung geschrieben. Nach Abschluss der Drehbewegung des Schrittmotors und nach dem endgültigen Erreichen der Solldrehlage kann diese Drehlage in dem Speicher abgelegt und beispielsweise als Ausgangsdrehlage für eine nachfolgende Drehbewegung verwendet werden. Bei dem Speicher handelt es sich insbesondere um einen nicht-flüchtigen Speicher, so dass die Ausgangsdrehlage des Schrittmotors auch nach einem Abschalten und einem Wiedereinschalten der Stromversorgung der Vorrichtung zur Verfügung steht.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Schrittmotor in der Solldrehlage arretiert. Dies kann beispielsweise durch eine separate Arretiereinrichtung erfolgen, die von der Steuervorrichtung angesteuert und nach dem Erreichen der Solldrehlage in den Arretierzustand umgeschaltet werden kann. Der Schrittmotor kann dabei mittelbar oder unmittelbar kraftschlüssig und/oder formschlüssig arretiert werden.
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Vorzugsweise wird als Schrittmotor ein Synchronmotor mit Permanentmagneten am Rotor verwendet. Das Arretieren des Schrittmotors kann insbesondere bei diesem Schrittmotor durch eine Erhöhung des Rastmoments nach Erreichen der Solldrehlage erfolgen. Der Schrittmotor hat aufgrund seiner Permanentmagnete am Rotor und der im Stator vorhandenen Nuten ein Rastmoment. Dieses Rastmoment ist hilfreich, um die Drehlage des Schrittmotors bzw. des Rotors aufrechtzuerhalten. Insbesondere wird das Rastmoment nach Erreichen der Solldrehlage dadurch erhöht, dass die Statorwicklungen elektrisch miteinander verbunden werden. Eine Bewegung des Rotors führt zu einer Spannungsinduktion in den Statorwicklungen und zur Erzeugung eines Magnetfelds, das die Rotorbewegung hemmt. Durch das Koppeln der Statorwicklungen kann dieser Effekt verstärkt und das Aufrechterhalten der gewünschten Drehlage verbessert werden.
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Innerhalb der ersten Phase wird der Schrittmotor vorzugsweise während einer Beschleunigungsphase beschleunigt und vor Erreichen der Zwischendrehlage während einer Verzögerungsphase verzögert. Der jeweilige Drehzahlgradient zur Beschleunigung und/oder zur Verzögerung kann in der Steuervorrichtung ermittelt werden. Insbesondere ist der jeweilige Drehzahlgradient abhängig von Parametern des Schrittmotors und/oder des Antriebsstrangs, Daraus können Parameter für den Schrittmotor abgeleitet werden, wie beispielsweise einer Maximaldrehzahl und/oder einer Maximalbeschleunigung und/oder einer Maximalverzögerung. Die Drehzahlgradienten für die Beschleunigung und die Verzögerung während der ersten Phase können unterschiedliche Beträge aufweisen.
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Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel verfügt der Antriebsstrang über ein Getriebe oder eine Übertragungseinheit mit einem vom Schrittmotor antreibbaren Eingangselement und einem zu positionierenden Ausgangselement. Dem Ausgangselement kann optional ein Positionssensor zugeordnet sein, der die Istposition des Ausgangselements erfasst.
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Es ist außerdem vorteilhaft, wenn während der ersten und/oder während der zweiten Phase durch Auswertung des Drehlagensignals und des Positionssignals ein Spielwert für das im Antriebsstrang zwischen der Motorwelle des Servermotors und dem Ausgangselement vorhandene Spiel berechnet wird. Beispielsweise kann ein Spielwert dadurch erhalten werden, dass ab dem Beginn einer Bewegung des Schrittmotors die Drehlagenänderung erfasst wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Positionssensor eine Positionsänderung des Ausgangselements anzeigt. Diese einzelnen Spielwerte mehrerer Drehbewegungen lassen sich durch statistische Rechenmethoden verknüpfen, um eine hohe Genauigkeit für einen das Spiel im Antriebsstrang beschreibenden Spielwert zu erhalten. Auf diese Weise kann die Änderung des Spiels beispielsweise durch Temperatureinflüsse oder Alterung erkannt werden. Gegebenenfalls können kritische Spielswerte angezeigt werden, so dass geeignete Instandsetzungs-, Reparatur- oder andere Maßnahmen eingeleitet werden können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patenansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Steuerung eines Antriebsschranks,
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2 ein Blockschaltbild des prinzipiellen Aufbaus eines Schrittmotors,
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3 ein stark schematisiertes, beispielhaftes Diagramm, das die Drehbewegung des Schrittmotors von einer Ausgangslage in eine Solldrehlage veranschaulicht und
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4 ein stark schematisiertes, beispielhaftes Diagramm, dass die Drehbewegung des Schrittmotors während der zweiten Phase von einer Zwischendrehlage in die Solldrehlage zeigt.
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In 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 10 zur Steuerung und beispielsgemäß zur Echtzeitsteuerung eines Antriebsstrangs 11 veranschaulicht. Zu dem Antriebsstrang 11 gehört ein Schrittmotor 12 und eine Übertragungseinheit, die beispielsgemäß als Getriebe 13 ausgeführt ist. Das Getriebe 13 hat als Eingangselement eine Eingangswelle 14 und als Ausgangselement eine Ausgangswelle 15. Zwischen der Eingangswelle 14 und der Ausgangswelle 15 kann das Getriebe 13 eine Übersetzung oder eine Untersetzung bereitstellen. Die Eingangswelle 14 ist beispielsgemäß drehfest mit der Motorwelle 16 des Schrittmotors 12 verbunden. In Abwandlung zum dargestellten Ausführungsbeispiel könnte Antriebsstrang auch eine Kupplung vorhanden sein.
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Mit der Ausgangswelle 15 ist beispielsgemäß ein Drehtisch 17 drehfest verbunden. Über die Drehung der Ausgangswelle 15 kann somit der Drehtisch 17 gedreht werden. Über den Schrittmotor 12 wird daher beispielsgemäß eine Drehbewegung des Drehtisches 17 erzeugt. In Abwandlung zum bevorzugten Ausführungsbeispiel könnte die Drehbewegung des Schrittmotors 12 auch in eine lineare oder in eine sonstige beliebige Bewegung umgesetzt werden. Anstelle des Drehtisches 17 können daher auch Schlitten oder andere Maschinenelemente bewegt und positioniert werden.
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Dem Schrittmotor 12 ist ein Drehwinkelsensor 20 zugeordnet, der Bestandteil eines Drehlagenbestimmungsmittels der aktuellen Drehlage DR des Rotors 22 des Schrittmotors 12 ist oder die Drehlagenbestimmungsmittel 21 bildet. Ist der Drehlagensensor 20 als Absolutwertgeber ausgeführt, erzeugt er ein Drehlagensignal DS, das unmittelbar die aktuelle Drehlage DR des Rotors 22 charakterisiert. Das Drehlagensignal DS des Drehsensors 20 wird einer Steuervorrichtung 23 übermittelt. Ist der Drehlagensensor 20 als Inkrementalgeber ausgeführt, beschreibt das Drehlagensignal DS lediglich Drehlageänderungen des Schrittmotors 12. In diesem Fall bilden die Steuervorrichtung 23 und der Drehlagensensor 20 gemeinsam das Drehlagenbestimmungsmittel 21. Über die Steuervorrichtung 23 wird aus den Drehlagenänderungen jeweils die aktuelle Drehlage DR ermittelt, so dass eine eindeutige Bestimmung der Drehlage DR möglich ist.
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Unter der Drehlage DR des Schrittmotors 12 ist nicht nur die Winkellage des Rotors 22 im Bereich von 0° bis 360° zu verstehen. Die Drehlage DR beinhaltet sämtliche Werte in einem Drehbereich B zwischen zwei Endstellungen, wobei der Drehbereich B betragsmäßig n mal 360° entsprechen kann, wobei n eine Zahl größer als 1 ist. Eine Drehlage ist in diesem Drehbereich B eindeutig vorgebbar und bestimmbar. Wie groß dieser Drehbereich B ist hängt von dem zu positionierenden Maschinenelement und der Übersetzung bzw. Untersetzung des Getriebes 13 ab.
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Die Steuervorrichtung 23 weist wenigstens einen und beim Ausführungsbeispiel zumindest zwei Mikrocontroller auf. Ein erster Mikrocontroller 24 empfängt das Drehlagensensorsignal DS vom Drehlagensensor 20 und bildet gemeinsam mit dem Drehlagensensor 20 das Drehlagenbestimmungsmittel 21. Der erste Mirkocontroller 24 kommuniziert mit einem zweiten Mikrocontroller 25 der Steuervorrichtung 23. Der zweite Mikrocontroller 25 ist mit wenigstens einer Ein- und Ausgabeeinheit 26 in Kommunikationsverbindung. Die Ein- und Ausgabeeinheit 26 gibt zum Beispiel Fahrbefehle an den zweiten Mikrocontroller 25 weiter. Solche Fahrbefehle können von einer Maschinensteuerung oder einer Bedienperson erzeugt werden. Über die Ein- und Ausgabeeinheit 26 können auch Bestätigungssignale, Anzeigesignale oder ähnliches für eine Bedienperson oder eine Maschinensteuerung ausgegeben bzw. weitergeleitet werden.
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Mit zumindest einem der Mikrocontroller 24, 25 und beispielsgemäß mit dem zweiten Mikrocontroller 25 ist ein nicht-flüchtiger Speicher 27 verbunden. Der Speicher 27 kann beispielsweise durch eine SD-Karte oder ähnliches gebildet sein. Der Speicher 27 ist beschreibbar und auslesbar.
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Die Steuervorrichtung 23 und beispielsgemäß der zweite Mikrocontroller 25 steuert den Schrittmotor 12 über einen Motortreiber 28 an.
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Bei dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der Antriebsstrang 11 ferner einen Positionssensor 32 auf, der dem zu positionierenden Maschinenelement und beispielsgemäß dem Drehtisch 17 zugeordnet ist. Der Positionssensor 32 erzeugt ein Positionssignal PS, das der Steuervorrichtung 23 und beispielsgemäß dem ersten Mirkocontroller 24 übermittelt wird. Aus dem Vergleich der Drehlage DR des Schrittmotors 12 und der Position des Drehtisches 17 können in der Steuervorrichtung 23 Spielwerte zur Ermittlung des Spiels im Antriebsstrang errechnet werden. Wird der Schrittmotor 12 gedreht kann die Drehlagenänderung ermittelt werden bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Positionssensor 32 eine Positionsänderung des Drehtisches 17 anzeigt. Die Drehlagenänderung des Schrittmotors 12 bzw. des Rotors 22 bis zur beginnenden Bewegung der Ausgangswelle 15 bzw. des Drehtisches 17 stellt dann einen ermittelten Spielwert zur Charakterisierung des Spiels im Antriebsstrang 11 dar. Werden mehrere solcher Spielwerte erfasst, kann daraus durch entsprechende statistische Methoden z.B. ein Spiel im Antriebsstrang 11 mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Vorzugsweise wird ein Spielwert bei jeder Ausführung eines Fahrbefehls oder zumindest regelmäßig wiederholt ermittelt. Die Veränderung des Spiels kann bewertet werden. Aus der Veränderung dieses Spiels lassen sich auch Verschleißeinflüsse und/oder Temperatureinflüsse oder dergleichen erfassen. Außerdem kann bei einer Drehrichtungsumkehr der Drehbewegung des Schrittmotors der aktuell ermittelte Spielwert berücksichtigt werden. Die Geschwindigkeit und die Genauigkeit der Positionierung des Ausgangselements bzw. der Ausgangswelle 15 des Antriebsstranges 11 lassen sich dadurch erhöhen.
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Der Antriebsstrang 11 kann außerdem eine durch die Steuervorrichtung 23 ansteuerbare Arretiereinrichtung 33 aufweisen. Die Arretiereinrichtung 33 kann beispielsweise auf den Drehtisch 17 oder die Ausgangswelle 15 einwirken und in ihrem Arretierzustand eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Arretierung bewirken.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können dem Getriebe 13 außerdem eine oder mehrere Getriebesensoren 34 zugeordnet sein. Dabei können Getriebebetriebsparameter bzw. Getriebezustände erfasst und der Steuervorrichtung 23 übermittelt werden. Beispielsweise kann die Temperatur des Getriebes 13 bzw. des Getriebeöls, eine Nullpunktlage eines Getriebeelements – zum Beispiel über einen Endlagenschalter – und/oder ein Geräusch des Getriebes erfasst und übermittelt werden. Daraus lässt sich beispielsweise die Alterung und/oder der Verschleiß des Getriebes ableiten.
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In 2 ist schematisch das Funktionsprinzip des Schrittmotors 12 veranschaulicht. Der Rotor 22 trägt einen oder mehrere Permanentmagnete mit jeweils einem Nordpol N und einem Südpol S. Lediglich beispielhaft zur Erläuterung des Funktionsprinzips weist der Rotor 22 nur einen Permanentmagneten mit einem Nordpol N und einem Südpol S auf. Diesem Rotor 22 ist ein Stator 38 mit mehreren und beispielsgemäß vier Statorwicklungen 39 zugeordnet. Die Statorwicklungen 39 sind mit jeweils einem Anschluss mit der Steuervorrichtung 23 verbunden. Der jeweils andere Anschluss der Statorwicklungen 39 liegt auf einem gemeinsamen Potenzial, beispielsweise auf Masse. Über die Steuervorrichtung 23 kann jede einzelne Statorwicklung 39 an eine Spannungs- oder Stromquelle 40 angeschlossen werden. Fließt durch eine Statorwicklung 39 ein Storm, wird in dieser Statorwicklung 39 ein Magnetfeld erzeugt. dessen Stärke von der Stromstärke abhängt. Wird jeweils nur eine Statorwicklung 39 bestromt, wird ein Vollschritt FS des Rotors 22 ausgeführt, dessen Betrag von der Anzahl der Statorwicklungen abhängt und beispielsgemäß 90° beträgt. Werden mehrere Statorwicklungen 39 mit gleichen oder unterschiedlich großen Strömen bestromt, kann der Schrittmotor 12 auch Mirkoschritte MS ausführen, beispielsweise Halbschritte, Viertelschritte, Achtelschritte, usw. Die Anzahl der Vollschritte FS und der Mirkoschritte MS des Schrittmotors hängt von der Anzahl der Poolpaare des Rotors 22, der Anzahl der Statorwicklungen 39 sowie der über die Steuervorrichtung 23 einstellbaren Statorströme in den Statorwicklungen ab.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung 10 wird anhand der 3 und 4 nachfolgend näher erläutert.
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Nach dem Einschalten der Strom- oder Spannungsversorgung für die Vorrichtung 10 liest die Steuervorrichtung 23 die Ausgangslage DA aus dem Speicher 27 aus. Die Ausgangslage DA kennzeichnet die Drehlage DR innerhalb des möglichen Drehbereichs B des Schrittmotors 12 von einer Nulllage N bis zu einer Endlage E eindeutig. Wie erläutert kann der Drehbereich B nicht nur Drehwinkel zwischen 0° und 360°, sondern auch größere Drehwinkel zur Kennzeichnung der Drehlage DR aufweisen.
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Liegt ein Fahrbefehl, also eine Bewegungsanforderung, vor, beispielsweise zur Bewegung des Drehtisches 17 in eine neue Position, wird in der Steuervorrichtung 23 die Solldrehlage DE bestimmt. Anschließend wird die Anzahl von Vollschritten FS ermittelt, die zwischen der Ausgangsdrehlage DA und der Solldrehlage DE liegen. Daraus wird eine Anzahl von Vollschritten zwischen der Ausgangsdrehlage DA und einer Zwischendrehlage DZ ermittelt. Beispielsweise ist die Anzahl von Vollschritten FS zwischen der Ausgangslage DA und der Zwischendrehlage DZ um genau einen Vollschritt FS kleiner als die Anzahl der Vollschritte FS zwischen der Ausgangsdrehlage DA und der Solldrehlage DE. Die Zwischendrehlage DZ befindet sich somit zwischen der Ausgangsdrehlage DA und der Solldrehlage DE.
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Jetzt wird der Schrittmotor 12 während einer ersten Phase P1 um die ermittelte Anzahl von Vollschritten FS in die Zwischendrehlage DZ bewegt ohne dabei eine Positionsregelung durchzuführen. Über die Steuervorrichtung 23 wird der Stator 38 des Schrittmotors 12 so angesteuert, dass der Rotor 22 während der ersten Phase die ermittelte Anzahl von Vollschritten FS ausführt.
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In 1 sind einzelne Phasenabschnitte der ersten Phase P1 veranschaulicht. Zunächst wird die Drehzahl U des Schrittmotors 12 während eines Beschleunigungsabschnitts PA der ersten Phase P1 erhöht. Um das Anschlagen von Zahnflanken aufgrund des Spiels im Antriebsstrang 11 zu vermeiden, wird zu Beginn des Beschleunigungsabschnitts PA vozugsweise ein kleiner Drehzahlgradient bzw. eine kleine Beschleunigung gewählt, die den Schrittmotor zunächst bis maximal auf eine Drehzahl U unterhalb eines ersten Drehzahlschwellenwert U1 beschleunigt. Nach dem Anlegen der Zahnflanken kann während des Beschleunigungsabschnittes PA der Drehzahlgradient bzw. die Beschleunigung und auch die Drehzahl U vergrößert werden, so dass eine Drehzahl größer als der erste Drehzahlschwellenwert erreicht werden können. Ist der insgesamt bis zur Zwischendrehlage DZ zurückzulegende Drehweg ausreichend groß, wird der Schrittmotor 12 bis zu einer Maximaldrehzahl Umax beschleunigt, wie es in 3 beispielhaft schematisch veranschaulicht ist.
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Vor dem Erreichen der Zwischendrehlage DZ weist die erste Phase P1 einen Verzögerungsabschnitt PD auf. Zu Beginn des Verzögerungsabschnittes PD wird die Drehbewegung des Schrittmotors 12 zunächst auf eine Drehzahl reduziert, die vorzugsweise maximal demn ersten Drehzahlschwellenwert U1 entspricht. Anschließend erfolgt eine weitere Drehzahlverringerung mit einer betragsmäßig geringeren Verzögerung, bis der Rotor 22 am Ende des Verzögerungsabschnittes PD bzw. der ersten Phase P1 stillsteht. Der Schrittmotor 12 bzw. der Rotor 22 hat die für das Erreichen der Zwischendrehlage DZ ermittelte Anzahl an Vollschritten FS ausgeführt, so dass die erste Phase P1 beendet ist.
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Nach dem Ende der ersten Phase P1 wird über die Drehlagenbestimmungsmittel 21 die tatsächliche, aktuelle Drehlage DR des Schrittmotors 12 erfasst. Daraufhin wird die Drehwegdifferenz zwischen der aktuell ermittelten Drehlage DR und der vorgegebenen Solldrehlage DE in Mirkoschritten MS ermittelt. Anschließend wird der Schrittmotor 12 um die ermittelte notwendige Anzahl von Mikroschritten MS während einer zweiten Phase P2 in die Solldrehlage DE gedreht. Während der zweiten Phase P2 wird der Schrittmotor 12 mit einer Drehzahl U betrieben, die höchstens einem zweiten Drehzahlschwellenwert U2 entspricht. Der zweite Drehzahlschwellenwert U2 ist kleiner als der erste Drehzahlschwellenwert U1.
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Nach dem Ende der zweiten Phase P2, also nach dem Rotor 22 um die ermittelte Anzahl von Mirkoschritten MS bewegt wurde, wird der Rotor 22 stillgesetzt. Vorzugsweise wird jetzt erneut die aktuelle, tatsächliche Drehlage DR anhand der Drehlagenbestimmungsmittel 21 ermittelt und mit der Solldrehlage DE verglichen. Erforderlichenfalls wird der Rotor 22 erneut um eine entsprechende Anzahl von Mikroschritten MS bewegt, wie es im Zusammenhang mit der zweiten Phase P2 beschrieben wurde, sofern noch eine Differenz zwischen der aktuellen Drehlage DR und der Solldrehlage in Mikroschritten MS besteht. Diese zweite Phase P2 kann sozusagen so oft wiederholt werden, bis die aktuelle tatsächliche Drehlage DR des Rotors 22 mit der Solldrehlage DE übereinstimmt.
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Nachdem der Schrittmotor 12 die Solllage DE erreicht hat, kann der Rotor 22 arretiert werden. Dies kann beispielsweise über eine Arretiereinrichtung 33 erfolgen.
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Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Arretiermöglichkeit vorgesehen, die auch ohne die Arretiereinrichtung 33 auskommt. Zur Arretierung des Rotors 22 wird das Rastmoment des Schrittmotors 12 ausgenutzt und beispielsgemäß erhöht. Hierfür werden die Statorwicklungen 39 mit ihren mit der Steuervorrichtung 23 verbundenen Anschlüssen elektrisch miteinander gekoppelt, so dass diese Anschlüsse vorzugsweise auf demselben elektrischen Potenzial liegen. Dadurch kann das Rastmoment des Schrittmotors 12 zum Halten seiner aktuellen Drehlage, nämlich der Solldrehlage DE, erhöht werden.
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Nach dem Ende der zweiten Phase P2, wenn der Schrittmotor 12 in der Solldrehlage DE angelangt ist, wird durch die Steuervorrichtung 23 die aktuelle Drehlage DR im Speicher 27 abgespeichert. Somit steht die aktuelle Drehlage DR auch nach dem Abschalten der Stromversorgung und dem Wiedereinschalten der Stromversorgung für den weiteren Betrieb der Vorrichtung 10 zur Verfügung. Die Vorrichtung 10 kann somit ohne Kalibrierung nach dem Einschalten der Stromversorgung in Betrieb genommen werden.
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Über die Ein- und Ausgabeeinheit 26 kann jede beliebige Drehlage DR innerhalb des Drehbereichs B als Referenzlage definiert werden. Anders als im Ausführungsbeispiel gemäß 3 schematisch dargestellt, kann der Drehbereich B grundsätzlich auch positive und negative Werte umfassen. Grundsätzlich ist der Drehbereich des Schrittmotors 12 selbst unbegrenzt. Die Grenzen des Drehbereichs B ergeben sich aus den von dem Schrittmotor 12 bewegten Komponenten des Antriebsstranges 11, beispielsweise eines Schlittens, eines Drehtisches oder eines anderen Maschinenelements.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 10 und ein Verfahren zur Echtzeitsteuerung eines Antriebsstranges 11. Der Antriebsstrang 11 weist einen Schrittmotor 12 auf. Zum Bewegen des Schrittmotors 12 von einer Ausgangslage DA in eine Solldrehlage DE wird zunächst eine Anzahl von Vollschritten FS ermittelt, die der Schrittmotor 12 von seiner Ausgangsdrehlage DA bis zu einer Zwischendrehlage DZ bewegt werden muss. Die Zwischenlage DZ befindet sich zwischen der Ausgangsdrehlage DA und der Solldrehlage DE und ist lediglich einen oder zwei bis drei Vollschritte FS von der Solldrehlage DE entfernt. Nach dem Erreichen der Zwischendrehlage DZ wird über ein Drehlagenbestimmungsmittel 21 die aktuelle Drehlage DR des Schrittmotors 12 bzw. dessen Rotors 22 ermittelt und die Distanz zur Solldrehlage DE in Mikroschritten MS bestimmt. Daran anschließend wird der Schrittmotor 12 um die erforderliche Anzahl von Mikroschritten bis in seine Solldrehlage DE bewegt. Eine Drehrichtungsumkehr bei der Bewegung von der Ausgangsdrehlage DA in die Solldrehlage DE findet nicht statt, so dass ein Spiel im Antriebsstrang 11 eliminiert und die Solldrehlage DE des Rotors 12 bzw. die korrespondierende Position eines angetriebenen Maschinenelements exakt eingenommen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Antriebsstrang
- 12
- Schrittmotor
- 13
- Getriebe
- 14
- Eingangswelle
- 15
- Ausgangswelle
- 16
- Motorwelle
- 17
- Drehtisch
- 20
- Drehwinkelsensor
- 21
- Drehlagenbestimmungsmittel
- 22
- Rotor
- 23
- Steuervorrichtung
- 24
- erster Mikrocontroller
- 25
- zweiter Mikrocontroller
- 26
- Ein- und Ausgabeeinheit
- 27
- Speicher
- 28
- Motortreiber
- 32
- Positionssensor
- 33
- Arretiereinrichtung
- 34
- Getriebesensor
- 38
- Stator
- 39
- Statorwicklung
- 40
- Strom- oder Spannungsquelle
- B
- Drehbereich
- DA
- Ausgangsdrehlage
- DE
- Solldrehlage
- DR
- Drehlage
- DS
- Drehlagensignal
- DZ
- Zwischendrehlage
- E
- Endlage
- FS
- Vollschritt
- MS
- Mikroschritt
- N
- Nulllage
- P1
- erste Phase
- P2
- zweite Phase
- PA
- Beschleunigungsabschnitt
- PS
- Positionssignal
- U
- Drehzahl des Schrittmotors
- U1
- erster Drehzahlschwellenwert
- U2
- zweiter Drehzahlschwellenwert
- Umax
- Maximaldrehzahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4319715 C2 [0003]
- DE 4315715 C2 [0004]
