DE102015107583A1 - Positionierantrieb sowie Verfahren zum Positionieren eines Abtriebselements - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Positionierantrieb (15) sowie ein Verfahren zum Positionieren eines Abtriebselements (16). Der Positionierantrieb (15) weist eine erste Schrittantriebseinheit (21) mit einer ersten Schrittantriebssteuerung (22) und einem ersten Schrittmotor (23) sowie eine zweite Schrittantriebseinheit (24) mit einer zweiten Schrittantriebssteuerung (25) und einem zweiten Schrittantrieb (26) auf. Die beiden Schrittantriebe (23, 26) und das Abtriebselement (16) sind über eine mechanische Kopplungseinheit (18) kraft- und antriebsgekoppelt. Eine Zentraleinheit (31) steuert die beiden Schrittantriebssteuerungen (22, 25) über jeweils ein Ansteuersignal (A1) bzw. (A2) an. Die Ansteuersignale (A1, A2) geben jeweils den Statorsollfeldwinkel und den Rotorsollfeldwinkel vor, der über die zugeordnete Schrittantriebssteuerung (22) bzw. (25) eingestellt wird. Die Zentraleinheit (31) hat eine überlagerte Regelung zur Position des Abtriebselements (16). Sie hat außerdem eine unterlagerte Steuerung oder Regelung, um ein Verspannmoment (M23, M26) für jeden Schrittmotor (23, 26) einzustellen. Die Verspannmomente (M23, M26) ergeben sich durch das Einstellen eines Lastistwinkels (λ23,ist, λ26,ist) am betreffenden Schrittantrieb (23, 26).

Description

• Die Erfindung betrifft einen Positionierantrieb sowie ein Verfahren zur Positionierung eines Abtriebselements. Das Abtriebselement kann linear oder rotativ angetrieben werden. Beispielsweise kann es sich um einen translatorisch oder rotativ antreibbaren Tisch oder Schlitten für ein Werkzeug oder ein Werkzeug handeln.
• Bei vielen Anwendungen müssen Abtriebselemente, die von einem Positionierantrieb bewegt werden, sehr genau positioniert werden können, beispielsweise Tische oder Schlitten von Werkzeugmaschinen oder Messmaschinen, um eine entsprechend hohe Genauigkeit bei der Bearbeitung bzw. Messung oder Prüfung eines Werkstücks zu erhalten. Bei der Herstellung eines solchen Positionierantriebs weist die bewegungsübetragende Mechanik Elastizitäten, Herstellungstoleranzen, Reibung und Spiel bzw. Lose auf. Aufgrund dieser Unzulänglichkeiten kann es bei der Positionierung des Abtriebselements zu Ungenauigkeiten bzw. Fehlern kommen.
• Das Spiel in der mechanischen Übertragung innerhalb des Positionierantriebes bis zum Abtriebselement kann außerdem zu einer verzögerten Bewegung des Abtriebselements führen, wenn ein angesteuerter Positioniermotor zunächst das Spiel überwinden muss, bevor seine Bewegung auf das Abtriebselement übertragen wird. Bei hochdynamischen Anwendungen kann es beim Positionieren zu Problemen oder Fehlern kommen, wie beispielsweise zu Oszillationen oder überschwingendem Verhalten, die es nötig machen die Verstärkung und damit die Dynamik des Positionsregelung zu verringern.
• Es ist daher wünschenswert, das Spiel in der kinematischen Übertragungskette von einem Positioniermotor bis zum Abtriebselement zu eliminieren.
• Um dieses Problem zu lösen, ist es bekannt, durch elastische Vorspannelemente ein Spiel in der kinematischen Übertragungskette zu eliminieren. Nachteilig ist dabei, dass die Vorspannkraft eines mechanischen Vorspannelementes zu jedem Zeitpunkt wirkt, was die Effizienz des Positionierantriebes negativ beeinflusst. Einrichtungen, um ein solches mechanisches Vorspannelement wahlweise aktivieren und deaktivieren zu können, sind konstruktiv aufwendig und erfordern zusätzliche Aktuatoren.
• Um die Nachteile eines mechanischen Vorspannelementes zu vermeiden ist es auch bekannt, ein Abtriebselement durch einen Positionierantrieb mit zwei Servomotoren anzutreiben, die gegeneinander mit einem Moment zur Verspannung des mechanischen Systems beaufschlagt werden können. Ein solcher Positionierantrieb ist beispielsweise aus DD 279432 A1 bekannt. Dort werden zwei Servomotoren mit einem Regelkreis geregelt betrieben, der einen überlagerten Lageregelkreis aufweist. Dem Lageregelkreis ist ein Drehzahlregelkreis und dem Drehzahlregelkreis wiederum ein Stromregelkreis unterlagert. Bei Servomotoren mit feldorientierter Stromregelung kann durch Beeinflussung des drehmomentbildenden Motorstroms (Ankerquerstrom) das Motormoment verändert werden, das sich proportional zum Motorstrom verhält. Dementsprechend ist zusätzlich ein Verspannsollwertgeber vorhanden, der die Sollwerte für die Motorströme der beiden Servomotoren so modifiziert, dass diese jeweils ein gegeneinander gerichtetes Motormoment aufrechterhalten. Dadurch wird das mechanische System verspannt und das Abtriebselement kann spielfrei und genau positioniert werden.
• Ausgehend hiervon kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, einen Positionierantrieb sowie ein Verfahren zu schaffen, das mit einfacheren Mitteln realisiert werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch einen Positionierantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 16 gelöst.
• Der erfindungsgemäße Positionierantrieb weist eine mechanische Kopplungseinheit auf. Die mechanische Kopplungseinheit weist einen Kopplungsausgang auf, der mit dem Abtriebselement verbunden ist. Die Kopplungseinheit weist außerdem zwei mit dem Kopplungsausgang gekoppelte Kopplungseingänge. Eine Positionsänderung an einem der Kopplungseingänge führt somit zu einer Positionsänderung des Abtriebselements am Kopplungsausgang. Vorzugsweise ist auch eine Kraft- bzw. Momentenkopplung zwischen den beiden Kopplungseingängen vorhanden, die sich somit gegenseitig beeinflussen können. Insbesondere ist die Kopplunsgeinheit derart ausgeführt, dass eine Bewegung am Kopplungsausgang – unter Vernachlässigung der vorhandenen Elastizität – nur dann möglich ist, wenn sich auch alle Kopplungseingänge bewegen. Zwischen den Kopplungseingängen und dem Kopplungsausgang ist jeweils eine Über- oder Untersetzung vorhanden, die gleich oder unterschiedlich groß sein können. Eine Übersetzung von 1:1 zwischen den Kopplungseingängen und dem Kopplungsausgang ist auch möglich.
• Der Positionierantrieb weist außerdem eine erste Schrittantriebseinheit mit einem ersten Schrittmotor und einer diesen ersten Schrittmotor ansteuernden ersten Schrittantriebssteuerung auf. Entsprechend weist eine zweite Schrittantriebseinheit einen zweiten Schrittmotor und eine diesen zweiten Schrittmotor ansteuernde zweite Schrittantriebssteuerung auf. Die beiden Läufer bzw. Rotoren der Schrittmotoren sind direkt mit jeweils einem zugeordneten Kopplungseingang der Kopplungseinheit verbunden.
• Der Positionierantrieb verfügt außerdem über eine Zentraleinheit, der ein Kinematiksollwert und ein Verspannungssollwert vorgegeben werden. Der Kinematiksollwert kann ein Positionssollwert, ein Geschwindigkeitssollwert oder ein Beschleunigungssollwert sein. Bei Positionieraufgaben wird als Kinematiksollwert ein Positionssollwert verwendet. Für Anwendungen, bei denen der Vorschub entlang einer Bahnkurve geregelt werden soll, kann auch ein Geschwindigkeitssollwert vorgegeben werden. Der Kinematiksollwert und der Verspannungssollwert können beispielsweise von einer Maschinensteuerung anwendungsabhängig vorgegeben und an die Zentraleinheit übermittelt werden. Bei einer Maschinensteuerung, die keinen Ausgang für einen Verspannungssollwert vorsieht, kann die Zentraleinheit auch anhand einer vorgegebenen Verspannungsstrategie einen Verspannungssollwert ermitteln.
• Die Zentraleinheit ist dazu eingerichtet, abhängig von dem Kinematiksollwert und dem Verspannungssollwert ein erstes Ansteuersignal für die erste Schrittantriebssteuerung und ein zweites Ansteuersignal für die zweite Schrittantriebssteuerung zu ermitteln. Die Ansteuersignale geben jeweils an, in welche Richtung und um welchen Betrag bzw. um welche Schrittzahl der betreffende Läufer bzw. Rotor eines Schrittmotors bewegt werden soll. Die Ansteuersignale definieren daher Positionsänderungen für die Läufer bzw. Rotoren.
• Über die beiden Ansteuersignale wird aufgrund der kinematischen Kopplung der Antriebseinheiten und des Ausgangselements erfindungsgemäß eine überbestimmte Positionsänderungsvorgabe herbeigeführt, was in der Regelungstechnik ansonsten vermieden wird.
• Üblicherweise wird die kinematische Überbestimmung dadurch vermieden, dass nur ein Servomotor positionsgeregelt arbeitet und der andere Servomotor drehmomentgeregelt ist. Es wird ein sogenannter Master-Slave-Betrieb ausgeführt. Die drehmomentgeregelte Betriebsweise eines Servomotors (beispielsweise eines Synchronmotors) erfordert jedoch eine feldorientierte Stromregelung und die Möglichkeit, über ein Ansteuersignal einen Sollwert für einen drehmomentbildenden Ankerquerstrom vorzugeben.
• Bei der Erfindung kann den Schrittantriebssteuerungen über das Ansteuersignal kein Motorstrom bzw. Ankerquerstrom oder eine andere das Motormoment direkt bestimmende Größe vorgegeben werden. Die Ansteuersignale sind derart durch die Zentraleinheit ermittelt, dass in den beiden Schrittmotoren bei der Einstellung der vorgegebenen Sollposition entgegengesetzt gerichtete Lastmomente in den Schrittmotoren entstehen. Wenn die Schrittantriebssteuerungen anhand der Ansteuersignale den jeweils zugeordneten Schrittantrieb ansteuern und um die vorgegebene Anzahl der Schritte in die vorgegebene Richtung bewegen, entsteht ein Verspannungszustand in der Kopplungseinheit, so dass ein etwaiges Spiel eliminiert wird.
• Somit können erfindungsgemäß Schrittantriebseinheiten zur Einstellung der Position des Abtriebselements eingesetzt werden, die keine Möglichkeit zur Drehmomentsollwertvorgabe aufweisen. Durch eine überbestimmte kinematische Vorgabe, vorzugsweise eine überlagerte Positions- oder Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsvorgabe, wird die Position des Abtriebselements gesteuert oder geregelt, beispielsweise in einem überlagerten Regelkreis. Der andere Freiheitsgrad, der durch die Kopplung mehrerer Antriebseinheiten (Eingänge) mit einem Ausgang entsteht, wird dazu verwendet in den beiden Schrittmotoren einen Lastwinkel und mithin ein Verspannmoment einzustellen, um das Spiel in der Kopplungseinheit zu eliminieren. Der Lastwinkel ist die Differenz aus einem Statorfeldwinkel und einem Rotorfeldwinkel.
• Es kann auch mehr als ein Abtriebselement vorhanden sein. Jedem Abtriebselement sind wenigstens zwei Schrittmotoreinheiten zugeordnet. Die Kopplungseinheit kann dementsprechend viele Kopplungseingänge und Kopplungsausgänge aufweisen. Es ist auch möglich für jedes Abtriebselement eine separate Kopplungseinheit vorzusehen.
• Vorzugsweise sind jedem Antriebselement zwei Schrittmotoreinheiten zugeordnet. Prinzipiell ist es zum Erreichen der Spielfreiheit ausreichend, wenn die Anzahl der Schrittmotoreinheiten um eins größer ist als die Anzahl der Abtriebselemente, sofern alle Abtriebselemente und Schrittmotoreinheiten kinematisch gekoppelt sind.
• Als Schrittmotoren können Permanentmagnetschrittmotoren und/oder Reluktanzschrittmotoren und/oder Hybridschrittmotoren verwendet werden, die mindestens 2-phasig ausgeführt sind. Es ist zur Vereinfachung der Steuerung bzw. Regelung vorteilhaft, wenn jeweils nur Schrittmotoren derselben Art oder weiter vorzugsweise identische Schrittmotoren verwendet werden.
• Der Positionierantrieb kann lineare oder rotative Schrittmotoren bzw. Synchronmotoren verwenden. Es können allgemein Schrittmotoren verwendet werden, die ein Statorelement aufweisen, über welches das Statordrehfeld in seiner Stärke und Phasenlage gesteuert oder geregelt werden kann, und die ferner ein bewegliches Läuferelement bzw. Rotorelement aufweisen, welches dem Statordrehfeld folgen kann. Servomotoren und bürstenlose Gleichstrommotoren basieren meist auch auf dem Synchronmotorprinzip (wie Schrittmotoren). Im Unterschied zu einer feldorientierten Servostromregelung wird erfindungsgemäß jedoch gezielt nicht der Arbeitspunkt eingestellt, an dem die Ankerquerstromkomponente des Ankerstromes den größten Anteil aufweist, sondern es ist stets auch eine Ankerlängsstromkomponente vorhanden. Im Unterschied zum Betrieb von bürstenlosen Gleichstrommotoren mit elektronischer Kommutierung erfolgt erfindungsgemäß eine Einstellung des Statorfeldwinkels in Abhängigkeit der Lastwinkelvorgabe und nicht ein Umschalten lediglich abhängig vom Rotorfeldistwinkel.
• Die Schrittmotoren können vorzugsweise immer im Mikroschrittbetrieb betrieben werden, wodurch die Einstellbarkeit des Statorfeldsollwinkels mit einer hohen Auflösung und einer hohen Genauigkeit erfolgt.
• Das Statorfeld wird bei einem Ausführungsbeispiel durch eine Ansteuerung der Statorwicklungen erzeugt und bewegt. Es ist alternativ hierzu auch möglich, eine Permanentmagnetanordnung vorzusehen, bei der der Statorfeldwinkel durch eine mechanische Bewegung der Permanentmagnetanordnung eingestellt wird.
• Jedes Ansteuersignal kann vorzugsweise einen Statorfeldsollwinkel und/oder einen Rotorfeldsollwinkel und optional zusätzlich einen Statorfeldstärkebetrag für jeden Schrittmotor beschreiben. Der Statorfeldstärkebetrag kann bei einigen Ausführungsbeispielen über eine Stromamplitudenvorgabe unabhängig von dem Ansteuersignal vorgegeben und beispielsweise fest eingestellt sein.
• Über die jeweilige Schrittantriebssteuerung wird aus dem Ansteuersignal ein Schrittsignal für den Schrittmotor erzeugt, das den Statorfeldistwinkel gemäß dem vorgegebenen Statorfeldsollwinkel bzw. Rotorfeldsollwinkel einstellt. Über die jeweilige Schrittantriebssteuerung kann aus dem Ansteuersignal ein Schrittsignal für den Schrittmotor durch entsprechende Stromaufprägung in den Statorfeldwicklungen erzeugt werden. Das Ansteuersignal gibt dabei den Statorfeldsollwinkel an und das Schrittsignal entspricht beispielsweise den eingeprägten Strömen in den Statorfeldwicklungen für den Schrittmotor und damit dem Statorfeldistwinkel.
• Der Statorfeldistwinkel kann dabei – in Abhängigkeit von der Dynamik der Stromregelung der Schrittantriebssteuerung – dem Statorfeldsollwinkel nacheilen, so dass eine Phasenverschiebung entsteht. Die Dynamik kann bei einigen Ausführungsbeispielen näherungsweise als Verzögerungsglied erster Ordnung beschrieben werden, wobei die Zeitkonstante dieser Verzögerung in der Regel in einem Bereich von einer bis fünf Millisekunden liegt. Für viele praktische Anwendungsfälle, z. B. bei der Positionierung von trägen Massen, kann diese Verzögerung vernachlässigt werden und der Statorfeldistwinkel dem Statorfeldsollwinkel vereinfachend gleichgesetzt werden. Bei der Erfindung lässt sich aber prinzipiell auch diese Verzögerung berücksichtigen, indem die Schrittantriebssteuerung entsprechend voreilende Statorfeldsollwinkelvorgaben über das betreffende Ansteuersignal macht. Erfindungsgemäß folgt der Rotor und damit der Rotorfeldistwinkel nicht dem Statorfeldistwinkel (bzw. dem Statorfeldsollwinkel), wenn ein Verspannungszustand besteht, aufgrund der kinematischen und der Kraft- bzw. Momentenkopplung der Antriebseinheiten zueinander. Dabei wird ein Lastwinkel in jedem Schrittmotor erzeugt, der abhängig ist vom Rotorfeldistwinkel und dem Statorfeldistwinkel. Die Lastwinkel der beiden Schrittmotoren sind in ihrem Vorzeichen bzw. Betrag derart gegeneinander gerichtet, dass am Abtriebselement durch die Verspannung ein Kräftegleichgewicht in der Sollposition des Abtriebselements besteht.
• Vorzugsweise ist jede Schrittantriebssteuerung dazu eingerichtet, für jede Statorphase des zugeordneten Schrittmotors abhängig von dem empfangenen Ansteuersignal bzw. dem durch das Ansteuersignal beschriebenen Statorfeldsollwinkel einen Strangstrom zu bestimmen. Dabei kann der Stromamplitudenwert für die Strangströme eines Schrittmotors bzw. für die Phasenströme aller Schrittmotoren vorgegeben sein und insbesondere konstant vorgegeben sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Stromamplitudenwert bei der Positionierung des Abtriebselements nicht variiert.
• Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Zentraleinheit dazu eingerichtet ist, im Verspannungszustand Ansteuersignale derart vorzugeben, dass das Abtriebselement eine Subschritt-Positionsänderung mit einem Positionsänderungsbetrag ausführt, der kleiner ist, als der Positionsänderungsbetrag, den das Abtriebselement außerhalb des Verspannungszustandes durch die Schrittantriebseinheiten ausführen kann. Jede Schrittantriebseinheit ist dabei vorzugsweise dazu eingerichtet, Vollschritte und/oder Halbschritte und/oder Mikroschritte auszuführen. Im Verspannungszustand sind dabei Subschritt-Positionsänderungen möglich, die kleiner sind als ein ausführbarer Mikroschritt jeder Schrittantriebseinheit. Die Subschritt-Positionsänderung im Verspannungszustand könnte daher auch als „Nanoschritt” bezeichnet werden.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Subschritt-Positionsänderung im Verspannungszustand durch die Kraft- bzw. Momentenkopplung der Antriebseinheiten erreicht werden. Beim Verstellen des Statorfeldistwinkels nur einer Schrittantriebseinheit wird die andere Schrittantriebseinheit ein Verdrehen des Abtriebselements um den vollen Schrittbetrag verhindern und stattdessen sowohl ihren eigenen Lastwinkel als auch den der anderen Schrittantriebseinheit erhöhen. Bei einer kinematischen Übersetzung der Schrittantriebseinheiten von 1:1 zueinander und gleicher Bauweise wird sich dabei das Abtriebselement genau um einen halben Mikroschritt bewegen. Erst wenn die jeweils andere Schrittantriebseinheit ebenfalls um einen Mikroschritt weiter bewegt wird, wird auch das Abtriebselement um den vollen Betrag weiter gedreht und die Lastwinkel beider Schrittantriebseinheiten verringern sich wieder. Somit lassen sich durch die abwechselnde Schrittfolge Sub-Positionsänderungen im Sub-Mikroschrittbereich erzielen, die als „Nanoschritt” bezeichnet werden können.
• Zur Ausführung einer Subschritt-Positionsänderung kann der Statorfeldistwinkel für die Schrittantriebe abwechselnd verändert werden, insbesondere abwechselnd um den kleinstmöglichen Winkelbetrag, den die beiden Schrittantriebseinheiten ermöglichen.
• Weiterhin ist es auch möglich, die Subschritt-Positionsänderung bzw. die Sub-Mikroschrittauflösung noch weiter zu erhöhen, indem das Tiefpassverhalten aufgrund der Masseträgheiten bzw. der verzögerten Dynamik des Stromregelkreises der Schrittantriebssteuerung ausgenutzt wird. Dabei erzeugt die Zentraleinheit pulsweitenmodulierte Schrittsignale, die bewirken, dass sich die Schrittantriebseinheit beispielsweise nicht nur um einen halben Mikroschritt, sondern noch weniger entsprechend dem Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation bewegt. Die Frequenz der Pulsweitenmodulation wird dabei vorzugsweise ausreichend hoch gewählt, beispielsweise mindestens 10 kHz, wodurch aufgrund des erwähnten Tiefpassverhaltens der trägen Massen sichergestellt ist, dass keine störenden Oszillationen am Abtriebselement entstehen.
• Es ist ferner bevorzugt, wenn die Schrittmotoren im Verspannungszustand jeweils einen Lastwinkel aufweisen, der sich aus der Differenz zwischen einem Statorfeldistwinkel und einem Rotorfeldistwinkel ergibt.
• Es ist bevorzugt, wenn der Rotoristwinkel jedes Schrittmotors ermittelt wird, beispielsweise durch eine Messung mit Hilfe eines Sensors, durch ein Berechnungsverfahren oder durch eine Schätzung. Aus dem Rotoristwinkel und der Polpaarzahl des Schrittmotors kann der Rotorfeldistwinkel ermittelt werden.
• Es ist außerdem bevorzugt, wenn der Lastwinkel abhängig vom Typ des Schrittmotors höchstens einem Maximallastwinkel entspricht. Der Maximallastwinkel ist derart vorgegeben, dass sich das Lastmoment bei einer betragsmäßigen Vergrößerung des Lastwinkels bis zum Maximallastwinkel vergrößert. Der Maximallastwinkel kann bei einem Permanentmagnetschrittmotor elektrisch 90° oder einem Reluktanzschrittmotor elektrisch 45° betragen, und bei einem Hybridschrittmotor im Bereich von elektrisch 45° bis 90° liegen. Die Position des Maximallastwinkels hängt weiterhin von der Pol- und Nutgeometrie des Stators und Rotors ab.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kopplungseinheit ohne Selbsthemmung ausgeführt.
• Es ist außerdem vorteilhaft, wenn eine Sensoreinheit mit wenigstens einem Positionssensor vorhanden ist. Über einen oder mehrere Positionssensoren lassen sich Regelungen implementieren. Beispielsweise kann der Lastwinkel jedes Schrittmotors in einer unterlagerten Regelschleife geregelt sein. Es ist außerdem bevorzugt, wenn ein Positionssensor ein Sensorsignal erzeugt, das die Position des Abtriebselements und/oder die Positionsänderung des Abtriebselements beschreibt. Auf diese Weise kann die Position des Abtriebselements geregelt werden. Insbesondere ist diese Positionsregelung in einer überlagerten Regelschleife realisiert, während alle anderen Regelungen oder Steuerungen in unterlagerten Regel- oder Steuerkreisen ausgeführt sind.
• Vorzugsweise lassen sich Positionswerte über einen oder mehrere Positionssensoren, insbesondere für das Abtriebselement, messen, schätzen oder berechnen. Außerdem lassen sich die Rotorfeldistwerte der Schrittantriebseinheiten messen, schätzen oder berechnen. Mit den Rotorfeldistwerten der Schrittantriebseinheiten lassen sich insbesondere die Lastwinkelistwerte berechnen oder schätzen. Dabei kann unter der Vernachlässigung der Dynamik des Stromreglers angenommen werden, dass die Statorfeldistwerte den Statorfeldsollwerten entsprechen. Auf diese Weise kann die Position oder die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung des Abtriebselements sowie der Lastwinkel der Schrittantriebseinheiten geregelt werden.
• Werden die Rotorfeldistwinkel nicht gemessen, kann dennoch unter Annahme, beispielsweise eines konstanten Getriebespiels, ein Lastwinkel gesteuert werden. Das steuernde Verfahren kann verbessert werden, wenn beispielsweise eine Getriebespielkennlinie erfasst und aufgezeichnet wird.
• Die Stellgrößen bei dem steuernden und/oder dem regelnden Positionierantrieb bzw. Verfahren sind insbesondere die Statorfeldsollwinkel, die in Form der betreffenden Ansteuersignale an die Schrittantriebssteuerungseinheiten übermittelt werden, beispielsweise als Takt- und/oder Richtungsimpulse.
• Bevorzugt ist die Zentraleinheit dazu eingerichtet, das wenigstens eine Sensorsignal des wenigstens einen Positionssensors der Sensoreinheit zu verarbeiten und dabei über vorgegebene Modelle und/oder Daten und/oder Informationen zusätzliche virtuelle Signale zu erzeugen, die die Steuerung oder die Regelung verbessern können. Beispielsweise kann dazu ein Luenberger-Beobachter, ein Kalman-Filter, ein Übersetzungskennfeld oder dergleichen verwendet werden. Es können auch Elastizitäten und Übertragungsfehler, sowie Reibungseffekte in kinematischen Kopplungen berücksichtigt werden. Ferner kann die Dynamik des Stromregelkreises oder dynamische Eigenschaften der Regelstrecke berücksichtigt bzw. kompensiert werden. Auch eine Kombination von mehreren der genannten Möglichkeiten kann verwendet werden.
• Es ist zusätzlich auch möglich, Identifikationsverfahren einzusetzen, um beispielsweise die momentanen Belastungsverhältnisse – wie etwa die zu bewegenden Massen bzw. die Massenträgheiten – zu ermitteln oder zu schätzen und die Steuerung oder die Regelung daran anzupassen. Dadurch lassen sich etwa adaptive Verfahren oder lernende Verfahren bzw. Einrichtungen ausführen. Es besteht auch die Möglichkeit, Störungen zu messen oder zu ermitteln und durch modellgestützte Einrichtungen oder Verfahren, beispielsweise mit Hilfe von Störbeobachtern, zu ermitteln. Dadurch können beispielsweise Störgrößenkompensationen realisiert und das Positionierverhalten des Positionierantriebs verbessert werden.
• Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Positionierantriebs mit zwei Schrittantriebseinheiten und einer Zentraleinheit,
• 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Zentraleinheit des Positionierantriebs aus 1,
• 2a ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Positionsregelkreises und eines Verspannungsvorgabeblocks der Zentraleinheit aus 2,
• 2b ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrensblocks zur Regelung eines Lastwinkels,
• 3 eine schematische Darstellung eines Schrittmotors einer Schrittantriebseinheit aus 1,
• 4 eine schematische Prinzipdarstellung zur Herstellung eines Verspannungszustandes,
• 5 bis 7 jeweils ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Positionierantriebs und
• 8 und 9 jeweils einen schematischen, beispielhaften zeitlichen Verlauf für den Statorfeldistwinkel der beiden Schrittmotoren und einen sich daraus ergebenden Rotorfeldistwinkel für die beiden Schrittmotoren.
• 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Positionierantriebes 15 in Form eines Blockschaltbildes. Der Positionierantrieb 15 dient zum Bewegen bzw. Positionieren eines Abtriebselements 16. Das Abtriebselement 16 kann beispielsweise ein Tisch oder ein Schlitten zur Positionierung oder zur Regelung der Bewegung bzw. des Vorschubs eines Werkzeugs oder eines Werkstücks sein. Das Abtriebselement 16 kann rotatorisch oder translatorisch angetrieben werden.
• Das Abtriebselement 16 ist mit einem Kopplungsausgang 17 einer mechanischen Kopplungseinheit 18 verbunden. Die Kopplungseinheit 18 ist beispielsgemäß als Getriebe ausgeführt, z. B. als Strinradgetriebe oder ein anderen Zahnradgetriebe. Sie hat einen ersten Kopplungseingang 19 und einen zweiten Kopplungseingang 20. Jeder Kopplungseingang 19, 20 ist mit dem Kopplungsausgang 17 kraftgekoppelt. Außerdem sind bei dem Ausführungsbeispiel auch die beiden Kopplungseingänge 19, 20 miteinander kraftgekoppelt. Dadurch ist eine Bewegung am Kopplungsausgang 17 unabhängig von einem der beiden Kopplungseingänge 19, 20 nicht möglich.
• Der Positionierantrieb 15 weist eine erste Schrittantriebseinheit 21 mit einer ersten Schrittantriebssteuerung 22 und einem ersten Schrittmotor 23 auf. Die erste Schrittantriebssteuerung 22 erzeugt ein erstes Schrittsignal ST1 für den ersten Schrittmotor 23. Der erste Schrittmotor 23 hat einen Stator 23S und einen Rotor 23R. Der Rotor 23R ist mit dem ersten Kopplungseingang 19 verbunden.
• Analog zur ersten Schrittantriebseinheit 21 ist außerdem eine zweite Schrittantriebseinheit 24 mit einer zweiten Schrittantriebssteuerung 25 und einem zweiten Schrittmotor 26 vorhanden. Die zweite Schrittantriebssteuerung 25 erzeugt ein zweites Schrittsignal ST2 für den zweiten Schrittmotor 26. Der zweite Schrittmotor 26 hat einen Stator 26S und einen Rotor 26R, der mit dem zweiten Kopplungseingang 20 verbunden ist.
• Der Positionierantrieb 15 verfügt außerdem über eine Sensoreinheit 27, die beispielsgemäß wenigstens einen Positionssensor aufweist. Beim Ausführungsbeispiel ist ein erster Positionssensor 28 vorhanden, der ein erstes Positionssignal P1 erzeugt, das die Position und/oder die Positionsänderung des Abtriebselements 16 beschreibt. Beispielsweise kann der erste Positionssensor 28 durch einen Winkelsensor oder einen anderen Positionssensor realisiert sein, der die aktuelle, absolute Position des Abtriebselements 16 misst und ein entsprechendes erstes Positionssignal P1 erzeugt.
• Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Sensoreinheit 27 außerdem einen zweiten Positionssensor 29 sowie einen dritten Positionssensor 30 auf. Der zweite und der dritte Positionssensor 29, 30 sind jeweils einem Rotor 23R bzw. 26R eines Schrittmotors zugeordnet und erfassen dessen Drehlage. Der zweite oder dritte Positionssensor 29, 30 können beispielsweise als Encoder ausgeführt sein und erzeugen ein zweites Positionssignal P2 bzw. ein drittes Positionssignal P3, die jeweils den Rotoristwinkel φ_R23,ist bzw. φ_R26,ist des zugeordneten Rotors 23R bzw. 26R beschreiben. Der zweite und der dritte Positionssensor 29, 30 sind optional und dienen dazu, eine unterlagerte Regelung für einen jeweiligen Lastwinkel λ₂₃ des ersten Schrittmotors 23 und einen Lastwinkel λ₂₆ des zweiten Schrittmotors 26 auszuführen. Der Lastwinkel λ₂₃ bzw. λ₂₆ jedes Schrittmotors 23 bzw. 26 ergibt sich aus der Differenz aus einem Statorfeldistwinkel ρ_Si,ist und dem Rotorfeldistwinkel Þ_Ri,ist. Für den Index i bezieht sich der Wert i = 23 jeweils auf den ersten Schrittmotor 23 und der Index i = 26 jeweils auf den zweiten Schrittmotor 26. Der Statorfeldistwinkel ρ_Si,ist wird aus dem bekannten Statorfeldsollwinkel ρ_Si,soll und der Rotorfeldistwinkel ρ_Ri,ist aus der Rotorlageninformation der Positionssignale P2 bzw. P3 ermittelt. Mit Hilfe des ersten Positionssensors 28 wird eine überlagerte Regelung für die Position des Abtriebselements 16 ausgeführt.
• Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden Positionssignale von Positionssensoren verwendet. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Position zu schätzen bzw. zu berechnen. Es kann beispielsweise eine definierte Ausgangssituation im Rahmen einer Initialisierung hergestellt werden, z. B. durch Bewegen gegen einen Anschlag. Ausgehend von dieser Ausgangssituation können die Statorfeldänderungen bzw. Schrittimpulse gezählt werden. Basierend auf der Information der Übertragungsfaktoren sowie der Polpaarzahlen der Schrittmotoren 23, 26 lässt sich dann die jeweilige Position berechnen. Dieses Verfahren kann optional dadurch weiter verbessert werden, dass Getriebespielkennlinien bzw. Übertragungskennlinien der kinematischen Strecke und gegebenenfalls Elastizitäten in der kinematischen Übertragungsstrecke bestimmt und berücksichtigt werden.
• Das wenigstens eine Positionssignal und die beispielsgemäß drei Positionssignale P1, P2, P3 der Sensoreinheit 27 werden einer Zentraleinheit 31 übermittelt. Die Zentraleinheit 31 erhält außerdem einen Kinematiksollwert, die hier durch einen Positionssollwert PS gebildet ist, sowie einen Verspannungssollwert VS. Der Positionssollwert PS definiert die Sollposition des Abtriebselements 16 und der Verspannungssollwert VS beschreibt eine mechanische Verspannung, die durch die beiden Schrittantriebseinheiten 21, 24 an die Kopplungseingänge 19, 20 der Kopplungseinheit 18 angelegt werden soll. Durch die Verspannung kann insbesondere um ein Spiel in der mechanischen Übertragung zwischen den Kopplungseingängen 19, 20 und dem Kopplungsausgang 17 und mithin in der kinematischen Kette zwischen den beiden Rotoren 23R, 26R und dem Abtriebselement 16 eliminiert werden. Ist der Verspannungszustand hergestellt, ist ein vorhandenes Spiel zumindest reduziert und idealerweise vollständig eliminiert.
• Als Kinematiksollwert kann in Abweichung zu dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auch eine Bewegungsvorgabe für das Abtriebselement 16 verwendet werden, beispielsweise eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung und/oder ein Ruck. Dadurch kann beispielsweise eine Vorschubbewegung gesteuert oder geregelt werden.
• Das Vorgeben eines Verspannungssollwertes ist optional. In der Zentraleinheit 31 kann anhand einer vorgegebenen Verspannungsstrategie oder anhand von Erfahrungswerten oder eines Kennfeldes bzw. anhand von weiteren Parametern, wie etwa der Drehzahl des Abtriebselements, ein Verspannungssollwert und damit ein Verspannmoment ermittelt werden. Es ist auch möglich, der Zentraleinheit 31 keinen Verspannungssollwert vorzugeben, sondern einen Fuzzy-Sollwert wie beispielsweise „aus”, „schwach”, „stark” oder dergleichen vorzugeben. Auch anhand von solchen Fuzzy-Sollwerten kann in der Zentraleinheit 31 wie geschildert der Verspannungssollwert ermittelt werden.
• Der Positionierantrieb 15 hat durch die Verwendung von zwei Schrittantriebseinheiten 21, 24 zwei Freiheitsgrade, durch die zum einen das Abtriebselement 16 positioniert und zum anderen der Verspannungszustand hergestellt werden kann. Im Verspannungszustand weisen die Schrittmotoren 23, 26 der Schrittantriebseinheiten 21, 24 jeweils einen Lastwinkel λ_i auf, wodurch sie ein Motormoment M_i erzeugen. Die Motormomente M_i sind beispielsgemäß betragsmäßig gleich groß und haben eine unterschiedliche Richtung (4).
• Abhängig vom dem Kinematiksollwert PS und dem Verspannungssollwert VS ermittelt die Zentraleinheit 31 ein erstes Ansteuersignal A1 für die erste Schrittantriebseinheit 21 und ein zweites Ansteuersignal A2 für die zweite Schrittantriebseinheit 24. Die Ansteuersignale A1, A2 geben jeweils eine Positionsänderung für den zugeordneten Schrittantrieb 23 bzw. 26 an. Dabei wird durch das betreffende Ansteuersignal A1, A2 zur Positionierung des Abtriebselements 16 angegeben, in welche Richtung das Statorfeld 23S bzw. 26S gedreht und um welchen Betrag bzw. um welche Schrittzahl die Drehung erfolgen soll. Das betreffende Ansteuersignal A1, A2 kann auch eine die Statorfeldstärke charakterisierende Größe, wie etwa die Stromamplitude ID_i,soll vorgeben. Vorzugsweise ist deren Betrag jedoch konstant und wird während der Positionierung des Abtriebselements 16 nicht verändert.
• Erfindungsgemäß kann über die kinematische Kopplungseinheit 18 sowie die Ansteuersignale A1, A2 und die dadurch angegebenen Statorfeldgrößen eine Verspannsituation hergestellt werden. Denn die Rotorfelder können im Verspannungszustand den Statorfeldern nicht folgen. Dadurch baut sich bei jedem Schrittmotor 23, 26 ein Lastwinkel λ_i auf. Die Ansteuersignale A1, A2 können die Lastwinkel λ_i der Schrittmotoren 23, 26 vergrößern, indem sie gegensinnige Drehrichtungsvorgaben für die betreffenden Statorfelder machen oder das Abtriebselement bewegen, indem sie gleichsinnige Drehrichtungsvorgaben für die Statorfelder machen. Die Zentraleinheit 31 ist dazu eingerichtet, geeignete gegensinnige oder gleichsinnige oder auch Überlagerungen von gegensinnigen und gleichsinnigen Ansteuersignalen A1, A2 auszugeben, so dass sowohl die überlagerte Positionsregelung, als auch die unterlagerte Verspannungsregelung bzw. Verspannungssteuerung ausgeführt wird. Die Ansteuersignale geben also an, welcher Lastwinkel λ_i an den Schrittmotoren 23, 26 eingestellt werden soll, um den gewünschten Verspannungszustand zu erreichen.
• Die Schrittantriebssteuerungen 22, 25 haben keine Eingänge, über die das Motormoment oder ein das Motormoment definierender Motorstrom, insbesondere Ankerquerstrom, vorgegeben werden kann. Die Schrittantriebssteuerungen 22, 25 haben lediglich Eingänge, an denen der Betrag einer Drehbewegung eines Statorfelds (also den Statorfeldsollwinkel ρ_i,soll) und/oder dessen Drehrichtung und/oder dessen Feldstärke vorgeben. Die Feldstärke ist dabei Proportional zu der Stromsollamplitude I_Di,soll. Aus der Stromsollamplitude I_Di,soll und dem Statorfeldsollwinkel ρ_Si,soll werden die Sollströme I_ki,soll für die Phasen k = 1 bis n berechnet.
• Die Schrittmotoren 23, 26 haben vorzugsweise eine Polpaarzahl von mindestens 25.
• Die jeweilige Schrittantriebssteuerung 22 bzw. 25 ist dazu eingerichtet, die Istströme I_ki,ist für die verschiedenen Phasen k des zugeordneten Schrittmotors 23 bzw. 26 anhand der Sollströme I_ki,soll einzustellen. In Abhängigkeit von der Anzahl der Phasen wird jeder Sollstrom I_ki,soll für eine Phase wie folgt ausgerechnet: I_ki,soll = ID_i,soll·sin(ρ_Si,soll + (k – 1)·90°) (1a) für einen Schrittmotor mit n = 2 Phasen und I_ki,soll = ID_i,soll·sin(ρ_Si,soll + (k – 1)· 360° / n) (1b) für einen Schrittmotor mit n > 2 Phasen. mit:

I_ki,soll:

Sollstrom für die Phase k

ID_i,soll:

Stromamplitudensollwert;

ρ_Si,soll:

Statorfeldsollwinkel des Stators i;

i:

Index für die Schrittmotoren 23, 26k

k:

Index für die Phasen (k = 1, 2, ...n)

• Dabei gilt:

  
• Der Stromregelkreis einschließlich der Wicklungsinduktivitäten und der Wicklungswiderstände können anhand einer Verzögerungsgliedes erster Ordnung beschrieben werden. Die Istströme I_ki,ist für die Phasen ergeben sich zu:

  
• Die Zeitkonstante τ ist klein und daher kann Gleichung (1d) vereinfacht werden zu: I_ki,ist ≈ I_ki,soll bzw. ρ_si,ist ≈ ρ_si,soll.
• In 3 sind schematisch zwei Ströme I₁, I₂ für die einzelnen Phasen eines Stators 23S, 26S veranschaulicht. Über die Strangströme I_k kann der der Statorfeldistwinkel ρ_si,ist für den betreffenden Stator 23S, 26S eingestellt werden.
• In 2 ist stark vereinfacht und symbolisch die Zentraleinheit 31 mit ihren Funktionen veranschaulicht. Der Zentraleinheit 31 werden beispielsgemäß die Positionssignale P1, P2, P3 übermittelt, wie im Zusammenhang mit 1 bereits erläutert. Die Zentraleinheit 31 weist einen überlagerten Positionsregelkreis 40 auf. In dem Positionsregelkreis 40 wird die Position des Abtriebselements 16 überlagert geregelt. Hierfür wird dem Positionsregelkreis 40 insbesondere das erste Positionssignal P1 übermittelt.
• Die Zentraleinheit 31 weist außerdem einen Verspannvorgabeblock 41 auf, der anhand des Verspannungssollwertes VS und gegebenenfalls einem oder mehreren Positionssignalen P1, P2, P3 eine Verspannstrategie auswählen und einem nachfolgenden Verfahrensblock 42 übermitteln. Zur Auswahl der Verspannstrategie können dem Verspannvorgabeblock 41 zusätzlich oder alternativ auch die Ansteuersignale A1, A2 und/oder der Kinematiksollwert PS oder andere verfügbare Signale bzw. Werte übermittelt werden. Beispielsweise kann als Verspannstrategie bei einer hohen Drehzahl der Schrittmotoren 23, 26 bzw. bei einer schnellen Bewegung des Abtriebselements 16 die Verspannung vermindert oder ganz aufgehoben werden, wenn es bei der schnellen Verstellung nicht auf die Spielfreiheit der Kopplungseinheit 18 ankommt. Als Verspannstrategie kommen beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Möglichkeiten in Betracht:
• – der Verspannungssollwert VS ist vorgegeben und wird unverändert beibehalten, womit einmalig ein Sollwert für das Verspannmoment M_V,soll berechnet wird;
• – abhängig von dem Verspannungssollwert VS und wenigstens einem weiteren Parameter, wie etwa einem Positionssignal P1, P2, P3, wird ein modifizierter Verspannungssollwert VS' und mithin kontinuierlich ein Sollwert für das Verspannmoment M_V,soll berechnet, auf dessen Basis ein Lastwinkelsollwert λ_i,soll für jeden Schrittmotor 23, 26 an den Verfahrensblock 42 weitergegeben wird;
• – als Parameter zur Berechnung des modifizierten Verspannungssollwertes VS' bzw. des Sollwerts für das Verspannmoment M_V,soll kann beispielsweise die Drehzahl und/oder die Beschleunigung wenigstens eines Schrittmotors 23, 26 bzw. des Abtriebselements 16 verwendet werden.
• Abhängig von der gewählten Verspannstrategie im Verspannvorgabeblock 41 wird ein Motorsollmoment M_i,soll für jeden Schrittantrieb 23, 26 und mithin ein Lastsollwinkel λ_i,soll ermittelt. Beim Ausführungsbeispiel wird das Motorsollmoment M_i,soll durch einen Lastsollwinkel λ_i,soll beschrieben. Der Zusammenhang zwischen dem Motorsollmoment und dem Lastsollwinkel kann abhängig vom Motorentyp vorgegeben sein, beispielsweise durch ein Kennfeld, eine Funktion oder eine Tabelle. Der Lastsollwinkel λ_i,soll definiert das jeweilige Motorsollmoment M_i,soll, das durch den betreffenden Schrittmotor 23 bzw. 26 erzeugt wird. Dabei gilt folgender Zusammenhang: Der Lastistwinkel λ_i,ist entspricht der Differenz aus dem Rotorfeldistwinkel ρ_Ri,ist minus dem Statorfeldistwinkel ρ_Si,ist, λ_i,ist = ρ_Si,ist – ρ_Ri,ist (2) mit:

λ_i,ist:

Lastistwinkel des Schrittmotors i;

ρ_Ri,ist:

Rotorfeldistwinkel des Schrittmotors i;

ρ_Si,ist:

Statorfeldistwinkel des Schrittmotors i.

• Abhängig von der Polpaarzahl des Schrittmotors 23, 26 besteht folgender Zusammenhang zwischen dem Rotorfeldistwinkel ρ_Ri,ist (elektrischer Rotorfeldwinkel) und dem mechanischen Rotoristwinkel φ_Ri,ist: ρ_Ri,ist = φ_Ri,ist·pz_i (3) mit:

ρ_Ri,ist:

Rotorfeldistwinkel des Schrittmotors i;

φ_Ri,ist:

mechanischer Rotoristwinkel des Schrittmotors i;

pz_i:

Polpaarzahl des Schrittmotors i.

• Ein entsprechender Zusammenhang gilt für den Statorfeldistwinkel ρ_Si,ist (elektrischer Statorfeldistwinkel) und den mechanischen Statoristwinkel φ_Si,ist: ρ_Si,ist = φ_Si,ist·pz_i (4) mit:

ρ_Si,ist:

Statorfeldistwinkel des Schrittmotors i;

φ_Si,ist:

Statoristwinkel des Schrittmotors i;

pz_i:

Polpaarzahl des Schrittmotors i.

• Ein fertigungs- oder montageabhängiger Winkeloffset φ_Si,0 für den Stator und/oder ein fertigungs- oder montageabhängiger Winkeloffset φ_Ri,0 für den Stator ist in den Gleichungen (3) und (4) vernachlässigt. ρ_Ri,ist = (φ_Ri,ist – φ_Ri,0)·pz_i (3') ρ_Si,ist = (φ_Si,ist – φ_Si,0)·pz_i (4')
• Die Winkeloffsets können regelungstechnisch eliminiert werden. Sie lassen sich durch einen Initialisierungsvorgang, beispielsweise eine Referenzfahrt, oder durch Verwendung von Absolut-Winkelgebern ermitteln.
• Der jeweilige mechanische Rotoristwinkel φ_Ri,ist kann gemessen, berechnet oder geschätzt werden. Im vorliegenden Fall wird der mechanische Rotoristwinkel für den ersten Schrittmotor 23 durch das zweite Positionssignal P2 und der Rotoristwinkel des Schrittmotors 26 durch das dritte Positionssignal P3 beschrieben. Somit lassen sich die jeweiligen elektrischen Rotorfeldistwinkel nach Gleichung (3) ermitteln.
• Der Statorfeldsollwinkel ρ_Si,soll ist bekannt, da er über das betreffende Ausgangssignal A1 bzw. A2 ausgegeben wurde und daher ist auch der Statoristwinkel φ_Si,ist bekannt, da er im jeweils vorangehenden Regelzyklus ermittelt wurde und daher zur Berechnung des Statorfeldistwinkels ρ_Si,ist nach Gleichung (4) verwendet werden kann. Somit kann der Lastistwinkel λ_i,ist termittelt und mit einem Lastsollwinkel λ_i,soll verglichen werden, der dem Verfahrensblock 42 von dem Verspannvorgabeblock 41 übermittelt wird. Dementsprechend kann der Verfahrensblock 42 anhand der Abweichung zwischen dem Lastsollwinkel λ_i,soll und dem Lastistwinkel λ_i,ist über einen Regler eine Änderungsrate ermitteln, die überlagert wird mit der zeitlichen Änderungsrate für den Rotorfeldsollwinkel ρ_Ri,soll, wodurch das entsprechende Verspannmoment M_i,ist eingestellt wird (2b).
• Die Zentraleinheit 31 weist außerdem einen Ausgabeblock 43 auf. Im Ausgabeblock 43 werden schließlich die Ansteuersignale A1, A2 für die Schrittantriebseinheiten 21, 24 ermittelt.
• In der 2b ist ein Teil des Verfahrensblocks 42 sowie des Ausgabeblocks 43 veranschaulicht, der zur Erzeugung und Ausgabe des ersten Ansteuersignals A1 dient. Entsprechend hierzu sind weitere Teile des Verfahrensblocks 42 bzw. des Ausgabeblocks 43 vorhanden, die zur Ermittlung und Ausgabe des zweiten Ansteuersignals A2 dienen.
• Als Regler wird in dem Verfahrensblock 42 beispielsweise ein Proportionalregler zur Lastwinkelregelung verwendet. Im Verfahrensblock 42 wird der Statorfeldsollwinkel ρ_Si,soll zugeführt, der in etwa dem Statorfeldistwinkel ρ_Si,ist entspricht. Durch Differenzbildung mit dem Rotorfeldistwinkel ρ_Ri,ist ergibt sich der jeweilige Lastistwinkel λ_i,ist. Die Regelabweichung zwischen dem Lastsollwinkel und dem Lastistwinkel wird dem Lastwinkelregler 44 übermittelt. Dieser erzeugt an seinem Ausgang eine erste seitliche Solländerungsrate d1_i,soll, die überlagert wird mit der Solländerungsrate für den Rotorfeldsollwinkel ρ_Ri,soll des Positionsregelkreises 40 (vgl. 2). Daraus ergibt sich eine zeitliche Solländerungsrate für den Statorfeldsollwinkel ρ_Si,soll, der durch den Ausgabeblock 43 übermittelt wird.
• Die Regelung des Lastwinkels ist in einem unterlagerten Regelkreis ausgeführt. Beispielsweise kann der überlagerte Positionsregelkreis 40 den jeweiligen Rotoristwinkel und mithin die Position des Abtriebselements 16 regeln, während die unterlagerte Regelung für den Lastwinkel λ_i bzw. den Statorfeldwinkel ρ_Si regelt.
• Zur Umsetzung der Regelung können P-Regler, PI-Regler, PID-Regler oder dergleichen verwendet werden. Durch die Einstellung der Regler für den überlagerten bzw. den unterlagerten Regelkreis kann ein stabiles Gesamtsystem erreicht werden.
• Allgemein ist bei den verwendeten Reglern darauf zu achten, dass die Schrittantriebe nicht überlastet werden. Es ist deshalb vorteilhaft, wenn die Regler Stellgrößenbegrenzungen wie Drehzahlbegrenzungen oder Beschleunigungsbegrenzungen aufweisen. Denn Schrittantriebe sind im Vergleich zu Servomotoren in der Regel nicht überlastfähig, da in der Regel die Stromamplitude konstant gehalten wird und nach Überschreiten des Maximallastwinkels das Moment nicht weiter vergrößert werden kann.
• In 2a ist der Postionsregelkreis 40 sowie der Verspannvorgabeblock 41 der Zentraleinheit 31 schematisch anhand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht.
• Dem Positionsregelkreis 40 wird der Positionssollwert PS sowie das erste Positionssignal P1 zugeführt und die Differenz daraus gebildet und einem Lageregler 45 zugeführt. Der Lageregler gibt eine erste Solldrehzahl w1_soll aus. Anschließend wird eine Differenz zwischen der ersten Solldrehzahl w1_soll und einer zweiten Solldrehzahl w2_soll gebildet und einem Drehzahlregler 46 zugeführt, der eine Solldrehzahländerung dw_soll für das Abtriebselement 16 ausgibt. Die Solldrehzahländerung dw_soll wird in einem Integrierer 47 integriert und daraus die zweite Solldrehzahl w2_soll gebildet. Diese zweite Solldrehzahl w2_soll wird anschließend einem ersten kinematischen Modell 48 sowie einem zweiten kinematischen Modell 49 übermittelt. Diese bilden die gegebenenfalls vorhandenen Übersetzungen in der Kopplungseinheit 18, sowie charakterisierende Parameter der Schrittantriebe, wie etwa die jeweilige Polpaarzahl ab. An den Ausgängen wird jeweils die Änderungsrate dρ_Ri,soll des Rotorfeldsollwinkels ρ_Ri,soll für den jeweiligen Schrittmotor 23 bzw. 26 ermittelt, ausgegeben und an den Verfahrensblock 42 übermittelt.
• Wie in 2a veranschaulicht, wird hier als Istdrehzahl die durch den Integrierer ausgegebene zweite Solldrehzahl w2_soll verwendet. Dieses Signal ist frei von Messrauschen und ermöglicht hohe Kreisverstärkungen im Drehzahlregler 46. Den Reglern 45, 46 ist jeweils ein Stellgrößenbegrenzer nachgeschaltet, um die notwenigen Beschleunigungs- bzw. Drehzahlgrenze einzuhalten. Das Überlasten der Schrittantriebe und ein Außer-Tritt-Geraten werden vermieden. Die Stellgrößenbegrenzer können auf konstante Werte oder variabel parameterabhängig und sozusagen situationsabhängig eine jeweilige Stellgrößenbegrenzung ausführen.
• In dem Ausgabebelock 43 (2b) der Zentraleinheit 31 wird aus den Änderungsraten dρ_Si,soll der Statorfeldsollwinkel ρ_Si,soll, die in dem Verfahrensblock 42 ermittelt wurden, ein Taktimpuls TI sowie ein Richtungsimpuls RI erzeugt. Hierzu wird jeweils die Solländerungsrate dρ_Si,soll des betreffenden Statorfeldsollwinkels ρ_Si,soll ausgewertet. Durch eine Vorzeichenstimmungseinheit 60 ergibt sich der Richtungsimpuls RI. Der Betrag der Solländerungsrate des Statorfeldsollwinkels wird einer Betragsbildungseinheit 61 ermittelt, gegebenenfalls mit einem Proportionalfaktor multipliziert, anschließend über eine Begrenzungseinheit 62, einem Taktgeber 63 zugeführt, der die Taktimpulse TI ausgibt. Der Richtungsimpuls RI, der Taktimpuls TI sowie gegebenenfalls der Stromamplitudensollwert ID_i,soll ergeben entsprechend das entsprechend das betreffende Ansteuersignal A1 bzw. A2.
• Das betreffende Ansteuersignal A1 bzw. A2 wird einem Zähler 64 zugeführt, der daraus die absolute Schrittzahl des betreffenden Schrittmotors 23, 26 ermittelt. Daraus lässt sich in einer Berechnungseinheit 65 jeweils der betreffende Statorfeldsollwinkel ρ_Si,soll ermitteln und an den Verfahrensblock 42 übermitteln.
• In dem Verspannvorgabeblock 41 werden die Lastsollwinkel λ_i,soll für die Schrittmotoren 23, 26 bestimmt (2a). In einem Funktionsblock 70 wird aus dem Verspannungssollwert VS das Verspannungssollmoment M_V,soll ermittelt und anschließend getrennt für die beiden Schrittmotoren 23, 26 in jeweils einer Berechnungsstrecke weiter verarbeitet, die grundsätzlich gleich aufgebaut sind. Jede Berechnungsstrecke weist einen Begrenzungsblock 71, einen ersten Normierungsblock 72 und einen zweiten Normierungsblock 73 auf. In dem Begrenzungsblock wird das jeweilige Motormoment auf ein Maximalmoment begrenzt. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Maximallastwinkel nicht überschritten wird. Anschließend wird das Ausgangssignal des Begrenzungsblocks 71 in dem ersten Normierungsblock 72 auf das Maximalmoment normiert und schließlich in dem zweiten Normierungsblock 73 auf den Maximallastwinkel normiert und als Lastsollwinkel λ_i,soll ausgegeben. Das Maximalmoment kann abhängig von dem Stromamplitudensollwert ID_i,soll, von Drehmomentkonstanten, von der aktuellen Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl und der Betriebsspannung ermittelt werden.
• Optional kann dem Verspannungssollmoment M_V,soll für jede Berechnungsstrecke vor dem jeweiligen Begrenzungsblock 71 ein einem gewünschten Beschleunigungswert entsprechendes Zusatzmoment Ma_i,soll hinzuaddieren, um ein gezieltes Beschleunigungsmoment auf den jeweiligen Schrittantrieb 23 bzw. 26 aufzuschalten.
• Der Verspannungszustand in der Kopplungseinheit 18 bei der Positionierung oder bei der erreichten Position des Abtriebselements 16 ist schematisch in 4 veranschaulicht. Durch einen ersten Lastistwinkel λ_23,ist am ersten Schrittmotor 23 und einem zweiten Lastistwinkel λ_26,ist am zweiten Schrittmotor 26 werden entsprechend entgegengesetzt gerichtete Verspannmomente M₂₃ bzw. M₂₆ erzeugt. Durch diese beiden Verspannmomente M₂₃, M₂₆ wird das Abtriebselement 16 nicht bewegt, sondern unter Eliminierung des Spiels in der Kopplungseinheit 18 in der Position gehalten oder bewegt, die wiederum durch die überlagerte Positionsregelung vorgegeben ist.
• Der Lastsollwinkel λ_i,soll ist abhängig vom Typ des Schrittmotors auf einen Maximallastwinkel λ_max begrenzt. Es wird dadurch sichergestellt, dass sich der Lastsollwinkel λ_i,soll in einem Bereich befindet, in dem der Betrag des Last- oder Motormoments M_i mit zunehmendem Betrag des Lastwinkelistwertes λ_i,ist zunimmt (4). Bei Permanentmagnetschrittmotoren wird der Lastwinkel betragsmäßig auf 90° und bei Reluktanzschrittmotoren auf 45° begrenzt, während bei Hybrid-Schrittmotoren der Maximallastwinkel im Bereich von 45° bis 90° liegen kann. Bei betragsmäßig größeren Lastwinkeln würde das Motormoment der Schrittmotoren 23, 26 wieder abnehmen.
• Wenn der Positionierantrieb 15 keine Positionssensoren 29, 30 zur Bestimmung der Position des jeweiligen Rotors 23R, 26R aufweist, kann anstelle einer Regelung für die Motormomente M_i auch ein Steuerverfahren verwendet werden. Hierzu kann die Zentraleinheit 31 einen Initialisierungsblock 50 aufweisen. Über den Initialisierungsblock 50 wird zunächst eine definierte Ausgangssituation hergestellt. Hierfür kann z. B. das Abtriebselement 16 in eine definierte Nullposition bewegt werden, bei rotativ angetriebenen Abtriebselementen vorzugsweise einmal in jede Drehrichtung. Dies wird insbesondere für beide Schrittantriebseinheiten 21, 24 einzeln und separat ausgeführt. Die Nulllage wird sensorisch erfasst, beispielsweise mittels des ersten Positionssensors 28. Durch die Initialisierung wird ein Zusammenhang zwischen der Drehbewegung jedes Rotors 23S, 26S und dem Abtriebselement 16 erfasst und gespeichert. Dabei lassen sich auch Übersetzungsfehler in der mechanischen Kopplungseinheit 18 korrigieren. Ein Lastsollwinkel λ_i,soll kann jetzt ausgehend von einer ursprünglichen Drehlage der Rotoren 23R, 26R durch eine vorgegebene Anzahl von Drehschritten eingestellt werden. Ansonsten entspricht das Steuerverfahren der zuvor beschriebenen Regelung.
• Stehen das zweite Positionssignal P2 und das dritte Positionssignal P3 nicht zur Verfügung, können diese beiden Positionssignale im spielfreien Zustand auch anhand des ersten Positionssignals P1 sowie in Abhängigkeit von der jeweiligen Übersetzung in der Kopplungseinheit 18 geschätzt bzw. ermittelt werden. Das zweite Positionssignal P2 ergibt sich aus einer Multiplikation der Übersetzung i_17,23 zwischen dem Kopplungsausgang 17 und dem ersten Schrittmotor 23 multipliziert mit dem ersten Positionssignal P1. Das dritte Positionssignal P3 ergibt sich analog hierzu aus der Multiplikation zwischen der Übersetzung i_17,26 zwischen dem Kopplungsausgang 17 und dem zweiten Schrittmotor 26 multipliziert mit dem ersten Positionssignal P1. Jeweils multipliziert mit der betreffenden Polpaarzahl ergeben sich dann die virtuellen Sensorsignale PV2 bzw. PV3.
• Sollte auch das erste Positionssignal P1 nicht zur Verfügung stehen, kann auch dieses geschätzt bzw. ermittelt werden. Unter der Voraussetzung, dass die Stromamplituden in etwa gleich groß sind und gleiche Schrittmotoren verwendet werden, wird sich das Abtriebselement 16 näherungsweise eine Mittelstellung einnehmen, so dass gilt: PV1 = 0,5(PZ₂₃·ρ_S23,ist·i_17,23 + PZ₂₆·ρ_S26,ist·1_17,26) (5) mit:

PZ₂₃:

Polpaarzahl des ersten Schrittmotors 23;

PZ₂₆:

Polpaarzahl des zweiten Schrittmotors 26;

i_17,23:

Übersetzung zwischen Kopplungsausgang 17 und erstem Schrittmotor 23;

i_17,26:

Übersetzung zwischen Kopplungsausgang 17 und zweitem Schrittmotor 26.

• Damit kann letzten Endes eine reine Steuerung ohne Positionssignalrückführung erreicht werden. Es kann aber auch vorteilhaft sein, das erste Positionssignal P1 zu verwenden, und lediglich die virtuellen Positionssignale PV2, PV3 zu ermitteln. Hierfür kann das erste Positionssignal P1 oder das virtuelle erste Positionssignal PV1 verwendet werden: PV2 = ρ_R23,ist = PV1·PZ₂₃·i_17,23 (6a) PV3 = ρ_R26,ist = PV1·PZ₂₆·i_17,26 (6b)
• Die Möglichkeit, das erste Positionssignal P1 auf mehrere Weisen alternativ oder redundant berechnen zu können, kann auch dazu verwendet werden, einen Sensorfehler zu erkennen und/oder eine Blockierung des Antriebs zu erkennen. Gerade bei der Verwendung von Schrittmotoren kann dies relevant sein, da die Schrittmotoren 23, 26 gegen Überlast nicht tolerant sind. Dementsprechend können geeignete Maßnahmen eingeleitet werden. Z. B. kann bei einem Sensorfehler bei der Positionsbestimmung des Abtriebselements 16 auf eine Notregelung umgeschaltet werden, bei der anstelle des ersten Positionssignals P1 das virtuelle erste Positionssignal PV1 verwendet wird. Bei einer Überlast zumindest eines Schrittantriebs 23, 26 kann ein Nothalt und/oder ein Fehlersignal ausgegeben werden.
• Wenn der Sensorsignalblock 51 nicht vorhanden ist, werden anstelle der virtuellen Sensorsignale PV1, PV2, PV3 die Positionssignale P1, P2, P3 für die Regelung innerhalb der Zentraleinheit 31 verwendet.
• Mit Hilfe des Positionierantriebes 15 kann im Verspannungszustand außerdem eine Subschritt-Positionsänderung erreicht werden. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn ein konstantes Verspannmoment M_V vorgegeben wird und die Lastsollwinkel konstant bleiben sollen, insbesondere in der Soll- oder Zielposition des Abtriebselements 16. Dabei kann die Lastwinkelregelung ausgeschaltet werden.
• Eine Subschritt-Positionsänderung ist schematisch in 8 veranschaulicht. Außerhalb des Verspannungszustands kann jeder Schrittmotor 23, 26 den kleinstmöglichen Drehschritt DS ausführen. Im Verspannungszustand kann zusätzlich eine Subschritt-Positionsänderung SUB hervorgerufen werden, indem die Statorfelder der beiden Schrittmotoren 23, 26 zeitlich versetzt abwechselnd um einen Drehschritt DS in dieselbe Richtung verdreht werden. Solange nur eines der beiden Statorfelder um einen Drehschritt DS bewegt wird, kann der Rotorwinkel der beiden Schrittmotoren nicht vollständig folgen. Aufgrund der kinematischen Kopplung erhöht sich bei beiden Schrittmotoren der Lastwinkel, wodurch sich jede Rotorposition bzw. damit auch die Abtriebselementposition nur um eine Subschritt-Positionsänderung SUB bewegt. Dies kann beispielsweise einem halben Schritt entsprechen, wenn die kinematischen Übersetzungen zwischen den beiden Schrittantrieben 23, 26 und dem Kopplungsausgang 17 gleich groß sind und die Schrittantriebe identisch ausgeführt sind und weiter dieselbe Stromamplitude aufweisen.
• Beim Verstellen des Statorfeldistwinkels nur einer Schrittantriebseinheit wird die andere Schrittantriebseinheit ein Verdrehen des Abtriebselements 16 um den vollen Schrittbetrag verhindern und stattdessen sowohl ihren eigenen Lastwinkel als auch den der anderen Schrittantriebseinheit erhöhen. Erst wenn die andere Schrittantriebseinheit ebenfalls einen Mikroschritt weiter bewegt wird (indem der Statorfeldistwinkel entsprechend weiter gedreht wird) wird auch das Abtriebselement 16 um den vollen Betrag weiter gedreht und der Lastwinkel beider Schrittantriebseinheiten verringert sich wieder. Somit lassen sich durch abwechselnde Schrittfolge Sub-Mikroschrittauflösungen erzielen, die hier als Subschritt-Positionsänderung SUB veranschaulicht sind.
• Werden nun die beiden Statorwinkel sequentiell in die gleiche Drehrichtung um jeweils einen Drehschritt DS bewegt, kann dadurch der Rotorwinkel der beiden Schrittmotoren und mithin das Abtriebselement 16 jeweils mit der Subschritt-Positionsänderung bewegt werden, die beispielsgemäß dem halben Drehschritt DS entspricht. Dies ist dann der Fall, wenn die Übersetzungsverhältnisse vom ersten Kopplungseingang 19 zum Kopplungsausgang 17 und vom zweiten Kopplungsausgang 20 zum Kopplungsausgang 17 gleich groß sind. Unterschiedliche Übersetzungen würden unterschiedlich große Subschritt-Positionsänderungen abhängig davon bewirken, ob das Statorfeld des Schrittmotors 23 oder des Schrittmotors 26 um einen Drehschritt DS bewegt wird.
• Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Subschritt-Positionsänderung ist in 9 schematisch veranschaulicht. Während bei allen bisherigen Ausführungsbeispielen der Stromamplitudenwert ID zur Erzeugung der Statorfelder nicht verändert wurde, wird beim in 9 veranschaulichten Verfahren beispielsgemäß der Stromamplitudenwert ID_i zur Erzeugung des Statorfeldes für den ersten Schrittmotor 23 kleiner gesetzt.
• Ist die Stromamplitude der Schrittantriebseinheiten 21, 24 unterschiedlich, so bewirkt ein Statorfeldschritt der schwächeren Schrittantriebseinheit eine kleinere Lastwinkelerhöhung bei der jeweils anderen Schrittantriebseinheit als bei sich selbst. Hierdurch wird das Abtriebselement 16 nicht um einen halben Mikroschritt, sondern entsprechend weniger bewegt. Die Schrittantriebseinheiten 21, 24 haben bei einer solchen Ausführung unterschiedliche Auswirkungen auf den Kopplungsausgang 17 der Kopplungseinheit 18, was durch nicht-Linearitäten in der Momenten-Lastwinkel-Kurve der Schrittantriebseinheiten 21, 24 noch weiter verstärkt werden kann. So lassen sich auch Schrittfolgen mit unterschiedlich großen Beträgen am Kopplungsausgang 17 bilden.
• Zunächst wird wie bei dem im Zusammenhang mit 8 beschriebenen Verfahren zur Subschritt-Positionsänderung das Statorfeld des ersten Schrittmotors 23 um einen Drehschritt DS bewegt (erster Zeitpunkt t1). Zur Ausführung der nachfolgenden Subschritt-Positionsänderung wird der Stromamplitudenwert ID zur Erzeugung des ersten Statorfeldes vergrößert (zweiter Zeitpunkt t2). Die nächste Subschritt-Positionsänderung SUB zu einem dritten Zeitpunkt t3 wird dadurch erreicht, dass der Stromamplitudenwert ID des ersten Statorfeldes wieder auf seinen Ausgangswert reduziert wird und gleichzeitig das zweite Statorfeld um einen Drehschritt DS bewegt wird. Dieser Verfahrensablauf kann sequentiell zur Ausführung von Subschritt-Positionsänderungen ausgeführt werden.
• Weiterhin ist es möglich, die Sub-Mikroschrittauflösung noch weiter zu erhöhen, indem das Tiefpassverhalten aufgrund der Massenträgheiten bzw. der verzögerten Dynamik der Stromregelkreise der Schrittantriebssteuerungen 22, 25 gezielt ausgenutzt wird. Hierbei erzeugt die Zentraleinheit 31 pulsweitenmodulierte Schrittsignale, die bewirken, dass sich der jeweilige Schrittmotor 23, 26 um einen dem Tastverhältnis entsprechenden Anteil an dem Mikroschritt bewegt. Die Frequenz der Pulsweitenmodulation muss dabei aus reichend groß sein, um aufgrund des Tiefpassverhaltens keine Oszillationen am Abtriebselement 16 zu erzeugen.
• In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Positionierantrieb 15 veranschaulicht. Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist der Positionierantrieb 15 nach 7 ein zusätzliches Abtriebselement 54 auf. Die Position dieses zusätzlichen Abtriebselements 43 wird ebenfalls über einen ersten Positionssensor 28 erfasst, analog zum Abtriebselement 16. Die Kopplungseinheit 18 hat einen zusätzlichen Kopplungsausgang 55, mit dem das zusätzliche Abtriebselement 54 verbunden ist. Die Kopplungseinheit 18 hat zusätzlich zum ersten Kopplungseingang 19 und zum zweiten Kopplungseingang 20 einen dritten Kopplungseingang 56, an den eine dritte Schrittantriebseinheit 57 angeschlossen ist. Wie in 7 zu erkennen ist, sind sämtliche Kopplungseingänge 19, 20, 56 miteinander kraftgekoppelt. Die Verspannung der Kopplungseinheit 18 in Bezug auf das erste Abtriebselement 16 wird mit Hilfe der ersten Schrittantriebseinheit 21 und der zweiten Schrittantriebseinheit 24 bewirkt, während die Verspannung des zusätzlichen Abtriebselements 54 durch die zweite Schrittantriebseinheit 24 und die dritte Schrittantriebseinheit 57 bewirkt wird. Wegen des zusätzlichen Schrittmotoreinheit besteht ein dritter Freiheitsgrad bei der Ansteuerung. Die Verteilung der Verspannmomente zur Erzielung eines Kräfte- bzw. Momentengleichgewichts im Verspannungszustand insgesamt kann bei dieser Ausführung z. B. über einen Zusatzparameter XP vorgegeben werden. Alternativ kann über den Zusatzparameter XP auch zusätzlich eine weitere Positionsvorgabe erteilt werden, so dass für die beiden Abtriebselemente unabhängige Positionsvorgaben gemacht werden können. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel in seinem Aufbau und seiner Funktionsweise den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen und Abwandlungsmöglichkeiten des Verfahrens und des Positionierantriebs 15, wie es im Zusammenhang mit den 1–4 sowie 8 und 9 erläutert wurde.
• Da alle Ein- und Ausgänge der Kopplungseinheit 18 miteinander kraft- bzw. momentengekoppelt sind, kann aufgrund der einen überzähligen Antriebseinheit (es gibt eine Antriebseinheit mehr als Kopplungsausgänge) dessen zusätzliche Stelleigenschaft zum Aufbau der Verspannung in der kinematischen Kette verwendet werden. Die regelungstechnische Ansteuerung ist jedoch aufwendiger. Beispielsweise wäre auch eine Verspannung von fünf Abtriebselementen mit sechs Antriebseinheiten denkbar. Vorzugsweise besitzt jedes Abtriebselement 17, 55 jedoch zwei ihm zugeordnete separate Antriebseinheiten 21, 24 analog zu der Darstellung in 1. Diese Anordnung kann auch mehrfach vorgesehen werden, wenn mehrere Abtriebselemente 17, 55 vorhanden sind.
• In den 5 und 6 sind Varianten für die Kopplungseinheit 18 bzw. die Art des Abtriebselements 16 veranschaulicht. Bei den Ausführungsbeispielen in 1 und 7 waren die Kopplungseingänge mit dem Kopplungsausgang der Kopplungseinheit 18 über ein Zahnradgetriebe und insbesondere ein Stirnradgetriebe gekoppelt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 ist das Abtriebselement 16 durch eine Zahnstange gebildet, die translatorisch bewegbar gelagert ist und mit zwei Zahnrädern kämmt, die jeweils einen Kopplungseingang 19 bzw. 20 bilden.
• In 6 ist eine weitere abgewandelte Ausführung der Kopplungseinheit 18 veranschaulicht, wobei sowohl der erste Kopplungseingang 19, als auch der zweite Kopplungseingang 20 jeweils von einer Drehspindel gebildet sind, wobei auf jeder Drehspindel eine Spindelmutter sitzt. Die Spindeln sind parallel zueinander in einer Richtung angeordnet, in der das Abtriebselement 16 translatorisch beweglich ist. Das Abtriebselement 16 ist mit Hilfe eines Koppelelements mit den beiden Spindelmuttern verbunden, so dass es gemeinsam mit den Spindelmuttern translatorisch bewegt werden kann.
• Die Art und Weise der mechanischen Kopplung zwischen den Kopplungseingängen 19, 20 und dem Kopplungsausgang 17 kann auf verschiedenste Art und Weise variiert werden. Vorzugsweise weist die Kopplungseinheit 18 zwischen den beiden Kopplungseingängen 19, 20 und dem Kopplungsausgang 17 in beide Richtungen keine Selbsthemmung auf.
• In 2a ist das Aufschalten von Zusatzmomenten Ma_i,soll schematisch veranschaulicht. Diese Zusatzmomente können abhängig von der zweiten Solldrehzahl w2_soll bzw. der Solldrehzahlsänderung dw_soll berechnet werden. Die Berechnung kann beispielsweise in Abhängigkeit von Reibmomentanteilen und Beschleunigungsmomentanteilen erfolgen. Dabei werden eine oder mehrere der folgenden Größen berücksichtigt:
• – der Reibfaktor für Viskosereibung bezogen auf den betreffenden Schrittmotor 23, 26;
• – das Massenträgheitsmoment der betreffenden Getriebestufe zwischen dem jeweiligen Schrittmotor 23, 26 und dem Kopplungsausgang 17;
• – das jeweilige Massenträgheitsmoment des Rotors des betreffenden Schrittantriebs 23, 26;
• – das Haftreibungsmoment für den betreffenden Schrittantrieb 23, 26;
• – das Mess- und Trägheitsmoment der Last bezogen auf den jeweiligen Schrittmotor 23, 26;
• – das Massenträgheitsmoment des Abtriebselements 16 bezogen auf den jeweiligen Schrittantrieb 23, 26.
• Dabei kann folgende Gleichung verwendet werden. Mα_i,soll = M_Ri + M_Bi (7) mit: M_Ri = w2_soll·(i_17,i· K_i·W_Ri,ist·sgn(w_Ri,ist)·M_H,i) (8) M_Bi = dw_soll,i·i_17,i·(J_R,i + J_G17,1 + 0,5·(J_R16,i + J_RL,i)) (9) mit:

M_Ri:

Reibmomentanteil

w2_soll:

zweite Solldrehzahl

i_17,i:

Übersetzung zwischen dem Kopplungsausgang 17 und dem Schrittmotor 23 bzw. 26

K_i:

Reibfaktor für den Schrittmotor 23 bzw. 26

w_Ri,ist:

Istdrehzahl des Rotors des Schrittmotors 23 bzw. 26 Haftreibungsmoment für den Schrittmotor 23 bzw. 26

dw_soll,i:

Solldrehzahländerung für den Schrittmotor 23 bzw. 26

J_R,i:

Trägheitsmoment des Rotors des Schrittmotors 23 bzw. 26

J_G17,i:

Trägheitsmoment der Kopplungseinheit 18 vom Kopplungsausgang 17 bis zum Schrittmotor 23 bzw. 26

J_R16,i:

Trägheitsmomentanteil des Abtriebselements bezogen auf den betreffenden Schrittmotor 23 bzw. 26

J_L,i:

Trägheitsmoment der Last bezogen auf den betreffenden Schrittmotor 23 bzw. 26

• Der Faktor 0,5 in Gleichung (9) zeigt an, dass jeder Schrittmotor 23, 26 nur die Hälfte der Beschleunigung der antriebsbezogenen Massenträgheitsmomente aufnehmen muss.
• Die Erfindung betrifft einen Positionierantrieb 15 sowie ein Verfahren zum Positionieren eines Abtriebselements 16. Der Positionierantrieb 15 weist eine erste Schrittantriebseinheit 21 mit einer ersten Schrittantriebssteuerung 22 und einem ersten Schrittmotor 23 sowie eine zweite Schrittantriebseinheit 24 mit einer zweiten Schrittantriebssteuerung 25 und einem zweiten Schrittantrieb 26 auf. Die beiden Schrittantriebe 23, 26 und das Abtriebselement 16 sind über eine mechanische Kopplungseinheit 18 kraft- und antriebsgekoppelt, wobei die Kopplungseinheit 18 Spiel aufweist. Eine Zentraleinheit 31 steuert die beiden Schrittantriebssteuerungen 22, 25 über jeweils ein Ansteuersignal A1 bzw. A2 an. Die Ansteuersignale A1, A2 geben jeweils den Statorfeldsollwinkel derart vor, dass die Positionierung des Abtriebselemets erfolgt und sich ein Lastwinkel in den beiden Schrittmotoren 23, 26 einstellt, die ein Verspannmoment bewirken. der über die zugeordnete Schrittantriebssteuerung 22 bzw. 25 eingestellt wird. Die Zentraleinheit 31 hat eine überlagerte Regelung zur Position des Abtriebselements 16. Sie hat außerdem eine unterlagerte Steuerung oder Regelung, um gegensinnige Motormomente M₂₃, M₂₆ für jeden Schrittmotor 23, 26 einzustellen.
• Bezugszeichenliste

15

Positionierantrieb

16

Abtriebselement

17

Kopplungsausgang

18

Kopplungseinheit

19

erster Kopplungseingang

20

zweiter Kopplungseingang

21

erste Schrittantriebseinheit

22

erste Schrittantriebssteuerung

23

erster Schrittantrieb

23R

Rotor des ersten Schrittantriebs

23S

Stator des ersten Schrittantriebs

24

zweite Schrittantriebseinheit

25

zweite Schrittantriebssteuerung

26

zweiter Schrittantrieb

26R

Rotor des zweiten Schrittantriebs

26S

Stator des zweiten Schrittantriebs

27

Sensoreinheit

28

erster Positrionssensor

29

zweiter Positrionssensor

30

dritter Positrionssensor

31

Zentraleinheit

40

Positionsregelkreis

41

Verspannvorgabeblock

42

Verfahrensblock

43

Ausgabeblock

44

Lastwinkelregler

45

Lageregler

46

Drehzahlregler

47

Integrierer

48

erstes kinematisches Modell

49

zweites kinematisches Modell

50

Initialisierungsblock

51

Sensosignalblock

54

zusätzliches Abtriebselement

55

zusätzlicher Kopplungsausgang

56

dritter Kopplungseingang

57

dritte Schrittantriebseinheit

60

Vorzeichenbestimmungseinheit

61

Betragsbildungseinheit

62

Begrenzungseinheit

63

Taktgeber

64

Zähler

65

Berechnungseinheit

70

Funktionsblock

71

Begrenzungsblock

72

erster Normierungblock

73

zweiter Normierungsblock

φ_Ri,ist

Rotoristwinkel

φ_Ri,soll

Rotorsollwinkel

λ_i,ist

Lastistwinkel

λ_i,soll

Lastsollwinkel

ρ_Ri,ist

Rotorfeldistwinkel

ρ_Ri,soll

Rotorfeldsollwinkel

ρ_Si,ist

Statorfeldistwinkel

ρ_Si,soll

Statorfeldsollwinkel

dρ_Ri,soll

Änderungsrate für den Rotorfeldsollwinkel

dρ_Si,soll

Änderungsrate für den Statorfeldsollwinkel

d1_i,soll

erste zeitliche Solländerungsrate

dw_soll

Solldrehzahlsänderung

DS

Drehschritt

M₂₃

erstes Verspannmoment des ersten Schrittmotors

M₂₆

zweites Verspannmoment des zweiten Schrittmotors

Ma_i,soll

Zusatzmoment

PS

Positionssollwert

P1

erstes Positionssignal

P2

zweites Positionssignal

P3

drittes Positionssignal

ST1

erstes Schrittsignal

ST2

zweites Schrittsignal

SUB

Subschritt-Positionsänderung

RI

Richtungsimpuls

TI

Taktimpuls

w1_soll

erste Solldrehzahl

w2_soll

zweite Solldrehzahl

VS

Verspannungssollwert

XP

Zusatzparameter

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DD 279432 A1 [0006]

Claims (16)

1. Positionierantrieb (15) zur Positionierung eines Abtriebselements (16), mit einer mechanischen Kopplungseinheit (18), die einen ersten Kopplungseingang (19), einen zweiten Kopplungseingang (20) und einen Kopplungsausgang (17) aufweist, wobei der Kopplungsausgang (17) mit dem Abtriebselement (16) verbunden ist, mit einer ersten Schrittantriebseinheit (21), die einen mit dem ersten Kopplungseingang (19) verbundenen ersten Schrittantrieb (23) und eine erste Schrittantriebssteuerung (22) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den ersten Schrittmotor (23) anzusteuern, mit einer zweiten Schrittantriebseinheit (24), die einen mit dem zweiten Kopplungseingang (20) verbundenen zweiten Schrittantrieb (26) und eine zweite Schrittantriebssteuerung (25) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den zweiten Schrittmotor (26) anzusteuern, mit einer Zentraleinheit (31), der ein Kinematiksollwert (PS) und ein Verspannungssollwert (VS) vorgebbar oder in der ein Kinematiksollwert (PS) und/oder ein Verspannungssollwert (VS) ermittelbar ist, wobei die Zentraleinheit (31) dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Kinematiksollwert (PS) und dem Verspannungssollwert (VS) ein erstes Ansteuersignal (A1) für die erste Schrittantriebssteuerung (22) und ein zweites Ansteuersignal (A2) für die zweite Schrittantriebssteuerung (25) zu ermitteln, wobei die beiden Ansteuersignale (A1, A2) derart vorgegeben sind, dass sie in beiden Schrittmotoren (23, 26) jeweils entgegengesetzt gerichtete Verspannmomente (M₂₃, M₂₆) erzeugen, wobei die Zentraleinheit (31) dazu eingerichtet ist, die Ansteuersignale (A1, A2) an die jeweilige Schrittantriebssteuerung (22, 25) zu übermitteln, und wobei die Schrittantriebssteuerungen (22, 25) dazu eingerichtet sind, den jeweils zugeordneten Schrittmotor (23, 26) abhängig vom jeweils empfangenen Ansteuersignal (A1, A2) anzusteuern, so dass ein Verspannungszustand in der Kopplungseinheit (18) erzeugt wird.
2. Positionierantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ansteuersignale (A1, A2) jeweils einen Statorfeldsollwinkel (ρ_s23,soll, ρ_s26,soll) und/oder einen Rotorfeldsollwinkel (ρ_R23,soll, ρ_R26,soll) für jeden Schrittmotor (23, 26) beschreiben.
3. Positionierantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittantriebssteuerungen (22, 25) dazu eingerichtet sind aus dem empfangenen Ansteuersignal (A1, A2) ein Schrittsignal (ST1, ST2) für den jeweiligen Schrittmotor (23, 26) zu ermitteln und an den jeweiligen Schrittmotor (23, 26) zu übermitteln, um einen Statorfeldistwinkel (ρ_S23,ist, ρ_S26,ist) gemäß dem Statorfeldsollwinkel (ρ_S23,soll, ρ_S26,soll) und/oder den Rotorfeldistwinkel (ρ_R23,ist, ρ_R26,ist) gemäß dem Rotorfeldsollwinkel (ρ_R23,soll, ρ_R26,soll) einzustellen.
4. Positionierantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittantriebssteuerungen (22, 25) dazu eingerichtet sind, für jeden vorhandenen Statorstrang des zugeordneten Schrittmotors (23, 26) abhängig von dem jeweiligen Statorfeldsollwinkel (ρ_S23,soll, ρ_S26,soll) einen Strangstrom (I1, I2) zu ermitteln.
5. Positionieranrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strangströme (I1, I2) für einen Schrittmotor (23 oder 26) oder für alle Schrittmotoren (23, 26) denselben konstanten Stromamplitudenwert (ID) aufweisen.
6. Positionieranrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit (31) dazu eingerichtet ist, im Verspannungszustand Ansteuersignale (A1, A2) derart vorzugeben, dass das Abtriebselement (16) eine Subschritt-Positionsänderung (SUB) mit einem Positionsänderungsbetrag ausführt, der kleiner ist als der Positionsänderungsbetrag, den jeder der Schrittmotoren (23, 26) außerhalb des Verspannungszustands ausführen kann.
7. Positionierantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung einer Subschritt-Positionsänderung (SUB) die Statorfeldistwinkel (ρ_S23,ist, ρ_S26,ist) bzw. die Statoristwinkel (φ_S23,ist, φ_S26,ist) für die Schrittantriebe (23, 26) abwechselnd verändert werden.
8. Positionierantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittmotoren (23, 26) im Verspannungszustand jeweils einen Lastwinkel (λ_i,ist) aufweisen, der sich aus der Differenz zwischen einem Rotorfeldsollwinkel (ρ_R23,soll, ρ_R26,soll) und einem Rotorfeldistwinkel (ρ_R23,ist, ρ_R26,ist) und ergibt.
9. Positionieranrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorfeldsollwinkel (ρ_R23,soll, ρ_R26,soll) dem Statorfeldistwinkel (ρ_S23,ist, ρ_S26,ist) entspricht.
10. Positionieranrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorfeldistwinkel (ρ_R23,ist, ρ_R26,ist) aus dem Rotoristwinkel (φ_R23,ist, φ_R26,ist) und der Polpaarzahl (pz_i) ermittelt wird.
11. Positionieranrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastsollwinkel (λ_23,soll, λ_26,soll) höchstens einem für den Schrittmotor (23, 26) vorgegebenen Maximallastwinkel (λ_max) entspricht.
12. Positionierantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinheit (18) ohne eine Selbsthemmung ausgeführt ist.
13. Positionieranrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftkopplung zwischen den Kopplungseingängen (19, 20) und zwischen jedem Kopplungseingang (19, 20) und dem Kopplungsausgang (17) besteht.
14. Positionieranrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit (27) mit wenigstens einem Positionssensor (28, 29, 30) vorhanden ist, wobei die Sensoreinheit (27) wenigstens ein Positionssignal (P1, P2, P3) erzeugt, das die Position und/oder die Positionsänderung des Abtriebselementes (16) beschreibt.
15. Positionieranrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit (31) dazu eingerichtet ist, das wenigstens eine Positionssignal (P1, P2, P3) zu verarbeiten und ein virtuelles Sensorsignal (PV1, PV2, PV3) abhängig von einem zuletzt empfangenen Positionssignal (P1, P2, P3) und einem ermittelten Änderungswert zu bestimmen.
16. Verfahren zur Positionierung eines Abtriebselements (16) unter Verwendung eines Positionierantriebs (15) mit einer mechanischen Kopplungseinheit (18), die einen ersten Kopplungseingang (19), einen zweiten Kopplungseingang (20) und einen Kopplungsausgang (17) aufweist, wobei der Kopplungsausgang (17) mit dem Abtriebselement (16) verbunden ist, mit einer ersten Schrittantriebseinheit (21), die einen mit dem ersten Kopplungseingang (19) verbunden ersten Schrittantrieb (23) und eine erste Schrittantriebssteuerung (22) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den ersten Schrittantrieb (23) anzusteuern, mit einer zweiten Schrittantriebseinheit (24), die einen mit dem Abtriebselement (16) antriebsverbunden zweiten Schrittantrieb (26) und eine zweite Schrittantriebssteuerung (25) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den zweiten Schrittantrieb (26) anzusteuern, und mit einer Zentraleinheit (31), mit den folgenden Schritten: – Übermitteln eines Positionssollsignals (PS) und/oder eines Verspannungssollsignals (VS) an die Zentraleinheit (31) oder Bestimmen eines Positionssollsignals (PS) und/oder eines Verspannungssollsignals (VS) mittels der Zentraleinheit (31), – Ermitteln eines eines ersten Ansteuersignals (A1) für die erste Schrittantriebssteuerung (22) und eines zweiten Ansteuersignals (A1) für die zweite Schrittantriebssteuerung (25) abhängig von dem Positionssollsignal (PS) und dem Verspannungssollsignal (VS) durch die Zentraleinheit (31) derart, dass sie in beiden Schrittmotoren (23, 26) jeweils entgegengesetzt gerichtete Verspannmomente (M₂₃, M₂₆) erzeugen, – Übermitteln der Ansteuersignale (A1, A2) an die jeweilige Schrittantriebssteuerung (22, 25), – Ansteuern der Schrittantriebe (23, 26) durch die jeweils zugeordnete Schrittantriebssteuerung (22, 25) abhängig vom jeweils empfangenen Ansteuersignal (A1, A2), so dass ein Verspannungszustand in der Kopplungseinheit (17) erzeugt wird.

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