DE2103792C3 - Schrittantrieb großer Leistung - Google Patents

Description

4. Schrittantrieb nach Anspruch 3, dadurch ge- 35 motor stehenbleibt.

kennzeichnet, daß das Potentiometer ein vieltou- Ein Schrittantrieb der eingangs genannten Art ist

riges Drehpotentiomete- ist, dessen Stellspinde! aus der schweizerischen Patentschrift 448 241 be-

über ein Zahnradgetriebe mit dem dritten Glied kannt. Dieser enthält einen Drehmeldergeber, der

gekuppelt ist. mechanisch mit dem Schrittmotc- verbunden ist, und

♦0 einen Drehmelderempfänger, der mechanisch mit dem Leistungsmotor verbunden ist, ohne daß eine mechanische Verbindung zwischen dem Schrittmotor und

dem Leistungsmotor besteht; dabei wird das durch

die Abweichung zwischen den beiden Drehmeldern

45 erzeugte Fehlersignal nach Verstärkung zur Steuerung des Leistungsmotors verwendet. En solches System erfordert die Verwendung von zwei rotierenden

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittantrieb Maschinen großer Präzision nach Art von Drehmel-

großer Leistung mit einem Schrittmotor, dessen dein.

Welle mit der Welle eines Leistungsmotors über eine 5< > Vor allem aber besteht die Schwierigkeit, daß das die Differenz der Winkelstellungen der beiden WeI- Fehlersignal eine periodische Funktion (insbesondere len feststellende und in eine elektrische Spannung eine Sinusfunktion) der Winkelstellungsdifferenz ist, umsetzende Detektorvorrichtung gekuppelt ist, und so daß es mehrdeutig ist. Dies ergibt zunächst die mit einem an die Detektorvorrichtung angeschlosse- Gefahr eines Einstellfehlers beim Nullabgleich des nen Verstärker, von dem der Leistungsmotor in Ab- 55 Systems; vor allem aber besteht die Gefahr eines hängigkeit der elektrischen Spannung derart Steuer- Außertrittfallens zwischen Schrittmotor und Leibar ist, daß die Drehzahl und die Winkelstellung des stungsmotor. Eine vorübergehende Nacheilung der Leistungsmotors mit der Drehzahl und der Winkel- einen Welle gegen die andere Weile ist ja eine für stellung des Schrittmotors übereinstimmen. den Betrieb des Ssytems unerläßliche Bedingung; Bekanntlich können mit Schrittmotoren mit sehr 60 wenn bei dem bekannten Schrittantrieb diese Nacheikleinen Schrittwinkeln, die eine große Zahl von lung einen gewissen Wert übersteigt, läuft der Lei-Steuerimpulsen pro Sekunde verarbeiten können, nur stungsmotor in eine Stellung, die sich um eine Pesehr begrenzte Leistungen in der Größenordnung riode des Fehlersignals von der richtigen Stellung unvon einigen zehn Watt eihalten werden, denn, ob- terscheidet. Diese Schwierigkeit kann nur mit einer gleich solche Schrittmotoren ein großes Drehmoment ⁶5 komplizierten Elektronik vermieden werden,
aufweisen, ist ihre Drehzahl sehr klein. Als Folge da- Das gleiche Problem besteht auch bei anderen von ist die Leistung, d. h. das Produkt aus Drehmo- drehmomentfreien Wellenkupplungen mit und ohne ment und Drehzahl, ebenfalls klein, ungeachtet der Verstärkung, die an Stelle von Drehnieldersystcmen

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Detektorvorrichtiingen verwenden, deren tensometer ist, dessen Stellspindel über ein Zahnrad-

•ra.rinal als Funktion der Winkelstellungsdiffe- getriebe mit dem dritten Glied gekuppelt ist. _w

peBodisch ist, beispielsweise bei dem aus der Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in oer

französischen Patentschrift ΐ 434 063 bekannten Ser- Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

wchamsmus zur Nachbildung einer Winkelstel- 5 Fig. I eine schematische Darstellung des i>cnnu-

i?no bei welchem das Fehlersignal durch Photozel- antriebs nach der Erfindung, .

S Verbindung mit Schlitzscheiben erzeugt wird. F i g. 2 eine Schnittansicht einer P^J pSnduM

¹ Aus der deutschen Auslegeschrift 1 026 414 ist an- fübrungsform des Schrittantriebs nach der brnnoung

jorprseits die Verwendung eines Differentialgetriebes und ,, ·—*,»„

Ker Drehzahlsteuerung von Elektromotoren be- to Fig.3 das Prinzipschaltbild «nes elektronischen

tannt Hierbei handelt es sich aber um eine Anord- Leistungsverstärkers für die Verwendung Dei aem

nt> zum Betrieb von Drehstromnebenschlußmoto- Schrittantrieb nach der Erfindung. .

In mit sehr kleinen Drehzahlen, bei welcher dem Fig. 1 zeigt das Schema eines ^Schntl™^™.f°:

:S_fererilialgetriebe einmal eine der Netzfrequenz ver- ßer Leistung, bei dem ein Schrittmotor 1 mit deinem

ta tnisoleiche Drehzahl und zum anderen eine der 15 Trägheitsmoment und großer Drehzahl "Pj¹/?"

ΐ-rZienz im Zweitkreis des Drehstromnebenschluß- Gleichstrommotor 2 großer Leistung mit ebeniaus

motors verhältnisgleiche Drehzahl zugeführt werden kleinem Trägheitsmoment über ein ™**™«™£i_

Jnd das Differentialgetriebe mittelbar oder unmittel- triebe 3 derart gekuppelt sind daß der Planeteiiraa

w auf die Stelleinrichtung des Motors wirkt. Eine träger 4 des Differentialgetriebes süüsteht wenn.aca.

Stehe Anordnung ist für die Verstärkung des Dreh- ™ die beiden Motoren mit gleicher Drehzahl in entge-

moments eines Schrittmotors nicht geeignet. gengesetten Richtungen drehen, und demzufolge

Tufeabe der Erfindung ist die Schaffung eines stets eine genau bestimmte St-:lung «n«™™¹· J*

Schrittantriebs großer Leistung der eingang angege- nachstehend Ruhestellung genannt wird, wenn me

Art, der bei einfachem und betriebssicherem beiden Motoren gleich große ^w'^nl

eindeutige Beziehung zwischen den 2, ' *"" " * "" ;n des Schrittmotors und des Leiunter allen Betriebsbedingungen ge-

^WaNach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch Wenn eine Winkelabweichung zwischent dem

oelöst daß die Detektorvorrichtung ein drei Glieder 30 Schrittmotor 1 und dem Längsmotor! auftritt

aufweisendes Differentialgetriebe enthält, von wel- zeigt der Planetenradtrager4 die ^Gr°^{ße und},^%

cn m das erste Glied mechanisch mit der Welle des Richtung dieser W.nkeiabwe.chung an und^d- c

Schrittmotors das zweite Glied mechanisch mit der Angaben werden zu dem Wandler5 ^ubert™8^en·."'

WelleTs iistungsmotom und das dritte Glied me- die WinkeldirTerenz in e.ne Spannung mwandelt.

Chanen mit einem eine von der Auslenkung des 35 Diese Spannung wird zu ^er™/^^^"S

Sen Glieds aus einer Ruhestellung abhängige stärker 6 übertragen der sie in ^ Leistungss^gnal Spannung erzeugenden elektromechanischen Wand- umwandelt, das die Drehung des Leistungsmotors 2

^iÄhSantrieb nach der Erfindung ergibt "ald also der Schrittmotor 1 eine= Bewegung .ujdie Verwendung des Differentialgetriebes in Verbin- 40 führt, wird der Planetenrad ^raS^{er 4}^J gierenual

n Ode, beim Ei

mmmlmämm

dritten Glied angetrieben ist. Vorzugsweise ist in d.e- ^_ο~^^^_ν^_{η wcrdcn} kann; er kann auch sem Fall das Potentiometer ein vieltoungcs Drehpo- Potentiometers verancun

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riur aus einem Kotentiometcr bestehen, wenn der eines vicltourigen Drehpotentiometers über ein Elektronische Leistungsverstärker entsprechend aus- Zahnrad 29 aus Plastikmaterial hoher mechanischer gebildet ist. Festigkeit und geringer Dichte, das über einen Dreh-Zur Vereinfachung des Aufbaus des Differential- moinentbegrenzer am Ende der Potcntiometerwelk getriebes ist es erforderlich, entgegengesetzte Dreh- 5 befestigt ist. Dieser Drehmomentbegrenzer kann vorrichtungen für den Schrittmotor und für den deich- zugsweisc rclicfarlig auf der Potcntiometerwellc gestrommotor vorzusehen. bildet sein, damit ein geringes Trägheitsmoment der

Es ist notwendig, die Drehrichtung des Planeten- ganzen Detektorvorrichtung aufrechterhalten wird.
radträgcrs4 festzustellen und Maßnahmen zu treffen, Das Potentiometer 5 ist auf der Platte 12 montiert, daß der Verstärker den Gleichstrommotor entspre- io an der es über einen Träger 3· befestigt ist, der rächend steuert. Dies kann mit der beschriebenen De- dial einstellbar ist, damit jedes Winkelspiel zwischen tektorvorrichtung ohne weiteres erreicht werden. dem Zahnrad 29 und dem Zahnkranz 24 befestigt

F i g. 2 zeigt eine Schnittansicht der zuvor be- wird. Die Anschlußdrähte 9 des Potentiometers sind

schriebenen, aus dem Differentialgetriebe und dem an einen Mehrkontaktsockel 31 angelötet, an den das

elektromechanischen Wandler bestehenden Detektor- 15 Kabel des Verstärkers angeschlossen wird. Das Ge-

vorrichtung. häuse enthält außer der kreisrunden Platte 12 eine

Der Schrittmotor 1 ist mit seiner Vorderseite auf weitere kreisrunde Platte 11 von größerem Durchder kreisrunden Platte 12 eines die Detektorvorrich- messer, an welcher der Leistungsmotor 2 befestigt ist. tung enthaltenden Gehäuses mit vier Zylinderschrau- Die beiden Platten sind miteinander über drei Säuben 15 befestigt, die in vier in der Platte 12 ange- ao len 14 verbunden, und die ganze Anordnung ist von brachten Ausnehmungen 16 versenkt sind. einem abnehmbaren Schutzmantel 13 umgeben, der

Die Welle 7 des Schrittmotors ragt in das Innere des ilen Zugang zum Inneren des Geräts gestattet.

Gehäuses und trägt an ihrem Ende ein auf der Welle Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform ist

durch einen Stift 18 befestigtes Ritzel 17. Die Welle die Verwendung von Mikroschaltern nicht notwen-

des Leistungsmotors 2 ist mit einer auf Kugellagern »5 dig, da die Elektronik des Verstärkers so ausgelegt

33 gelagerten Welle 32 gekuppelt, die koaxial zu der ist, daß die Systemverstärkung für geringe Verstel-

Welle des Schrittmotors gleichfalls in das Innere des lungen ausreichend groß zur Erzielung einer guten

Gehäuses ragt. Am Ende dieser Welle ist ein Ritzel Einstellgenauigkeit ist.

19 durch einen Stift 20 befestigt. Das Ritzel 19 hat Der Leistungsverstärker 6 ist entsprechend dem

die gleichen Abmessungen und die gleiche Zähnezahl 30 Prinzipschaltbild von F i g. 3 ausgeführt. Dieses zeigt

wie das auf der Schrittmotorwelle befestigte Ritzel das Potentiometers, eine Korrekturschaltung 34,

17. Die Ritzel 17 und 19 bilden die Zentralräder des zwei Steuerverstärker 35 und 36, einen Verstärker

Differentialgetriebes. 37, der dazu bestimmt ist, über einen Umschalter 38

Das Ritzel 17 kämmt mit einem Planetenrad 21, entweder eine Drehmomentgegenkopplung oder eine

und das Ritzel 19 kämmt mit einem Planetenrad 22; 35 tachometrische Gegenkopplung einzuführen, die Lei-

die beiden Planetenräder stehen im gegenseitigen stungsstufe 39 — die bei dem dargestellten Schema

Eingriff. Diese vier Zahnräder sind Stirnräder, wo- mit Transistoren bestückt ist, jedoch ebensogut mit

durch ein Differentialgetriebe von sehr kleinen Ab- Thyristoren ausgeführt sein könnte — sowie eine

messungen gebildet werden kann. Die Ritzel 17 und Vcrstärkungsregelschleife 4·.

19 bestehen aus gehärtetem Stahl, während die Pia- 40 Beim gegenwärtigen Stand der Technik ist der netenräder 21 und 22 aus einem Plastikmaterial ge- Gleichstrommotor mit kleinem Trägheitsmoment am ringer Dichte und hoher mechanischer Festigkeit be- besten für den Leistungsmotor geeignet. Es könnten stehen und auf einer Stahlwelle befestigt sind, wo- jedoch ohne weiteres auch andere Arten von Motodurch zugleich ein geringes Trägheitsmoment und ein ren in Betracht gezogen werden, insbesondere Drehruhiger Lauf gewährleistet sind. +5 moment-Asynchronmotoren. Wenn jedoch der Mo-

Die Planetenräder 21 und 22 werden bei Inbe- tor, dessen Drehmoment verstärkt werden soll, ein

tricbnahme Hcht geschmiert und erfordern später Schrittmotor ist, wird vorzugsweise ein Leistungsmo-

keine Schmierung mehr; sie sind frei drehbar zwi- tor gewählt, der eine ziemlich kleine Zeitkonstante

sehen zwei Stegplatten 23 und 24 des Planetenradträ- aufweist.

gers gelagert, an deren Innenseiten zwei Ausnehmun- 50 An Stelle eines Transistorverstärkers der in F i g. 2

gen angebracht sind, die zur Aufnahme der Kugella- schematisch dargestellten Art kann auch ein Thyri-

ger bestimmt sind, in denen die Enden der Wellen storverstärker verwendet werden. Der Thyristorver-

der Planetenräder gelagert sind. stärker erfordert zwar einen Störschutz, ist aber füi

An den Stegplatten 23 and 24 sind Buchsen ange- große Leistungen besser geeignet. Der Verstärke setzt, die im Inneren der Bohrungen von zwei Kugel- 55 muß so ausgebildet sein, daß Einstellfehler zwischei

lagern 26 und 27 sitzen, wodurch der Planetenradträ- den beiden Motoren vermieden werden; d. h., daß e

ger frei drehbar gelagert ist. eine sehr nidrige Ansprechschwelle haben muß un(

Die Stegplatten des Planetenradträgers bestehen in der Lage sein muß, die erforderlichen Korrekturei

aus einer Leichtmetallegierung und sind durch eine vorzunehmen, beispielsweise mit Hilfe einer Dreh oder mehrere Querstreben 28 starr miteinander ver- 60 momentgegenkopplung zur größtmöglichen Verrin

bunden. gerung der Einstellfehler, die von dem Restdrehmc

Die Stegplatte 24 ist am Außenumfang zur BiI- ment stammen, das auf den Leistungsmotor ausgeüt

dung des Zahnkranzes des Differentialgetriebes ein- wird, nachdem sich das System stabilisiert hat. Fei

geschnitten. Der Zahnkranz überträgt die Angabe ner sollte der Verstärker so ausgebildet sein, daß di des Winkelfehlers zwischen dem Schrittmotor und 65 von dem Trägheitsmoment der Last stammende

dem Leistungsmotor zu dem Wandler 5 in Form Schwingungen unterdrückt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. größeren Abmessungen und der sich daraus ergeben-

   Patentansprüche: den größeren Kosten dieser Motoren. Es ist daher

   wesentlich die Verstärkung des Drehmoments von

   ; 1, Schrittantrieb großer Leistung mit einem Schrittmotoren unter industriell brauchbaren Bedin-Schrittrootur, dessen Welle mit der Welle eines 5 gungen zu erzielen. Die Vergrößerung der Leistung Leistungsmotors über eine die Differenz der Win- kann nicht mit dem Schrittmotor allein erhalten werkelstellungen der beiden Wellen feststellende und den; wenn man nämlich die Leistung eines Schnttin eine elektrische Spannung umsetzende Detek- motors vergrößern will, muß man die Abmessungen torvorrichtung gekuppelt ist, und mit einem an des Läufers vergrößern, und es läßt sich leicht zeigen, die Detektorvorrichtung angeschlossenen Ver- io daß die Trägheit des Läufers sehr viel schneller zustärker, von dem der Leistungsmotor in Abhän- nimmt, als das vom Läufer gelieferte Drehmoment, gigkeit der elektrischen Spannung derart Steuer- Bei einer Schrittbewegung mit zahlreichen Beschleubar ist, daß die Drehzahl und die Winkelstellung nigungen und Verzögerungen wird ein großer Teil des Leistungsmotors mit der Drehzahl und der der Eingangsleistung zur Beschleunigung und Verzö-Winkelstellung des Schrittmotors übereinstimmen, 15 gerung des Trägheitsmoments des Laufers verdadurch gekennzeichnet, daß die De- schwendet. Bei zunehmenden Abmessungen wird datektorvorrichtung ein drei Glieder aufweisendes her sehr schnell der Punkt erreicht, bei dem die abDifferentialgetriebe enthält, von welchem da> > er- gegebene Nutzleistung nicht mehr zunimmt und soste Glied mechanisch mit der Welle des Schritt- gar abnimmt.

   motors, das zweite Glied mechanisch mit oer ao Es ist bekannt, diese Schwierigkeit dadurch zu beWelle des Ldsoingsmotors und das dritte Glied heben, daß ein Schrittmotor kleiner Leistung in der mechanisch mit einem eine von der Auslenkung eingangs angegebenen Weise mit einem Leistungsmodes dritten Gliedes aus einer Ruhestellung abhän- tor gekuppelt wird, der die eigentliche Antriebsleigige Spannung erzeugenden elektromechanischen stung liefert. Bei einem solchen Schrittantrieb wird Wandler verbunden sind. 35 der Leistungsmotor durch die von der Detektorvor-
2. 2. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch ge- richtung gelieferte Spannung so gesteuert, daß die kennzeichnet, daß das erste unu das zweite Glied Differenz zwischen den Winkelstellungen der beiden die Zentralräder und das dritte Glied der Plane- Wellen nach Null zu gehen sucht, so daß sich ein dytenradträger des Differentialgetriebes sind. namisches Gleichgewicht zwischen den beiden Moto-
3. 3. Schrittantrieb nach Anspruch 1 oder 2, da- 30 ren ausbildet, die sich dann mit der gleichen Drehdurch gekennzeichnet, daß der elektromechani- zahl drehen. Wenn der Schrittmotor stillgesetzt wird, sehe Wandler ein Potentiometer ist, dessen ver- dreht sich der Leistungsmotor weiter, bis die Winkelstellbarer Abgriff von dem drivcen Glied angetrie- Stellungsdifferenz zu Null geworden ist, so daß er ben ist. dann in der gleichen Winkelstellung wie der Schritt-