WO2016180890A1 - Positionierantrieb sowie verfahren zum positionieren eines abtriebselements - Google Patents

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WO2016180890A1
WO2016180890A1 PCT/EP2016/060581 EP2016060581W WO2016180890A1 WO 2016180890 A1 WO2016180890 A1 WO 2016180890A1 EP 2016060581 W EP2016060581 W EP 2016060581W WO 2016180890 A1 WO2016180890 A1 WO 2016180890A1
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drive
coupling
unit
positioning
stepper
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PCT/EP2016/060581
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Thomas Palmer
Uwe EPPINGER
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Egt Eppinger Getriebe Technologie Gmbh
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    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
    • H02P8/22—Control of step size; Intermediate stepping, e.g. microstepping

Definitions

  • the invention relates to a positioning drive and a method for positioning an output element.
  • the output element can be driven linear or rotary.
  • it may be a translatory or rotary drivable table or carriage for a tool or a tool.
  • driven elements that are moved by a positioning drive can be ⁇ sitioned closely po, such as tables or
  • the play in the mechanical transmission within the positioning drive to the output element can au ⁇ ßerdem lead to a delayed movement of the output element when a controlled positioning motor must first overcome the game before its movement is transmitted to the Ab ⁇ drive element.
  • positioning can lead to problems or errors, such as oscillations or overshooting behavior, which make it necessary to reduce the gain and thus the dynamics of the position control. It is therefore desirable to eliminate the play in the kinemati ⁇ rule transmission chain of a positioning motor to the output member.
  • a positioning drive with two servomotors, which can be acted upon against each other with a moment for clamping the mechanical system.
  • a positioning drive is known, for example, from DD 279432 AI ⁇ known.
  • two servomotors are operated with a regulated control loop, which has a superimposed position control loop.
  • the position control loop is a speed control loop and the speed control loop in turn stores a current control loop under ⁇ .
  • the motor torque which is proportional to the motor current, can be changed by influencing the torque-forming motor current (armature cross-current).
  • the positioning drive according to the invention has a me ⁇ chanic coupling unit.
  • the mechanical coupling ⁇ unit has a coupling output, which is connected to the output element.
  • the coupling unit includes au ⁇ ßerdem two coupled to the coupling output coupling ⁇ inputs. A change in position at one of the inputs coupling thus leads to a position change of the output ⁇ selements the coupling output.
  • a force or torque coupling between the two coupling inputs is present, the thus mutually beeinflus ⁇ sen can.
  • the Kopplunsgvenez is designed such that a movement at the coupling output - neglecting the existing elasticity - is only possible if all coupling inputs move. Between the coupling inputs and the coupling output there is in each case an over or a reduction, which can be the same or different in size.
  • a 1: 1 ratio between the coupling inputs and the coupling output is also possible.
  • the positioning drive also has a first
  • Stepper drive unit with a first stepper motor and a first this stepper motor driving first
  • a second stepping drive unit has a second stepping motor and a second stepping drive control which activates this second stepping motor.
  • the two rotor or rotors of the stepping motors are directly connected to a respectively associated ⁇ feedback input of the coupling unit.
  • the positioning also has a central processing unit of a kinematic setpoint and a Verspan ⁇ voltage setpoint are specified.
  • the kinematic setpoint can be a position setpoint, a speed setpoint, or an acceleration setpoint.
  • a position setpoint is used as the kinematic setpoint.
  • a VELOCITY can be specified ⁇ keitssollwert.
  • the kinematic setpoint and the stress setpoint can, for example, be predetermined by a machine control according to the application and transmitted to the central processing unit.
  • the central unit can determine a tension target value and based on a pre ⁇ passed bracing strategy.
  • the central unit is adapted to determine a ⁇ ers th drive signal for the first step drive control and a second control signal for the second Shaan ⁇ operation control depending on the kinematics set point and the tension set point.
  • the control signals indicate in each case, in which direction and by what amount or by which number of steps the rotor or rotor in question Stepper motor to be moved.
  • the drive signals defi ⁇ therefore kidney position changes for the rotor or rotors.
  • a Servomo ⁇ sector for example, a synchronous motor
  • the torque-controlled mode of operation of a Servomo ⁇ sector requires a field-oriented current control and the ability to specify a setpoint for a navmo ⁇ ment-forming armature transverse flow via a drive signal.
  • the stepper drive controls via the drive signal, no motor current or armature transverse current or another variable directly determining the motor torque can be specified.
  • the drive signals are so determined by the central unit, that in the two Shamo ⁇ factors opposite when setting the predetermined target position directed load moments in the step motor ⁇ ren arise. If the stepper drive controls control the respective associated step drive based on the drive signals and move in the predetermined direction by the predetermined number of steps, a state of tension arises in the coupling unit, so that a possible clearance is eliminated.
  • step drive units for adjusting the position of the output member is set to be ⁇ which have no possibility of torque setpoint ⁇ handicap.
  • the Posi ⁇ tion of the output element is controlled or regulated, in ⁇ example, in a higher-level control loop.
  • the other degree of freedom which results from the coupling of several drive units (inputs) with an output, is used in the two stepper motors to set a load angle and thus a clamping torque in order to eliminate the play in the coupling unit.
  • the load angle is the difference between a Statorfeldwinkel and a rotor field ⁇ angle.
  • each output element may also be more than one output element.
  • Each output element associated with at least two Quimo ⁇ gate units.
  • the coupling unit may accordingly ⁇ speaking have many coupling inputs and feedback outputs. It is also possible for each output element to provide a separate coupling unit.
  • step ⁇ motor units associated with each drive element.
  • stepper motors permanent magnet stepper motor ren and / or reluctance stepper motors and / or hybrid stepping motors are used, which are carried out at least two-phase. It is to simplify the control or regulation advantageous if only stepper motors of the same kind or more preferably identical step ⁇ motors are used.
  • the positioning drive can use linear or rotary stepper motors or synchronous motors. It can be generally used stepper motors which have a Sta-door element, via which the stator rotating field can be controlled to be ⁇ ner strength and phase position or regulated, and further comprise a movable runner element or Ro ⁇ gate element, which follow the stator rotating field can.
  • Servo motors and brushless DC motors are usually also based on the synchronous motor principle (such as
  • Stepper motors In contrast to a field-oriented servo current control but specifically not set the operating point according to the invention where the anchor cross ⁇ current component of the armature current has the largest share on ⁇ but it is always a Ankerlteilsstromkompo ⁇ component present. In contrast to the operation of bürstenlo ⁇ sen DC motors with electronic commutation adjustment of Statorfeldwin ⁇ kels in dependence of the load angle setting and not a switch according to the invention is carried out only dependent on the Rotorfeldistwinkel.
  • the stepper motors can preferably always be operated in microstep operation, whereby the adjustability of the stator field desired angle is carried out with a high resolution and a high accuracy.
  • the stator field is in one embodiment generated and moved by driving the stator windings.
  • Each drive signal may preferably have a
  • the stator field strength amount may, in some embodiments, be preset via current amplitude bias independent of the drive signal and, for example, fixed.
  • a step signal for the stepping motor which adjusts the stator field angle in accordance with the predetermined stator field desired angle or rotor field desired angle, is generated by the respective step drive control from the drive signal.
  • About the respective stepper drive control can be generated from the drive signal, a step signal for the stepper motor by appropriate current impressed in the stator field windings.
  • the drive signal is the
  • the step signal corresponds, for example, the impressed currents in the stator field windings for the stepping motor and thus the Statorfeldistwinkel.
  • the Statorfeldistwinkel can - depending on the dynamics of the current control of the stepper drive control - lag the Statorfeldsollwinkel, so that a phase shift arises.
  • the dynamics may in some embodiments be described approximately as a first-order delay element, the time constant This delay usually ranges from one to five milliseconds. For many practical applications, eg in the positioning of inert masses, this delay can be neglected and the
  • Statorfeldsollwinkelvor is formed about the relevant control signal makes.
  • the rotor and thus the Rotorfeldistwinkel does not follow the Statorfeldistwinkel (or the Statorfeldsollwinkel) when a stressed state is ⁇ be, to one another due to the kinematic and the force or Mo ⁇ ment coupling of the drive units.
  • a load angle is generated in each stepper motor, which is dependent on the Rotorfeldistwinkel and the Statorfeldistwinkel.
  • the load angle of the two stepper motors are directed in their sign or magnitude against each other such that the output element by the tension is a Gleich Eisenge ⁇ weight in the desired position of the output element.
  • each stepper drive controller is configured for each stator phase of the associated one
  • Stepper motor depending on the received drive signal or the stator field ⁇ sollwinkel described by the drive signal to determine a string current may be predetermined for the phase currents of a Shamo ⁇ tors or for the phase currents of all the stepping motors and in particular be set constant.
  • the current amplitude value may be predetermined for the phase currents of a Shamo ⁇ tors or for the phase currents of all the stepping motors and in particular be set constant.
  • the current amplitude value may be predetermined for the phase currents of a Shamo ⁇ tors or for the phase currents of all the stepping motors and in particular be set constant.
  • the central unit is set up to specify activation signals in the state of tension such that the output element carries out a substep position change with a position change amount which is smaller than the position change amount that the output element exits of the state of tension can be performed by the stepper drive units.
  • Each step drive unit is preferably configured to execute full steps and / or half steps and / or micro steps. In the stress state, sub-step position changes are possible which are smaller than an executable microstep each
  • Step drive unit The sub-step-change in position in the stressed state could be ⁇ characterized therefore as "nano step”.
  • the sub-step position change in the state of stress can be achieved by the force or torque coupling of the drive units.
  • stator field angle for the step drives can be alternately changed, in particular alternately by the smallest possible angular amount, which the two step drive units allow.
  • the central unit generates pulse width modulated Shasig ⁇ dimensional, that causes the step drive unit, for example, not only moves by half a microstepping, son ⁇ countries even less according to the duty cycle of the pulse width modulation ⁇ .
  • the frequency of Pulsweitenmodula ⁇ tion is preferably sufficiently high in ⁇ play at least 10 kHz, which ensures due to the erußn ⁇ th low-pass behavior of the inert masses that no disturbing oscillations occur on the output element.
  • stepper motors each have a load angle in the stressed state, which results from the difference between a stator field angle and a rotor field angle.
  • the rotor angle is every one
  • Stepper motor is determined, for example by a Measurement by means of a sensor, by a calculation method or by an estimate. From the Rotoristwinkel and the number of pole pairs of the stepping motor, the rotor field ⁇ actual angle can be determined.
  • the load angle depen ⁇ gig type of the stepping motor maximum corresponds to a maximum load ⁇ angle.
  • the maximum load angle is such pre ⁇ provide that the load torque to the maximum load angle ver ⁇ enlarges in an amount equal to magnification of the load angle.
  • the maximum load angle may be in a Permanentmag ⁇ net Vietnamese motor electrically 90 ° or 45 ° Reluktanz suitsmotor electrically, and are in a hybrid stepping motor in the range of 45 ° to 90 ° electrically.
  • the position of the maximum load angle also depends on the pole and groove geometry of the stator and rotor.
  • the coupling unit is designed without self-locking.
  • a sensor unit is present with at least one position sensor. Regulations can be implemented via one or more position sensors. For example, the load angle of each stepper motor may be regulated in a subordinate control loop. It is preferable also when a position sensor generates a sensor signal which describes the position of the Abretesele ⁇ ment and / or the change in position of the output member. In this way, the position of the driven ⁇ selements can be regulated. In particular, this posi ⁇ onsregelung is realized in a higher-level control loop, while all other regulations or controls are executed in subordinate control or control circuits.
  • position values can be one or more position sensors, in particular for the From ⁇ drive element, measure, estimate or calculate.
  • the rotor field actual values of the stepper drive units can be measured, estimated or calculated. With the rotor field actual values of the stepper drive units, it is possible in particular to calculate or estimate the actual load angle values. Since it can be assumed at ⁇ under neglecting the dynamics of the current controller, that the Statorfeldistonne correspond to Statorfeldsoll79. In this way, the position or the speed or the acceleration of the output element as well as the load angle of the stepper ⁇ drive units can be controlled.
  • a load angle can assuming, for example, a constant Ge ⁇ gear game can be controlled.
  • the steu ⁇ ernde method can be improved if, for example, a gear play characteristic is detected and recorded.
  • the manipulated variables in the controlling and / or the regulating positioning drive or method are in particular the Statorfeldsollwinkel that are transmitted in the form of the relevant control signals to the Shaantriebs Kunststoffungsakuen, for example as clock and / or Rich ⁇ tion pulses.
  • the central unit is preferably adapted to the at least one sensor signal of the at least process a Posi ⁇ tion sensors of the sensor unit, thereby producing additional virtual signals over predetermined models and / or data and / or Informati ⁇ ones, the Control or regulation can improve.
  • a Luenberger observer, a Kalman filter, a translation map or the like can be used for this purpose.
  • Elasticity and transmission errors as well as friction effects in kinematic couplings can also be taken into account.
  • the dynamics of the Stromre ⁇ gel Vietnamesees or dynamic properties of the controlled system can be considered or compensated. A combina ⁇ tion of several of these options can be used.
  • identification methods for example, to determine or estimate the instantaneous load conditions - such as the masses to be moved or the inertias - and to adapt the control or regulation to it.
  • identification methods for example, to carry out adaptive methods or learning methods or devices.
  • model-based devices or methods for example with the help of interference observers.
  • disturbance compensation can be realized and the positioning behavior of the positioning drive can be improved.
  • FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment
  • a positioning drive with two stepping ⁇ drive units and a central processing unit
  • FIG. 2 is a block diagram of an embodiment of the central unit of the positioning drive of FIG. 1,
  • FIG. 2a is a block diagram of an embodiment of a position control loop and a Verlengthsvorgabe- blocks of the central processing unit of FIG. 2,
  • 2b is a block diagram of an embodiment of a method block for controlling a load angle
  • FIG. 3 is a schematic representation of a Shamo ⁇ sector of a step drive unit of FIG. 1,
  • 5 to 7 are each a block diagram of a wide ⁇ ren embodiment of a positioning drive and
  • FIGS. 8 and 9 are each a schematic, beispielhaf ⁇ th time profile for the at Statorfeldistwinkel ⁇ the step motors and a resulting Rotorfeldistwinkel for the two stepper motors.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a positioning ⁇ nierantriebes 15 in the form of a block diagram.
  • the Posi ⁇ tionierantrieb 15 serves for moving or positioning an output member 16.
  • the output member 16 may be playing as a table or a slide for positioning or for the movement or the advance of a tool or a workpiece in ⁇ control.
  • the output element 16 is connected to a coupling output
  • the coupling unit 18 is, for example in accordance with ⁇ be supplied as transmission, for example as Strinradgetriebe or other gear ⁇ transmission. It has a first coupling input 19 and a second coupling input 20. Each coupling input 19, 20 is force-coupled to the coupling output 17. In addition, in the embodiment, the two coupling ⁇ inputs 19, 20 are force-coupled with each other. As a result, movement at the coupling output 17 is not possible independently of one of the two coupling inputs 19, 20.
  • the positioning drive 15 has a first Shaan ⁇ drive unit 21 with a first stepper drive controller 22 and a first stepper motor 23.
  • the first step ⁇ drive controller 22 generates a first signal step ST1 for the first stepping motor 23.
  • the first stepping motor 23 comprises a stator 23S and a rotor 23R.
  • the rotor 23R is connected to the first coupling input 19.
  • Analogously to the first step driving unit 21 is out of the ⁇ a second step drive unit 24 with a second step drive control 25 and a second stepping motor 26 available.
  • the second stepper drive controller 25 generates a second step signal ST2 for the second one
  • Stepper motor 26 The second stepper motor 26 has a stator 26S and a rotor 26R connected to the second coupling input 20.
  • the positioning drive 15 also has a sensor unit 27 comprising, for example according to at least one posi tion ⁇ sensor.
  • a ers ⁇ ter position sensor 28 is present, which generates a first position signal PI that describes the position and / or the position change of the output element ⁇ sixteenth
  • the first position sensor 28 can be realized by an angle sensor or another position sensor, which measures the current, absolute position of the output element 16 and generates a corresponding first position signal PI.
  • the sensor unit 27 also has a second position sensor 29 and a third position sensor 30.
  • the second and the third position sensors 29, 30 are each associated with a rotor 23R or 26R of a stepping motor and detect its rotational position.
  • the second or third position sensor 29, 30 may for example be designed as an encoder and generate a second position signal P2 and a third position signal P3, respectively the Rotoristwinkel (R23, i St or (R2 6, i st of the associated rotor 23R or 26R beschrei ⁇ ben.
  • the second and third position sensor 29, 30 are optional and are used to perform a lower-level control for a respective load angle ⁇ 23 the first stepping motor 23 and a load angle ⁇ 2 ⁇ the second stepping motor 26 from ⁇ .
  • the load angle ⁇ 23 or ⁇ 2 6 of each stepping motor 23 or 26 results from the difference between a stator field angle psi, is and the rotor field angle & R i, i St.
  • the stator field angle psi is from the known Statorfeldsollwinkel psi, so ii and the Rotorfeldist ⁇ angle pRi , i S t determined from the rotor position information of the position ⁇ signals P2 and P3. With the aid of the first positi ⁇ onssensors 28 a superimposed control for the Posi ⁇ tion of the output member 16 is executed.
  • position signals from position sensors are used. It is also possible Alterna ⁇ tively this is to estimate the position, and calculate. For example, a defined starting situation can be established during initialization, for example by moving against a stop. Starting from this initial situation, the
  • Stator field changes or step pulses are counted. Based on the information of the transmission factors and the number of pole pairs of the stepper motors 23, 26 can then calculate the respective position.
  • This method can be improved further optional in that Ge ⁇ gear game characteristics or transmission characteristics of the kinematic path and optionally elasticities in the kinematic transmission path determined and Untitled ⁇ into account.
  • the at least one position signal and the example ⁇ according to three position signals PI, P2, P3 of the sensor unit 27 are transmitted to a central processing unit 31.
  • the Central processing unit 31 also receives a kinematic setpoint, here is formed by a position setpoint PS, and a tension setpoint VS.
  • the position setpoint PS defines the desired position of the driven element 16 and the Verspan ⁇ voltage setpoint VS describes a mechanical stress to be applied through the two step drive units 21, 24 to the coupling inputs 19, 20 of the coupling unit 18th
  • the bracing can eliminate, in particular, a play in the mechanical transmission between the coupling inputs 19, 20 and the coupling output 17 and thus in the kinematic chain between the two rotors 23R, 26R and the output element 16. If the tension state is established, an existing game is at least reduced, and ideally completely eli miniert ⁇ .
  • a movement target for the output member 16 can be used in ⁇ play, a speed and / or a Accelerati ⁇ supply and / or a jerk.
  • a feed motion can be controlled or regulated.
  • a stress setpoint is optio ⁇ nal.
  • a Verspan ⁇ voltage setpoint and thus determines a distortion torque can be based on a pre give ⁇ NEN bracing strategy or based on experience or of a characteristic diagram or on the basis of other parameters, such as the rotational speed of the output member who ⁇ . It is also possible to specify no tension target value of the CPU 31 but to specify a fuzzy set point such as "off", “weak”, “strong” or derglei ⁇ chen. Also based on such fuzzy set points can be determined in the central unit 31 as described, the clamping setpoint.
  • the positioning drive 15 has two degrees of freedom through the use of two stepper drive units 21, 24, on the one hand by the output member 16 can be positioned and on the other hand, the state of stress can be produced.
  • the stepper motors 23, 26 of the stepper drive units 21, 24 each have a load angle ⁇ , thereby generating an engine torque Mi.
  • the engine torques Mi are, for example, the same in terms of magnitude and have a different direction (FIG. 4).
  • the drive signals Al, A2 respectively indicate a position change for the associated stepper drive 23 or 26 at. It is indicated by the relevant drive ⁇ signal AI, A2 for positioning the output member 16, in which direction the stator 23S and 26S rotated and by what amount or by which number of steps the rotation is to take place.
  • the drive signal Al, A2 in question may also be a Statorfeldput the characterization ⁇ -saving size, such as the current amplitude I Di, n dictate so.
  • the amount of which is, however, constant, and the positioning of the output member is currency ⁇ rend 16 is not ver ⁇ changes.
  • the central unit 31 is adapted to output suitable against ⁇ ingenious or in the same direction or superpositions of opposite sense and the same direction driving signals Al, A2, so that both the superimposed position control, as well as the underlying stress scheme or encryption is carried out voltage control.
  • the stepper drive controllers 22, 25 have no inputs via which the motor torque or a motor current defining the motor torque, in particular armature transverse current, can be preset.
  • the stepper drive controls 22, 25 only have inputs at which the amount of rotational movement of a stator field (ie, the stator field desired angle Pi, so ii) and / or its direction of rotation and / or its field strength ⁇ specify.
  • the stepper motors 23, 26 preferably have a pole pair number of at least ⁇ 25th
  • the respective step drive control 22 or 25 is adapted to the actual currents I k i, i st for covering different ⁇ NEN phase k of the associated stepping motor to set 23 or 26 on the basis of target currents I k i n.
  • each setpoint current I k i, so n for a phase is calculated as follows:
  • the current control loop including the winding inductances and the winding resistances can be described by means of a first-order delay element.
  • the actual currents I k i, i st for the phases result in: (Ld)
  • FIG. 3 schematically illustrates two currents I i, I 2 for the individual phases of a stator 23S, 26S. Via the phase currents I k of the Statorfeldistwinkel S p i, i S t can for that stator 23S, 26S ⁇ set to.
  • FIG. 2 is greatly simplified and symbolically illustrates the central unit 31 with their functions.
  • the central processing unit 31 for example in accordance with the transmitted Positionssig ⁇ dimensional PI, P2, P3 as described in connection with FIG. 1 explained.
  • the central unit 31 has an overlying position control loop 40.
  • the position of the output element 16 is superposed ⁇ regulated.
  • the position control loop 40 is sent in the particular ⁇ the first position signal PI.
  • the central unit 31 also includes a bracing ⁇ setting block 41 which by means of the tension target value VS and optionally one or more position signals PI, P2, P3 select a Verspannstrategie and transmitted in accordance with the following process block ⁇ 42nd
  • the control signals AI, A2 and / or the kinematics nominal value PS or other available signals or values can be transmitted to the bracing specification block 41.
  • Verspannstrategie at a high speed of the step ⁇ motors 23, 26 or at a rapid movement of the output element 16, the tension reduced or completely lifted ⁇ if it does not depend on the freedom of the coupling unit 18 in the fast adjustment.
  • one or more of the following options can be considered as the bracing strategy: the bracing setpoint VS is predetermined and is maintained unchanged, whereby a setpoint value for the bracing moment M v , S 0 n is calculated once;
  • a modified tension target value VS depends on the tension target value VS and Wenig ⁇ least another parameter, such as a position signal PI, P2, P3, a modified tension target value VS is ⁇ and thus continuously a target ⁇ value for the tension torque M v, S 0 calculated n, on the ⁇ Sen basis a load angle setpoint ⁇ , 30 ⁇ for each
  • Stepper motor 23, 26 is passed to the process block 42;
  • VS voltage setpoint as a parameter for the calculation of the modified encryption ⁇ and v of the desired value for the tension torque M so ii
  • the speed and / or acceleration of at least 16 are used a step ⁇ motors 23, 26 and the output member.
  • a motor setpoint Mi for each stepper drive 23, 26 and thus a load target angle ⁇ , 30 ⁇ determined.
  • the Motorsollmo ⁇ element Mi so ii ⁇ by a load target angle described 30 ⁇ .
  • the relationship between the engine nominal torque and the nominal load angle may be predetermined depending on the engine type, for example by a map, a function or a table.
  • the load target angle ⁇ , so n defines the respective engine target torque Mi, so n, which is generated by the respective step ⁇ motor 23 and 26 respectively.
  • Psi is: Stator field angle of the stepping motor i.
  • PZi (3) with:
  • Psi is: Stator field angle of stepping motor i;
  • a manufacturing or assembly-dependent angular offset (psi, o for the stator and / or a manufacturing or assembly-dependent offset angle (R ⁇ , O for the stator is neglected in the Gleichun ⁇ gen (3) and (4).
  • PRi ( ⁇ PRi, is - Ri, o) ⁇ PZi (3
  • Psi (9SI is - ⁇ psi, o) ⁇ pz ⁇ (4 V
  • the angular offsets can be eliminated by regulation. You can be determined by an initialization, for example, a reference run, or USAGE ⁇ dung of absolute encoders.
  • the respective mechanical Rotoristwinkel (Ri, i S t can ge ⁇ measure may be calculated or estimated.
  • the jeweili ⁇ gen electrical Rotorfeldistwinkel can be determined according to equation (3).
  • the Statorfeldsollwinkel psi, so ii is known because he over the respective output signal AI or A2 has been output, and therefore the Statoristwinkel (si, i st is known because it was determined in the respective preceding control cycle and therefore can be used to calculate the Statorfeldistwinkels psi, i st according to equation (4) the load angle i, i St can be determined and compared with a load target angle ⁇ , 3 ⁇ , which is transmitted to the process block 42 by the bracing specification block 41.
  • the method block 42 can be based on the deviation between the load target angle ⁇ , 30 ⁇ and Lastistwinkel ⁇ , ⁇ 3 ⁇ determine a rate of change via a controller, which is superimposed with the time rate of change for the rotor field ⁇ target angle pRi, so ii / whereby the corresponding Verspannmoment Mi, i St is set ( Figure 2b).
  • the central unit 31 also has an output block 43.
  • the drive signals AI, A2 for the stepper drive units 21, 24 are determined.
  • FIG. 2 b illustrates a part of the method block 42 as well as the output block 43 which serves to generate and output the first activation signal AI. Entspre ⁇ accordingly for this purpose are other parts of the process block 42 or the output block 43 is present, which serve for the determination and output of the second drive signal A2.
  • a proportional controller for load angle control is used in the process block 42, for example.
  • the Statorfeldsollwinkel Psi, so ii supplied which is approximately the Statorfeldistwinkel psi, i st equivalent.
  • the respective load angle ts t is obtained.
  • the control deviation between the load target angle and the Lastistwinkel is transmitted to the load angle controller 44.
  • the regulation of the load angle is carried out in a subordinate control loop.
  • the superimposed position control loop 40 can control the respective rotor angle and thus the position of the output element 16, while the subordinate control for the load angle ⁇ or the stator field angle p s ⁇ controls.
  • control P-controller For the implementation of the control P-controller, PI controller, PID controller or the like can be used. By setting the controllers for the higher-level or lower-level control loop, a stable overall system can be achieved.
  • stepper drives are not overloaded with the controllers used. It is therefore advantageous if the controller Stellstednbe ⁇ limits such as speed limits or acceleration limits have. Because stepper drives are usually not overloadable compared to servomotors, since usually the current amplitude is kept constant and after exceeding the maximum load angle, the moment is not can be further increased.
  • Fig. 2a the Postionsregelnik 40 and the Ver ⁇ span setting block 41 of the CPU 31 is schematically illustrated with reference to an exemplary embodiment.
  • the position controller outputs a first setpoint speed w1 so n.
  • a difference between the first setpoint speed w1 so n and a second setpoint speed w2 so n is formed and fed to a speed controller 46 which outputs a set speed change dw so n for the output element 16.
  • the desired speed change dw so n is integrated in an integrator 47 and from this the second setpoint speed w2 is formed so n.
  • This second setpoint speed w2 so n is then transmitted to a first kinematic model 48 and a second kinematic model 49.
  • Fig. 2a is defined herein as the number Istcard ⁇ outputted by the integrator second target speed w2 so n used.
  • This signal is free from Messrau ⁇ rule and enables high loop gains in the speed controller 46.
  • the controllers 45, 46 is in each case a manipulated variable limiter downstream in order to comply with the necessary acceleration or speed limits. The overloading of the stepper drives and an out-of-step devices are avoided.
  • the manipulated variable limiters can execute a respective manipulated variable limitation to constant values or variable parameter-dependent and, so to speak, situation-dependent.
  • Statorfeldsollwinkels is determined a magnitude forming unit 61, where appropriate mul ⁇ tipliziert with a proportional factor, then fed via a limiting unit 62, a clock generator 63, which outputs the clock pulses TI ⁇ .
  • the direction pulse RI, the clock pulse TI and gege ⁇ appropriate, the current amplitude value I Di, so n ent give ⁇ speaking the drive signal corresponding to the respective Al and A2, respectively.
  • the relevant drive signal AI or A2 is supplied to a counter 64, which determines therefrom the absolute number of steps of the respective stepping motor 23, 26. It can be in a calculation unit 65 of each of the ⁇ be apt Statorfeldsollwinkel psi, as determined ii and transmit them to the process block 42nd In the Verspannvorgabeblock 41, the load target angle ⁇ , 30 ⁇ for the stepper motors 23, 26 determines (Fig. 2a). In a functional block 70, the desired tensioning moment M v , so ii is determined from the stress setpoint VS and subsequently further processed separately for the two stepper motors 23, 26 in a respective calculation path, which basically have the same structure.
  • Each Be sacredsstre ⁇ bridge comprises a limiting block 71, a first normalization block 72 and a second normalization block 73rd
  • the respective engine torque is limited to a maximum torque. This can be achieved that a maximum load angle is not exceeded.
  • the output of the limiting block 71 is normalized in the first normalization block 72 to the maximum torque and finally normalized in the second standardization block 73 to the maximum load angle and output as load target angle ⁇ ⁇ , 30 ⁇ .
  • the maximum torque can be determined depending on the current amplitude desired value I Di, so n, torque constants, the current angular velocity or speed and the operating voltage.
  • the stress state in the coupling unit 18 in the positioning or in the reached position of the output member 16 is schematically illustrated ⁇ light in Fig. 4.
  • a first Lastistwinkel 23, ⁇ s t at the first Stepping motor 23 and a second Lastistwinkel 26, i st on the second stepping motor 26 are generated.
  • the output member 16 is not moved, but held or moved elimination of the game in the coupling unit 18 in the position, which in turn is determined by the superimposed position control.
  • the load target angle ⁇ , 30 ⁇ depends on the type of
  • Stepper motor limited to a maximum load angle max . It is thereby ensured that the load target angle ⁇ , 30 ⁇ is in an area in which the amount of load or engine torque Mi increases with increasing amount of the load ⁇ actual angular value i, i St (Fig. 4).
  • the load angle is limited in amount to 90 ° and in reluctance stepper motors to 45 °, while in hybrid stepper motors, the maximum load angle can be in the range of 45 ° to 90 °. With magnitude larger load angles, the engine torque of the stepper motors 23, 26 would decrease again.
  • the central processing unit 31 can have an initialization block ⁇ 50th Initially, a defined starting situation is established via the initialization block 50.
  • the driven element 16 can be moved to a defined zero position, in rotationally driven output elements preferably once in each direction of rotation. This is performed individually and separately in particular for both stepper drive units 21, 24.
  • the zero position is detected by sensors, by initializing a relationship between the rotation of each rotor 23S, 26S and the output member 16 is detected and stored, for example by means of the first posi tion ⁇ sensors 28.
  • read ⁇ sen is also a translation error in the mechanical coupling unit correcting 18th
  • a load target angle ⁇ , 30 ⁇ can now be set starting from an original rotational position of the Roto ⁇ Ren 23R, 26R by a predetermined number of Drehschrit ⁇ th. Otherwise, the control method corresponds to the regulation described above.
  • these two position signals in play-free state can also be estimated based on the first position signal PI and in dependence on the respective translation in the coupling unit 18 or determined.
  • the second position signal P2 resulting from a multiplication of the ratio 1 17, 23 Zvi ⁇ rule the coupling output 17 and the first stepping motor 23 multiplied by the first position signal PI.
  • the third position signal P3 results analogously to this from the multiplication between the translation 1 17 , 26 between the coupling output 17 and the second stepping motor 26 multiplied by the first position signal PI.
  • Each multi ⁇ plied with the respective pole pairs are then produced the virtual sensor signals PV2 and PV3.
  • PVl 0.5 (PZ 23 1 Ps23, is ' il7.23 + P% 26 ' Ps26, is ' l, 2b) (5) with:
  • PZ2 3 pole pair number of the first stepping motor 23;
  • PZ2 6 pole pair number of the second stepping motor 26
  • the first position signal PI USAGE ⁇ uses the virtual first position signal PVL may ⁇ to:
  • first position signal can also be used to detect a sensor failure and / or to detect a blocking of the drive. Especially with the use of stepper motors, this may be relevant because the stepper motors 23, 26 are not tolerant to overload. Accordingly can be initiated appropriate level ⁇ took. For example, in case of a sensor error be switched in the position determination of the output element 16 to an emergency control, in which instead of the first position signal PI, the virtual first position ⁇ signal PV1 is used. In the event of an overload of at least one step drive 23, 26, an emergency stop and / or an error signal can be output.
  • the position signals PI, P2, P3 are used for the control within the central unit 31.
  • a sub-step position change can also be achieved in the stressed state. This is relevant in particular when a constant tensioning moment M v is specified and the target load angles are to remain constant, in particular in the desired or target position of the output element 16.
  • the load angle control can be switched off here.
  • each stepper motor 23, 26 can execute the smallest possible rotation step DS.
  • a sub-step-change in position can be caused SUB zusharm ⁇ Lich by the stator fields of the two stepping motors 23, 26 are alternately offset by a rotation step DS twisted time in the same direction.
  • the rotor angle of the two stepper motors can not completely follow. Due to the kinematic coupling increases in both stepper motors of the load angle, which each rotor position or thus also the driven element position only moves by one sub-step position change SUB. This may for example speak half a step ent ⁇ when the kinematic translations between the two step motors 23, 26 and the coupling output 17 are the same size and the stepper drives identically ⁇ leads are and continue to have the same current amplitude.
  • the other Shaantriebsein ⁇ unit When adjusting the Statorfeldistwinkels only one step drive unit, the other Shaantriebsein ⁇ unit will prevent rotation of the output element 16 by the full step amount and instead increase both their own load angle and that of the other stepper drive unit. Only when the other step drive unit is also moved a microstep (by the stator field angle is further rotated accordingly) and the output member 16 is further ge ⁇ rotates by the full amount and the load angle of both stepper drive units decreases again.
  • sub-micro-step resolutions can be achieved, which are here illustrated as a sub-step position change SUB.
  • each one rotation step DS be ⁇ moved in the same direction of rotation about, characterized ⁇ step position change, the rotor angle of the two step motor ⁇ ren, and therefore the output element 16 respectively connected to the Sub be moved, for example in accordance with the half rotation step DS equivalent.
  • Different translations would be different cause large sub-step position changes depending on whether the stator of the stepping motor 23 or the
  • Stepping motor 26 is moved by a rotation step DS.
  • FIG. 9 Another possibility for generating a sub-step position change is illustrated schematically in FIG. 9. While in all previous tribesbei ⁇ play the current amplitude value ID for generating the
  • step drive units 21, 24 Is the current amplitude of the step drive units 21, 24 are different, causing a Statorfeld intimid the weaker step drive unit a smaller Lastwin ⁇ kelerhöhung at the other stepping drive unit than itself. In this way, the output member 16 is moved not by half a micro-step, but correspondingly less.
  • the stepper drive units 21, 24 in such an embodiment have different effects on the coupling output 17 of the coupling unit 18, which can be further enhanced by non-linearities in the moment-load angle curve of the stepper drive units 21, 24.
  • the central processing unit 31 generates pulse width modulated signals step, the effect that the respective stepping motor 23, 26 corresponding to a duty ratio of the proportion of the micro step be moved ⁇ .
  • the frequency of the pulse width modulation must be sufficiently large in order not to generate oscillations on the output element 16 due to the low-pass behavior.
  • a further embodiment of the positioning drive 15 is illustrated.
  • an additional output ⁇ selement 54 The position of this additional output ⁇ selements 43 is also detected by a first position ⁇ sensor 28, analogous to the output element 16.
  • the Kopp ⁇ treatment unit 18 has an additional coupling output 55 to which the additional output element 54 is connected.
  • the coupling unit 18 has in addition to the first coupler ⁇ lung input 19 and to the second input 20 of a coupling third coupling input 56, to which a third step drive unit 57 is connected. As can be seen in Fig. 7, all coupling inputs 19, 20, 56 MITEI ⁇ Nander virtue are coupled.
  • the tension of the coupling unit 18 with respect to the first output element 16 is determined by means of the first step drive unit 21 and the second
  • Step drive unit 24 causes, while the tension of the additional output element 54 through the second
  • Step drive unit 24 and the third step drive ⁇ unit 57 is effected.
  • the distribution of the tensioning moments to achieve a balance of forces or moments in the state of tension overall can be specified in this embodiment, for example via an additional parameter XP.
  • another position specification can be given on the addition parameters XP in addition, so that can be made for the two ex ⁇ drive elements independent position specifications.
  • the embodiment corresponds in its construction and operation of the above-beschrie ⁇ surrounded embodiments and possible modifications of the method and of the positioning drive 15, as was explained in connection with FIGS. 1-4 and 8 and 9.
  • each Ab ⁇ drive element 17, 55 has, however, two associated with it separate drive units 21, 24 analogous to the view in Fig. 1. This arrangement can also be provided in a plurality when a plurality of output elements 17, 55 are present.
  • FIGS. 5 and 6 variants for the coupling ⁇ unit 18 or the type of the output member 16 are illustrated ⁇ .
  • the coupling inputs were coupled to the coupling output of Kopp ⁇ treatment unit 18 via a gear transmission and in particular a spur gear.
  • the output member 16 is formed by a toothed ⁇ rod, which is mounted movable in translation and meshes with two gearwheels, each forming a coupling ⁇ input 19 and 20 respectively.
  • Fig. 6 another modified embodiment of the coupling unit 18 is illustrated, wherein both the first coupling input 19, and the second coupling input 20 are each formed by a rotary spindle, wherein a spindle nut is seated on each rotary spindle.
  • the spindles are arranged parallel to one another in a direction in which the output element 16 is translationally movable.
  • the output element 16 is connected by means of a coupling element with the two spindle nuts, so that it can be moved translationally together with the spindle nuts.
  • the manner of mechanical coupling between the coupling inputs 19, 20 and the coupling output 17 can be varied in many different ways. Before ⁇ preferably 18, the coupling unit between the two Coupling inputs 19, 20 and the coupling output 17 in both directions no self-locking.
  • Ki friction factor for the stepper motor 23 or 26
  • R i, i St actual speed of the rotor of the
  • the invention relates to a positioning 15 so ⁇ as a method for positioning an output element 16.
  • the positioning drive 15 has a first Shaan ⁇ drive unit 21 with a first stepper drive controller 22 and a first stepping motor 23 and a second
  • the two stepper drives 23, 26 and the output element 16 are force and drive coupled via a mechanical coupling unit 18, wherein the coupling unit 18 has play.
  • a central processing unit 31 controls the two Schrit ⁇ tantriebs Kunststoffungen 22, 25 via a respective drive signal AI or A2.
  • the drive signals AI, A2 respectively present the stator field desired angle such that the positioning of the output seetet takes place and a load angle in the two stepper motors 23, 26 is established which cause a Verspannmo ⁇ ment, via the associated Shaantriebs ⁇ control 22 and 25 set becomes.
  • the central processing unit 31 has a layered system for the position of the output ⁇ selements to 16 also has a lower-level control or regulation to adjust opposing moments M2 motor 3, M2 6 for each ⁇ the stepping motor 23, 26th
  • ⁇ is the target rotor angle
  • load target angle PRi shall be, rotor field angle PRi, rotor field target angle Psi, stator field angle Psi, shall stator field target angle
  • dpRi shall rate of change for the rotor field target angle dpsi, so ii change rate for the Statorfeldsollwinkel dli, so ii first temporal target rate of change

Landscapes

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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

Positionierantrieb sowie Verfahren zum Positionieren eines Abtriebselements
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 po¬ sitioniert werden können, beispielsweise Tische oder
Schlitten von Werkzeugmaschinen oder Messmaschinen, um eine entsprechend hohe Genauigkeit bei der Bearbeitung bzw. Mes¬ sung oder Prüfung eines Werkstücks zu erhalten. Bei der Herstellung eines solchen Positionierantriebs weist die be- wegungsübetragende Mechanik Elastizitäten, Herstellungsto¬ leranzen, 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 au¬ ßerdem zu einer verzögerten Bewegung des Abtriebselements führen, wenn ein angesteuerter Positioniermotor zunächst das Spiel überwinden muss, bevor seine Bewegung auf das Ab¬ triebselement 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 kinemati¬ schen 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 Positio¬ nierantriebes 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 AI be¬ kannt. 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 unter¬ lagert. Bei Servomotoren mit feldorientierter Stromregelung kann durch Beeinflussung des drehmomentbildenden Motorstroms (Ankerquerstrom) das Motormoment verändert werden, das sich proportional zum Motorstrom verhält. Dementspre¬ chend ist zusätzlich ein Verspannsollwertgeber vorhanden, der die Sollwerte für die Motorströme der beiden Servomoto¬ ren 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 me¬ chanische Kopplungseinheit auf. Die mechanische Kopplungs¬ einheit weist einen Kopplungsausgang auf, der mit dem Abtriebselement verbunden ist. Die Kopplungseinheit weist au¬ ßerdem zwei mit dem Kopplungsausgang gekoppelte Kopplungs¬ eingänge. Eine Positionsänderung an einem der Kopplungseingänge führt somit zu einer Positionsänderung des Abtrieb¬ selements am Kopplungsausgang. Vorzugsweise ist auch eine Kraft- bzw. Momentenkopplung zwischen den beiden Kopplungseingängen vorhanden, die sich somit gegenseitig beeinflus¬ sen 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 zuge¬ ordneten Kopplungseingang der Kopplungseinheit verbunden.
Der Positionierantrieb verfügt außerdem über eine Zentraleinheit, der ein Kinematiksollwert und ein Verspan¬ nungssollwert 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 Geschwindig¬ keitssollwert vorgegeben werden. Der Kinematiksollwert und der Verspannungssollwert können beispielsweise von einer Maschinensteuerung anwendungsabhängig vorgegeben und an die Zentraleinheit übermittelt werden. Bei einer Maschinensteu¬ erung, die keinen Ausgang für einen Verspannungssollwert vorsieht, kann die Zentraleinheit auch anhand einer vorge¬ gebenen Verspannungsstrategie einen Verspannungssollwert ermitteln .
Die Zentraleinheit ist dazu eingerichtet, abhängig von dem Kinematiksollwert und dem Verspannungssollwert ein ers¬ tes Ansteuersignal für die erste Schrittantriebssteuerung und ein zweites Ansteuersignal für die zweite Schrittan¬ triebssteuerung 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 defi¬ nieren daher Positionsänderungen für die Läufer bzw. Rotoren .
Über die beiden Ansteuersignale wird aufgrund der ki¬ nematischen Kopplung der Antriebseinheiten und des Ausgangselements erfindungsgemäß eine überbestimmte Positions- änderungsvorgabe 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 ausge¬ führt. Die drehmomentgeregelte Betriebsweise eines Servomo¬ tors (beispielsweise eines Synchronmotors) erfordert jedoch eine feldorientierte Stromregelung und die Möglichkeit, über ein Ansteuersignal einen Sollwert für einen drehmo¬ mentbildenden 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 Schrittmo¬ toren bei der Einstellung der vorgegebenen Sollposition entgegengesetzt gerichtete Lastmomente in den Schrittmoto¬ ren 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 Verspannungszu- stand in der Kopplungseinheit, so dass ein etwaiges Spiel eliminiert wird. Somit können erfindungsgemäß Schrittantriebseinheiten zur Einstellung der Position des Abtriebselements einge¬ setzt werden, die keine Möglichkeit zur Drehmomentsollwert¬ vorgabe aufweisen. Durch eine überbestimmte kinematische Vorgabe, vorzugsweise eine überlagerte Positions- oder Ge- schwindigkeits- oder Beschleunigungsvorgabe, wird die Posi¬ tion des Abtriebselements gesteuert oder geregelt, bei¬ spielsweise 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 Rotorfeld¬ winkel .
Es kann auch mehr als ein Abtriebselement vorhanden sein. Jedem Abtriebselement sind wenigstens zwei Schrittmo¬ toreinheiten zugeordnet. Die Kopplungseinheit kann dement¬ sprechend viele Kopplungseingänge und Kopplungsausgänge aufweisen. Es ist auch möglich für jedes Abtriebselement eine separate Kopplungseinheit vorzusehen.
Vorzugsweise sind jedem Antriebselement zwei Schritt¬ motoreinheiten zugeordnet. Prinzipiell ist es zum Erreichen der Spielfreiheit ausreichend, wenn die Anzahl der Schritt¬ motoreinheiten um eins größer ist als die Anzahl der Abtriebselemente, sofern alle Abtriebselemente und Schrittmo¬ toreinheiten kinematisch gekoppelt sind.
Als Schrittmotoren können Permanentmagnetschrittmoto- ren 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 Schritt¬ motoren verwendet werden.
Der Positionierantrieb kann lineare oder rotative Schrittmotoren bzw. Synchronmotoren verwenden. Es können allgemein Schrittmotoren verwendet werden, die ein Sta-to- relement aufweisen, über welches das Statordrehfeld in sei¬ ner Stärke und Phasenlage gesteuert oder geregelt werden kann, und die ferner ein bewegliches Läuferelement bzw. Ro¬ torelement 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 Ankerquer¬ stromkomponente des Ankerstromes den größten Anteil auf¬ weist, sondern es ist stets auch eine Ankerlängsstromkompo¬ nente vorhanden. Im Unterschied zum Betrieb von bürstenlo¬ sen Gleichstrommotoren mit elektronischer Kommutierung erfolgt erfindungsgemäß eine Einstellung des Statorfeldwin¬ kels in Abhängigkeit der Lastwinkelvorgabe und nicht ein Umschalten lediglich abhängig vom Rotorfeldistwinkel.
Die Schrittmotoren können vorzugsweise immer im Mikro- schrittbetrieb 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 Perma¬ nentmagnetanordnung 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 Ansteuer- signal macht. Erfindungsgemäß folgt der Rotor und damit der Rotorfeldistwinkel nicht dem Statorfeldistwinkel (bzw. dem Statorfeldsollwinkel) , wenn ein Verspannungszustand be¬ steht, aufgrund der kinematischen und der Kraft- bzw. Mo¬ mentenkopplung 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 Kräftegleichge¬ wicht 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 Statorfeld¬ sollwinkel einen Strangstrom zu bestimmen. Dabei kann der Stromamplitudenwert für die Strangströme eines Schrittmo¬ tors bzw. für die Phasenströme aller Schrittmotoren vorgegeben sein und insbesondere konstant vorgegeben sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der
Stromamplitudenwert bei der Positionierung des Abtriebsele¬ ments nicht variiert. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Zentraleinheit dazu eingerichtet ist, im Verspannungszustand Ansteuersig- nale derart vorzugeben, dass das Abtriebselement eine Sub- schritt-Positionsänderung mit einem Positionsänderungsbe- trag ausführt, der kleiner ist, als der Positionsänderungs- betrag, den das Abtriebselement außerhalb des Verspannungs- zustandes 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" be¬ zeichnet 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 Ab¬ triebselements um den vollen Schrittbetrag verhindern und stattdessen sowohl ihren eigenen Lastwinkel als auch den der anderen Schrittantriebseinheit erhöhen. Bei einer kine¬ matischen Übersetzung der Schrittantriebseinheiten von 1:1 zueinander und gleicher Bauweise wird sich dabei das Ab¬ triebselement genau um einen halben Mikroschritt bewegen. Erst wenn die jeweils andere Schrittantriebseinheit eben¬ falls 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-Mikroschrittbe- reich 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 kleinst- möglichen Winkelbetrag, den die beiden Schrittantriebseinheiten ermöglichen.
Weiterhin ist es auch möglich, die Subschritt-Positi¬ onsänderung 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 Schrittsig¬ nale, die bewirken, dass sich die Schrittantriebseinheit beispielsweise nicht nur um einen halben Mikroschritt , son¬ dern noch weniger entsprechend dem Tastverhältnis der Puls¬ weitenmodulation bewegt. Die Frequenz der Pulsweitenmodula¬ tion wird dabei vorzugsweise ausreichend hoch gewählt, bei¬ spielsweise mindestens 10 kHz, wodurch aufgrund des erwähn¬ ten 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 Rotorfeld¬ istwinkel ermittelt werden.
Es ist außerdem bevorzugt, wenn der Lastwinkel abhän¬ gig vom Typ des Schrittmotors höchstens einem Maximallast¬ winkel entspricht. Der Maximallastwinkel ist derart vorge¬ geben, dass sich das Lastmoment bei einer betragsmäßigen Vergrößerung des Lastwinkels bis zum Maximallastwinkel ver¬ größert. Der Maximallastwinkel kann bei einem Permanentmag¬ netschrittmotor 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 Abtriebsele¬ ments und/oder die Positionsänderung des Abtriebselements beschreibt. Auf diese Weise kann die Position des Abtrieb¬ selements geregelt werden. Insbesondere ist diese Positi¬ onsregelung 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 Ab¬ triebselement, 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. Da¬ bei 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 Schrittan¬ triebseinheiten geregelt werden.
Werden die Rotorfeldistwinkel nicht gemessen, kann dennoch unter Annahme, beispielsweise eines konstanten Ge¬ triebespiels, ein Lastwinkel gesteuert werden. Das steu¬ ernde 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 An- steuersignale an die Schrittantriebssteuerungseinheiten übermittelt werden, beispielsweise als Takt- und/oder Rich¬ tungsimpulse .
Bevorzugt ist die Zentraleinheit dazu eingerichtet, das wenigstens eine Sensorsignal des wenigstens einen Posi¬ tionssensors der Sensoreinheit zu verarbeiten und dabei über vorgegebene Modelle und/oder Daten und/oder Informati¬ onen zusätzliche virtuelle Signale zu erzeugen, die die Steuerung oder die Regelung verbessern können. Beispielsweise kann dazu ein Luenberger-Beobachter, ein Kaiman-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 Stromre¬ gelkreises oder dynamische Eigenschaften der Regelstrecke berücksichtigt bzw. kompensiert werden. Auch eine Kombina¬ tion 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 Ausführungs¬ beispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungs- beispiels eines Positionierantriebs mit zwei Schrittan¬ triebseinheiten und einer Zentraleinheit,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Zentraleinheit des Positionierantriebs aus Fig. 1,
Fig. 2a ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Positionsregelkreises und eines Verspannungsvorgabe- blocks der Zentraleinheit aus Fig. 2,
Fig. 2b ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrensblocks zur Regelung eines Lastwinkels,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schrittmo¬ tors einer Schrittantriebseinheit aus Fig. 1,
Fig. 4 eine schematische Prinzipdarstellung zur Herstellung eines Verspannungszustandes,
Fig. 5 bis 7 jeweils ein Blockschaltbild eines weite¬ ren Ausführungsbeispiels eines Positionierantriebs und
Fig. 8 und 9 jeweils einen schematischen, beispielhaf¬ ten zeitlichen Verlauf für den Statorfeldistwinkel der bei¬ den Schrittmotoren und einen sich daraus ergebenden Rotorfeldistwinkel für die beiden Schrittmotoren. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Positio¬ nierantriebes 15 in Form eines Blockschaltbildes. Der Posi¬ tionierantrieb 15 dient zum Bewegen bzw. Positionieren eines Abtriebselements 16. Das Abtriebselement 16 kann bei¬ spielsweise 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 ausge¬ führt, z.B. als Strinradgetriebe oder ein anderen Zahnrad¬ getriebe. 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 Kopplungs¬ eingänge 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 Schrittan¬ triebseinheit 21 mit einer ersten Schrittantriebssteuerung 22 und einem ersten Schrittmotor 23 auf. Die erste Schritt¬ antriebssteuerung 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 außer¬ dem 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 Posi¬ tionssensor aufweist. Beim Ausführungsbeispiel ist ein ers¬ ter Positionssensor 28 vorhanden, der ein erstes Positionssignal PI erzeugt, das die Position und/oder die Positions¬ änderung 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 PI 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 ( R23 , iSt bzw. ( R2 6, ist des zugeordneten Rotors 23R bzw. 26R beschrei¬ ben. 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 λ2β des zweiten Schrittmotors 26 aus¬ zuführen. Der Lastwinkel λ23 bzw. λ2 6 jedes Schrittmotors 23 bzw. 26 ergibt sich aus der Differenz aus einem Statorfeldistwinkel psi,ist und dem Rotorfeldistwinkel &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 psi,ist wird aus dem bekannten Statorfeldsollwinkel psi, s oii und der Rotorfeldist¬ winkel pRi,iSt aus der Rotorlageninformation der Positions¬ signale P2 bzw. P3 ermittelt. Mit Hilfe des ersten Positi¬ onssensors 28 wird eine überlagerte Regelung für die Posi¬ tion des Abtriebselements 16 ausgeführt.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden Positionssignale von Positionssensoren verwendet. Alterna¬ tiv 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 Ge¬ triebespielkennlinien bzw. Übertragungskennlinien der kinematischen Strecke und gegebenenfalls Elastizitäten in der kinematischen Übertragungsstrecke bestimmt und berücksich¬ tigt werden.
Das wenigstens eine Positionssignal und die beispiels¬ gemäß drei Positionssignale PI, P2, P3 der Sensoreinheit 27 werden einer Zentraleinheit 31 übermittelt. Die Zentralein¬ heit 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 Verspan¬ nungssollwert 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 eli¬ miniert .
Als Kinematiksollwert kann in Abweichung zu dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auch eine Bewegungsvorgabe für das Abtriebselement 16 verwendet werden, bei¬ spielsweise eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleuni¬ gung und/oder ein Ruck. Dadurch kann beispielsweise eine Vorschubbewegung gesteuert oder geregelt werden.
Das Vorgeben eines Verspannungssollwertes ist optio¬ nal. In der Zentraleinheit 31 kann anhand einer vorgegebe¬ nen Verspannungsstrategie oder anhand von Erfahrungswerten oder eines Kennfeldes bzw. anhand von weiteren Parametern, wie etwa der Drehzahl des Abtriebselements, ein Verspan¬ nungssollwert und damit ein Verspannmoment ermittelt wer¬ den. Es ist auch möglich, der Zentraleinheit 31 keinen Verspannungssollwert vorzugeben, sondern einen Fuzzy-Sollwert wie beispielsweise „aus", „schwach", „stark" oder derglei¬ chen vorzugeben. Auch anhand von solchen Fuzzy-Sollwerten kann in der Zentraleinheit 31 wie geschildert der Verspan- nungssollwert 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 λι auf, wodurch sie ein Motormoment Mi erzeugen. Die Motormomente Mi sind beispielsgemäß betragsmäßig gleich groß und haben eine unterschiedliche Richtung (Fig. 4) .
Abhängig vom dem Kinematiksollwert PS und dem Verspan- nungssollwert VS ermittelt die Zentraleinheit 31 ein erstes Ansteuersignal AI für die erste Schrittantriebseinheit 21 und ein zweites Ansteuersignal A2 für die zweite Schrittan¬ triebseinheit 24. Die Ansteuersignale AI, A2 geben jeweils eine Positionsänderung für den zugeordneten Schrittantrieb 23 bzw. 26 an. Dabei wird durch das betreffende Ansteuer¬ signal AI, 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 AI, A2 kann auch eine die Statorfeldstärke charakterisie¬ rende Größe, wie etwa die Stromamplitude I Di, s on vorgeben. Vorzugsweise ist deren Betrag jedoch konstant und wird wäh¬ rend der Positionierung des Abtriebselements 16 nicht ver¬ ändert .
Erfindungsgemäß kann über die kinematische Kopplungs¬ einheit 18 sowie die Ansteuersignale AI, A2 und die dadurch angegebenen Statorfeldgrößen eine Verspannsituation hergestellt werden. Denn die Rotorfelder können im Verspannungs- zustand den Statorfeldern nicht folgen. Dadurch baut sich bei jedem Schrittmotor 23, 26 ein Lastwinkel λι auf. Die Ansteuersignale AI, A2 können die Lastwinkel λι 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 gegen¬ sinnige oder gleichsinnige oder auch Überlagerungen von gegensinnigen und gleichsinnigen Ansteuersignalen AI, A2 auszugeben, so dass sowohl die überlagerte Positionsregelung, als auch die unterlagerte Verspannungsregelung bzw. Ver- spannungssteuerung ausgeführt wird. Die Ansteuersignale ge¬ ben also an, welcher Lastwinkel λι an den Schrittmotoren 23, 26 eingestellt werden soll, um den gewünschten Verspan- nungszustand 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 Pi,soii) und/oder dessen Drehrichtung und/oder dessen Feld¬ stärke vorgeben. Die Feldstärke ist dabei Proportional zu der Stromsollamplitude IDi,son. Aus der Stromsollamplitude lDi,soii und dem Statorfeldsollwinkel psi,soii werden die Soll¬ ströme I]ci,soii für die Phasen k=l bis n berechnet. Die Schrittmotoren 23, 26 haben vorzugsweise eine Pol¬ paarzahl von mindestens 25.
Die jeweilige Schrittantriebssteuerung 22 bzw. 25 ist dazu eingerichtet, die Istströme Iki,ist für die verschiede¬ nen Phasen k des zugeordneten Schrittmotors 23 bzw. 26 anhand der Sollströme Iki,son einzustellen. In Abhängigkeit von der Anzahl der Phasen wird jeder Sollstrom Iki,son für eine Phase wie folgt ausgerechnet:
Iki,soii = IDi so U ■ sm(psi soll + (k - 1)■ 90°) (la) für einen Schrittmotor mit n=2 Phasen und
Iki.soii — IDi so ü ■ sm(psi soa + (/c 1)■ ^ )
für einen Schrittmotor mit n>2 Phasen. mit :
I ki, s oii : Sollstrom für die Phase k
IDi, soii : Stromamplitudensollwert ;
Psi, s oii : Statorfeldsollwinkel des Stators i;
i: Index für die Schrittmotoren 23, 26
k: Index für die Phasen (k=l, 2, ...n)
Dabei gilt:
Figure imgf000024_0001
Der Stromregelkreis einschließlich der Wicklungsinduktivitäten und der Wicklungswiderstände können anhand einer Verzögerungsgliedes erster Ordnung beschrieben werden. Die Istströme Iki,ist für die Phasen ergeben sich zu: (ld)
Die Zeitkonstante τ ist klein und daher kann Gleichung (ld) vereinfacht werden zu:
I ki , soll bzw. psi , ist Psi , soll ·
In Fig. 3 sind schematisch zwei Ströme I i , I 2 für die einzelnen Phasen eines Stators 23S, 26S veranschaulicht. Über die Strangströme I k kann der der Statorfeldistwinkel pSi , iSt für den betreffenden Stator 23S, 26S eingestellt wer¬ den .
In Fig. 2 ist stark vereinfacht und symbolisch die Zentraleinheit 31 mit ihren Funktionen veranschaulicht. Der Zentraleinheit 31 werden beispielsgemäß die Positionssig¬ nale PI, P2, P3 übermittelt, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits erläutert. Die Zentraleinheit 31 weist einen über¬ lagerten Positionsregelkreis 40 auf. In dem Positionsregel¬ kreis 40 wird die Position des Abtriebselements 16 überla¬ gert geregelt. Hierfür wird dem Positionsregelkreis 40 ins¬ besondere das erste Positionssignal PI übermittelt.
Die Zentraleinheit 31 weist außerdem einen Verspann¬ vorgabeblock 41 auf, der anhand des Verspannungssollwertes VS und gegebenenfalls einem oder mehreren Positionssignalen PI, P2, P3 eine Verspannstrategie auswählen und einem nach¬ folgenden Verfahrensblock 42 übermitteln. Zur Auswahl der Verspannstrategie können dem Verspannvorgabeblock 41 zusätzlich oder alternativ auch die Ansteuersignale AI, A2 und/oder der Kinematiksollwert PS oder andere verfügbare Signale bzw. Werte übermittelt werden. Beispielsweise kann als Verspannstrategie bei einer hohen Drehzahl der Schritt¬ motoren 23, 26 bzw. bei einer schnellen Bewegung des Abtriebselements 16 die Verspannung vermindert oder ganz auf¬ gehoben 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 Mv, S 0n berechnet wird;
abhängig von dem Verspannungssollwert VS und wenigs¬ tens einem weiteren Parameter, wie etwa einem Positionssignal PI, P2, P3, wird ein modifizierter Verspannungssollwert VS λ und mithin kontinuierlich ein Soll¬ wert für das Verspannmoment Mv, S 0n berechnet, auf des¬ sen Basis ein Lastwinkelsollwert λι,30ιι für jeden
Schrittmotor 23, 26 an den Verfahrensblock 42 weitergegeben wird;
als Parameter zur Berechnung des modifizierten Ver- spannungssollwertes VS λ bzw. des Sollwerts für das Verspannmoment Mv, s oii kann beispielsweise die Drehzahl und/oder die Beschleunigung wenigstens eines Schritt¬ motors 23, 26 bzw. des Abtriebselements 16 verwendet werden .
Abhängig von der gewählten Verspannstrategie im Verspannvorgabeblock 41 wird ein Motorsollmoment Mi, s on für jeden Schrittantrieb 23, 26 und mithin ein Lastsollwinkel λι,30ιι ermittelt. Beim Ausführungsbeispiel wird das Motorsollmo¬ ment Mi, s oii durch einen Lastsollwinkel λι,30ιι 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 λι, son definiert das jeweilige Motorsollmoment Mi,son, das durch den betreffenden Schritt¬ motor 23 bzw. 26 erzeugt wird. Dabei gilt folgender Zusam¬ menhang: Der Lastistwinkel λι,ι3ί entspricht der Differenz aus dem Rotorfeldistwinkel pRi,iSt minus dem Statorfeldist¬ winkel pSi,ist,
Figure imgf000027_0001
mit :
i,iSt: Lastistwinkel des Schrittmotors i;
pRi,iSt: Rotorfeldistwinkel des Schrittmotors i;
Psi,ist: Statorfeldistwinkel des Schrittmotors i.
Abhängig von der Polpaarzahl des Schrittmotors 23, 26 besteht folgender Zusammenhang zwischen dem Rotorfeldistwinkel pRi,iSt (elektrischer Rotorfeldwinkel) und dem mecha¬ nischen Rotoristwinkel c Ri,iSt:
PRi,ist = <PRi,ist · PZi (3) mit :
pRi,iSt: Rotorfeldistwinkel des Schrittmotors i;
9Ri,iSt: mechanischer Rotoristwinkel des Schrittmotors i; pzi: Polpaarzahl des Schrittmotors i.
Ein entsprechender Zusammenhang gilt für den Statorfeldistwinkel psi,ist (elektrischer Statorfeldistwinkel) und den mechanischen Statoristwinkel (si,ist:
Psi,ist ~~ <Psi,ist ' Pzi (4) mit :
Psi,ist : Statorfeldistwinkel des Schrittmotors i;
9si,ist : Statoristwinkel des Schrittmotors i;
pzi: Polpaarzahl des Schrittmotors i.
Ein fertigungs- oder montageabhängiger Winkeloffset (psi,o für den Stator und/oder ein fertigungs- oder montageabhängiger Winkeloffset (R±,O für den Stator ist in den Gleichun¬ gen (3) und (4) vernachlässigt.
PRi,ist = (<PRi,ist - Ri,o) · PZi (3-
Psi,ist = (9si,ist - <Psi,o) · pz± (4V
Die Winkeloffsets können regelungstechnisch eliminiert werden. Sie lassen sich durch einen Initialisierungsvorgang, beispielsweise eine Referenzfahrt, oder durch Verwen¬ dung von Absolut-Winkelgebern ermitteln.
Der jeweilige mechanische Rotoristwinkel ( Ri,iSt kann ge¬ messen, 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 Posi¬ tionssignal P3 beschrieben. Somit lassen sich die jeweili¬ gen elektrischen Rotorfeldistwinkel nach Gleichung (3) ermitteln .
Der Statorfeldsollwinkel psi,soii ist bekannt, da er über das betreffende Ausgangssignal AI bzw. A2 ausgegeben wurde und daher ist auch der Statoristwinkel ( si, ist bekannt, da er im jeweils vorangehenden Regelzyklus ermittelt wurde und daher zur Berechnung des Statorfeldistwinkels psi, ist nach Gleichung (4) verwendet werden kann. Somit kann der Lastistwinkel i, iSt ermittelt und mit einem Lastsollwinkel ί, 3 οΐι verglichen werden, der dem Verfahrensblock 42 von dem Verspannvorgabeblock 41 übermittelt wird. Dementsprechend kann der Verfahrensblock 42 anhand der Abweichung zwischen dem Lastsollwinkel λι, 30ιι und dem Lastistwinkel λι, ι3ί über einen Regler eine Änderungsrate ermitteln, die überlagert wird mit der zeitlichen Änderungsrate für den Rotorfeld¬ sollwinkel pRi,soii/ wodurch das entsprechende Verspannmoment Mi, iSt eingestellt wird (Fig. 2b).
Die Zentraleinheit 31 weist außerdem einen Ausgabeblock 43 auf. Im Ausgabeblock 43 werden schließlich die Ansteuer- signale AI, A2 für die Schrittantriebseinheiten 21, 24 ermittelt .
In der Fig. 2b ist ein Teil des Verfahrensblocks 42 so¬ wie des Ausgabeblocks 43 veranschaulicht, der zur Erzeugung und Ausgabe des ersten Ansteuersignais AI dient. Entspre¬ chend hierzu sind weitere Teile des Verfahrensblocks 42 bzw. des Ausgabeblocks 43 vorhanden, die zur Ermittlung und Ausgabe des zweiten Ansteuersignais A2 dienen.
Als Regler wird in dem Verfahrensblock 42 beispielsweise ein Proportionalregler zur Lastwinkelregelung verwendet. Im Verfahrensblock 42 wird der Statorfeldsollwinkel Psi, s oii zugeführt, der in etwa dem Statorfeldistwinkel psi, ist entspricht. Durch Differenzbildung mit dem Rotorfeldistwinkel PRi,ist ergibt sich der jeweilige Lastistwinkel t st. Die Regelabweichung zwischen dem Lastsollwinkel und dem Lastistwinkel wird dem Lastwinkelregler 44 übermittelt. Dieser erzeugt an seinem Ausgang eine erste seitliche Sol¬ länderungsrate dli,soii, die überlagert wird mit der Sollän¬ derungsrate für den Rotorfeldsollwinkel pRi,S0n des Positi¬ onsregelkreises 40 (vgl. Fig. 2) . Daraus ergibt sich eine zeitliche Solländerungsrate für den Statorfeldsollwinkel Psi,soii, 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 λι bzw. den Statorfeldwinkel ps± 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 Stellgrößenbe¬ grenzungen 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 Fig. 2a ist der Postionsregelkreis 40 sowie der Ver¬ spannvorgabeblock 41 der Zentraleinheit 31 schematisch anhand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht.
Dem Positionsregelkreis 40 wird der Positionssollwert PS sowie das erste Positionssignal PI zugeführt und die Differenz daraus gebildet und einem Lageregler 45 zuge¬ führt. Der Lageregler gibt eine erste Solldrehzahl wls on aus. Anschließend wird eine Differenz zwischen der ersten Solldrehzahl wls on und einer zweiten Solldrehzahl w2s on gebildet und einem Drehzahlregler 46 zugeführt, der eine Solldrehzahländerung dws on für das Abtriebselement 16 ausgibt. Die Solldrehzahländerung dws on wird in einem Integrierer 47 integriert und daraus die zweite Solldrehzahl w2s on gebildet. Diese zweite Solldrehzahl w2s on 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 dpRi,soii des Rotorfeldsollwinkels pRi, S 0n für den jeweiligen Schrittmotor 23 bzw. 26 ermittelt, ausgegeben und an den Verfahrensblock 42 übermittelt.
Wie in Fig. 2a veranschaulicht, wird hier als Istdreh¬ zahl die durch den Integrierer ausgegebene zweite Solldrehzahl w2s on verwendet. Dieses Signal ist frei von Messrau¬ schen und ermöglicht hohe Kreisverstärkungen im Drehzahlregler 46. Den Reglern 45, 46 ist jeweils ein Stellgrößen- begrenzer nachgeschaltet, um die notwenigen Beschleuni- gungs- bzw. Drehzahlgrenze einzuhalten. Das Überlasten der Schrittantriebe und ein Außer-Tritt-Geraten werden vermieden. Die Stellgrößenbegrenzer können auf konstante Werte o- der variabel parameterabhängig und sozusagen situationsabhängig eine jeweilige Stellgrößenbegrenzung ausführen.
In dem Ausgabebelock 43 (Fig. 2b) der Zentraleinheit 31 wird aus den Änderungsraten dpSi,Soii der Statorfeldsollwin¬ kel psi,soii/ die in dem Verfahrensblock 42 ermittelt wurden, ein Taktimpuls TI sowie ein Richtungsimpuls RI erzeugt. Hierzu wird jeweils die Solländerungsrate dpSi,Soii des be¬ treffenden Statorfeldsollwinkels psi, s oii ausgewertet. Durch eine Vorzeichenstimmungseinheit 60 ergibt sich der Rich¬ tungsimpuls RI . Der Betrag der Solländerungsrate des
Statorfeldsollwinkels wird einer Betragsbildungseinheit 61 ermittelt, gegebenenfalls mit einem Proportionalfaktor mul¬ tipliziert, anschließend über eine Begrenzungseinheit 62, einem Taktgeber 63 zugeführt, der die Taktimpulse TI aus¬ gibt. Der Richtungsimpuls RI, der Taktimpuls TI sowie gege¬ benenfalls der Stromamplitudensollwert I Di, s on ergeben ent¬ sprechend das entsprechend das betreffende Ansteuersignal AI bzw. A2.
Das betreffende Ansteuersignal AI 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 be¬ treffende Statorfeldsollwinkel psi, s oii ermitteln und an den Verfahrensblock 42 übermitteln. In dem Verspannvorgabeblock 41 werden die Lastsollwinkel λί, 30ιι für die Schrittmotoren 23, 26 bestimmt (Fig. 2a) . In einem Funktionsblock 70 wird aus dem Verspannungssoll- wert VS das Verspannungssollmoment Mv, s oii ermittelt und an¬ schließend getrennt für die beiden Schrittmotoren 23, 26 in jeweils einer Berechnungsstrecke weiter verarbeitet, die grundsätzlich gleich aufgebaut sind. Jede Berechnungsstre¬ cke 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. An¬ schließend 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 λί, 30ιι ausgegeben. Das Maximalmoment kann abhängig von dem Stromamplitudensollwert I Di, s on , von Drehmomentkonstanten, von der aktuellen Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl und der Betriebsspannung ermittelt werden.
Optional kann dem Verspannungssollmoment Mv, S 0n für jede Berechnungsstrecke vor dem jeweiligen Begrenzungsblock 71 ein einem gewünschten Beschleunigungswert entsprechendes Zusatzmoment Mai, s on hinzuaddieren, um ein gezieltes Be¬ schleunigungsmoment 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 Fig. 4 veranschau¬ licht. Durch einen ersten Lastistwinkel 23,±st am ersten Schrittmotor 23 und einem zweiten Lastistwinkel 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 λι, 30ιι ist abhängig vom Typ des
Schrittmotors auf einen Maximallastwinkel max begrenzt. Es wird dadurch sichergestellt, dass sich der Lastsollwinkel λί, 30ιι in einem Bereich befindet, in dem der Betrag des Last- oder Motormoments Mi mit zunehmendem Betrag des Last¬ winkelistwertes i, iSt zunimmt (Fig. 4). Bei Permanentmag¬ netschrittmotoren 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 Mo¬ tormomente Mi auch ein Steuerverfahren verwendet werden. Hierzu kann die Zentraleinheit 31 einen Initialisierungs¬ block 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 Posi¬ tionssensors 28. Durch die Initialisierung wird ein Zusammenhang zwischen der Drehbewegung jedes Rotors 23S, 26S und dem Abtriebselement 16 erfasst und gespeichert. Dabei las¬ sen sich auch Übersetzungsfehler in der mechanischen Kopplungseinheit 18 korrigieren. Ein Lastsollwinkel λι,30ιι kann jetzt ausgehend von einer ursprünglichen Drehlage der Roto¬ ren 23R, 26R durch eine vorgegebene Anzahl von Drehschrit¬ ten eingestellt werden. Ansonsten entspricht das Steuerverfahren der zuvor beschriebenen Regelung.
Stehen das zweite Positionssignal P2 und das dritte Po¬ sitionssignal P3 nicht zur Verfügung, können diese beiden Positionssignale im spielfreien Zustand auch anhand des ersten Positionssignals PI 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 117,23 zwi¬ schen dem Kopplungsausgang 17 und dem ersten Schrittmotor 23 multipliziert mit dem ersten Positionssignal PI. Das dritte Positionssignal P3 ergibt sich analog hierzu aus der Multiplikation zwischen der Übersetzung 117,26 zwischen dem Kopplungsausgang 17 und dem zweiten Schrittmotor 26 multipliziert mit dem ersten Positionssignal PI. Jeweils multi¬ pliziert mit der betreffenden Polpaarzahl ergeben sich dann die virtuellen Sensorsignale PV2 bzw. PV3.
Sollte auch das erste Positionssignal PI nicht zur Ver¬ fügung 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:
PVl = 0,5 (PZ23 1 Ps23,ist ' il7,23 + P%26 ' Ps26,ist ' l,2b) ( 5 ) mit :
PZ23: Polpaarzahl des ersten Schrittmotors 23;
PZ26: Polpaarzahl des zweiten Schrittmotors 26;
117,23: Übersetzung zwischen Kopplungsausgang 17
und erstem Schrittmotor 23;
ii7,26: Übersetzung zwischen Kopplungsausgang 17
und zweitem Schrittmotor 26.
Damit kann letzten Endes eine reine Steuerung ohne Po¬ sitionssignalrückführung erreicht werden. Es kann aber auch vorteilhaft sein, das erste Positionssignal PI zu verwen¬ den, und lediglich die virtuellen Positionssignale PV2, PV3 zu ermitteln. Hierfür kann das erste Positionssignal PI o- der das virtuelle erste Positionssignal PVl verwendet wer¬ den :
PV2 = pR23iist = PVl■ PZ23 ■ i17i23 ( 6a)
PV3 = pR26iist = PVl■ PZ26 ■ i17i26 ( 6b)
Die Möglichkeit, das erste Positionssignal PI auf meh¬ rere 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 Ma߬ nahmen 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 PI das virtuelle erste Positions¬ signal PV1 verwendet wird. Bei einer Überlast zumindest ei¬ nes 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 PI, P2, P3 für die Regelung innerhalb der Zentraleinheit 31 verwendet.
Mit Hilfe des Positionierantriebes 15 kann im Verspan- nungszustand außerdem eine Subschritt-Positionsänderung erreicht werden. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn ein konstantes Verspannmoment Mv 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 Fig. 8 veranschaulicht. Außerhalb des Verspannungszustands kann jeder Schrittmotor 23, 26 den kleinstmöglichen Drehschritt DS ausführen. Im Verspannungszustand kann zusätz¬ lich 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 ent¬ sprechen, wenn die kinematischen Übersetzungen zwischen den beiden Schrittantrieben 23, 26 und dem Kopplungsausgang 17 gleich groß sind und die Schrittantriebe identisch ausge¬ führt sind und weiter dieselbe Stromamplitude aufweisen.
Beim Verstellen des Statorfeldistwinkels nur einer Schrittantriebseinheit wird die andere Schrittantriebsein¬ heit 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 ge¬ dreht 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 be¬ wegt, kann dadurch der Rotorwinkel der beiden Schrittmoto¬ ren und mithin das Abtriebselement 16 jeweils mit der Sub¬ schritt-Positionsänderung bewegt werden, die beispielsgemäß dem halben Drehschritt DS entspricht. Dies ist dann der Fall, wenn die Übersetzungsverhältnisse vom ersten Kopp¬ lungseingang 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 Sub- schritt-Positionsänderung ist in Fig. 9 schematisch veranschaulicht. Während bei allen bisherigen Ausführungsbei¬ spielen der Stromamplitudenwert ID zur Erzeugung der
Statorfelder nicht verändert wurde, wird beim in Fig. 9 veranschaulichten Verfahren beispielsgemäß der
Stromamplitudenwert I Di 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 Lastwin¬ kelerhöhung 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 Fig. 8 beschriebenen Verfahren zur Subschritt-Positionsänderung das Statorfeld des ersten Schrittmotors 23 um einen Dreh¬ schritt DS bewegt (erster Zeitpunkt tl) . Zur Ausführung der nachfolgenden Subschritt-Positionsänderung wird der Stromamplitudenwert ID zur Erzeugung des ersten Statorfel¬ des vergrößert (zweiter Zeitpunkt t2) . Die nächste Sub- schritt-Positionsänderung SUB zu einem dritten Zeitpunkt t3 wird dadurch erreicht, dass der Stromamplitudenwert ID des ersten Statorfeldes wieder auf seinen Ausgangswert redu¬ ziert wird und gleichzeitig das zweite Statorfeld um einen Drehschritt DS bewegt wird. Dieser Verfahrensablauf kann sequentiell zur Ausführung von Subschritt-Positionsänderun- gen 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 be¬ wegt. Die Frequenz der Pulsweitenmodulation muss dabei ausreichend groß sein, um aufgrund des Tiefpassverhaltens keine Oszillationen am Abtriebselement 16 zu erzeugen.
In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Positionierantrieb 15 veranschaulicht. Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist der Positionierantrieb 15 nach Fig. 7 ein zusätzliches Abtrieb¬ selement 54 auf. Die Position dieses zusätzlichen Abtrieb¬ selements 43 wird ebenfalls über einen ersten Positions¬ sensor 28 erfasst, analog zum Abtriebselement 16. Die Kopp¬ lungseinheit 18 hat einen zusätzlichen Kopplungsausgang 55, mit dem das zusätzliche Abtriebselement 54 verbunden ist. Die Kopplungseinheit 18 hat zusätzlich zum ersten Kopp¬ lungseingang 19 und zum zweiten Kopplungseingang 20 einen dritten Kopplungseingang 56, an den eine dritte Schrittantriebseinheit 57 angeschlossen ist. Wie in Fig. 7 zu erkennen ist, sind sämtliche Kopplungseingänge 19, 20, 56 mitei¬ nander 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 Schrittantriebs¬ einheit 57 bewirkt wird. Wegen des zusätzlichen Schrittmo¬ toreinheit besteht ein dritter Freiheitsgrad bei der An- steuerung. Die Verteilung der Verspannmomente zur Erzielung eines Kräfte- bzw. Momentengleichgewichts im Verspannungs- zustand 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 Ab¬ triebselemente unabhängige Positionsvorgaben gemacht werden können. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel in seinem Aufbau und seiner Funktionsweise den zuvor beschrie¬ benen Ausführungsbeispielen und Abwandlungsmöglichkeiten des Verfahrens und des Positionierantriebs 15, wie es im Zusammenhang mit den Fig. 1-4 sowie 8 und 9 erläutert wurde .
Da alle Ein- und Ausgänge der Kopplungseinheit 18 mit¬ einander kraft- bzw. momentengekoppelt sind, kann aufgrund der einen überzähligen Antriebseinheit (es gibt eine An¬ triebseinheit mehr als Kopplungsausgänge) dessen zusätzli¬ che Stelleigenschaft zum Aufbau der Verspannung in der ki¬ nematischen Kette verwendet werden. Die regelungstechnische Ansteuerung ist jedoch aufwendiger. Beispielsweise wäre auch eine Verspannung von fünf Abtriebselementen mit sechs Antriebseinheiten denkbar. Vorzugsweise besitzt jedes Ab¬ triebselement 17, 55 jedoch zwei ihm zugeordnete separate Antriebseinheiten 21, 24 analog zu der Darstellung in Fig. 1. Diese Anordnung kann auch mehrfach vorgesehen werden, wenn mehrere Abtriebselemente 17, 55 vorhanden sind.
In den Fig. 5 und 6 sind Varianten für die Kopplungs¬ einheit 18 bzw. die Art des Abtriebselements 16 veranschau¬ licht. Bei den Ausführungsbeispielen in Fig. 1 und 7 waren die Kopplungseingänge mit dem Kopplungsausgang der Kopp¬ lungseinheit 18 über ein Zahnradgetriebe und insbesondere ein Stirnradgetriebe gekoppelt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist das Abtriebselement 16 durch eine Zahn¬ stange gebildet, die translatorisch bewegbar gelagert ist und mit zwei Zahnrädern kämmt, die jeweils einen Kopplungs¬ eingang 19 bzw. 20 bilden.
In Fig. 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. Vor¬ zugsweise weist die Kopplungseinheit 18 zwischen den beiden Kopplungseingängen 19, 20 und dem Kopplungsausgang 17 in beide Richtungen keine Selbsthemmung auf.
In Fig. 2a ist das Aufschalten von Zusatzmomenten
Mai, s oii schematisch veranschaulicht. Diese Zusatzmomente können abhängig von der zweiten Solldrehzahl w2son bzw. der Solldrehzahlsänderung dwson berechnet werden. Die Berechnung kann beispielsweise in Abhängigkeit von Reibmomentan¬ teilen 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 Getriebe¬ stufe zwischen dem jeweiligen Schrittmotor 23, 26 und dem Kopplungsausgang 17;
- das jeweilige Massenträgheitsmoment des Rotors des be¬ treffenden 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 be¬ zogen auf den jeweiligen Schrittantrieb 23, 26.
Dabei kann folgende Gleichung verwendet werden.
Figure imgf000043_0001
mit :
MRi = w2soll ■ (i17ii ■ Ki ■ wR ist ■ sgn(wRiiist ■ MH i) (8) ΜΒί = dwsollii ■ i17ii ■ (jRii +JG17,i + 0,5■ R16 i +/ÄLii)) (9) mit :
MRi : Reibmomentanteil
w2son: zweite Solldrehzahl
ii7,±: Übersetzung zwischen dem Kopplungsausgang 17 und dem Schrittmotor 23 bzw. 26
Ki : Reibfaktor für den Schrittmotor 23 bzw. 26 wRi,iSt: Istdrehzahl des Rotors des
Schrittmotors 23 bzw. 26
MH,±: Haftreibungsmoment für den Schrittmotor 23 bzw.
26
dwson,i: Solldrehzahländerung für den Schrittmotor 23
bzw . 26
JR, ±: Trägheitsmoment des Rotors des Schrittmotors 23
bzw . 26
JGi7,±: Trägheitsmoment der Kopplungseinheit 18 vom
Kopplungsausgang 17 bis zum Schrittmotor 23 bzw. 26
JRi6,±: Trägheitsmomentanteil des Abtriebselements
bezogen auf den betreffenden Schrittmotor 23 bzw . 26
JL,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 so¬ wie ein Verfahren zum Positionieren eines Abtriebselements 16. Der Positionierantrieb 15 weist eine erste Schrittan¬ triebseinheit 21 mit einer ersten Schrittantriebssteuerung 22 und einem ersten Schrittmotor 23 sowie eine zweite
Schrittantriebseinheit 24 mit einer zweiten Schrittan¬ triebssteuerung 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 Schrit¬ tantriebssteuerungen 22, 25 über jeweils ein Ansteuersignal AI bzw. A2 an. Die Ansteuersignale AI, A2 geben jeweils den Statorfeldsollwinkel derart vor, dass die Positionierung des Abtriebseiemets erfolgt und sich ein Lastwinkel in den beiden Schrittmotoren 23, 26 einstellt, die ein Verspannmo¬ ment bewirken, der über die zugeordnete Schrittantriebs¬ steuerung 22 bzw. 25 eingestellt wird. Die Zentraleinheit 31 hat eine überlagerte Regelung zur Position des Abtrieb¬ selements 16. Sie hat außerdem eine unterlagerte Steuerung oder Regelung, um gegensinnige Motormomente M23, M26 für je¬ den Schrittmotor 23, 26 einzustellen.
Bezugs zeichenliste :
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 ψϊί, ist Rotoristwinkel
φϊί, soll Rotorsollwinkel
λΐ, ist Lastistwinkel
λ±, soll Lastsollwinkel PRi, ist Rotorfeidistwinkel PRi, soll Rotorfeldsollwinkel Psi, ist Statorfeldistwinkel Psi, soll Statorfeldsollwinkel
dpRi, soll Änderungsrate für den Rotorfeldsollwinkel dpsi, s oii Änderungsrate für den Statorfeldsollwinkel dli,soii erste zeitliche Solländerungsrate
dwsoii Solldrehzahlsänderung
DS Drehschritt
M23 erstes Verspannmoment des ersten Schrittmotors
M26 zweites Verspannmoment des zweiten Schrittmotors
Ma± s oii Zusatzmoment
PS Positionssollwert
PI erstes Positionssignal
P2 zweites Positionssignal
P3 drittes Positionssignal
ST1 erstes Schrittsignal
ST2 zweites Schrittsignal
SUB Subschritt-Positionsänderung
RI Richtungsimpuls
TI Taktimpuls
wlsoii erste Solldrehzahl
w2son zweite Solldrehzahl
VS Verspannungssollwert
XP Zusatzparameter

Claims

Patentansprüche :
1. Positionierantrieb (15) zur Positionierung eines Ab¬ triebselements (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 Schrittantriebssteu¬ erung (22) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den ersten Schrittmotor (23) anzusteuern, mit einer zweiten Schrittantriebseinheit (24), die ei¬ nen mit dem zweiten Kopplungseingang (20) verbundenen zweiten Schrittantrieb (26) und eine zweite Schrittan¬ triebssteuerung (25) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den zweiten Schrittmotor (26) anzusteuern, mit einer Zentraleinheit (31), der ein Kinematiksoll¬ wert (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 Ver¬ spannungssollwert (VS) ein erstes Ansteuersignal (AI) für die erste Schrittantriebssteuerung (22) und ein zweites Ansteuersignal (A2) für die zweite Schrittan¬ triebssteuerung (25) zu ermitteln, wobei die beiden An- steuersignale (AI, A2) derart vorgegeben sind, dass sie in beiden Schrittmotoren (23, 26) jeweils entgegenge¬ setzt gerichtete Verspannmomente (M23, M26) erzeugen, wobei die Zentraleinheit (31) dazu eingerichtet ist, die Ansteuersignale (AI, A2) an die jeweilige Schritt¬ antriebssteuerung (22, 25) zu übermitteln, und wobei die Schrittantriebssteuerungen (22, 25) dazu eingerichtet sind, den jeweils zugeordneten Schrittmo¬ tor (23, 26) abhängig vom jeweils empfangenen Ansteuersignal (AI, A2) anzusteuern, so dass ein Verspannungs- zustand in der Kopplungseinheit (18) erzeugt wird.
2. Positionierantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die die Ansteuersignale (AI, A2) jeweils einen Statorfeldsollwinkel (pS23,soii/ pS26,soii) und/oder einen Rotorfeldsollwinkel (PR23,soII/ PR26,SOII) für jeden Schrittmotor (23, 26) beschreiben.
3. Positionierantrieb nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittantriebssteue¬ rungen (22, 25) dazu eingerichtet sind aus dem empfan¬ genen Ansteuersignal (AI, 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 (ps23,ist/ Ps26,ist) gemäß dem Statorfeldsollwinkel (pS23,Soii, Ps26,S0n) und/oder den Rotorfeldistwinkel (pR23,ist, PR26,ist) gemäß dem Rotorfeldsollwinkel (PR23,soII/ PR26,soII) einzustellen.
4. Positionierantrieb nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittantriebssteue¬ rungen (22, 25) dazu eingerichtet sind, für jeden vor¬ handenen Statorstrang des zugeordneten Schrittmotors (23, 26) abhängig von dem jeweiligen Statorfeldsollwinkel ( pS23,soii, Ps26,soii) einen Strangstrom (II, 12) zu er¬ mitteln .
5. Positionieranrieb nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass alle Strangströme (II, 12) für einen Schrittmotor (23 oder 26) oder für alle
Schrittmotoren (23, 26) denselben konstanten
Stromamplitudenwert (ID) aufweisen.
6. Positionieranrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit (31) dazu eingerichtet ist, im Verspannungszustand Ansteuer- signale (AI, A2) derart vorzugeben, dass das Abtrieb¬ selement (16) eine Subschritt-Positionsänderung (SUB) mit einem Positionsänderungsbetrag ausführt, der klei¬ ner ist als der Positionsänderungsbetrag, den jeder der Schrittmotoren (23, 26) außerhalb des Verspannungszu- stands ausführen kann.
7. Positionierantrieb nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung einer Subschritt-Positionsänderung (SUB) die Statorfeldistwinkel
(Ps23,ist, Ps26,ist) bzw. die Statoristwinkel ((pS23,ist,
<Ps26,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 aufweisen, der sich aus der Differenz zwischen einem Rotorfeldsollwinkel (PR23,soII/ PR26,soII) und einem Rotorfeldistwinkel (pR23,ist, PR26,ist) und ergibt.
9. Positionieranrieb nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorfeldsollwinkel (PR23,SOII, PR26,SOII) dem Statorfeldistwinkel (pS23,ist, Ps26,ist) entspricht.
10. Positionieranrieb nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorfeldistwinkel (pR23,ist, PR26,ist) aus dem Rotoristwinkel ((pR23,ist, R26,ist) und der Polpaarzahl (pzi) ermittelt wird.
11. Positionieranrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastsollwinkel
( 23, 30ιΐ/ 26,Ξοΐι) höchstens einem für den Schrittmotor (23, 26) vorgegebenen Maximallastwinkel ( 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 Ansprü¬ che, 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 (PI, 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 Positions¬ signal (PI, P2, P3) zu verarbeiten und ein virtuelles Sensorsignal (PV1, PV2, PV3) abhängig von einem zuletzt empfangenen Positionssignal (PI, P2, P3) und einem er¬ mittelten 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 Schrittantriebs¬ einheit (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) anzu¬ steuern, mit einer zweiten Schrittantriebseinheit (24), die einen mit dem Abtriebselement (16) antriebsverbun¬ den zweiten Schrittantrieb (26) und eine zweite Schrit¬ tantriebssteuerung (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 Zentralein¬ heit (31) oder Bestimmen eines Positionssollsignals (PS) und/oder eines Verspannungssollsignals (VS) mit¬ tels der Zentraleinheit (31),
- Ermitteln eines eines ersten Ansteuersignais (AI) für die erste Schrittantriebssteuerung (22) und eines zweiten Ansteuersignais (AI) für die zweite Schrittan¬ triebssteuerung (25) abhängig von dem Positionssollsignal (PS) und dem Verspannungssollsignal (VS) durch die Zentraleinheit (31) derart, dass sie in beiden Schritt¬ motoren (23, 26) jeweils entgegengesetzt gerichtete Verspannmomente (M23, M26) erzeugen,
- Übermitteln der Ansteuersignale (AI, A2) an die jeweilige Schrittantriebssteuerung (22, 25),
- Ansteuern der Schrittantriebe (23, 26) durch die je¬ weils zugeordnete Schrittantriebssteuerung (22, 25) abhängig vom jeweils empfangenen Ansteuersignal (AI, A2), so dass ein Verspannungszustand in der Kopplungseinheit (17) erzeugt wird.
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