DE10010962A1

DE10010962A1 - Differential-Schrittmotor-Einheit

Info

Publication number: DE10010962A1
Application number: DE2000110962
Authority: DE
Inventors: Karl-Josef Schalz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2001-09-13

Abstract

Die Erfindung stellt eine Differential-Schrittmotor-Einheit vor, welche aus zwei Schrittmotoren besteht, die kinematisch "in Reihe" geschaltet sind (Bild 1), wobei die Abtriebswelle des Motors 1 die Ausgangswelle der kompletten Einheit darstellt und der Motor 2 das Gehäuse des Motors 1 antreibt. Dazu wird das Gehäuse des Motors 1 in einer Drehlagerung aufgenommen, die ihrerseits mit der Abtriebswelle des Motors 2 über eine drehstarre Kupplung verbunden ist und elektrische Schleifkontakte beinhaltet, über die der Motor 1 seine Stromversorgung erhält. Beide Antriebsmotoren müssen geringfügig verschiedene Vollschrittzahlen N1 und N2 aufweisen, wodurch bei gegenläufiger Ansteuerung der Motoren feinste resultierende Positionierschritte bereits im Vollschrittbetrieb ohne Getriebe möglich sind und stromlos gehalten werden können und bei gleichsinniger Ansteuerung die Maximalgeschwindigkeit der Einzelmotoren nahezu verdoppelt werden kann und sich auf diese Weise der nutzbare "natürliche, physikalisch begrenzte" Dynamikbereich der Antriebseinheit wesentlich vergrößern lässt.

Description

1. Stand der Technik

Schrittmotoren sind sehr wichtige Komponenten in der modernen Antriebs- und Automatisierungs technik. Es gibt sie als linear oder rotatorisch wirkende Antriebsmotoren in einer breiten Palette verschiedener Baureihen und Typen.

Bei der Auswahl des jeweils richtigen Schrittmotors sind im wesentlichen 3 Kriterien von Bedeutung:

1. die Maximalgeschwindigkeit bzw. die Maximalleistung
2. das maximale Haltemoment und
3. der kleinste auflösbare Schritt

Die elektronische Ansteuerung eines Schrittmotors spielt für den einwandfeien Betrieb desselben eine wichtige Rolle. Hierbei sind angepasste Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen sowie die Interpolation zur Erzeugung von Mikroschritten entscheidend.

Desweiteren ist beim Einsatz von Schrittmotoren zu beachten, dass das zur Verfügung stehende Beschleunigungsmoment stark von der Ansteuerfrequenz abhängt. Wird dieser Aspekt nicht berücksichtigt, so treten Schrittverluste auf, die in der Regel unerwünscht sind.

Insbesondere im Mikroschrittbetrieb lassen sich präzise Positionierung erreichen, die heute bei Standard-Scanningtischen um 1 µm und bei Präzisions-Scanningtischen in der Größenordnung 0,1 µm und wenig darunter liegen. Werden noch höhere Positioniergenauigkeiten benötigt (nm-Bereich), so müssen entsprechende Zwischengetriebe, die starke Untersetzungen aufweisen, eingesetzt werden, weil hierbei selbst der Mikroschrittbetrieb nicht mehr ausreicht. Dabei ist im wesentlichen die zu geringe Antriebssteifigkeit des Schrittmotors im Mikroschrittbetrieb die Ursache für das Versagen.

Durch den Einsatz hoch untersetzender Getriebe - wie beispielsweise ein Harmonic Drive Getriebe - zur Verbesserung der Positioniergenauigkeiten und der damit einhergehenden Verbesserung der Antriebssteifigkeit birgt natürlich den Nachteil, dass dabei die Maximalgeschwindigkeit der gesamten Antriebsanordnung stark verringert wird. D. h., dass hohe Positioniergenauigkeiten nur zu Lasten der Maximalgeschwindigkeiten erreicht werden kann.

Soll der Antrieb jedoch vorrangig schnell sein, so ist dies im Umkehrschluss zu den o. g. Ausführungen nur mit eingeschränkter Positioniergenauigkeit möglich. Der "natürliche, physikalisch begrenzte" Dynamikbereich des jeweiligen Schrittmotors muss somit entsprechend der Anforderungen sinnvoll aufgeteilt werden.

Die derzeitigen Trends der Antriebstechnik gehen in zwei Richtungen: schneller und feiner. Hierfür sind grundsätzlich neue Ansätze für Antriebskomponenten notwendig, weil die heute verfügbaren Schrittmotoren mit Ansteuerungen diese stetig zunehmenden Anforderungen irgendwann nicht mehr erfüllen können.

Es wird also ein neues Antriebskonzept benötigt, welches den "natürlichen" Dynamikbereich wesentlich vergrößert und dabei ausreichende Antriebsteifigkeiten besitzt.

2. Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, einen Antrieb zu schaffen, dessen "natürlicher, physikalisch begrenzter" Dynamikbereich wesentlich größer ist, als bei heutigen Antriebssystemen. Auf diese Weise lassen sich insbesondere hochgenau positionierende Antriebe ohne Getriebe realisieren, ohne dabei Maximalgeschwindigkeit zu verlieren. Vielmehr lässt sich die Maximalgeschwindigkeit noch steigern.

Als ergänzende Aufgabenstellung lag zugrunde, den Antrieb so zu gestalten, dass sehr kleine Positionierschritte auch stromlos (d. h., im Vollschrittbetrieb) gehalten werden können.

3. Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe

Die erfindungsmäßige Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwei Schrittmotoren kinematisch "in Reihe" geschaltet werden, derart, dass der erste Motor die eigentliche Antriebsspindel (z. B. Kugelumlaufspindel) mit seinem Rotor antreibt, und dass der zweite Motor mit seinem Rotor an das Gehäuse (den Stator) des ersten Motors gekoppelt ist und diesen wiederum antreibt. Das Gehäuse (der Stator) des ersten Motors muss dabei drehbar gelagert sein. Um den Motor 1 von außen elektronisch ansteuern zu können, müssen die elektrischen Verbindungen von außen zum drehbaren Stator mit Hilfe von Schleifkontakten realisiert werden. Das Gehäuse des Motors 2 ist fest mit der Umgebung verbunden und wird ebenfalls elektronisch angesteuert. Der gesamte Aufbau ist aus Bild 1 ersichtlich.

Die jeweilige Anzahl der Vollschritte der beiden Schrittmotoren ist nun entscheident für die Lösung der erfindungsmäßigen Aufgabenstellung. Ist beispielsweise der Motor 1 so realisiert, dass er 50 Vollschritte je Umdrehung aufweist, so muss der Motor 2 eine dazu unterschiedliche Anzahl von Vollschritten je Umdrehung besitzen, z. B. 51 Vollschritte. Die kleinsten Vollschrittauflösungen der Einzelmotoren betragen somit 1/50 Umdrehung bzw. 1/51 Umdrehung. Steuert man die beiden Motoren nun so an, dass Motor 1 einen Vollschritt im Uhrzeigersinn ausführt und Motor 2 einen Vollschritt im Gegenuhrzeigersinn vollführt, so ergibt sich eine resultierende Drehbewegung von 1/50- 1/51 Umdrehung; also 1/2550 Umdrehung. Auf diese Weise kann die kleinste Vollschrittauflösung um den Faktor 50 gesteigert werden.

Verwendet man andere Vollschrittpaarungen - beispielsweise 100 und 101 -, so lässt sich die kleinste Vollschrittauflösung 100-fach steigern. Dieses gelingt ohne zusätzliches Getriebe. Wählt man die Vollschrittpaarungen z. B. 60 und 70, so ergibt sich eine entsprechend höhere Auflösung von 1/60-1/70 = 1/420 Umdrehung (hier Faktor 7 zu Motor 1). Generell sind also beliebige Vollschrittzahlen kombinierbar. Den größten Auflösungseffekt erreicht man jedoch - wie bereits vorher erwähnt -, wenn die Vollschrittanzahlen sich nur um 1 unterscheiden und die Anzahl der Vollschritte an sich bereits hoch ist (100, 300 . . . .).

Steuert man nun beide Motoren in die gleiche Richtung an, so lässt sich die Maximalgeschwindigkeit annähernd verdoppeln. Voraussetzung ist hierbei jedoch, dass das drehende Gehäuse des Motors 1 mit Aufnahme entsprechend gut ausgewuchtet ist.

Die erfindungsmäßige Aufgabenlösung bietet zusammengefasst folgende Vorteile:

1. große Steigerung der Vollschrittauflösung je nach Anzahl der verwendeten Vollschritte der Motoren (50-, 100-, 300-fach . . . .) ohne zusätzliches Getriebe!!
2. die relativ hohen Auflösungen sind bereits bei einfachster Vollschrittansteuerung möglich.
3. im Vollschrittbetrieb bleiben die kleinsten Auflösungen auch ohne Haltestrom bestehen.
4. die Maximaldrehzahl lässt sich bei entsprechend guter Auswuchtung des ersten Motors annähernd verdoppeln.
5. insbesondere die Vorteile 1 und 4 erhöhen den "natürlichen, physikalisch begrenzten" Dynamikbereich des gesamten Antriebs wesentlich.
6. hohe elektronische Interpolationen für Mikroschrittbetrieb sind vielfach nicht mehr notwendig.
7. bei Präzisionsantrieben entstehen praktisch keine thermischen Störungen infolge Haltestromverlusten.
8. große Aufweitung des Dynamikbereichs ohne zusätzliches Getriebe.
9. durch den Vollschrittbetrieb ist eine ausreichende Antriebssteifigkeit vorhanden.

Nachteilig ist zu sehen, dass der Motor 1 komplett drehend gelagert und gut ausgewuchtet werden muss und dass Schleifkontakte zur elektronischen Ansteuerung notwendig sind.

Führt man den erfindungsmäßigen Lösungsgedanken weiter, so lässt sich beispielsweise ein dritter (oder auch vierter) Motor kinematisch "in Reihe" ankoppeln, so dass noch gößere Effekte möglich sind.

Der ausgeführte Lösungsgedanke ist natürlich auch mit sogn. Servoantrieben mit Inkrementalgebern möglich. Hierbei müssen die Inkrementalgeber geringfügige Schrittzahlenunterschiede aufweisen.

Claims

1. Differential-Schrittmotor-Einheit bestehend aus zwei Schrittmotoren mit den Vollschrittanzahlen N1 und N2, einer Drehlagerung zur Gehäuseaufnahme des Motors 1 mit entsprechender Anzahl von elektrischen Schleifkontakten zur dessen Stromversorgung, einer drehstarren Kupplung zwischen dem Motor 1 und Motor 2 sowie einer festen Aufnahme des Gehäuses des Motors 2 und einer Schrittmotoransteuerung für die beiden Motoren dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle des Motors 1 die Abtriebswelle der gesamten Differential-Schrittmotor-Einheit darstellt, dass die zur Umgebung drehbar gelagerte Aufnahme für das Gehäuse des Motors 1 mit einer drehstarren Kupplung an die Abtriebswelle des Motors 2 gekoppelt ist, der Motor 2 mit seinem Gehäuse fest mit der Umgebung verbunden ist, beide Schrittmotoren mit einer Steuerelektronik mit zwei Endstufen angesteuert werden, wobei die Stromversorgung des Motors 1 mittels elektrischer Schleifkontakte geschieht und die Vollschrittanzahlen N1 und N2 der beiden Schrittmotoren verschieden sind und beide Motoren zur Erzeugung feinster Vollschritte an der Abtriebswelle der gesamten Einheit gegenläufig und zur Erzeugung der maximalen Geschwindigkeit der Abtriebswelle gleichläufig angesteuert werden müssen wodurch der "natürliche, physikalisch begrenzte" Dynamikbereich der Differential-Schrittmotor-Einheit im Vergleich zum Dynamikbereich der Einzelmotoren wesentlich vergößert wird.

2. Differential-Schrittmotor-Einheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz der Vollschrittanzahlen der beiden Schrittmotoren N2 - N1 ≧ 1 ist.

3. Differential-Schrittmotor-Einheit nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittmotoren durch Servomotoren mit Inkrementalgebern der Vollteilungsschritte N1 und N2 mit entsprechender Ansteuerelektronik ersetzt werden.

4. Differential-Schrittmotor-Einheit nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Motoren kinematisch "in Reihe" geschaltet werden können, wobei jeder zusätzliche "Zwischenmotor" eine Gehäuse-Drehlagerung mit entsprechenden Schleifkontaktanordnungen aufweisen muss.