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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung insbesondere für lagestabilisierte Kameraplattformen bei der luftgestützten Bodenbeobachtung.
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Derartige Kameraplattformen sind üblicherweise um mindestens zwei räumliche Drehachsen stabilisiert. Jede dieser Drehachsen wird mit Hilfe einer Regelvorrichtung stabilisiert, indem Winkelpositionssensoren und/oder Winkelgeschwindigkeitssensoren die Ist-Bewegung gegenüber dem inertialen Raum bzw. gegenüber einem Trägerflugzeug ermitteln, ein elektronischer Lageregler die Ist-Bewegung (Regelgröße) mit der vorgegebenen Soll-Bewegung (Führungsgröße) vergleicht und daraus Stellbefehle (Stellgröße) für einen elektromagnetischen Stellantrieb bestimmt, die dieser Stellantrieb daraufhin ausführt. Dadurch ist es möglich, die Kameraplattform lagestabil zu halten.
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Als Stell- bzw. Drehantriebe dienen üblicherweise Gleichstrommotoren mit Getriebeuntersetzung oder Schrittmotore, wobei letztere meist im getriebefreien Direktantrieb zum Einsatz kommen.
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Nachteilig ist bei beiden üblichen Antriebsformen im Einsatz für lagestabilisierte Kameraplattformen, dass im stromlosen Zustand unvermeidlich starke Ruhemomente vorliegen. Im Fall des vorgenannten Gleichstrommotors handelt es sich dabei um das Haltemoment des Getriebes, im Fall des vorgenannten Schrittmotors um die bauartbedingte Polrastung zwischen Stator und Rotor. Diese Ruhemomente haben zur Folge, dass die entsprechenden Antriebe ständig mit hoher Genauigkeit aktiv betrieben werden müssen, da ansonsten die Ruhemomente die Lage der Kameraplattform sofort verändern würden.
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Eine andere technische Möglichkeit zur Ausbildung derartiger Antriebe besteht darin, für diesen Einsatzfall geeignete, ruhemomenten-freie Wechselstrom-Drehmelder einzusetzen. Diese werden üblicherweise getriebefrei genutzt. Sie sind als Drehmomenten-Ausführungen verfügbar. Diese Drehmelder haben zwar meist eine dreiphasige Polstruktur; jedoch treten durch die Verwendung ausschließlich weichmagnetischer Materialien keine Polrastmomente auf. Die einzigen Ruhemomente sind Reibungsmomente der Achsenlager, welche meist als Miniatur-Kugellager ausgebildet sind, und der als Federdrähte ausgeführten Kontaktbürsten des Rotors.
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Nachteilig ist dabei, dass Drehmelder hochpräzise und damit kostenaufwändige analoge Bauteile sind, die ferner nur mittels aufwändiger Signalkonverter an digitale Datenverarbeitungsprozesse angepasst werden können. Aus diesem Grund werden Drehmelder heute praktisch nicht mehr verwendet.
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Eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung für Kameraplattformen bei der luftgestützten Bodenbeobachtung ist beispielsweise aus
US 2004/0173726 A1 bekannt. Die Antriebsmotoren sind hier nicht näher offenbart.
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Aus der
DE 28 05 363 C2 ist eine Vorrichtung zur kontrollierten Steuerung eines Schrittmotors bekannt, bei der es sich um eine Regelung mit einem Schrittmotor als Stellglied, einen damit gekoppelten Winkelsensor als Meßgeber und eine Auswerteschaltung zur Bestimmung der Regelabweichung handelt. Der hier beschriebene Schrittmotor hat die Eigenschaft, beim schrittweisen Weiterschalten jeweils eine gedämpfte Oszillation auszuführen, wie sie in
5 dieser Schrift dargestellt ist.
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Diese Oszillation muß vor der Messung der Regelabweichung abgeklungen sein, was gemäß dieser Schrift durch Wartezeiten in den algorithmischen Abläufen realisiert wird. Das Beispiel dieser Schrift zeigt einen Lichtkreuzprojektor für die Anzeige des Standortes in einer topographischen Karte. Zur Vermeidung von Schrittverlusten wird der Schrittmotor üblicherweise für die in dieser Schrift genannte Aufgabe stets bestromt gehalten. Ein Betriebszustand ohne Bestromung und noch dazu mit fehlendem Rastmoment ist hier nicht wünschenswert, weil dann Störmomente leicht zu Bewegungen des Schrittmoments führen können, die nicht aufgeschalteten Impulsen entsprechen.
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Aus der
US 4 645 961 A sind sogenannte Hall-Sensoren zum Erzeugen von Signalen zur Steuerung für die umdrehungsphasengerechten Polwechsel an den Statorspulen (Kommutierung) bekannt. Dies wird als eine mögliche Modifikation einer beispielhaft angegebenen Arbeitsweise bezeichnet. Diese Arbeitsweise ist konkretisiert durch einen fünf-segmentigen Kommutator, der mit einem Paar von Kontaktbürsten verbunden ist. In dieser ein-magnetpolpaarigen Anordnung entspricht eine bestimmte Spulenbestromung einer Winkelstellung im Bereich 0° bis 360°. Bei einer mehr als zwei-magnetpolpaarigen Anordnung wiederholt sich die Bestromungsfolge für jedes Polpaar. Damit ist aber bei einer N-magnetpolpaarigen Anordnung über den Umfang 0° bis 360° die Winkelstellung bei gegebener Bestromung N-fach mehrdeutig. Um hier eine Eindeutigkeit für den Bereich 0° bis 360° herzustellen, ist eine Null-Markierung (N) erforderlich und bei Inkremental-Winkelkodierern üblicherweise vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche wirtschaftlicher betreibbar ist und bei der insbesondere die Regelung der Lagestabilisierung vereinfacht ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung hat einen Stator und Rotor aufweisenden Schrittmotor, einen mit dem Schrittmotor verbundenen Winkelsensor und eine mit dem Winkelsensor verbundene digitale Stellelektronik, die den Schrittmotor in Abhängigkeit des Signals des Winkelsensors ansteuert. Der Stator des Schrittmotors ist derart ausgebildet, dass er einen weichmagnetischen Glattring zum Führen des magnetischen Flusses aufweist. Ein solcher Schrittmotor hat den beträchtlichen Vorteil, dass er im stromlosen Zustand keine Ruhemomente ausübt und sich in einfacher Weise in digitale Regelsysteme integrieren lässt. Insofern kommt anstatt des bei Schrittmotoren üblichen Polkammes des Stators erfindungsgemäß am Stator ein weichmagnetischer Glattring zum Einsatz. Dieser weist im Unterschied zu einem üblicherweise verwendeten Polkamm keine Polrastung auf. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass bei der erfindungsgemäßen Winkelpositions-Regelvorrichtung das inertiale, durch ihr Trägheitsmoment gegebene Lagebeharrungsvermögen der Kameraplattform für die Lagestabilisierung nutzbar ist. Dadurch lässt sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die passiv-inertiale Lagestabilisierung der Kameraplattform physikalisch nutzen. Das unter Verzicht auf den Polkamm sich einstellende verminderte Drehmoment stellt für die Lagestabilisierung von Kameraplattformen kein Problem dar, da dafür ohnehin nur geringe Drehmomente aufzubringen sind. Insofern ist die von der Regelvorrichtung durchzuführende Regelung sehr viel einfacher und wirtschaftlicher durchführbar. Die Massenträgheit der Kameraplattform lässt sich damit für deren Lagestabilisierung nutzen. Gemäß der Erfindung weist der Stator des Schrittmotors am weichmagnetischen Glattring eine Ringkette von Feldspulen mit axialer Leiterrichtung im Luftspalt zwischen Stator und Rotor auf. Dadurch lässt sich das Drehmoment in Richtung und Betrag gemäß digitaler Stufung quasi stetig einstellen, wodurch die Regelung verfeinert und dadurch verbessert werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Schrittmotor ein Flach-Drehantrieb und als Innenläufer oder als Außenläufer, vorzugsweise als zweiphasiger Außenläufer, ausgebildet. Ein solcher Schrittmotor benötigt nur wenig Platz und weist nur ein geringes Gewicht auf, so dass dadurch der wirtschaftliche Einsatz der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung weiter verbessert werden kann.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Winkelsensor ein digitaler Winkelkodierer, welcher vorzugsweise als optischer oder magnetischer Winkelkodierer derart in den Schrittmotor integriert ist, dass am Rotor eine optische oder magnetische Kodierscheibe und am Stator auslesende Lichtschranken oder Magnetfeldsensoren vorgesehen sind. Dadurch entsteht eine äußerst kompakte Regelvorrichtung, welche nur einen geringen Platzbedarf hat. Auch diese Weiterbildung trägt damit zur Verbesserung des wirtschaftlichen Einsatzes der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung bei.
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Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung bilden. Es zeigen:
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1 eine teilweise perspektivische, schematische Ansicht einer elektromechanischen Winkelpositions-Regelvorrichtung;
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2 einen teilweisen Querschnitt durch einen Schrittmotor der Regelvorrichtung; und
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3 einen Längsschnitt durch den Schrittmotor entlang einer Linie III-III in 2.
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In 1 ist in einer teilweise perspektivischen schematischen Ansicht eine elektromechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung 1 insbesondere für lagestabilisierte (nicht näher gezeigte) Kameraplattformen bei der luftgestützen Bodenbeobachtung gezeigt.
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Die Regelvorrichtung 1 hat einen Stator 2 und Rotor 3 aufweisenden Schrittmotor 4. Ferner hat die Regelvorrichtung 1 einen mit dem Schrittmotor 4 verbundenen Winkelsensor 5 sowie eine mit dem Winkelsensor 5 verbundene digitale Stellelektronik 6. Die Stellelektronik 6 steuert den Schrittmotor 4 in Abhängigkeit des Signals des Winkelsensors 5 an. Winkelsensor 5 und Stellelektronik 6 sind über eine Signalleitung 7 miteinander verbunden. Eine Stromleitung 10 verbindet die Stellelektronik 6 mit dem Schrittmotor 4. Ein vorzugsweise digitales, hilfsweise auch analoges Führungssignal 11 wird der Stellelektronik 6 von extern zugeführt. Der Schrittmotor 4 ist rotorseitig über die Drehachse 12 koaxial mit dem Winkelsensor 5 verbunden. Insofern sind die Ausgangssignale des Winkelsensors 5 über die Signalleitung 7 zur Stellelektronik 6 geführt. Die Stellelektronik führt ihrerseits über die Stromleitung 10 die Spulenströme an Feldspulen 13 des Schrittmotors 4. Die Feldspulen 13 werden nachfolgend noch genauer erläutert.
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Der Aufbau des Schrittmotors 4 ist genauer in den 2 und 3 gezeigt, wobei 2 einen schematischen, teilweisen Querschnitt durch den Schrittmotor verdeutlicht und 3 einen Längsschnitt entlang der Linie III-III in 2 zeigt.
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Der Stator 2 des Schrittmotors 4 weist einen weichmagnetischen Glattring 14 zum Führen des magnetischen Flusses auf.
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Mit dem zylindrischen Innenumfang 15 des Glattrings 14 ist ein Trägerkörper 16 verbunden, welcher gemäß 2 kreuzartig mit Tragarmen 17 und mantelförmiger Trägerfläche 20 ausgebildet ist. Über die Trägerfläche 20 ist der Trägerkörper 16 mit dem Glattring 14 verbunden. Der Glattring sitzt, wie dargestellt, umfangsseitig auf dem Trägerkörper 16.
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Der Schrittmotor 4 ist ein Flach-Drehantrieb 21 und als Innenläufer oder als Außenläufer ausgebildet. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schrittmotor 4, wie dargestellt, als zweiphasiger Außenläufer ausgebildet.
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Der Stator 2 des Schrittmotors 4 weist an seinem weichmagnetischen Glattring, genauer auf dessen äußerer Mantelfläche, eine Ringkette 22 aus den Feldspulen 13 mit axialer Leiterrichtung im Luftspalt 23 zwischen Stator 2 und Rotor 3 auf.
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Der Winkelsensor 5 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein digitaler Winkelkodierer. Der Winkelkodierer ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als optischer oder magnetischer Winkelkodierer derart auf nicht gezeigte Weise in den Schrittmotor 4 integriert, dass am Rotor eine optische oder magnetische Kodierscheibe und am Stator auslesende Lichtschranken oder Magnetfeldsensoren vorgesehen sind.
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Radial an den Stator 2 schließt sich nach außen hin der Rotor 3 an, wie dies den 2 und 3 zu entnehmen ist. Der Rotor 3 hat radial außen liegend einen weichmagnetischen Glattring 24, in den auf der Innenseite Permanentmagnete 25 in wechselnder radialer Polrichtung, N-S abwechselnd mit S-N, eingesetzt sind. Die Polung der beiden innerhalb eines in 2 gezeigten Schrittzyklus 26 dargestellten Permanentmagnete 25 ist beispielhaft dargestellt.
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Der Stator 2 weist neben seinem Glattring 14, wie zuvor erwähnt, die einander abwechselnden Feldspulen 13 auf, welche gemäß 2 durch unterschiedliche Schraffur bezeichnet sind. Diese Feldspulen 13 sind außen auf dem weichmagnetischen Glattring 14 aufgereiht. Jede Feldspule 13 hat ein in die Zeichenebene hinein mit Strom durchflossenes Element 27 und ein aus der Zeichenebene heraus mit Strom durchflossenes Element 30. Die in die Zeichenebene hinein angelegte Stromrichtung wird mit ”+” symbolisiert; die aus der Zeichenebene heraus kommende Flussrichtung wird mit ”·” symbolisiert.
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Die fett schraffierten Elemente 27 und 30 bilden also eine gemeinsame Feldspule 13. Ebenso bilden schwach schraffierte Elemente 31 und 32 eine Feldspule 13. 2 zeigt, dass sich zwischen den Elementen 27 und 30 einer Feldspule ein Element 31 einer anderen Feldspule befindet. 2 zeigt ebenso, dass sich zwischen den Elementen 31 und 32 (schwach schraffiert) einer Feldspule ein Element 30 einer anderen Feldspule befindet. Insofern befindet sich innerhalb des in 2 gezeigten Schrittzyklus 26 eine fett schraffierte Feldspule mit den Elementen 27 und 30 und eine schwach schraffierte Feldspule mit den Elementen 31 und 32.
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Es ist klar, dass der gesamte Außenumfang des Glattrings 14 des Stators mit den Feldspulen 13 versehen ist, wobei sich, wie beschrieben, Elemente unterschiedlicher Feldspulen einander abwechseln. Die nebeneinander liegenden Elemente 27 und 31 unterschiedlicher Feldspulen 13 sind, wie 2 verdeutlicht, in der in die Zeichenebene hinein führenden Stromrichtung ”+”, die sich daran anschließenden Elemente 30, 32 der beiden vorgenannten Feldspulen sind wiederum in derselben Richtung, dieses Mal aus der Zeichenebene heraus und deshalb mit ”–” gekennzeichnet, mit Strom durchflossen.
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3 zeigt ferner, dass jede Feldspule 13 U-förmig ausgebildet ist, wobei sich Schenkel 33, 34 jeder Feldspule über den Glattring 14 in radialer Richtung bis zum Trägerkörper 16 erstrecken.
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Wie zuvor erwähnt, ist der Schrittmotor 4 gemäß 2 in der Bauform als zweiphasiger Außenläufer, d. h. mit außen liegendem Rotor 3 und innen liegendem Stator 2, ausgebildet. Der hier beispielhaft dargestellte Schrittmotor hat über seinen Umfang verteilt sechzehn Schrittzyklen 26. Die Anzahl der Permanentmagnete 25 über den Umfang entspricht zweimal der Anzahl der Feldspulen über den Umfang in jeder Phase. In jeder Phase liegen gemäß dem Ausführungsbeispiel sechzehn Feldspulen und 32 Permanentmagnete vor. Das dargestellte Ausführungsbeispiel mit sechzehn Schrittzyklen 26 besitzt daher 32 Permanentmagnete sowie für jede Phase sechzehn Feldspulen, die in Reihe oder parallel geschaltet sein können. Der Verlauf der Strom führenden Ader der Feldspulen 13 des Stators 2 im Luftspalt 23 zum Rotor 3 hin ist in axialer Richtung gerichtet, so dass die durch das radial wirkende Magnetfeld entstehende elektromotorische Kraft in Umfangsrichtung wirkt und ein Drehmoment erzeugt.
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Insofern ist ein Schrittmotor mit einem ringartigen, permanentmagnetischen Rotor vorgesehen, der durch Stromumschaltungen in den Feldspulen 13 eines gleichfalls ringartigen Stators 2 um eine gemeinsame Rotationssymmetrieachse bewegt bzw. unter Drehmoment um diese Achse gesetzt wird. Der Winkelsensor 5 ist ein elektronischer Winkelsensor. Die digitale Stellelektronik 6 steuert die Feldspulen 13 des Stators 2 des Schrittmotors 4, wie zuvor angedeutet, nach extern vorgegebenen Befehlen bzw. Signalen unter Berücksichtigung des Signals des Winkelsensors und gegebenenfalls weiterer Lagesensoren an.
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Es ist klar, dass bei einer Ausbildung des Schrittmotors als sogenannter Innenläufer der Stator radial außen angeordnet ist und dass bei einer Ausbildung des Schrittmotors als sogenannter Außenläufer der Stator radial innen angeordnet ist.
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Es ist auch möglich, Stator und Rotor axial in Reihe anzuordnen. Aufgrund der bei derartiger Anordnung axial wirkenden großen und konstruktiv (insbesondere in Lagern) aufzufangenden magnetischen Anziehungskräfte zwischen Stator und Rotor kann ein solcher Aufbau in Ausnahmefällen Vorteile aufweisen. In aller Regel ist die hier beschriebene und dargestellte radiale Anordnung vorteilhaft, da sich bei dieser die Anziehungskräfte zwischen den Feldspulen und den Permanentmagneten über den Umfang aufheben und ansonsten nur als materialinterne Zugspannungen wirken.
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Der Winkelsensor 5 kann ein Absolut-Winkelkodierer oder ein Inkremental-Winkelkodierer üblicherweise mit zusätzlicher digitaler Schrittzählelektronik sein. Wie zuvor angedeutet, kann der Winkelsensor extern koaxial angebracht oder in die Konstruktion des Drehantriebs integriert sein. Der Spulenaufbau des Drehantriebs kann zwei-, drei- oder mehrphasig erfolgen. Aus Gründen der Einfachheit ist in aller Regel eine zweiphasige Ausführung, wie sie in den 2 und 3 gezeigt ist, vorteilhaft.
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Die Regelvorrichtung ist so aufgebaut, dass die digitale Stellelektronik die Signale des Winkelkodierers und gegebenenfalls weitere Lagesignale zum Beispiel aus der Lagesensorik des Trägerflugzeuges mit der vorgegebenen Führungsgröße (siehe Führungssignal 11) vergleicht und daraus die erforderliche Strombeschickung der Spulenströme des Drehantriebs berechnet und in Wirkung setzt.
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Der Drehantrieb kann auch als einfacher Schrittmotor ohne Stellungs- oder Winkelgeschwindigkeitsrückmeldung betrieben werden, indem die Feldspulenströme ”blind” nach einem festen Zeitablaufprogramm gesteuert werden.
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Der als Schrittmotor ausgebildete Drehantrieb wird als Drehmomentengeber betrieben, dessen Drehmoment in Richtung und Betrag gemäß digitaler Stufung quasi stetig einstellbar ist, und zwar unabhängig von der aktuellen Winkelstellung bzw. relativen Phasenstellung von Stator und Rotor. Hierfür werden in der digitalen Stellelektronik die Signale des Winkelsensors derart ausgewertet, dass die jeweils zur aktuellen Winkelstellung passende, d. h. winkelmäßig versetzte Feldspulenphase in der geeigneten Polarität bestromt wird. Die Steuerung des Betrages des Drehmoments erfolgt in zweckmäßiger Weise durch digitale Pulsbreiten-Modulation der Feldspulenströme.
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Im stromlosen Zustand sind antriebsseitig, wie zuvor erwähnt, nur mehr die Reibungsmomente der Achsenlager, z. B. Kugellager, wirksam, die in der Praxis des Instrumentenbaus meist vernachlässigbar klein sind. Auf diese Weise ist das passiv-inertiale Stabilisierungsvermögen der statisch ausgewuchteten Kameraplattform nutzbar, indem im stromlosen Zustand die Kameraplattform praktisch momentenmäßig von den Drehbewegungen des Trägerflugzeugs entkoppelt ist und für Ausgleich von Restfehllagen schwache Korrektur-Momentenwirkungen des digitalen Drehantriebs ausreichend sind.
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Bei in den Schrittmotor integriertem Winkelsensor ist die optische oder magnetische Kodierscheibe ringförmig ausgebildet und am Rotor angebracht. Die Winkelstellung der Kodierscheibe wird, wie erwähnt, durch am Stator montierte Lichtschranken oder Magnetfeldsensoren ausgelesen.
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Die Regelvorrichtung 1 ist somit durch einen digitalen Flach-Drehantrieb gekennzeichnet, welcher als Motorteil einen ringartigen Rotor mit einer Ringkette aus Permanentmagneten in abwechselnder axialer Polrichtung und weichmagnetischem Feldschluss aufweist. Koaxial und koplanar mit diesem ist der Stator mit weichmagnetischem Glattring und angebrachter Ringkette von Feldspulen mit axialer Leiterrichtung im Luftspalt zwischen Stator und Rotor vorgesehen.
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Wie zuvor angedeutet, stehen bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel letztlich sechzehn Positionen aufgrund des Schrittzyklus 26 zur Verfügung. Als Messgeber fungiert der Winkelsensor. Die bei herkömmlichen Schrittmotoren vorgesehenen Nuten für die Feldspulwindungen sind bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung nicht vorhanden, so dass im Ruhezustand kein Drehmoment anliegt. Die bei herkömmlichen Schrittmotoren übliche ”Rastung” tritt bei der Regelvorrichtung gemäß der Erfindung nicht auf.
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Damit ist eine elektro-mechanische Winkelpositions-Regelvorrichtung geschaffen, die besonders wirtschaftlich aufgebaut und betreibbar ist und bei der insbesondere der Regelprozess vereinfacht ist.
