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Patent Searching and Data


Title:
POSITIONING DRIVE AND METHOD FOR POSITIONING AN OUTPUT ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/180890
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a positioning drive (15) and to a method for positioning an output element (16). The positioning drive (15) has a first stepping drive unit (21), which has a first stepping drive open-loop controller (22) and a first stepping motor (23), and a second stepping drive unit (24), which has a second stepping drive open-loop controller (25) and a second stepping drive (26). The two stepping drives (23, 26) and the output element (16) are coupled, in respect of force and driving, by means of a mechanical coupling unit (18). A central unit (31) controls the two stepping drive open-loop controllers (22, 25) in an open-loop manner by means of respective control signals (A1, A2). Each of the control signals (A1, A2) specifies the target stator field angle and the target rotor field angle, which is set by means of the associated stepping drive open-loop controller (22) or (25). The central unit (31) has a superordinate closed-loop controller for the position of the output element (16). The central unit also has a subordinate open-loop or closed-loop controller in order to set a bracing torque (M23, M26) for each stepping motor (23, 26). The bracing torques (M23, M26) result from the setting of an actual load angle (λ23,ist, λ26,ist) at the stepping drive (23, 26) in question.

Inventors:
PALMER THOMAS (DE)
EPPINGER UWE (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/060581
Publication Date:
November 17, 2016
Filing Date:
May 11, 2016
Export Citation:
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Assignee:
EGT EPPINGER GETRIEBE TECH GMBH (DE)
International Classes:
H02P8/40; F16H55/18
Foreign References:
EP2818419A12014-12-31
EP0888504A11999-01-07
US5704250A1998-01-06
EP2372476A12011-10-05
US20090237026A12009-09-24
Other References:
SORIN MANEA: "AN1307, Stepper Motor Control with dsPIC(R) DSCs", 26 March 2009 (2009-03-26), pages DS01307A - 1, XP002730008, Retrieved from the Internet [retrieved on 20140922]
Attorney, Agent or Firm:
RÜGER, BARTHELT & ABEL (DE)
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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.

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 , i St bzw. ( R2 6, i st 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 & R i, i St . 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 o ii und der Rotorfeldist ¬ winkel pRi,i S t 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 o n 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, so ii) und/oder dessen Drehrichtung und/oder dessen Feld ¬ stärke vorgeben. Die Feldstärke ist dabei Proportional zu der Stromsollamplitude I D i, so n. Aus der Stromsollamplitude lDi,soii und dem Statorfeldsollwinkel psi, so ii werden die Soll ¬ ströme I]ci, so ii 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 I k i,i st für die verschiede ¬ nen Phasen k des zugeordneten Schrittmotors 23 bzw. 26 anhand der Sollströme I k i, so n einzustellen. In Abhängigkeit von der Anzahl der Phasen wird jeder Sollstrom I k i, so n für eine Phase wie folgt ausgerechnet:

Iki,soii = ID i so U sm(p si soll + (k - 1) 90°) (la) für einen Schrittmotor mit n=2 Phasen und

Iki.soii — ID i so ü sm(p si soa + (/c 1) ^ )

für einen Schrittmotor mit n>2 Phasen. mit :

I ki, s o ii : Sollstrom für die Phase k

IDi, so ii : Stromamplitudensollwert ;

Psi, s o ii : Statorfeldsollwinkel des Stators i;

i: Index für die Schrittmotoren 23, 26

k: Index für die Phasen (k=l, 2, ...n)

Dabei gilt:

Der Stromregelkreis einschließlich der Wicklungsinduktivitäten und der Wicklungswiderstände können anhand einer Verzögerungsgliedes erster Ordnung beschrieben werden. Die Istströme I k i,i st für die Phasen ergeben sich zu: (ld)

Die Zeitkonstante τ ist klein und daher kann Gleichung (ld) vereinfacht werden zu:

I ki , soll bzw. p s i , 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 p S i , i S t 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 M v , S 0 n 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 M v , S 0 n berechnet, auf des ¬ sen Basis ein Lastwinkelsollwert λι, 30 ιι 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 M v , s o ii 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 o n für jeden Schrittantrieb 23, 26 und mithin ein Lastsollwinkel λι, 30 ιι ermittelt. Beim Ausführungsbeispiel wird das Motorsollmo ¬ ment Mi, s o ii durch einen Lastsollwinkel λι, 30 ιι 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, so n definiert das jeweilige Motorsollmoment Mi, so n, das durch den betreffenden Schritt ¬ motor 23 bzw. 26 erzeugt wird. Dabei gilt folgender Zusam ¬ menhang: Der Lastistwinkel λι,ι entspricht der Differenz aus dem Rotorfeldistwinkel pRi,i S t minus dem Statorfeldist ¬ winkel p S i,ist, mit :

i,i St : Lastistwinkel des Schrittmotors i;

p R i,i St : 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,i S t (elektrischer Rotorfeldwinkel) und dem mecha ¬ nischen Rotoristwinkel c Ri,i S t:

PRi,ist = <PRi,ist · PZi (3) mit :

p R i,i St : Rotorfeldistwinkel des Schrittmotors i;

9 R i,i St : 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 ' P z i (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± (4 V

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,i S t 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, so ii ist bekannt, da er über das betreffende Ausgangssignal AI bzw. A2 ausgegeben wurde und daher ist auch der Statoristwinkel ( si, i st bekannt, da er im jeweils vorangehenden Regelzyklus ermittelt wurde und daher zur Berechnung des Statorfeldistwinkels psi, i st nach Gleichung (4) verwendet werden kann. Somit kann der Lastistwinkel i, i St ermittelt und mit einem Lastsollwinkel ί, 3 οΐ ι verglichen werden, der dem Verfahrensblock 42 von dem Verspannvorgabeblock 41 übermittelt wird. Dementsprechend kann der Verfahrensblock 42 anhand der Abweichung zwischen dem Lastsollwinkel λι, 30 ιι und dem Lastistwinkel λι, ι über einen Regler eine Änderungsrate ermitteln, die überlagert wird mit der zeitlichen Änderungsrate für den Rotorfeld ¬ sollwinkel pRi, so ii / wodurch das entsprechende Verspannmoment Mi, i St 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 o ii zugeführt, der in etwa dem Statorfeldistwinkel psi, i st entspricht. Durch Differenzbildung mit dem Rotorfeldistwinkel P R i,ist ergibt sich der jeweilige Lastistwinkel t s t. Die Regelabweichung zwischen dem Lastsollwinkel und dem Lastistwinkel wird dem Lastwinkelregler 44 übermittelt. Dieser erzeugt an seinem Ausgang eine erste seitliche Sol ¬ länderungsrate dli, so ii, die überlagert wird mit der Sollän ¬ derungsrate für den Rotorfeldsollwinkel pRi, S0 n 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 p s ± 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 wl s o n aus. Anschließend wird eine Differenz zwischen der ersten Solldrehzahl wl s o n und einer zweiten Solldrehzahl w2 s o n gebildet und einem Drehzahlregler 46 zugeführt, der eine Solldrehzahländerung dw s o n für das Abtriebselement 16 ausgibt. Die Solldrehzahländerung dw s o n wird in einem Integrierer 47 integriert und daraus die zweite Solldrehzahl w2 s o n gebildet. Diese zweite Solldrehzahl w2 s o n 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 dp R i, so ii des Rotorfeldsollwinkels p R i, S 0 n 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 w2 s o n 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 dp S i, S oii 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 dp S i, S oii des be ¬ treffenden Statorfeldsollwinkels psi, s o ii 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 o n 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 o ii ermitteln und an den Verfahrensblock 42 übermitteln. In dem Verspannvorgabeblock 41 werden die Lastsollwinkel λί, 30 ιι für die Schrittmotoren 23, 26 bestimmt (Fig. 2a) . In einem Funktionsblock 70 wird aus dem Verspannungssoll- wert VS das Verspannungssollmoment M v , s o ii 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 λ ί , 30 ιι ausgegeben. Das Maximalmoment kann abhängig von dem Stromamplitudensollwert I Di, s o n , von Drehmomentkonstanten, von der aktuellen Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl und der Betriebsspannung ermittelt werden.

Optional kann dem Verspannungssollmoment M v , S 0 n für jede Berechnungsstrecke vor dem jeweiligen Begrenzungsblock 71 ein einem gewünschten Beschleunigungswert entsprechendes Zusatzmoment Mai, s o n 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,± s t am ersten Schrittmotor 23 und einem zweiten Lastistwinkel 26, i st am zweiten Schrittmotor 26 werden entsprechend entgegengesetzt gerichtete Verspannmomente M2 3 bzw. M26 erzeugt. Durch diese beiden Verspannmomente M2 3 , 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, 30 ιι ist abhängig vom Typ des

Schrittmotors auf einen Maximallastwinkel max begrenzt. Es wird dadurch sichergestellt, dass sich der Lastsollwinkel λί, 30 ιι in einem Bereich befindet, in dem der Betrag des Last- oder Motormoments Mi mit zunehmendem Betrag des Last ¬ winkelistwertes i, i St 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, 30 ιι 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 1 17 , 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 1 17 , 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 (PZ 23 1 Ps23,ist ' il7,23 + P%26 ' Ps26,ist ' l,2b) ( 5 ) mit :

PZ2 3 : Polpaarzahl des ersten Schrittmotors 23;

PZ2 6 : Polpaarzahl des zweiten Schrittmotors 26;

117,2 3 : 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 = p R23iist = PVl PZ 23 i 17i23 ( 6a)

PV3 = p R26iist = PVl PZ 26 i 17i26 ( 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 Maß ¬ 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 M v vorgegeben wird und die Lastsollwinkel konstant bleiben sollen, insbesondere in der Soll- oder Zielposition des Abtriebselements 16. Dabei kann die Lastwinkelregelung ausgeschaltet werden.

Eine Subschritt-Positionsänderung ist schematisch in 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 o ii schematisch veranschaulicht. Diese Zusatzmomente können abhängig von der zweiten Solldrehzahl w2 so n bzw. der Solldrehzahlsänderung dw so n 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. mit :

M Ri = w2 soll (i 17ii Ki w R ist sgn(w Riiist M H i ) (8) Μ Βί = dw sollii i 17ii (j Rii +J G17 ,i + 0,5 R16 i +/ ÄLii )) (9) mit :

M R i : Reibmomentanteil

w2 so n: zweite Solldrehzahl

ii7,±: Übersetzung zwischen dem Kopplungsausgang 17 und dem Schrittmotor 23 bzw. 26

Ki : Reibfaktor für den Schrittmotor 23 bzw. 26 w R i,i St : Istdrehzahl des Rotors des

Schrittmotors 23 bzw. 26

M H ,±: Haftreibungsmoment für den Schrittmotor 23 bzw.

26

dw so n,i: Solldrehzahländerung für den Schrittmotor 23

bzw . 26

J R , ±: Trägheitsmoment des Rotors des Schrittmotors 23

bzw . 26

J G i7,±: Trägheitsmoment der Kopplungseinheit 18 vom

Kopplungsausgang 17 bis zum Schrittmotor 23 bzw. 26

J R i6,±: Trägheitsmomentanteil des Abtriebselements

bezogen auf den betreffenden Schrittmotor 23 bzw . 26

J L ,i: Trägheitsmoment der Last bezogen auf den

betreffenden Schrittmotor 23 bzw. 26

Der Faktor 0,5 in Gleichung (9) zeigt an, dass jeder Schrittmotor 23, 26 nur die Hälfte der Beschleunigung der antriebsbezogenen Massenträgheitsmomente aufnehmen muss.

Die Erfindung betrifft einen Positionierantrieb 15 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 M2 3 , M2 6 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 o ii Änderungsrate für den Statorfeldsollwinkel dli, so ii erste zeitliche Solländerungsrate

dw so ii Solldrehzahlsänderung

DS Drehschritt

M23 erstes Verspannmoment des ersten Schrittmotors

M26 zweites Verspannmoment des zweiten Schrittmotors

Ma ± s o ii 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

wl so ii erste Solldrehzahl

w2 so n zweite Solldrehzahl

VS Verspannungssollwert

XP Zusatzparameter