Die Erfindung betrifft eine Positionssteuerung mit einem Gleich¬ strommotor, einem Untersetzungsgetriebe und einer Stromversor¬ gungseinrichtung für Strompulse.

Derartige Positionssteuerungen sind bekannt. Der Betrieb mit Strom¬ pulsen ermöglicht kleinste mittlere Drehzahlen von Gleichstrommotoren.

Aus der DE-OS 3330476 ist eine Anordnung zur Steuerung einer Be¬ wegung, insbesondere des Objekttisches oder des Fokussierantriebs, an einem Mikroskop bekannt. Es ist eine Handhabe mit einem propor¬ tionalen Geber vorgesehen und eine Schaltung, die abhängig von dessen Signalen einen Motor steuert.

Zur Vereinigung von Grob- und Feintrieb in einem System ist vorge¬ sehen, daß die Schaltung die Gebersignale mit einem von der Geber¬ geschwindigkeit abhängigen Faktor multipliziert und so eine über¬ proportionale Abhängigkeit der Ausgangsgeschwindigkeit von der Be¬ tätigungsgeschwindigkeit vorsieht. Als Motor ist ein Schrittmotor vorgesehen.

Eine solche Schaltung ist sehr aufwendig. Der dynamische Bereich eines Schrittmotors, begrenzt durch den kleinsten Drehschritt und die höchste Drehgeschwindigkeit mit unkomplizierter Impulsversorgung, ist gegenüber dem eines Gleichstrommotors eingeschränkt.

Aus Reuter , E. "Laufwagenpositionierung bei Druckern und Plottern" DE-Z. Feinwerktechnik + Meßtechnik 97 (1989), Nr. 10 S. 443-446 ist bekannt, daß zur Präzisionspositionierung vielfach gebrauchte "open Loop" Systeme mit Regelschleife vom Motor (Winkelgeber) zum Eingang der Ansteuer-Elektronik Toleranzen folgender mechanischer Glieder unberücksichtigt lassen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Positions¬ steuerung anzugeben, die mit einfachen und preisgünstigen Komponenten, insbesondere einer einfachen elektronischen Schaltung, aufgebaut ist, und dabei eine Positionierbewegung mit großem dynamischen Bereich von kleinsten Schritten bis zu hoher Verfahrgeschwindigkeit erreicht. Linearbewegung vor- und rückwärts soll möglich sein. Die Einbindung in verschiedene automatisierte Funktionen und in geregelte Systeme soll möglich sein.

Die Positionssteuerung soll insbesondere für den Fokussiertrieb oder den Antrieb des Objekttisches eines Mikroskops geeignet sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Positionssteuerung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 oder 5 . Mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche 2 bis 4 und 6 bis 14 ergeben sich vorteil¬ hafte Weiterbildungen und Ausbildungen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Übersicht über die Anordnung einer erfindungsgemäßen Positionssteuerung an einem Mikroskop

Fig. 2 a) den Verlauf der Strompulse und der Positioniergeschwindig¬ keit qualitativ für kleine Pulsfrequenzen b) dito für Pulsfrequenzen oberhalb eines Schwellwerts c) dito für große Pulsfrequenzen

Fig. 3 a) qualitativ ein Geschwindigkeits/Pulsfrequenz-Diagram b) quantitativ für ein Ausführungsbeispiel ein Diagramm entsprechend Fig. 3 a)

Die in Fig. 1 gegebene schematische Darstellung zeigt einen Gleich¬ strommotor 1, der in einem Ausführungsbeispiel ein eisenloser Glockenankermotor Fabrikat Faulhaber Typ 3557 C 012 ist, mit einem

Untersetzungsgetriebe 2 und einer Ritzel/Zahnstange-Kombination 21 zur Erzeugung einer Hubbewegung angebaut an ein Mi-kroskop 3 mit einem Ob¬ jekttisch 31, der damit höhenverstellbar ist.

Eine Stromversorgungseinrichtung 4 erzeugt Strompulse, die dem Motor 1 zugeführt werden, und wird gesteuert durch einen Winkelschrittgeber 5, welcher mit einem drehbaren Bedienungselement 51, z. B. einem Handrad oder einer Kurbel, verbunden ist. Die Elemente 6 und 7 werden weiter unten beschrieben und sind eine Option. Diese Anordnung wird wesent¬ lich dadurch bestimmt, daß eine reine Steuerung vorliegt, also keine Rückkopplung vorgesehen ist. Eine Regelschleife wird erst über die Bedienungsperson über Auge und Hand hergestellt. Natürlich kann auch mit einem Autofokussystem ein Steuersignal erzeugt werden, welches die Stromversorgungseinrichtung 4 direkt steuert und so die ScharfStellung des Mikroskopbilds automatisiert. Die Positionssteuerung selbst (Teile 1, 2, 21, 3, 31, 4) enthält jedoch keine Regelschleife.

Wesentliche Besonderheit ist die Ausnutzung der Bremswirkung von Motor 1 und Getriebe 2 durch elektrodynamische und Reibungs-Effekte im Zu¬ sammenwirken mit der Ausbildung der Strompulse durch die Stromver¬ sorgungseinrichtung 4.

Dazu ist in Fig. 2 a) bis 2 c) qualitativ der zeitliche Verlauf der Strompulse zugeordnet dem zeitlichen Verlauf der Hubgeschwindigkeit z des Objekttischs 31 für verschiedene Pulsfolgefrequenzen f _p .

Die Form der Strompulse ist unabhängig von der Pulsfolgefrequenz f _p . Ihre Höhe wird vorteilhaft so gewählt, daß der zur Überwindung der Haftreibung erforderliche Strom um ein mehrfaches übertroffen wird.

Eine Flankenausrundung der Strompulse, z. B. mit einem Kondensator, ist insbesondere zur _. Geräuschminderung des Positionsantriebs sinnvoll.

Fig. 2 a) zeigt die Situation für kleine Pulsfrequenzen f _p .

Motor 1, Getriebe 2, 21 und Objekttisch 31 werden während jedes einzelnen Strompulses beschleunigt und nach dessen Ende wieder

vollständig abgebremst, bevor ein neuer Strompuls folgt. Das Integral über den Geschwindigkeitspuls gibt also zu jedem Strompuls einen Bewegungsschritt bestimmter, wenn auch eventuell mit Schwankungen behafteter, Größe. Damit ist eine sehr feine Justierung möglich.

Überschreitet die Pulsfolgefrequenz f _p die Schwelle, bei der der jeweils folgende Strompuls schon wieder kommt, bevor der Motor 1 stillsteht, (Restgeschwindigkeit z _rj > o) dann ergibt sich der in Fig. 2 b) skizzierte Verlauf.

Über mehrere Strompulse verläuft ein AnlaufVorgang, nach dem die Restgeschwindigkeit z _rn beim Einsetzen des neuen Strompulses deutlich größer als nach einem ersten Strompuls ist. Damit steigt in diesem Bereich die mittlere Geschwindigkeit z stärker mit der Pulsfolge¬ frequenz f _p als im Fall der Figur 2 a).

Ohne irgendwelche Umschaltmittel und mit nur einem Eingabemittel, z. B. dem Handrad 51, erhält man so effektiv eine Schnellgang-Charakte¬ ristik zum Positionieren über größere Verstellwege.

Bei weiterem Erhöhen der Pulsfolgefrequenz f _p verschwindet die Impulspause und es entsteht ein Gleichstrom, die Positioniereinheit läuft dann nach kurzer Anlaufphase mit Höchstgeschwindigkeit, wie in Fig. 2 c) dargestellt.

In Fig. 3 a) ist ebenfalls qualitativ die Geschwindigkeits/Pulsfolge- frequenz-Kennlinie z (f _p ) für die gemäß Fig. 2 a) bis 2 c) beschriebene erfindungsgemäß genutzte Funktionsweise dargestellt.

Im Bereich a), entsprechend Fig. 2 a) und niedriger Frequenz f _p ist die mittlere Geschwindigkeit z mit kleinem Faktor m der Frequenz f _p proportional.

In diesem Bereich kann daher über das Handrad 51 oder eine andere Ansteuerung der Stromversorgungseinrichtung 4 sehr feinfühlig positioniert werden.

Mit wenig höherer Drehgeschwindigkeit des Handrads 51 und damit Frequenz f _p kommt man in den Bereich b) entsprechend Fig. 2 b) des steilen Anstiegs der Kennlinie und damit automatisch in eine Art "Schnellgang" der Positionssteuerung.

Bei ganz schneller Umdrehung bzw. Frequenz wird die Höchstgeschwin¬ digkeit im Gleichstrombetrieb nach Fig. 2 c) erreicht, wie im Ab¬ schnitt c) dargestellt.

In einem Ausführungsbeispiel wird ein Glockenanker-Gleichstrommotor (1) Fabrikat Faulhaber Typ 3557 C 012 mit Strompulsen von 1,5 A Am¬ plitude und unter 1 ms Dauer beaufschlagt und wirkt über ein handels¬ übliches Zahnrad-Untersetzungsgetriebe (2) 250:1 und eine übliche Ritzel/Zahnstangenanordnung (21) auf die Höheneinstellung des Ob¬ jekttisches (31) eines Mikroskops (3). Kleinste Hübe von 0,1 μ im Bereich a) und Verfahrgeschwindigkeiten von 8 mm/s im oberen Teil von Bereich b) werden damit erreicht.

Fig. 3 b) zeigt dazu eine gemessene Kennlinie Geschwindigkeit/ Puls¬ folgefrequenz f _pι für die leicht meßbare Motordrehzahl n bestimmt. Im Bereich a) mit f _p kleiner als 80 Hz ist der Proportionalitätsfaktor m _a gleich 24 Umdrehungen in der Minute pro 100 Hz. Jeder Puls bewirkt 0,4 Umdrehungen.

Für höhere Pulsfolgefrequenzen f _p im Bereich b) wächst die Motordreh¬ zahl stärker an, oberhalb f _p = 100 Hz wieder proportional mit einem Proportionalitätsfaktor m _jj gleich 200 Umdrehungen in der Minute pro 100 Hz, also eine Erhöhung auf das Achtfache.

Die Lage des Knicks in der Kennlinie kann konstruktiv beeinflußt werden über die Bremswirkung der Motor/Getriebe-Einheit (1,2) und auch im Betrieb verstellt werden durch Einstellung von Amplitude und Dauer der Strompulse der Stromversorgungseinrichtung 4, wodurch zugleich die Steilheit der Kennlinie in allen Bereichen verändert wird.

Dies kann zum Beispiel bei einem Mikroskop dazu ausgenutzt werden, die Steuercharakteristik den Schärfentiefenbereichen verschiedener Objek¬ tive anzupassen.

Eine ähnliche Anpassung erreicht man, wenn der Proportionalitätsfaktor zwischen Pulsfrequenz f _p der Stromversorgungseinrichtung 4 und Winkel¬ geschwindigkeit des Bedienungselements 51 verstellbar ist, z. B. mit¬ tels Frequenzteiler.

Die bei einem Antrieb für lineare Positionierung erforderliche Vor¬ wärts- und Rückwärtsbewegung wird unter Ausnutzung der Charakteristik des Gleichstrommotors 1 durch Umpolen erreicht, wozu in der Stromver¬ sorgungseinrichtung 4 eine Polwendeeinrichtung üblicher Art integriert ist, welche durch einen Drehrichtungssensor, der mit dem Winkel¬ schrittgeber 5 in bekannter Weise vereinigt ist, gesteuert werden kann.

Eine einfache und kostengünstige Anordnung zum reproduzierbaren Positionieren auf eine frei wählbare Stellung erhält man, wenn bei einer erfindungsgemäßen Anordnung entlang des Verfahrwegs ein Po¬ tentiometer 6 angeordnet wird, so daß an diesem ein dem Verfahrweg proportionales Spannungsverhältnis abgegriffen werden kann.

Eine Vergleicherschaltung 7 enthält einen Speicher, in den der Wert dieses Spannungsverhältnisses eingelesen wird. Dann kann z. B. der Objekttisch 31 des Mikroskops 3 zu Manipulationen am Objekt vom Objektiv abgesenkt werden. Soll die ursprüngliche Stellung wieder angefahren werden, dann bildet die Vergleicherschaltung 7 ein Takt¬ signal mit einer Frequenz, die der Differenz zwischen dem aktuellen Spannungsverhältnis und dem gespeicherten Wert proportional ist. Dieses Taktsignal steuert die Stromversorgungseinrichtung 4.

Die erfindungsgemäße Charakteristik der Positionssteuerung bewirkt dann ein schnelles Verfahren bis in die Nähe der gewählten Stellung und dann ein langsames und sicheres Heranfahren an die genaue Stel¬ lung.

Es ist beachtlich, daß dabei an Linearität des Potentiometers 6, Sta¬ bilität der Spannungen, Schlupf oder Hysterese des Getriebes 2, 21 und des Motors 1 keine besonderen Anforderungen gestellt sind. Potentio¬ meter 6 und Vergleicherschaltung 7 können auch die Funktion von End¬ schaltern zur Begrenzung des Verfahrwegs des Objekttisches 31 wahr¬ nehmen.

Bei einem Mikroskop mit Fokusdetektor kann von diesem ein der Defokus- sierung entsprechendes Frequenzsignal abgeleitet und damit die Strom¬ versorgungseinrichtung 4 gesteuert werden, so daß mit der erfindungs¬ gemäßen Positionssteuerung ein Autofokussystem entsteht.