DE3517962A1

DE3517962A1 - Stepping motor drive

Info

Publication number: DE3517962A1
Application number: DE19853517962
Authority: DE
Inventors: Bernd 2080 Pinneberg Jagdhuber; Wolfgang Dipl.-Ing. 2411 Gudow Kröger
Original assignee: Eppendorf Geraetebau Netheler and Hinz GmbH
Current assignee: Eppendorf SE
Priority date: 1985-05-18
Filing date: 1985-05-18
Publication date: 1986-11-20
Also published as: DE3517962C2

Abstract

A stepping motor drive for angle positioning of a rotor is provided, while having as little friction damping as possible, with a coupled rotating damping device whose rotation-speed-dependent braking torque tends to zero as the rotation speed decreases and which is advantageously constructed as a DC motor which operates in short-circuit, it being possible to achieve a high braking torque at low rotation speeds, but a constant or low braking torque at high rotation speeds, via corresponding electronic circuitry and/or by means of step-down transmissions and sliding clutches.

Description

Schrittmotorantrieb Stepper motor drive

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotorantrieb der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.The invention relates to a stepper motor drive in the preamble of claim 1 mentioned Art.

Schrittmotorantriebe eignen sich vorzüglich zur Winkelpositionierung, da sie eine digitale Ansteuerung der Winkelposition ermöglichen und diese hochgenau einzuhalten vermögen. Die Positioniergenauigkeit kann gesteigert werden, wenn größere Positionierschritte mit einem feinschrittigen Schrittmotor erzeugt werden, der zwischen zwei einzustellenden Winkelpositionen eine größere Zahl von Schritten vollführt und folglich die einzustellende Winkelposition innerhalb einer kleinen Schrittweite genau einstellt.Stepper motor drives are ideally suited for angular positioning, because they enable digital control of the angular position and this with high precision be able to comply. The positioning accuracy can be increased if larger Positioning steps can be generated with a fine stepping motor, which is between two angular positions to be set performs a larger number of steps and consequently the angular position to be set within a small step size precisely adjusts.

Schrittmotoren neigen jedoch zu Drehschwingungen um die einzustellende Winkelposition. In üblichen Anwendungsfällen von Schrittmotorantrieben stört diese Drehschwingungsneigung nicht, da in dem Getriebestrang vom Schrittmotor zu dem zu positionierenden Glied (Zahnstangengetriebe, Antriebsriemen od. dgl.) Reibungskräfte auftreten, die als Reibungsdämpfung die Drehschwingungen ausreichend bedämpfen.However, stepper motors tend to vibrate around the setting Angular position. In common applications of stepper motor drives, this is a nuisance Torsional vibration tendency not because in the gear train from Stepper motor to the link to be positioned (rack and pinion drive, drive belt or the like) Frictional forces occur, which are sufficient as friction damping of the torsional vibrations dampen.

Reibungskräfte sind im wesentlichen geschwindigkeits-und drehwinkelunabhängig. Andererseits geht das Rückstellmoment des Schrittmotors mit abnehmender Winkelabweichung von der Sollstellung gegen Null. Bei kleinen Pendelbewegungen der Drehschwingung überwiegt daher die Reibungskraft, und das Drehsystem bleibt neben der Sollstellung stehen. Es ergeben sich also Positionierfehler.Frictional forces are essentially independent of speed and angle of rotation. On the other hand, the restoring torque of the stepping motor increases with decreasing angular deviation from the target position towards zero. With small pendulum movements of the torsional oscillation therefore predominates the frictional force, and the turning system remains next to the target position stand. Positioning errors therefore result.

Durch Verkleinerung der Reibungskräfte können diese verringert werden, jedoch ergibt sich dann ein weitgehend ungedämpftes Drehsystem, das lange nachschwingt. Die Positioniergeschwindigkeit wird dann also verringert.By reducing the frictional forces, these can be reduced, however, the result is a largely undamped rotating system that oscillates for a long time. The positioning speed is then reduced.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Schrittmotorantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, der gleichzeitig sowohl hohe Positioniergenauigkeit als auch hohe Positioniergeschwindigkeit ermöglicht.The object of the present invention is therefore to provide a To create stepper motor drive of the type mentioned at the same time, both enables high positioning accuracy as well as high positioning speed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved according to the invention with the features of the marking part of claim 1 solved.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion werden die drehzahlunabhängigen Reibungskräfte so weit wie möglich verringert. Die Dämpfung wird stattdessen durch ein drehzahl abhängiges Bremsmoment mit einer gesonderten rotie- renden Dämpfungseinrichtung erzeugt. Da das Bremsmoment mit abnehmender Drehzahl gegen Null geht, kann der Schrittmotor stets die gewünschte Winkelposition mit geringer Winkelgeschwindigkeit exakt erreichen. Bei höherer Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit auftretende Drehschwingungen werden durch das dann hohe Bremsmoment der Dämpfungseinrichtung gut gedämpft. Es lassen sich also mit einer erfindungsgemäßen Konstruktion sowohl hohe Positioniergenauigkeit als auch hohe Positioniergeschwindigkeit erreichen, was nach dem Stand der Technik bislang nicht möglich erschien.In the construction according to the invention, the speed-independent Frictional forces reduced as much as possible. The cushioning is done instead a speed-dependent braking torque with a separate rotary end Damping device generated. Since the braking torque decreases with decreasing speed Goes to zero, the stepper motor can always achieve the desired angular position with less Reach angular velocity exactly. At higher speed or angular speed Any torsional vibrations that occur are reduced by the high braking torque of the damping device well steamed. It can therefore be both with a construction according to the invention achieve high positioning accuracy as well as high positioning speed, which has so far not seemed possible according to the state of the art.

Als erfindungsgemäß hierzu erforderliche Dämpfungseinrichtung kann beispielsweise eine hydrodynamische rotierende Wirbelbremse od. dgl. verwendet werden, die ihrer Natur nach ein entsprechend drehzahlabhängiges Bremsmoment erzeugt. Vorteilhaft ist die Dämpfungseinrichtung jedoch mit den Merkmalen des Anspruches 2 ausgebildet. Ein im Kurzschluß betriebener Gleichstrommotor erzeugt das gewünschte, mit der Drehzahl ansteigende Bremsmoment'und zeichnet sich durch konstruktive Einfachheit und Kostengünstigkeit aus.As a damping device required for this purpose according to the invention For example, a hydrodynamic rotating vortex brake or the like can be used, which by its nature generates a corresponding speed-dependent braking torque. Advantageous however, the damping device is designed with the features of claim 2. A short-circuit operated DC motor generates the desired speed with the speed increasing braking torque and is characterized by structural simplicity and cost-effectiveness the end.

Dabei sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Durch die Kurzschlußstrombegrenzung wird das Bremsmoment ab einer vorgegebenen Drehzahl annähernd konstant gehalten, so daß eine zu hohe Belastung des Schrittmotors mit daraus resultierender Verringerung der Positioniergeschwindigkeit vermieden wird. Lediglich im unteren Drehzahlbereich nahe Null wird die zur Drehschwingungsbedämpfung erforderliche Bremsmomentcharakteristik aufrechterhalten. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausbildung der Kurzschlußstrombegrenzungseinrichtung derart, daß zunächst im Bereich geringer Drehzahl das Bremsmoment ansteigt und nach Erreichen eines Maximums zu höheren Drehzahlen wieder abfällt, wodurch die Belastung des Schrittmotors bei höheren Drehzahlen weiter verringert wird.The features of claim 3 are advantageously provided. By the short-circuit current limitation is the braking torque from a specified speed kept approximately constant, so that too high a load on the stepper motor with resulting reduction in the positioning speed is avoided. Only in the lower speed range close to zero does it become a torsional vibration damping Maintain the required braking torque characteristics. Particularly beneficial is a training of the short-circuit current limiting device such that The braking torque rises initially in the low speed range and after it has been reached to a maximum higher speeds drops again, whereby the Load on the stepper motor is further reduced at higher speeds.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 4 vorgesehen. Bei dieser Art der Kurzschlußbeschaltung wird durch eine den Kurzschlußstrom verstärkend angelegte Spannung das Bremsmoment über das im reinen Kurzschlußbetrieb erreichbare Bremsmoment hinaus erhöht. Es kann also mit einem kleineren Gleichstrommotor dasselbe Bremsmoment erreicht werden. Dadurch wird die mechanische Anordnung verkleinert und verbilligt. Insbesondere vorteilhaft hieran ist jedoch die mögliche Verringerung des Trägheitsmomentes des Gleichstrommotors. Beim Anfahren des Schrittmotors muß bis zum Erreichen der maximalen Fahrdrehzahl der Gleichstrommotor mit beschleunigt werden. Wird dessen Trägheitsmoment jedoch verringert, so lassen sich höhere Anfahrbeschleunigungen erreichen bzw. wird die Belastung des Schrittmotors verringert.The features of claim 4 are also advantageously provided. With this type of short-circuit circuit, the short-circuit current is amplified applied voltage exceeds the braking torque that can be achieved in pure short-circuit operation Braking torque also increased. So it can do the same thing with a smaller DC motor Braking torque can be achieved. This reduces the mechanical arrangement and cheaper. However, the possible reduction is particularly advantageous here the moment of inertia of the DC motor. When starting the stepper motor must The DC motor accelerates until the maximum driving speed is reached will. However, if its moment of inertia is reduced, higher starting accelerations can be achieved achieve or reduce the load on the stepper motor.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 5 vorgesehen. Durch ein Untersetzungsgetriebe wird erreicht, daß die Dämpfungseinrichtung mit höherer Drehzahl läuft als der Schrittmotor. Da ihr Bremsmoment drehzahlabhängig ist, kann auf diese Weise gegenüber direkter Ankoppelung mit einer kleineren Dämpfungseinrichtung das erforderliche Bremsmoment erreicht werden.The features of claim 5 are also advantageously provided. A reduction gear ensures that the damping device with higher speed than the stepper motor. Because your braking torque depends on the speed is, can in this way compared to direct coupling with a smaller damping device the required braking torque can be achieved.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 6 vorgesehen. Mit einer solchen Kupplung wird erreicht, daß bei geringen zur Bedämpfung der Drehschwingungen des Schrittmotors um die einzustellende Winkelposition erforderlichen Drehmomenten die Dämpfungseinrichtung angekuppelt, bei höheren Drehmomenten aber abgekuppelt ist, also insbesondere beim Beschleunigen des Antriebs auf hohe Drehzahlen. Hierdurch wird eine mechanische Möglichkeit gegeben, bei hoher Drehzahl die Belastung des Schrittmotors zu verringern und dessen Anfahrbeschleunigung zu vergrößern. Diese mechanische Drehmomentbegrenzung kann bei Vorsehen eines Gleichstrommotors als Dämpfungseinrichtung mit den schaltungstechnischen Drehmomentbegrenzungsmaßnahmen gemäß Ansprüchen 3 und 4 kombiniert werden.The features of claim 6 are also advantageously provided. With such a coupling it is achieved that with low damping of the torsional vibrations of the stepper motor for the angular position to be set the damping device is coupled, but uncoupled at higher torques is, in particular when accelerating the drive height Speeds. This gives a mechanical option at high speed to reduce the load on the stepper motor and its starting acceleration enlarge. This mechanical torque limitation can be provided if a DC motor is provided as a damping device with the circuit-related torque limitation measures according to claims 3 and 4 are combined.

Dabei ist vorteilhaft die Kupplung als Rutschkupplung ausgebildet. Rutschkupplungen, also unter Vorspannung in Reibschluß arbeitende Kupplungen gewährleisten die erforderliche drehmomentabhängige Entkupplung und weisen die vorteilhafte Eigenschaft auf, im eingekuppelten Zustand aufgrund des Reibschlusses völlig spielfrei zu kuppeln. Damit wird erreicht, daß bei der erfindungsgemäß erforderlichen Bedämpfung sehr kleiner Pendelbewegungen die Dämpfungskräfte exakt und spielfrei dämpfend eingreifen können.The clutch is advantageously designed as a slip clutch. Slipping clutches, that is, clutches that work under pretension in frictional engagement, ensure the required torque-dependent decoupling and have the advantageous property to couple completely free of play in the coupled state due to the frictional engagement. This ensures that the damping required according to the invention is very high small pendulum movements, the damping forces intervene precisely and with no play can.

Wenn die Dämpfungseinrichtung über ein Untersetzungsgetriebe und eine Rutschkupplung an den Schrittmotor angekuppelt ist, sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 8 vorgesehen. Ein solches Reibradgetriebe besteht im einfachsten Falle aus zwei im Reibschluß befindlichen Rädern unterschiedlichen Durchmessers, von denen das größere mit dem Schrittmotor und das kleinere mit der Dämpfungseinrichtung gekuppelt ist. Ein solches Reibradgetriebe zeichnet sich durch hohe bauliche Einfachheit und einfache Erfüllbarkeit der gestellten Anforderungen aus.If the damping device has a reduction gear and a Slipping clutch is coupled to the stepper motor, the features are advantageous of claim 8 provided. Such a friction gear consists of the simplest Case of two frictionally engaged wheels of different diameters, of which the larger one with the stepper motor and the smaller one with the damping device is coupled. Such a friction gear is characterized by a high level of structural simplicity and easy fulfillment of the requirements.

Dabei sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 9 vorgesehen, womit sich eine konstruktiv besonders einfache Ausbildung erreichen läßt. Insbesondere wird durch den Reibschluß auch hier wiederum eine spielfreie Drehmomentübertragung gewährleistet. Es können also keine zusätzlichen, durch Obertragungsspiel auftretende Schwingungen auftreten. Der Reibradantrieb ermöglicht außerdem die zur Abkoppelung der Dämpfungseinrichtung bei höheren Drehzahlen erforderliche Rutschkupplungsfunktion.The features of claim 9 are advantageously provided, with which a structurally particularly simple training can be achieved. In particular a backlash-free torque transmission is achieved by the frictional engagement guaranteed. So there can be no additional, through transfer game occurring vibrations occur. The friction drive also enables the to Decoupling of the damping device at higher speeds required slip clutch function.

Schließlich sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 10 vorgesehen. Auf diese Weise wird wiederum eventuell auftretendes Spiel mit daraus resultierenden zusätzlichen Drehschwingungsmöglichkeiten vermieden.Finally, the features of claim 10 are advantageously provided. In this way, in turn, any game that may arise will result from it additional torsional oscillation possibilities avoided.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Frontansicht in Achsrichtung auf einen Rotor mit Schrittmotorantrieb, ohne erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung, Fig. 2 eine Seitenansicht zu Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht gemäß Fig. 2 mit direkt gekoppelter Dämpfungseinrichtung, Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 3 mit Rutschkupplung, Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 3 mit Untersetzungsgetriebe, Fig. 6 eine Darstellung gemäß Fig. 3 mit einer anderen Art der Ankupplung der Dämpfungseinrichtung, Fig. 7 einen Ausschnitt aus Fig. 6 mit einer weiteren Variante der Ankupplung der Dämpfungseinrichtung, Fig. 8 einen Schnitt nach Linie S - S in Fig. 7 mit Zahneingriff, Fig. 9 einen Schnitt nach Linie S - S in Fig. 7 mit Reibeingriff und Fig. 10a bis c drehzahlabhängige Bremsmomentkurven bei unterschiedlicher Ausbildung und Ankupplung der Dämpfungseinrichtung.In the drawings the invention is exemplary and schematic shown. 1 shows a front view in the axial direction of a rotor with stepper motor drive, without damping device according to the invention, FIG. 2 a Side view of FIG. 1, FIG. 3 shows a view according to FIG. 2 with a directly coupled Damping device, FIG. 4 shows a detail from FIG. 3 with a slip clutch, FIG. 5 shows a detail from FIG. 3 with a reduction gear, FIG. 6 shows an illustration according to FIG. 3 with a different type of coupling of the damping device, FIG. 7 shows a section from FIG. 6 with a further variant of the coupling of the damping device, 8 shows a section along line S - S in FIG. 7 with tooth engagement, Fig. 9 shows a section along the line S - S in FIG. 7 with frictional engagement and FIGS. 10a to c are speed-dependent Braking torque curves with different training and coupling of the damping device.

In den Fig. 1 und 2 sei zunächst ein Anwendungsbeispiel eines Schrittmotorantriebes erläutert.In Figs. 1 and 2, an application example of a stepper motor drive is first of all explained.

Ein Schrittmotor 1 treibt mit seiner Ausgangswelle 2 einen direkt gekoppelten Rotor 3, der im einfachen Ausführungsbeispiel als konzentrische Scheibe ausgebildet ist und über die Welle 2 spielfrei mit dem Schrittmotor gekoppelt ist.A stepper motor 1 drives one directly with its output shaft 2 coupled rotor 3, which in the simple embodiment as a concentric disc is formed and is coupled to the stepping motor via the shaft 2 without play.

Auf dem Rotor 3 sind zu positionierende Gegenstände 4, 5 und 6 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Gegenstände in 1200 Abstand auf dem Rotor 3 angeordnet. Diese Gegenstände 4, 5, 6 sollen mit dem Schrittmotor 1 durch Winkelverstellung des Rotors 3 in Eingriff mit einer Einrichtung 7 gebracht werden, die drehfest gemeinsam mit dem Schrittmotor 1 an einem Gehäuse 8 vorgesehen ist.Objects 4, 5 and 6 to be positioned are arranged on the rotor 3. In the illustrated embodiment, three objects are 1200 apart on the Rotor 3 arranged. These items 4, 5, 6 are intended to go through with the stepper motor 1 Angular adjustment of the rotor 3 are brought into engagement with a device 7, which is provided non-rotatably together with the stepping motor 1 on a housing 8.

Beispielsweise können die Gegenstände 4, 5, 6 Filterscheiben sein, und bei der Einrichtung 7 handelt es sich um eine Gabellichtschranke, die mit unterschiedlich ausgebildeten Filtern 4, 5, 6 in unterschiedlicher Weise zu beeinflussen ist.For example, the items 4, 5, 6 can be filter discs, and the device 7 is a fork light barrier, which is different formed filters 4, 5, 6 can be influenced in different ways.

Die Aufgabe des dargestellten Schrittmotorantriebes besteht beispielsweise darin, die Gegenstände 4, 5, 6 nacheinander oder in willkürlicher Reihenfolge in Eingriff mit der Einrichtung 7 zu bringen. Dabei soll eine möglichst hohe Positioniergenauigkeit erreicht werden. Im erwähnten Beispiel Lichtschranke / Filterplatten soll beispielsweise erreicht werden, daß der Lichtstrahl die Filterplatten stets an derselben Stelle durchsetzt, um die Meßwerte unabhängig von Inhomogenitäten der Filterplatten zu machen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel, ausgehend von einem Maßstab 1 : 1 bei einem Rotordurchmesser von dementsprechend etwa 9 cm, kann es beispielsweise erforderlich sein, die einzustellenden Winkelpositionen mit einer Positioniergenauigkeit von beispielsweise +-0,05 mm (am Umfang) einzustellen.The task of the stepper motor drive shown is for example therein, items 4, 5, 6 one after the other or in any order in To bring engagement with the device 7. One should if possible height Positioning accuracy can be achieved. In the example mentioned, light barrier / filter plates is to be achieved, for example, that the light beam always the filter plates interspersed at the same point to the measured values regardless of inhomogeneities of the Making filter plates. In the illustrated embodiment, starting from a Scale 1: 1 with a rotor diameter of approximately 9 cm, it can For example, it may be necessary to set the angular positions with a A positioning accuracy of, for example, + -0.05 mm (on the circumference) can be set.

Neben dem erwähnten Anwendungsbeispiel existiert eine große Zahl von Anwendungsfällen, wobei derartig hohe Positioniergenauigkeit von Gegenständen gegenüber einer feststehenden Einrichtung angestrebt wird.In addition to the application example mentioned, there are a large number of Applications where such high positioning accuracy of objects compared a fixed facility is sought.

Der elektrische Schrittmotor 1 wird über eine schematisch dargestellte elektrische Ansteuereinrichtung 9 mit Schrittimpulsen angesteuert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mit drei erforderlichen Winkelschritten von je 1200 kann beispielsweise ein dreipoliger Schrittmotor vorgesehen werden, der naturgemäß aber nur geringe Positioniergenauigkeit erreichen kann. Höhere Positioniergenauigkeiten können mit einem vielpoligen Schrittmotor von beispielsweise 360 Schritten pro Umdrehung erreicht werden, der folglich von Position zu Position jeweils 120 Schritte ausführen muß. Dabei kann es erforderlich sein, im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils nacheinander die Gegenstände 4, 5, 6 gegenüber der Einrichtung 7 zu positionieren oder es kann auch beispielsweise direkt auf den übernächsten Gegenstand weitergeschaltet werden, wobei der dazwischenliegende übersprungen wird. Je nach Anwendungsfall kann es auch erforderlich sein, nach Ausführung mehrerer Umdrehungen einen bestimmten Gegenstand zu positionieren. Ferner kann auch eine weit größere Zahl von Gegenständen vorgesehen sein, wobei es auch möglich ist, diese in ungleichen Winkelabständen vorzusehen.The electric stepper motor 1 is shown schematically via a electrical control device 9 controlled with step pulses. In the illustrated Embodiment with three required angular steps of 1200 each can, for example a three-pole stepper motor can be provided, but naturally only a small one Can achieve positioning accuracy. Higher positioning accuracy can be achieved with a multi-pole stepper motor of, for example, 360 steps per revolution which consequently has to carry out 120 steps from position to position. It may be necessary to do this one after the other in the exemplary embodiment shown to position the objects 4, 5, 6 opposite the device 7 or it can can also be switched directly to the next but one item, for example, whereby the intermediate one is skipped. Depending on the application, it can also be required after performing several turns of a certain object to position. Furthermore, a much larger number of objects can also be provided be, it is also possible to provide these at unequal angular intervals.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Konstruktion weist keine wesentliche Dämpfung des aus dem Rotor 3, der Welle 2 und dem Läufer des Schrittmotors 1 bestehenden rotierenden Systems auf. Die Reibungskräfte können gering gehalten werden. Es kann also hochgenau positioniert werden.The construction shown in Figs. 1 and 2 has no essential Damping of the rotor 3, the shaft 2 and the rotor of the stepper motor 1 rotating system. The frictional forces can be kept low. It can that is, they can be positioned with high precision.

Bei einem derart ungedämpften Schrittmotorantrieb treten jedoch beim Erreichen der gewünschten Position Drehschwingungen auf, die bis zur endgültigen exakten Einstellung abgewartet werden müssen. Dadurch verringert sich die Positioniergeschwindigkeit. Ferner kann die Drehzahl beim Verfahren zwischen den einzelnen Positionen nicht beliebig erhöht werden, weil der unbelastete Schrittmotor in durch Drehschwingungen gefährdete Drehzahlbereiche gelangen kann, bei denen er nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert.With such an undamped stepper motor drive, however, the Reaching the desired position torsional vibrations up to the final exact setting must be awaited. This reduces the positioning speed. Furthermore, the speed cannot be used when moving between the individual positions can be increased at will because the unloaded stepper motor is in by torsional vibrations endangered speed ranges can reach, in which he no longer properly functions.

Zur Behebung dieser Nachteile sieht die Erfindung eine Dämpfungseinrichtung vor, wie sie in einem einfachen Ausführungsbeispiel in Fig. 3 dargestellt ist. Die Grundkonstruktion der Fig. 1 und 2 bleibt dabei unverändert und ist mit denselben Bezugszeichen versehen.To remedy these disadvantages, the invention provides a damping device before, as shown in a simple embodiment in FIG. the The basic construction of FIGS. 1 and 2 remains unchanged and is the same Provided with reference numerals.

Gemäß Fig. 3 ist die Welle 2 über den Rotor 3 hinaus verlängert und an die Welle 10 einer rotierenden Dämpfungseinrichtung 11 starr gekuppelt, welche am Gehäuse 8 befestigt ist.According to FIG. 3, the shaft 2 is extended beyond the rotor 3 and rigidly coupled to the shaft 10 of a rotating damping device 11, which is attached to the housing 8.

Die Dämpfungseinrichtung 11 soll erfindungsgemäß ein Bremsmoment erzeugen, was drehzahlabhängig mit abnehmender Drehzahl gegen Null geht. Als solche Dämpfungseinrichtung 11 kann beispielsweise eine rotierende hydrodynamische Dämpfungseinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise in einem flüssigkeitsgefüllten Topf einen von der Welle 10 angetriebenen, mit hohem Strömungswiderstand versehenen Propeller od. dgl. aufweist. Vorteilhaft ist die dargestellte Dämpfungseinrichtung 11 jedoch als Gleichstrommotor ausgebildet, der an eine schematisch dargestellte Kurzschlußbeschaltung 12 angeschlossen ist.According to the invention, the damping device 11 is intended to generate a braking torque, what speed-dependent with decreasing Speed goes to zero. Such a damping device 11 can, for example, be a rotating hydrodynamic Damping device can be provided, for example in a liquid-filled Pot a driven by the shaft 10, provided with high flow resistance Propeller or the like. The damping device shown is advantageous 11, however, designed as a DC motor, which is connected to a schematically shown Short-circuit circuit 12 is connected.

Im einfachsten Ausführungsbeispiel besteht die Kurzschlußbeschaltung 12 lediglich aus einem Kurzschluß zwischen den Ausgangsklemmen des Gleichstrommotors. In Fig. 10a ist das Bremsmoment M gegenüber der Drehzahl n dargestellt, das in diesem Falle linear ansteigt und bei der Drehzahl Null zu Null wird.In the simplest embodiment, there is a short-circuit circuit 12 only from a short circuit between the output terminals of the DC motor. In Fig. 10a, the braking torque M is shown against the speed n, which in this Trap increases linearly and becomes zero at zero speed.

Nachteilig dabei ist das mit hoher Drehzahl immer größer werdende Drehmoment M, das bei hoher Positioniergeschwindigkeit, also bei hoher Drehzahl des Schrittmotors 1, diesen stark belastet, also dazu zwingt, diesen größer zu dimensionieren und zu hohem Stromverbrauch führt.The disadvantage here is that it increases at high speed Torque M, that at high positioning speed, i.e. at high speed of the stepping motor 1, this is heavily loaded, so it forces it to be dimensioned larger and leads to high power consumption.

Vorteilhaft wird daher die Kurzschlußbeschaltung 12 in entsprechender, dem Elektroniker geläufiger Schaltungsausbildung mit einer Kurzschlußstrombegrenzungseinrichtung versehen, die oberhalb eines vorgewählten Kurzschlußstromes diesen begrenzt. Daraus ergibt sich eine drehzahlabhängige Drehmomentkurve, wie sie in Fig. 1Ob dargestellt ist. Das Drehmoment steigt zunächst von Null an, weist bei einsetzender Strombegrenzung einen Knick auf und bleibt von da ab drehzahlunabhängig im wesentlichen konstant. Auf diese Weise läßt sich eine zu hohe Belastung des Schrittmotors 1 bei hohen Drehzahlen vermeiden.The short-circuit circuit 12 is therefore advantageous in a corresponding, Circuit design familiar to electronics technicians with a short-circuit current limiting device provided that limits this above a preselected short-circuit current. From it the result is a speed-dependent torque curve, as shown in FIG. 10b is. The torque initially rises from zero, when the current limit starts opens a kink and from then on remains essentially constant regardless of the speed. In this way, excessive loading of the stepping motor 1 at high speeds can be avoided avoid.

Es ist dann also ein Schrittmotorantrieb geschaffen, der bei ausreichender Dämpfung der Drehschwingungen mit hoher Drehzahl betrieben werden kann, ohne dabei den Schrittmotor 1 zu stark zu belasten. Die erreichbare Positioniergeschwindigkeit wird dabei aber immer noch wesentlich beschränkt durch das Trägheitsmoment des Gleichstrommotors 11, dessen drehende Masse bei jedem Anfahren des Schrittmotors 1 beschleunigt werden muß. Das Trägheitsmoment des Gleichstrommotors 11 läßt sich durch bauliche Verkleinerung verringern, wodurch aber auch das Bremsmoment verringert würde. Es ist dann vorteilhaft, die Kurzschlußbeschaltung 12 elektronisch derart auszubilden, daß sie eine den Kurzschlußstrom des Gleichstrommotors verstärkende Spannung erzeugt und dadurch das Bremsmoment elektrisch erhöht.A stepper motor drive is then created which, with sufficient Damping the torsional vibrations can be operated at high speed without doing To load the stepper motor 1 too much. The achievable positioning speed but is still essentially limited by the moment of inertia of the DC motor 11, the rotating mass of which is accelerated each time the stepper motor 1 starts up got to. The moment of inertia of the DC motor 11 can be reduced by structural reduction reduce, but this would also reduce the braking torque. It is then advantageous to train the short-circuit circuit 12 electronically in such a way that it has a short-circuit current of the DC motor generates amplifying voltage and thereby the braking torque electrically increased.

Durch geeignete Schaltungsmaßnahmen kann weiterhin erreicht werden, daß bei Uberschreiten einer bestimmten Drehzahl das Bremsmoment wieder abnimmt. Eine solche Bremsmomentkurve ist in Fig. 10c dargestellt. Das Bremsmoment M steigt zunächst von Null steil an und sinkt nach überschreiten eines Maximums wieder ab.By means of suitable switching measures, it can still be achieved that when a certain speed is exceeded, the braking torque decreases again. Such a braking torque curve is shown in FIG. 10c. The braking torque M increases initially steeply from zero and decreases again after exceeding a maximum.

In Fig. 4 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, die in einem Ausschnitt aus Fig. 3 an der Kupplungsstelle zwischen der Welle 10 der Dämpfungseinrichtung 11 und der Welle 2 des Schrittmotors 1 bzw. Rotors 3 eine Kupplung 13 aufweist, die aus zwei Kupplungsscheiben 14, 15 gebildet ist, welche mit ihren Stirnflächen in Reibeingriff stehen. Die Kupplung ist stark schematisiert dargestellt. Die Kupplungsscheibe 15 ist hierbei starr mit der Welle 2 verbunden, während die Kupplungsscheibe 14 mit der Welle 10 über eine Tellerfeder 25 verbunden ist.In Fig. 4, a variant of the invention is shown in a Detail from Fig. 3 at the coupling point between the shaft 10 of the damping device 11 and the shaft 2 of the stepping motor 1 or rotor 3 has a coupling 13, which is formed from two clutch disks 14, 15, which with their end faces are in frictional engagement. The coupling is shown very schematically. The clutch disc 15 is rigidly connected to the shaft 2, while the clutch disc 14 is connected to the shaft 10 via a plate spring 25.

Eine solche Kupplung 13 arbeitet bei vorgegebener Anpreßkraft zwischen den Kupplungsscheiben 14, 15 als Rutsch- kupplung, die geringe Drehmomente starr überträgt und dann durchrutscht und somit das Bremsmoment nicht weiter ansteigen läßt. Fig. 1Ob läßt die Verhältnisse bei einer Kupplung erkennen. Das Bremsmoment steigt zunächst bis zu dem Wert M1 an. Dann beginnt die Kupplung zu rutschen und begrenzt das Bremsmoment auf diesen Wert. Diese mechanische Methode der Drehmomentbegrenzung kann mit den zuvor beschriebenen elektrischen Drehmomentbegrenzungsmethoden kombiniert werden.Such a clutch 13 works at a given contact pressure between the clutch disks 14, 15 as a slip clutch, the low Rigidly transmits torques and then slips and thus the braking torque does not can continue to rise. Fig. 10b shows the relationships in a clutch. The braking torque initially increases up to the value M1. Then the clutch begins to slip and limits the braking torque to this value. This mechanical method the torque limit can be achieved with the electrical torque limit methods described above be combined.

In Fig. 5 ist im Ausschnitt aus Fig. 3 eine Ankupplung der Dämpfungseinrichtung 11 mit Welle 10 an die Welle 2 des Schrittmotors 1 dargestellt, bei der zwischen den Wellen ein Untersetzungsgetriebe mit Zahnrädern 16, 17 vorgesehen ist. Hiermit wird erreicht, daß die Dämpfungseinrichtung 11 mit höherer Drehzahl läuft als der Schrittmotor 1. Es werden also bei kleinerer Ausbildung der Dämpfungseinrichtung 11 bereits hohe Bremskräfte erreicht. Gemäß den Darstellungen der Fig. 10 kann die Steilheit des Anstieges des Bremsmomentes M erhöht werden. Es wird also bei kleinen Pendelschwingungen um die Null-Lage der Positionseinstellung eine hohe Bremskraft und folglich eine hohe Dämpfung erreicht. Im Falle der Ausbildung der Dämpfungseinrichtung 11 als Gleichstrommotor kann dieser zum Erreichen eines bestimmten Bremsmomentes verkleinert und vereinfacht werden.In FIG. 5, in the detail from FIG. 3, a coupling of the damping device is shown 11 shown with shaft 10 on the shaft 2 of the stepper motor 1, in which between A reduction gear with gears 16, 17 is provided on the shafts. Herewith it is achieved that the damping device 11 runs at a higher speed than the Stepper motor 1. There will be a smaller design of the damping device 11 already achieved high braking forces. According to the representations of FIG. 10, the The steepness of the increase in the braking torque M can be increased. So it will be with small ones Pendulum oscillations around the zero position of the position setting create a high braking force and consequently a high level of attenuation is achieved. In the case of the formation of the damping device 11 as a DC motor, this can be used to achieve a certain braking torque can be reduced in size and simplified.

Das Untersetzungsgetriebe kann gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 5 konstruktiv erheblich vereinfacht werden, wie dies die Fig. 6 und 7 in zwei alternativen Ausbildungen zeigen. In diesen ist wieder die Grundausbildung der An- ordnung der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 entsprechend gewählt. Für die unveränderten Teile werden dieselben Bezugszeichen verwendet.The reduction gear can, compared to the embodiment according to FIG. 5 are considerably simplified structurally, as shown in FIGS. 6 and 7 in two alternatives Show training. In these the basic training of the apprentices is again order the embodiment of FIGS. 1 and 2 selected accordingly. For the unchanged Parts are given the same reference numerals.

Auch hier ist wieder die Dämpfungseinrichtung 11 mit Welle 10 vorgesehen, die vorzugsweise als Gleichstrommotor mit entsprechender Kurzschlußbeschaltung ausgebildet ist.Here, too, the damping device 11 with shaft 10 is provided, which is preferably designed as a DC motor with an appropriate short-circuit circuit is.

Die Dämpfungseinrichtung 11 ist bei der Ausführungsform der Fig. 6 mit ihrer Welle 10 im rechten Winkel zur Welle 2 des Schrittmotors 1 stehend am Gehäuse 8 befestigt. Auf der Welle 10 ist ein Rad 18 vorgesehen, das mit einer Seitenfläche des Rotors 3 in Eingriff steht. Es kann eine entsprechende Verzahnung vorgesehen sein, so daß der Rotor 3 als Tellerrad mit dem als Ritzel arbeitenden Rad 18 ein Zahnradgetriebe entsprechender Untersetzung ergibt.The damping device 11 is in the embodiment of FIG. 6 with its shaft 10 at right angles to the shaft 2 of the stepper motor 1 standing on Housing 8 attached. On the shaft 10, a wheel 18 is provided which has a side surface of the rotor 3 is engaged. A corresponding toothing can be provided be, so that the rotor 3 as a ring gear with the wheel 18 working as a pinion Gear transmission results in a corresponding reduction.

In der Variante gemäß Fig. 7 ist die Dämpfungseinrichtung 11 mit ihrer Achse 10 parallel zur Achse 2 des Schrittmotors 1 stehend am Gehäuse 8 befestigt. Das Rad 18 kämmt mit der Umfangsfläche des Rotors 3 in einer Stirnverzahnung, die im Schnitt gemäß der Linie S - S in Fig. 7 anhand von Fig. 8 ersichtlich ist.In the variant according to FIG. 7, the damping device 11 is with its Axis 10 is attached to the housing 8 in a standing position parallel to the axis 2 of the stepping motor 1. The wheel 18 meshes with the peripheral surface of the rotor 3 in a spur toothing which in the section along the line S - S in FIG. 7 with reference to FIG. 8 can be seen.

Nachteilig bei einem Zahnraduntersetzungsgetriebe gemäß den Fig. 5 und 8,bzw. in der Variante gemäß Fig. 6, ist das unvermeidliche Flankenspiel der Zahnräder. Dadurch wird zwischen der Dämpfungseinrichtung 11 und dem Schrittmotor 1 ein Winkelspiel vorgesehen, das zusätzliche Drehschwingungen erzeugt, die eine hohe Positioniergenauigkeit verhindern.A disadvantage of a gear reduction gear according to FIG. 5 and 8, respectively. in the variant according to FIG. 6, the inevitable backlash is the Gears. This is between the damping device 11 and the stepping motor 1 provided an angular play that generates additional torsional vibrations that a prevent high positioning accuracy.

Es ist daher vorteilhaft, anstelle eines Zahnradgetriebes ein Reibradgetriebe vorzusehen. Die Ausführungen der Fig. 5, 6 und 7 können durch entsprechende Umgestaltung der miteinander in Eingriff stehenden Räder des Untersetzungsgetriebes als Reibradgetriebe ausgebildet werden. Fig. 9 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines solchen Reibradgetriebes anhand der Grundkonstruktion der Fig. 7 im Schnitt gemäß Linie S - S. Auf dem Umfang des Rotors 3, der beispielsweise aus Metall besteht, ist eine Gummilauffläche 19 vorgesehen, gegen die das beispielsweise aus Metall bestehende Rad 18 in Reibeingriff steht. Die Reibkraft muß durch entsprechende Vorspannung eingestellt werden, die konstruktiv durch entsprechende Anordnung der Dämpfungseinrichtung 11 gegeben werden kann. Beispielsweise kann die notwendige Vorspannung durch die Federkraft des Gehäuses 8 gewährleistet sein.It is therefore advantageous to use a friction gear instead of a gear drive to be provided. The embodiments of FIGS. 5, 6 and 7 can be modified by appropriate redesign the meshing wheels of the reduction gear as a friction gear be formed. 9 shows an advantageous embodiment of such a friction gear on the basis of the basic construction of FIG. 7 in section along the line S - S. On the circumference of the rotor 3, which is made of metal, for example, is a rubber running surface 19 provided against which the wheel 18 made of metal, for example, is in frictional engagement stands. The frictional force must be adjusted by appropriate bias, the be given structurally by appropriate arrangement of the damping device 11 can. For example, the necessary preload can be achieved by the spring force of the housing 8 can be guaranteed.

Eine entsprechende Reibradgetriebeausbildung kann auch bei den Untersetzungsgetrieben gemäß Fig. 5 und 6 vorgesehen sein.A corresponding friction gear training can also be used for the reduction gears 5 and 6 may be provided.

Werden die Untersetzungsgetriebe gemäß den Fig. 5, 6 und 7 als Reibradgetriebe ausgebildet, so kann bei entsprechender Anpreßkraft zwischen den in Eingriff stehenden Reibrädern das Reibradgetriebe gleichzeitig die Funktion einer Rutschkupplung erfüllen und bei höheren Drehmomenten den Kraftschluß unterbrechen, wie dies zuvor anhand der Fig. 4 beschrieben wurde. Es lassen sich also auf diese Weise die Vorteile der spielfreien Ankupplung mit denen eines Untersetzungsgetriebes sowie einer Rutschkupplung in einer sehr einfachen Konstruktion, wie sie beispielsweise die Fig. 6 und 7 zeigen, kombinieren, wobei das rotierende System frei von inneren mechanischen Drehschwingungen gehalten werden kann.If the reduction gears according to FIGS. 5, 6 and 7 are used as friction gears formed, so can with a corresponding contact pressure between the engaged Friction wheels the friction gear at the same time fulfill the function of a slip clutch and interrupt the frictional connection at higher torques, as previously based on of Fig. 4 has been described. In this way the advantages of the Backlash-free coupling with those of a reduction gear and a slip clutch in a very simple construction, as shown, for example, in FIGS. 6 and 7, combine, whereby the rotating system is free from internal mechanical torsional vibrations can be held.

Es ist noch hervorzuheben, daß die erfindungsgemäße Antriebsanordnung hinsichtlich der Dämpfungseigenschaften unempfindlich gegen Anderungen des Trägheitsmomentes, also der rotierenden Massen, ist. Dies kann beispielsweise von Bedeutung sein, wenn der Rotor 3 für verschiedene Anwendungsgebiete auswechselbar gestaltet ist und dabei stark unterschiedliche Massen aufweisen kann bzw.It should also be emphasized that the drive arrangement according to the invention in terms of damping properties insensitive to changes of the moment of inertia, i.e. the rotating masses. This can for example be of importance if the rotor 3 is interchangeable for different areas of application is designed and can have very different masses or

wenn bei laufenden Arbeiten die Bestückung der zu positionierenden Gegenstände 4, 5, 6 geändert wird.if during ongoing work the equipment to be positioned Items 4, 5, 6 is changed.

Dies ist insbesondere ein Vorteil gegenüber der herkömmlichen Methode der Drehschwingungsunterdrückung durch entsprechende Ansteuerung des Schrittmotors mit sogenannten Nachsetzimpulsen. Diese Methode kann nur angewendet werden, wenn das Trägheitsmoment des rotierenden Systems genau bekannt ist und die Nachsetzimpulse entsprechend gegeben werden.This is a particular advantage over the conventional method the suppression of torsional vibrations through appropriate control of the stepper motor with so-called follow-up pulses. This method can only be used if the moment of inertia of the rotating system is known exactly and the readjustment pulses given accordingly.

Claims

CLAIMS: 1. Stepper motor drive with torsional vibration damping for Angular positioning of a rotor, characterized in that in the rotor (3) and stepper motor (1) existing rotating system, the frictional forces as low as are kept possible and the rotating system (2, 3) a rotating damping device (11) is coupled, its braking torque (M) with decreasing speed (n) towards zero goes.

2. Stepper motor drive according to claim 1, characterized in that a DC motor (11) with short-circuit circuit (12) as a damping device is provided.

3. Stepper motor drive according to claim 2, characterized in that the short-circuit circuit (12) has a short-circuit current limiting device, which limits or decreases the current above a given speed.

4. Stepper motor drive according to one of claims 2 or 3, characterized characterized in that the short-circuit circuit (12) with the DC motor (11) a voltage which increases the short-circuit current.

5. Stepper motor drive according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the damping device (11) is attached to the shaft (2) via a reduction gear (16, 17; 3, 18) is coupled.

6. Stepper motor drive according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the damping device (11) to the shaft (2) via an above a certain torque to be transmitted (M1) interrupting the frictional connection Coupling (14, 15; 3, 18) is coupled.

7. Stepper motor drive according to claim 6, characterized in that the clutch is designed as a slip clutch (14, 15; 3, 18).

8. stepper motor drive according to claims 5 and 7, characterized in that that the reduction gear as a friction gear (3, 18) with a defined frictional force is trained.

9. stepper motor drive according to claim 8, characterized in that the rotor is designed as a wheel (3) on which in the circumferential area a with the shaft (10) of the damping device (11) connected to the friction wheel (18) engages.

10. Stepper motor drive according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the rotor (3) and the stepping motor (1) on a common shaft (2) are directly coupled.