DE3517962C2

DE3517962C2 -

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Publication number: DE3517962C2
Application number: DE19853517962
Authority: DE
Inventors: Bernd 2080 Pinneberg De Jagdhuber; Wolfgang Dipl.-Ing. 2411 Gudow De Kroeger
Original assignee: EPPENDORF GERAETEBAU NETHELER and HINZ GMBH 2000 HAMBURG DE
Current assignee: Eppendorf SE
Priority date: 1985-05-18
Filing date: 1985-05-18
Publication date: 1987-05-21
Also published as: DE3517962A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotorantrieb der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art (DE-Z "Regelungs technik" H. 8, 3. Jg., 1955, S. 200-204).The invention relates to a stepper motor drive in Preamble of claim 1 mentioned type (DE-Z "regulatory technology "H. 8, 3rd vol., 1955, pp. 200-204).

Schrittmotorantriebe eignen sich vorzüglich zur Winkel positionierung, da sie eine digitale Ansteuerung der Winkelposition ermöglichen und diese hochgenau einzuhal ten vermögen. Die Positioniergenauigkeit kann gesteigert werden, wenn größere Positionierschritte mit einem fein schrittigen 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 particularly suitable for angles positioning because it is a digital control of the Enable angular position and comply with this with high precision ten assets. The positioning accuracy can be increased if larger positioning steps with a fine step motor can be generated between two angular positions to be set a larger number of steps and consequently the one to be set Precise angular position within a small increment sets.

Schrittmotoren neigen jedoch zu Drehschwingungen um die einzustellende Winkelposition. Diese führen zu einer Ver längerung der Einstellzeit, da erst das Auspendeln ab gewartet werden muß. Außerdem können die im System unver meidlichen Reibungskräfte dazu führen, daß das Drehsystem neben der Sollstellung, also fehlpositioniert, stehen bleibt.Stepper motors tend to vibrate around the angular position to be set. These lead to a ver Extension of the response time, since the leveling off only must be maintained. In addition, the in the system Avoiding frictional forces cause the turning system stand next to the target position, i.e. incorrectly positioned remains.

Um dies zu verhindern, werden Schrittmotorantriebe der eingangs genannten Art mit gesonderter Dämpfungsein richtung versehen, deren Bremsmoment mit abnehmender Drehzahl gegen Null geht.To prevent this, stepper motor drives are the type mentioned with separate damping direction, their braking torque with decreasing Speed goes to zero.

Die DE-AS 11 80 975 zeigt als solche Dämpfungseinrichtung eine Wirbelstrombremse. Bei hohen Drehgeschwindigkeiten treten hierbei jedoch erhebliche Bremskräfte auf, die die Positioniergeschwindigkeit des Systems stark herabsetzen.DE-AS 11 80 975 shows as such a damping device an eddy current brake. At high speeds however, significant braking forces occur here, which Reduce the positioning speed of the system significantly.

Aus DE-Z "Regelungstechnik" 3. Jg., 1955, H. 8, S. 200 bis 204, ist es bekannt, als Dämpfungseinrichtung einen kurz geschlossenen Gleichstromgenerator zu verwenden. Hieraus ist es auch bekannt, den Gleichstromgenerator über ein Getriebe anzukuppeln, wodurch die Dämpfungswirkung bei geringer Generatorgröße erhöht wird. Auch hierbei steigen bei hohen Positioniergeschwindigkeiten die Bremskräfte stark an.From DE-Z "Regelstechnik" 3rd vol., 1955, H. 8, p. 200 bis 204, it is known as a damping device a short closed DC generator to use. Out of this It is also known to use the DC generator Coupling gearbox, which reduces the damping effect small generator size is increased. Rise here too the braking forces at high positioning speeds strong.

Zur Verringerung der Bremskräfte bei hohen Positionierge schwindigkeiten ist es bekannt, elektronische Regelungs schaltungen zu verwenden, mit denen der Kurzschluß eines dämpfenden Gleichstrommotors geregelt wird. So z. B. in DE-AS 11 50 749, DE-AS 22 37 870 und DE-OS 17 63 688.To reduce the braking forces at high positioning speeds it is known electronic regulation to use circuits with which the short circuit of a damping DC motor is regulated. So z. B. in DE-AS 11 50 749, DE-AS 22 37 870 and DE-OS 17 63 688.

Mit solchen Konstruktionen gelingt es bereits, bei aus reichender Dämpfung um die Null-Lage hohe Positionier geschwindigkeiten fahren zu können, ohne den Schrittmotor antrieb zu stark zu belasten. Die Dämpfungseinrichtung ist bei den bekannten Konstruktionen aber stets, gegebenen falls über Getriebe, starr an den Schrittmotor gekoppelt. Das zusätzliche Trägheitsmoment der Dämpfungseinrichtung wirkt daher verlangsamend auf die Drehbeschleunigung beim Hochfahren des Drehsystems von Stillstand auf die maximale Positioniergeschwindigkeit. Bei kurzen schnellen Winkelverstellungen, wie sie in der Regel von Schritt motorantrieben verlangt werden, wird die Positionier zeit im wesentlichen von der Anfahrbeschleunigung be stimmt.With such constructions, it is already possible at sufficient damping around the zero position high positioning to be able to drive at speeds without the stepper motor too much load on drive. The damping device is in the known constructions, however, always given if via gear, rigidly coupled to the stepper motor. The additional moment of inertia of the damping device therefore slows down the spin when starting up the turning system from standstill to the maximum positioning speed. With short quick Angle adjustments, as usually done by step motor drives are required, the positioning time essentially depends on the acceleration Right.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Schrittmotorantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei geringer Belastung des Schritt motors hohe Anfahrbeschleunigungen erlaubt.The object of the present invention is therefore in a stepper motor drive of the aforementioned Kind of creating the step with little strain motors high starting accelerations allowed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved with the features of Labeling part of claim 1 solved.

Erfindungsgemäß ist die Dämpfungseinrichtung über eine Kupplung angeschlossen, die oberhalb eines bestimmten Drehmomentes auskuppelt. Damit wird bei der Anfahrbe schleunigung automatisch ausgekuppelt, und es kann das Drehsystem sehr schnell hochgefahren werden, da während der Beschleunigung die trägen Massen der Dämpfungsein richtung, also beispielsweise eines Gleichstrommotors sowie eines Getriebes abgekuppelt sind. Am Ende der Beschleunigungsphase, wenn das Drehmoment sinkt, greift die Kupplung wieder, und es wird insbesondere in der kritischen Bremsphase beim Erreichen der Positionier stellung die Dämpfungseinrichtung wieder angekuppelt und kann nun die erwünschte präzise Einstellung der Soll-Lage in kurzer Zeit, also ohne Schwingungen be wirken.According to the damping device is a Coupling connected above a certain one Torque disengages. This is the start-up acceleration disengages automatically, and it can Turning system can be started up very quickly because during of acceleration the inert masses of damping direction, for example a DC motor and a gearbox are uncoupled. At the end of Acceleration phase, when the torque drops, takes effect the clutch again and it is particularly in the critical braking phase when reaching the positioning position the damping device coupled again and can now set the desired precise setting Target position in a short time, i.e. without vibrations Act.

Oberhalb eines bestimmten Drehmomentes auskuppelnde Rutschkupplungen sind zwar an sich bekannt, werden jedoch nach dem Stand der Technik zu nicht vergleichbaren Zwecken eingesetzt. So zeigt die DE-OS 29 18 936 eine Rutsch kupplung für ein Tonbandgerät, die den Antriebsmotor bei abtriebseitiger Blockierung vor Überlastung schützen soll.Disengaging above a certain torque Slip clutches are known per se, but are according to the state of the art for not comparable purposes used. DE-OS 29 18 936 shows a slide Coupling for a tape recorder that drives the motor Protect the blocking on the output side against overload should.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Eine Rutschkupplung weist gegenüber anderen erfindungsgemäß verwendbaren Kupplungen den Vorteil auf, daß sie im eingekuppelten Zustand aufgrund des Reib schlusses völlig spielfrei kuppelt. Damit wird erreicht, daß bei der erfindungsgemäß erforderlichen Bedämpfung sehr kleiner Pendelbewegungen die Dämpfungskräfte exakt und spielfrei übertragen werden.The features of claim 2 are also advantageous intended. A slip clutch points towards others Couplings usable according to the invention have the advantage that they are in the engaged state due to the friction coupling completely free of play. So that is achieved that with the damping required according to the invention very small pendulum movements the damping forces exactly and be transmitted without play.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Durch diese an sich bekannte Maßnahme wird erreicht, daß die Dämpfungseinrichtung mit höherer Dreh zahl läuft als der Schrittmotor. Da ihr Bremsmoment drehzahlabhängig ist, kann auf diese Weise mit einer kleineren Dämpfungseinrichtung das erforderliche Brems moment erreicht werden.The features of claim 3 are also advantageous intended. This measure is known per se achieved that the damping device with higher rotation number runs as the stepper motor. Because their braking torque is speed-dependent, can in this way with a smaller damping device the required braking moment can be reached.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 4 vorgesehen. Ein Reibradgetriebe besteht im einfachsten Fall aus zwei im Reibschluß befindlichen Rädern unter schiedlichen Durchmessers, von denen das größere mit dem Schrittmotor und das kleinere mit der Dämpfungs einrichtung gekoppelt ist. Ein solches Reibradgetriebe zeichnet sich durch hohe bauliche Einfachheit und ein fache Erfüllbarkeit der gestellten Anforderungen aus.The features of claim 4 are also advantageous intended. The simplest is a friction gear Case from two wheels under friction different diameters, of which the larger with the stepper motor and the smaller one with the damping device is coupled. Such a friction gear is characterized by high structural simplicity and simple fulfillment of the requirements.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 5 vorgesehen. Damit läßt sich eine konstruktiv besonders einfache Ausbildung erreichen. Insbesondere wird durch den Reibschluß auch hier wiederum eine spielfreie Dreh momentübertragung gewährleistet. Es können also keine zusätzlichen, durch Übertragungsspiel auftretenden Schwingungen auftreten. Der Reibradantrieb ermöglicht außerdem die zur Abkoppelung der Dämpfungseinrichtung bei höherer Beschleunigung erforderliche Rutschkupplungs funktion.The features of claim 5 are also advantageous intended. This makes it particularly constructive achieve simple training. In particular, by the frictional engagement here again a play-free rotation torque transmission guaranteed. So none can additional, occurring through transfer play Vibrations occur. The friction wheel drive enables also that for decoupling the damping device slip clutch required at higher acceleration function.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 6 vorgesehen. Solche Dämpfungseinrichtungen haben sich bereits im Stand der Technik bewährt und können als Standardbauteile verwendet werden.The features of claim 6 are also advantageous intended. Such damping devices have already proven in the prior art and can be used as Standard components are used.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 7 vorgesehen. Auch diese Maßnahme hat sich im Stand der Technik bewährt und erlaubt das Durchfahren größerer Winkelschritte mit hoher Geschwindigkeit, da durch Be grenzung des Bremsmomentes die Belastung des Schritt motors verringert wird. Dieser Effekt kann durch die Merkmale des Anspruches 8 noch verbessert werden.The features of claim 7 are also advantageous intended. This measure has also been updated Technology has proven itself and allows larger vehicles to be driven through Angular steps at high speed, because by Be Limitation of the braking torque the load of the step motors is reduced. This effect can be achieved through the Features of claim 8 can still be improved.

Schließlich sind vorteilhaft die Merkmale des An spruches 9 vorgesehen. Auf diese Weise wird wiederum eventuell auftretendes Spiel mit daraus resultierenden zusätzlichen Drehschwingungsmöglichkeiten vermieden.Finally, the characteristics of the An are advantageous Say 9 provided. This way, in turn possibly occurring game with resulting additional torsional vibration possibilities avoided.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigtIn the drawings, the invention is for example and shown schematically. It shows

Fig. 1 eine Frontansicht in Achsrichtung auf einen Rotor mit Schrittmotorantrieb, ohne erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung, Fig. 1 is a front view in the axial direction on a rotor driven by stepper motor, without an inventive damping device,

Fig. 2 eine Seitenansicht zu Fig. 1, Fig. 2 is a side view of FIG. 1,

Fig. 3 eine Ansicht gemäß Fig. 2 mit direkt gekoppelter Dämpfungseinrichtung, Fig. 3 is a view of FIG. 2 with the direct coupled damping device,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 3 mit Rutschkupplung, Fig. 4 shows a detail of Fig. 3 with clutch,

Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 3 mit Untersetzungs getriebe, Fig. 5 shows a detail of Fig. With a speed reduction gear 3,

Fig. 6 eine Darstellung gemäß Fig. 3 mit einer anderen Art der Ankupplung der Dämpfungseinrichtung, Fig. 6 is a view according to Fig. 3 with a different type of coupling of the damping device,

Fig. 7 einen Ausschnitt aus Fig. 6 mit einer weiteren Variante der Ankupplung der Dämpfungseinrichtung, Fig. 7 shows a detail of Fig. 6 with a further variant of the coupling of the damping device,

Fig. 8 einen Schnitt nach Linie S-S in Fig. 7 mit Zahneingriff, Fig. 8 is a section along the line SS in Fig. 7 with tooth engagement,

Fig. 9 einen Schnitt nach Linie S-S in Fig. 7 mit Reibeingriff und Fig. 9 shows a section along line SS in Fig. 7 with frictional engagement and

Fig. 10a bis c drehzahlabhängige Bremsmomentkurven bei unterschiedlicher Ausbildung und Ankupplung der Dämpfungseinrichtung. Fig. 10a-c speed-dependent braking torque curves at 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, a first application example will be explained a stepping motor drive.

Ein Schrittmotor 1 treibt mit seiner Ausgangswelle 2 einen direkt gekoppelten Rotor 3, der im einfachen Aus führungsbeispiel als konzentrische Scheibe ausgebildet ist und über die Welle 2 spielfrei mit dem Schrittmotor gekoppelt ist.A stepper motor 1 drives with its output shaft 2 a directly coupled rotor 3 , which in the simple exemplary embodiment is designed as a concentric disk and is coupled with the stepper 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 120° 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 Ge häuse 8 vorgesehen ist.Objects 4, 5 and 6 to be positioned are arranged on the rotor 3 . In the illustrated embodiment, three objects are arranged on the rotor 3 at a 120 ° distance. These items 4, 5, 6 to be engaged with the stepping motor 1 by adjusting the angle of the rotor 3 in engagement with a device 7, which rotatably together with the stepping motor 1 at a Ge housing is provided. 8

Beispielsweise können die Gegenstände 4, 5, 6 Filter scheiben 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 objects 4, 5, 6 can be filters, and the device 7 is a fork light barrier which can be influenced in different ways with differently designed filters 4, 5, 6 .

Die Aufgabe des dargestellten Schrittmotorantriebes be steht beispielsweise darin, die Gegenstände 4, 5, 6 nach einander 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 erfor derlich 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, to bring the objects 4, 5, 6 into engagement with the device 7 one after the other or in an arbitrary order. The highest possible positioning accuracy should be achieved. In the example of the light barrier / filter plates mentioned, it should be achieved, for example, that the light beam always passes through the filter plates at the same point in order to make the measured values independent of inhomogeneities in the filter plates. In the illustrated embodiment, starting from a scale of 1: 1 with a rotor diameter of about 9 cm, it may be necessary, for example, to set the angular positions to be set with a positioning accuracy of, for example, ± 0.05 mm (on the circumference).

Neben dem erwähnten Anwendungsbeispiel exisiert 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 is one large number of use cases, such high Positioning accuracy of objects in relation to one fixed facility is sought.

Der elektrische Schrittmotor 1 wird über eine schematisch dargestellte elektrische Ansteuereinrichtung 9 mit Schritt impulsen angesteuert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mit drei erforderlichen Winkelschritten von je 120° kann beispielsweise ein dreipoliger Schrittmotor vorgesehen werden, der naturgemäß aber nur geringe Positioniergenau igkeit erreicht kann. Höhere Positioniergenauigkeiten können mit einem vielpoligen Schrittmotor von beispiels weise 360 Schritten pro Umdrehung erreichen werden, der folglich von Position zu Position jeweils 120 Schritte ausführen muß. Dabei kann es erforderlich sein, im darge stellten Ausführungsbeispiel jeweils nacheinander die Gegenstände 4, 5, 6 gegenüber der Einrichtung 7 zu posi tionieren oder es kann auch beispielsweise direkt auf den übernächsten Gegenstand weitergeschaltet werden, wo bei der dazwischenliegende übersprungen wird. Je nach Anwendungsfall kann es auch erforderlich sein, nach Aus führung 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 actuated by means of a schematically illustrated electrical control device 9 with step pulses. In the illustrated embodiment with three required angular steps of 120 ° each, for example, a three-pole stepper motor can be provided, which of course, however, can only achieve low positioning accuracy. Higher positioning accuracies 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 position the objects 4, 5, 6 relative to the device 7 one after the other in the illustrated embodiment, or it may also be switched directly, for example, to the next but one object, where the intermediate one is skipped. Depending on the application, it may also be necessary to position a certain object after executing several rotations. Furthermore, a much larger number of objects can also be provided, it also being possible to provide them at uneven 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 substantial damping of the rotating system consisting of the rotor 3 , the shaft 2 and the rotor of the stepping motor 1 . The frictional forces can be kept low. It can therefore be positioned with high precision.

Bei einem derart ungedämpften Schrittmotorantrieb treten jedoch beim Erreichen der gewünschten Position Dreh schwingungen auf, die bis zur endgültigen exakten Ein stellung abgewartet werden müssen. Dadurch verringert sich die Positioniergeschwindigkeit. Ferner kann die Drehzahl beim Verfahren zwischen den einzelnen Posi tionen nicht beliebig erhöht werden, weil der unbe lastete Schrittmotor in durch Drehschwingungen gefähr dete Drehzahlbereiche gelangen kann, bei denen er nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert.With such an undamped stepper motor drive however, when reaching the desired position turn vibrations up to the final exact on position must be waited for. This reduces the positioning speed. Furthermore, the Speed when moving between the individual items ions cannot be increased arbitrarily because of the stepper motor loaded by torsional vibrations dete speed ranges can reach where he does not works more properly.

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

Gemäß Fig. 3 ist die Welle 2 über den Rotor 3 hinaus ver längert und an die Welle 10 einer rotierenden Dämpfungs einrichtung 11 starr gekuppelt, welche am Gehäuse 8 be festigt ist.Referring to FIG. 3, the shaft 2 is extended ver over the rotor 3 and also to the shaft 10 of a rotary damping device 11 is rigidly coupled, which is fastened to the housing 8 be.

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 darge stellte Dämpfungseinrichtung 11 jedoch als Gleichstrom motor 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 which, depending on the speed, tends to zero as the speed decreases. As such a damping device 11 , for example, a rotating hydrodynamic damping device can be provided, which, for example, has a propeller or the like driven by the shaft 10 and provided with high flow resistance in a liquid-filled pot. The Darge presented damping device 11 is advantageously designed as a DC motor, which is connected to a short-circuit circuit 12 shown schematically.

Im einfachsten Ausführungsbeispiel besteht die Kurzschluß beschaltung 12 lediglich aus einem Kurzschluß zwischen den Ausgangsklemmen des Gleichstrommotors. In Fig. 10a ist das Bremsmoment M gegenüber der Drehzahl n darge stellt, das in diesem Falle linear ansteigt und bei der Drehzahl Null zu Null wird.In the simplest embodiment, the short circuit 12 consists only of a short circuit between the output terminals of the DC motor. In Fig. 10a the braking torque M is compared to the speed n Darge, which increases linearly in this case and becomes zero at zero speed.

Nachteilig dabei ist, das mit hoher Drehzahl immer größer werdende Drehmoment M, das bei hoher Positioniergeschwin digkeit, 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 the torque M , which is increasing at a high speed, increases the load at high positioning speed, that is, at high speed of the stepping motor 1 , forcing it to be larger and leads to high power consumption.

Vorteilhaft wird daher die Kurzschlußbeschaltung 12 in entsprechender, dem Elektroniker geläufiger Schaltungs ausbildung mit einer Kurzschlußstrombegrenzungseinrich tung versehen, die oberhalb eines vorgewählten Kurz schlußstromes diesen begrenzt. Daraus ergibt sich eine drehzahlabhängige Drehmomentkurve, wie sie in Fig. 10b 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 Dreh zahlen vermeiden. The short-circuit circuit 12 is therefore advantageously provided in a corresponding circuit configuration familiar to the electronics technician with a short-circuit current limiting device which limits this above a preselected short-circuit current. This results in a speed-dependent torque curve, as shown in FIG. 10b. The torque initially rises from zero, has a kink when the current limitation begins and from then remains essentially constant regardless of the speed. In this way, an excessive load on the stepper motor 1 at high speeds can be avoided.

Es ist dann also ein Schrittmotorantrieb geschaffen, der bei ausreichender Dämpfung der Drehschwingungen mit hoher Drehzahl betrieben werden kann, ohne dabei den Schritt motor 1 zu stark zu belasten. Die erreichbare Positionier geschwindigkeit wird dabei aber immer noch wesentlich be schränkt durch das Trägheitsmoment des Gleichstrommotors 11, dessen drehende Masse bei jedem Anfahren des Schrittmotors 1 beschleunigt werden muß. Das Trägheitsmoment des Gleich strommotors 11 läßt sich durch bauliche Verkleinerung ver ringern, wodurch aber auch das Bremsmoment verringert würde. Es ist dann vorteilhaft, die Kurzschlußbeschaltung 12 elektronisch derart auszubilden, daß sie eine den Kurz schlußstrom des Gleichstrommotors verstärkende Spannung erzeugt und dadurch das Bremsmoment elektrisch erhöht. Durch geeignete Schaltungsmaßnahmen kann weiterhin er reicht werden, daß bei Überschreiten einer bestimmten Drehzahl das Bremsmoment wieder abnimmt. Eine solche Bremsmomentkurve ist in Fig. 10c dargestellt. Das Brems moment M steigt zunächst von Null steil an und sinkt nach Überschreiten eines Maximums wieder ab.A stepper motor drive is then created, which can be operated with sufficient damping of the torsional vibrations at high speed, without putting excessive strain on the stepper motor 1 . The achievable positioning speed is still significantly limited by the moment of inertia of the DC motor 11 , the rotating mass of which must be accelerated each time the stepping motor 1 is started . The moment of inertia of the DC motor 11 can be reduced by constructional size reduction, but this would also reduce the braking torque. It is then advantageous to design the short-circuit circuit 12 electronically in such a way that it generates a short-circuit current of the direct current motor and thus increases the braking torque electrically. By suitable circuit measures it can be sufficient that the braking torque decreases again when a certain speed is exceeded. Such a braking torque curve is shown in Fig. 10c. The braking torque M initially rises steeply from zero and decreases again after a maximum is exceeded.

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 Kupp lung 13 aufweist, die aus zwei Kupplungsscheiben 14, 15 gebildet ist, welche mit ihren Stirnflächen in Reibein griff stehen. Die Kupplung ist stark schematisiert darge stellt. 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, which 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 clutch 13 , which consists of two clutch plates 14, 15 is formed, which are engaged with their end faces in Reibein. The clutch is very schematic Darge presents. 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 Anpreß kraft 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. 10b läßt die Verhältnisse bei einer Kupplung erkennen. Das Bremsmoment steigt zunächst bis zu dem Wert M ₁ an. Dann beginnt die Kupplung zu rutschen und begrenzt das Bremsmoment auf diesen Wert. Diese me chanische Methode der Drehmomentbegrenzung kann mit den zuvor beschriebenen elektrischen Drehmomentbegrenzungs methoden kombiniert werden.Such a clutch 13 works at a given contact pressure between the clutch discs 14, 15 as a slip clutch that rigidly transmits low torques and then slips and thus does not allow the braking torque to increase further. Fig. 10b shows the situation with a clutch. The braking torque initially increases up to the value M ₁ . Then the clutch begins to slip and limits the braking torque to this value. This mechanical method of torque limitation can be combined with the electrical torque limitation methods described above.

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 Dämpfungs einrichtung 11 mit höherer Drehzahl läuft als der Schritt motor 1. Es werden also bei kleinerer Ausbildung der Dämpfungseinrichtung 11 bereits hohe Bremskräfte er reicht. 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 Brems kraft und folglich eine hohe Dämpfung erreicht. Im Falle der Ausbildung der Dämpfungseinrichtung 11 als Gleich strommotor 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 11 with shaft 10 to the shaft 2 of the stepping motor 1 is shown, in which a reduction gear with gearwheels 16, 17 is provided between the shafts. This ensures that the damping device 11 runs at a higher speed than the step motor 1st So there are already high braking forces with a smaller design of the damping device 11 . According to the illustrations of FIG. 10, the steepness of the increase of the braking torque can be increased M. It is therefore a high braking force and consequently high damping achieved with small oscillations around the zero position of the position. In the case of the design of the damping device 11 as a DC motor, this can be reduced and simplified to achieve a certain braking torque.

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 Be zugszeichen verwendet.The reduction gear can be structurally considerably simplified compared to the embodiment according to FIG. 5, as shown in FIGS. 6 and 7 in two alternative designs. In these, the basic training of the order of the embodiment of FIGS. 1 and 2 is chosen accordingly. The same reference numerals are used for the unchanged parts.

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 a corresponding short-circuit circuit.

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.In the embodiment of FIG. 6, the damping device 11 is fixed to the housing 8 with its shaft 10 at right angles to the shaft 2 of the stepping motor 1 . A wheel 18 is provided on the shaft 10 , which meshes with a side surface of the rotor 3 . A corresponding toothing can be provided so that the rotor 3 as a ring gear with the gear 18 working as a pinion results in a gear reduction.

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

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 zusätz liche Drehschwingungen erzeugt, die eine hohe Positio niergenauigkeit verhindern.A disadvantage of a gear reduction gear according to FIGS. 5 and 8, or in the variant according to FIG. 6, is the inevitable backlash of the gears. Characterized an angular play is provided between the damping device 11 and the stepper motor 1 , which generates additional torsional vibrations that 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 Unter setzungsgetriebes als Reibradgetriebe ausgebildet werden. Fig. 9 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines solchen Reibradgetriebes anhand der Grundkonstruk tion der Fig. 7 im Schnitt gemäß Linie S-S. Auf dem Umfang des Rotors 3, der beispielsweise aus Metall be steht, ist eine Gummilauffläche 19 vorgesehen, gegen die das beispielsweise aus Metall bestehende Rad 18 in Reibeingriff steht. Die Reibkraft muß durch entsprechen de Vorspannung eingestellt werden, die konstruktiv durch entsprechende Anordnung der Dämpfungseinrichtung 11 ge geben werden kann. Beispielsweise kann die notwendige Vorspannung durch die Federkraft des Gehäuses 8 gewähr leistet sein.It is therefore advantageous to provide a friction gear instead of a gear transmission. The embodiments of Figs. 5, 6 and 7 may be of the reduction gear is formed as a friction gear by appropriate transformation of the stationary wheels engaged with each other. Fig. 9 shows an advantageous embodiment of such a friction gear based on the basic construction of FIG. 7 in section along line SS . On the circumference of the rotor 3 , which is made of metal, for example, a rubber tread 19 is provided against which the wheel 18, which is made of metal, for example, is in frictional engagement. The frictional force must be set by corresponding de-bias, which can be given ge by appropriate arrangement of the damping device 11 . For example, the necessary bias can be guaranteed by the spring force of the housing 8 .

Eine entsprechende Reibradgetriebeausbildung kann auch bei den Untersetzungsgetrieben gemäß Fig. 5 und 6 vor gesehen sein.A corresponding friction gear design can also be seen in the reduction gears according to FIGS. 5 and 6.

Werden die Untersetzungsgetriebe gemäß den Fig. 5, 6 und 7 als Reibradgetriebe ausgebildet, so kann bei entspre chender Anpreßkraft zwischen den in Eingriff stehenden Reibrädern das Reibradgetriebe gleichzeitig die Funktion einer Rutschkupplung erfüllen und bei höheren Drehmo menten den Kraftschluß unterbrechen, wie dies zuvor an hand der Fig. 4 beschrieben wurde. Es lassen sich also auf diese Weise die Vorteile der spielfreien Ankupplung mit denen eines Untersetzungsgetriebes sowie einer Rutsch kupplung in einer sehr einfachen Konstruktion, wie sie beispielsweise die Fig. 6 und 7 zeigen, kombinieren, wobei das rotierende System frei von inneren mechanischen Dreh schwingungen gehalten werden kann.If the reduction gear shown in FIGS. 5, 6 and 7 is formed as a friction gear, as in entspre chender pressing force of the friction gear can be between the engaged friction wheels at the same time fulfill the function of a slip clutch, and at higher Drehmo elements the frictional connection interrupt as described previously with reference to has been described in FIG. 4. So it can be in this way, the advantages of the play-free coupling with those of a reduction gear and a slip clutch in a very simple construction, as shown for example FIGS. 6 and 7, combine, the rotating system being kept free of internal mechanical rotary vibrations can be.

Es ist noch hervorzuheben, daß die erfindungsgemäße An triebsanordnung hinsichtlich der Dämpfungseigenschaften unempfindlich gegen Änderungen des Trägheitsmomentes, also der rotierenden Massen, ist. Dies kann beispiels weise von Bedeutung sein, wenn der Rotor 3 für verschie dene Anwendungsgebiete auswechselbar gestaltet ist und dabei stark unterschiedliche Massen aufweisen kann bzw. wenn bei laufenden Arbeiten die Bestückung der zu posi tionierenden Gegenstände 4, 5, 6 geändert wird.It should also be emphasized that the drive arrangement according to the invention is insensitive to changes in the moment of inertia, that is to say the rotating masses, with regard to the damping properties. This can be of importance, for example, if the rotor 3 is designed interchangeably for various applications and can have very different masses, or if the assembly of the objects 4, 5, 6 to be positioned is changed during ongoing work.

Dies ist insbesondere ein Vorteil gegenüber der herkömm lichen Methode der Drehschwingungsunterdrückung durch ent sprechende Ansteuerung des Schrittmotors mit sogenannten Nachsetzimpulsen. Diese Methode kann nur angewendet wer den, wenn das Trägheitsmoment des rotierenden Systems genau bekannt ist und die Nachsetzimpulse entsprechend gegeben werden.This is in particular an advantage over the conventional one method of torsional vibration suppression by ent speaking control of the stepper motor with so-called Follow-up pulses. This method can only be used by anyone when the moment of inertia of the rotating system is exactly known and the follow-up pulses accordingly are given.

Claims

1.Step motor drive for angular positioning of a rotor, the frictional forces in the rotary system consisting of rotor and stepper motor being kept as low as possible and a rotating damping device coupled to the rotating system, the braking torque of which decreases towards zero as the speed decreases, characterized in that the damping device ( 11 ) is coupled via a clutch ( 14, 15; 3, 18 ) which interrupts the frictional connection above a certain torque (M ₁ ) to be transmitted.

2. Stepper motor drive according to claim 1, characterized in that the clutch is designed as a slip clutch ( 14, 15; 3, 18 ).

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

4. stepper motor drive according to claims 2 and 3, characterized in that the reduction gear is designed as a friction gear ( 3, 18 ) with a defined frictional force.

5. stepper motor drive according to claim 4, characterized in that the rotor is designed as a wheel ( 3 ) on which in the peripheral region engages with the shaft ( 10 ) of the damping device ( 11 ) connected friction wheel ( 18 ).

6. Stepper motor drive according to one of the preceding claims, characterized in that a DC motor ( 11 ) with short-circuit ( 12 ) is provided as the damping device.

7. stepper motor drive according to claim 6, characterized in that the short-circuit circuit ( 12 ) has a short-circuit current limiting device which limits or decreases the current above a predetermined speed.

8. stepper motor drive according to one of claims 6 or 7, characterized in that the short-circuit circuit ( 12 ) acts on the DC motor ( 11 ) with a short-circuit current amplifying voltage.

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