用于测量仪器的电动机驱动装置和控制方法

专利名称：用于测量仪器的电动机驱动装置和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量仪器的电动机驱动装置(motor drive即paratus)以及 一种用于控制测量仪器的控制方法，并且具体地涉及一种电动机驱动装置和一种转动测量 仪器的仪器轴的控制方法。
背景技术：
在测量中，各种测量仪器，比如准距计、经讳仪或全站仪(total station)，通常被 用于测量物体的距离和/或角度。照惯例，这些测量仪器包括用以将测量仪器稳定地定位 在地面上的具有支座的底座以及可相对于底座移动的头部。该头部通常包括光学设备，比 如测距设备或用于瞄准物体或在在物体上聚焦的瞄准设备，比如透镜、望远镜、照相机或类 似设备。具体地，为了使头部可定位以便瞄准物体，该头部在空间中应是可转动的，优选地 应在垂直和水平方向可转动。 该可移动或可转动的头部可以包括测距设备或用于对准远程物体以确定远程物 体的位置的瞄准设备。已知不同种类的传动装置用于使头部相对于底座在水平平面内转 动，其中，例如，该头部的测距设备可以被设置在装有万向接头的轭状物(gimballed yoke) 上以便也可在垂直方向运动。 在测量仪器比如大地测量学的测量仪器(geodesic-measuringinstrument)中， 该头部的转动可以通过使用电动机比如直流齿轮电动机(DC gear motor)来实现，使得头 部可以相对于底座调整。 虽然在短时间内转动该头部是优选的，但是更重要的是在调整具体角度时提供高 精确度，其中角分辨率的精确度优选地小于1〃 ，即需要角度的快速且高度精确的调整。
现有的解决方案提供用于支持两种操作之间的切换的摩擦离合器，两种操作也就 是第一操作和第二操作，其中在第一操作中，头部可以手动地且快速地被移动，在第二操作 中，当离合器被啮合时，通过手动地转动旋钮，头部可以被精细地移动。

发明内容
存在有对用于测量仪器的电动机驱动装置和用于控制测量仪器使得仪器轴能够 以高角分辨率快速转动的控制方法的需要。 依据一实施方式，一种用于测量仪器的电动机驱动装置包括第一电动机，其用于 转动仪器轴，该第一电动机包括定子和转子，该转子具有转动轴以及相对于该定子的多个 步级位置(st印position);安装单元，其用于安装第一电动机以使其可围绕转动轴枢轴转 动；以及调节单元，其用于使第一电动机的定子围绕转动轴转动。因此，提供了一种用于自 动且快速转动测量仪器的仪器轴的机动装置(motorized a卯aratus)，该机动装置能够实 现高角分辨率。 在本发明的另一个实施方式中，该调节单元包括控制杆，该控制杆耦合到定子，使 得控制杆的运动转换成定子的转动。因此，该调节单元可以使该第一电动机整个地精细地
4转动。 在本发明的另一个实施方式中，该调节单元包括用于对定子施加扭矩的致动器。 因此，该致动器可以精细地转动第一电动机，以使耦合到第一电动机的测量仪器的仪器轴 可以转动一小角度。 在本发明的另一个实施方式中，该调节单元包括心轴驱动装置和蜗杆传动装置中 的一个，以便将致动器与控制杆耦合来移动控制杆。因此，可以使用不同的机构手动地或自 动地调节仪器轴的转动角度。 在本发明的另一个实施方式中，该致动器包括第二电动机。因此，调节单元可以是 机动的，以自动地实现仪器轴的一小角度的转动。 在本发明的另一个实施方式中，第二电动机包括第二定子和第二转子，并且第二 转子具有相对于第二定子的多个步级位置。因此，第二电动机的转子可以相对于第二电动 机的定子递增地从一个步级位置移动到另一个步级位置，并且小增量可以在第一电动机转 换成更小的增量。 在发明的另一个实施方式中，调节单元包括螺纹心轴和蜗杆中的一个，此螺纹心 轴和蜗杆在与第二电动机的转动轴一致的轴向方向延伸。因此，通过第二电动机的转子的 转动，螺纹心轴或蜗杆的转动可以转换成控制杆在轴向方向的运动。 在本发明的另一个实施方式中，第一电动机和第二电动机中的至少一个由提供转 子和定子之间的保持扭矩的步进电动机组成。因此，可以提供便宜而且简单的步进电动机 代替带有连接的齿轮的昂贵的直流伺服电动机，并且由于该保持扭矩，定子的运动可以被 转换成同一电动机的转子的转动。此外，步进电动机可以减少电动机驱动装置的电力消耗。
在本发明的另一个实施方式中，电动机驱动装置还包括齿轮，该齿轮耦合到第一 电动机，以便通过第一电动机围绕转动轴的转动来转动仪器轴。因此，高齿轮传动比可以选 择成通过由于第一电动机转子的转动或由于组合转子和定子的转动而产生的第一电动机 的转动轴的转动实现仪器轴的精细转动。 在本发明的另一个实施方式中，电动机驱动装置包括将安装单元与调节单元耦合 的弹簧。因此，调节单元的控制杆可以没有窜动地稳定地移动。 在本发明的另一个实施方式中，电动机驱动装置还包括磁体，该磁体连接到控制 杆以对第一电动机施加分开力，以便将第一电动机锁定到控制杆。因此，控制杆的运动直接 地转换成第一 电动机的转动轴的转动。 在本发明的另一个实施方式中，磁体为双稳态磁体，并且分开力通过双稳态磁体 的锚固件机械地施加。因此，磁体和锚固件装置可以采取两种状态，即锁定状态和未锁定状 态，在锁定状态中，锚固件延伸到磁体以外以施加分开力，在未锁定状态中，未施加分开力。 此外，和其它磁体相比，双稳态磁体可以节省电力。 在本发明的另一个实施方式中，电动机驱动装置还包括位置探测器，位置探测器 用于探测控制杆的位置。因此，可以跟踪控制杆的位移，以便可以探测控制杆何时达到其位 移极限。 在本发明的另一个实施方式中，电动机驱动装置包括控制单元，该控制单元适合 于驱动第一电动机和调节单元。因此，电动机驱动装置的控制可以用合适的计时自动地执 行。
在本发明的另一个实施方式中，控制单元适合于在粗略模式中通过相对于定子转
动转子来驱动第一电动机以将仪器轴调节一粗略角度，而且适合于在精细模式中通过使定
子围绕转动轴转动来驱动调节单元以使仪器轴调节一精细角度。因此，提供了两种模式，以
便首先快速地将仪器轴转动到近似的位置并随后其次精细地调整该位置。 在本发明的另一个实施方式中，控制单元适合于首先驱动第一电动机以将转子转
动第一角度到达第一位置以调节仪器轴的粗略角度，并随后驱动调节单元以将第一电动机
的定子转动第二角度到达第二位置以调节仪器轴的精细角度，其中，第一角度大于第二角
度。因此，可以实现具有高角分辨率的快速转动。 在本发明的另一个实施方式中，提供了一种测量仪器，其包括上文描述的用于转 动测量仪器的仪器轴的电动机驱动装置。因此，上文描述的优势可以应用在测量仪器中。
在本发明的另一个实施方式中，提供了一种测量仪器，其包括上文描述的两个电 动机驱动装置，其中，第一电动机驱动装置适合于转动水平仪器轴，而第二电动机驱动装置 适合于转动垂直仪器轴。因此，上文描述的优势可以应用在测量仪器中，以便在三维空间中 调节测量方向。 在本发明的另一个实施方式中，一种用于控制测量仪器的控制方法包括通过第 一电动机转动测量仪器的仪器轴，该第一电动机安装成使其可围绕转动轴枢轴转动，并包 括定子和转子，该转子具有转动轴以及相对于该定子的多个步级位置，以便调节仪器轴的 粗略角度；以及通过调节单元使第一电动机的定子围绕转动轴转动以调节仪器轴的精细角 度。因此，测量仪器的仪器轴可以按高角分辨率快速地转动。 在本发明的另一个实施方式中，转动仪器轴包括在粗略模式中相对于定子转动转 子以调节仪器轴的粗略角度，并且使定子围绕转动轴转动在精细模式中执行以调节仪器轴 的精细角度。因此，可以实现仪器轴的快速粗略调节和精细调节。 在本发明的另一个实施方式中，在粗略模式中，电动机的转子首先被转动第一角
度到达第一位置，并且然后在精细模式中，电动机的定子被转动第二角度到达第二位置，其
中第一角度大于第二角度。因此，仪器轴可以按高角分辨率快速地转动。 在本发明的另一个实施方式中，当第一电动机的转子转动到第二位置时，定子在
相反方向转动到第三位置。因此，粗略模式和精细模式可以分别地或组合地被控制，并且调
节单元可以使控制杆移位，以便相对于其位移极限定位在中间位置中，并且第一电动机的
转子可以在相反方向转动。 在本发明的另一个实施方式中，在精细模式中，第一电动机的转子和定子相对于 彼此保持在相同的位置。因此，定子的转动被转换成转子的转动。 在本发明的另一个实施方式中，可提供一种程序，该程序包括适合于引起数据处 理装置执行具有上述特征的方法的指令。 在本发明的另一个实施方式中，可提供一种计算机可读媒体，其中包含程序，其中 该程序将使计算机执行具有上述特征的方法。 在本发明的另一个实施方式中，可提供一种计算机程序产品，该产品包括计算机 可读媒体。 本发明的其它特征在权利要求中公开。


图la示出了依据本发明的实施方式的电动机驱动装置的元件。 图lb示出了图la的电动机驱动装置的元件的例子。 图2示出了依据本发明的另一个实施方式的电动机驱动装置的示意图。 图3示出了依据本发明的另一个实施方式的用于控制测量仪器的控制方法的操作。 图4示出了依据本发明的另一个实施方式的电动机驱动装置的详细的透视图。 图5示出了沿着平行于图4的仪器轴和电动机驱动装置的转动轴的平面取得的截 面图。 图6示出了沿着垂直于图4的仪器轴和电动机驱动装置的转动轴的平面取得的截 面图。 图7示出了依据本发明的另一个实施方式的包括一磁体的电动机驱动装置的详 细的透视图。 图8示出了沿着平行于图7的仪器轴和电动机驱动装置的转动轴的平面取得的截 面图。 图9A和图9B示出了调节单元的构造的不同的例子。 图10示出了通向用于控制电动机的控制单元的信息流动。 图11A示出了控制单元的操作程序的构造。 图IIB示出了在精细模式中的重置。 图12示出了在不同模式中的控制过程。
具体实施例方式
参照附图描述了优选的实施方式。应注意到，接下来的描述只包含例子并且不应 被解释为限制本发明。 实施方式通常涉及一种用于测量仪器的电动机驱动装置，该电动机驱动装置具有 第一电动机，该第一电动机包括定子和转子，转子具有相对于该定子的多个步级位置。在一 实施方式中，第一电动机安装到安装单元，以便可围绕该转子的转动轴枢轴转动。该装置还 包括调节单元，该调节单元用于转动第一电动机的可枢轴转动地安装的定子。第一电动机 优选地被用在粗略模式中，即第一电动机的转子可以快速地转动以调节由转子的步级位置 的尺寸限制的仪器轴的粗略角度，并且调节单元优选地在精细模式中操作，调节单元耦合 到第一电动机使得第一电动机的定子可以精细地转动。因此，可以产生仪器轴的轻微转动， 因为第一电动机的转动的定子也可以实现转子中的转动。 换言之，在此实施方式中，第一电动机被布置成以高角速度转动仪器轴，而转子的 角定位的精度由转子相对于定子的步级位置决定，但该步级位置对于测量用途可能不充 分。因为第一电动机，具体是定子可围绕电动机的转动轴枢轴转动，所以该调节单元可以被 耦合到电动机，具体是定子，以便将定子转动到小于一步级位置的程度，使得可以实现足够 用于测量用途的仪器轴的精细调节。 图la示出了依据另一个实施方式的电动机驱动装置100的元件，包括电动机110、 安装单元111和调节单元120。
电动机驱动装置100可以用于测量仪器中以改变光学装置，比如望远镜或激光器 的方向以便瞄准和测量物体，该电动机驱动装置100包括电动机110，该电动机110用于转
动仪器轴，比如测量仪器的仪器轴。电动机iio包括定子和转子，转子具有转动轴以及相对
于定子的多个步级位置，定子可以围绕该转动轴转动。 更详细地，仪器轴被耦合到电动机110的转子，使得转子的转动转换成仪器轴的 转动，其中转动的量可以由放置在转子和仪器轴之间的齿轮装置控制。例如，带有多个步级 位置的电动机可以为步进电动机，当转子相对于定子转动时，该步进电动机提供小的离散 的步级。 电动机110被安装到安装单元111，该安装单元111可以为电动机驱动装置的框架
或外壳，使得电动机可围绕转动轴枢轴转动，即定子和转子可以围绕相同的轴转动。 调节单元120被设置成使电动机的定子围绕转动轴转动，使得仪器轴可以直接地
或间接地被转动，如果转子直接地跟随定子的运动，例如在步进电动机提供定子和转子之
间的保持扭矩的情况中，仪器轴直接地被转动，而在电动机被激励并且由于感应效应转子
跟随定子的转动之后，仪器轴间接地被转动。例如，可能有些电动机，在这些电动机中，当电
动机被激励时转子仅跟随定子的运动。 换言之，转子适合于通过转子相对于定子的转动实现仪器轴的转动，该转子相对
于定子的转动为普通的电动机操作，以及也通过定子的转动实现仪器轴的转动，其中该转
动使包括定子和转子的整个电动机转动并且因此也导致仪器轴的转动。 详细地，调节单元120可以包括将被耦合到定子的臂或控制杆，并且可以包括任
何种类的致动器，以便经由该臂或控制杆对定子施加扭矩来产生转动。该致动器可以构成
第二电动机，比如步进电动机，或者压电换能器或类似物。 图lb示出了图la的电动机驱动装置的元件的基本布置的例子。在图lb中，第一 电动机110可通过安装单元111枢轴转动地安装。该安装单元可以形成电动机驱动装置的 框架的一部分，并允许整个电动机110围绕转动轴A1转动，例如将第一电动机保持在电动 机轴。此外，调节单元120，例如控制杆被固定到第一电动机110的定子，使得在移动调节单 元时，例如在图中在下端向左或向右移动该调节单元时，整个电动机IIO围绕转动轴A1转 动。 接下来，关于图2提供了电动机驱动装置的更详细的例子。 图2示出了依据另一个实施方式的电动机驱动装置200的示意图。 图2中的电动机驱动装置包括具有转动轴A1的第一电动机210、安装单元211、第
二电动机220、控制杆250以及齿轮270，且仪器轴A3基本上定位在齿轮270的中心。第一
电动机210和安装单元211基本上对应于图la的电动机110和安装单元111。 简言之，第二电动机220引起控制杆250如图中下部的箭头示出的那样向左移动。
当控制杆250的下部部分被向外(在图中为向左)推动时，控制杆250围绕转动轴A1(在图
中为顺时针)转动，并且因为控制杆被连接到第一电动机的定子(见图4中的螺栓415)，第
一电动机210的定子同样围绕转动轴Al转动(如箭头示出的那样在图中同样为顺时针)。 详细地，如可以在图2中见到的，第一电动机210与安装单元211接触并且与齿轮
270啮合。在第一粗略模式中，第一电动机210的转子转动并因此转动齿轮270使得仪器轴
A3被转动。
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另外，在图2中可见，不被限制到一种电动机而可以是任何种类的致动器的第二电动机220经由控制杆250耦合到第一电动机210。控制杆250可以为基本上提供对第一电动机210的定子施加扭矩的装置的任何种类的臂。因此，控制杆250和第二电动机220可以被认为组成调节单元，比如图la中描述的调节单元120。 更详细地，控制杆250可以被耦合到第一电动机210的定子，使得控制杆的运动转换成定子的转动。控制杆也可以被枢轴转动地安装，以便可相对于转动轴Al转动一小角度，例如控制杆的转动轴可以与第一电动机的转动轴一致，导致高传动比，以便通过控制杆精细地转动第一电动机的定子，这将在下文中更详细地描述。可选择地，控制杆250的转动轴可以与转动轴Al不同，并且可以从转动轴A1偏离，例如与仪器轴一致。
例如，如果步进电动机被用作第一电动机210，在精细模式中，当电源被切断时，步进电动机被其自身的步进电动机摩擦夹持，或者被供应到步进电动机的电源保持。换言之，步进电动机可以提供转子和定子之间的保持扭矩。因此，第一电动机210的定子的转动转换成齿轮270的转动，该齿轮270直接地或通过中间齿轮或齿轮装置耦合到第一 电动机210的转子，以便通过第一电动机围绕转动轴的转动来转动仪器轴。 类似于第一电动机210，第二电动机220同样可以包括第二定子和第二转子，而第二转子可以具有相对于第二定子的多个步级位置，使得转子相对于固定的第二定子的转动可以递增地在步级中实现。包括第二定子和第二转子的第二电动机的具体例子为步进电动机，比如上文描述的那种步进电动机。 本领域技术人员应理解，虽然已经关于第二电动机220和齿轮270描述了电动机驱动装置200，但是电动机驱动装置不被限制到所描述的电动机驱动装置200并且代替第二电动机220，任何类型的致动器可以用于对第一电动机210的定子施加扭矩。类似地，齿轮270可以被任何合适的齿轮装置或正齿轮替换，使得第一电动机转动仪器轴。甚至仪器轴直接地被第一电动机的转子转动是可行的，例如，如果仪器轴A3与转动轴Al —致，则仪器轴直接地被第一电动机的转子转动是可行的。 图2中的仪器轴A3基本上被展示为水平轴以在垂直方向上下转动连接到它的零件，比如测量仪器的头部。然而，应理解，图2中示出的电动机驱动装置200可以简单地被转动90度，使得其也可以覆盖图2中未示出的其的垂直方向。 然后，将关于图3描述用于控制测量仪器，并且具体为测量仪器的电动机驱动装置的操作。 图3示出了用于控制测量仪器，比如包括电动机驱动装置100或200的测量仪器的电动机驱动装置的控制方法的操作的流程图。 在第一操作310中，由第一电动机转动仪器轴，该第一电动机被安装成使得其可围绕具有相对于定子的多个步级位置的转子的转动轴枢轴转动，以调节仪器轴的粗略角度。 在第二操作320中，通过上文描述的调节单元，例如带有控制杆的致动器使第一电动机的定子围绕转动轴转动，以调节仪器轴的精细角度。 具体地，转动仪器轴可以包括在粗略模式中相对于第一电动机的定子转动转子以调节仪器轴的粗略角度。另外，在精细模式操作中，定子可以围绕转动轴转动以调节仪器轴的精细角度。
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如果步进电动机被用作第一电动机而另一个第二步进电动机被用在调节单元中，在粗略模式中，只有第一步进电动机工作并且第二步进电动机可以被切断。然后，在精细模式中，第一步进电动机被夹持，例如被其自身的步进电动机摩擦夹持并且第二步进电动机正在移动控制杆。该控制杆随后使整个第一步进电动机关于其自身的电动机轴转动，这可以在图4中更详细地看见。因此，在粗略模式中，第一电动机的转子可以首先被转动第一角度到达第一位置，并且然后在精细模式中，第一电动机的定子可以被转动第二角度到达第二位置，其中第一角度优选地大于第二角度。 接下来，关于图4描述依据更详细的实施方式的电动机驱动装置。 图4示出了电动机驱动装置400的详细的透视图。下面将关于图4描述电动机驱
动装置的单独的元件，它们彼此的相对位置、它们的功能以及它们的相互作用。同时，将参
照示出了图4的电动机驱动装置400的截面视图的图5和图6，使得可以从不同的方向看见
单独的元件以更好地理解它们的位置和功能。 具体地，图5示出了沿着平行于仪器轴A3和转动轴Al的平面取得的截面视图，而图6示出了沿着垂直于图4的仪器轴A3以及电动机驱动装置的转动轴Al的平面取得的截面视图。 在下文中，类似的或相同的参考标记指的是类似的或相同的元件，并且将省略其的详细描述以避免不必要的重复。 除前文描述的电动机驱动装置100、200的元件，即电动机210、安装单元211、第二电动机220、控制杆250和齿轮270以外，电动机驱动装置400还包括若干个其它元件，这些其它元件将在下文详细描述。 如上文讨论的，图4示出了可用于测量仪器的仪器轴A3的粗略调节和精细调节的电动机驱动装置400。该装置的单独的元件被连接到安装单元，在图4中该安装单元被展示为框架411。将被转动的仪器轴A3和对应于第一电动机210的转动轴Al的转子轴平行，并且以预定的距离被布置。如本领域公知的，第一电动机210和第二电动机220包括定子和转子，其中转子被固定到转子轴。 与图2类似，图4中的控制杆250也被用影线表示。控制杆250可以在第二电动机220的转动轴的方向被第二电动机220移动，该移动在图4中用下部箭头表示。 一旦控制杆250例如在图4中被向左/向右移动，则连接到控制杆(螺栓415)的第一电动机210的定子顺时针/逆时针转动。 具体地，仪器轴A3被齿轮270驱动，该齿轮270被耦合到第一电动机210的转子。该第一电动机210被枢轴转动地布置在框架411中，以便可围绕其自身的转动轴Al转动。优选地为步进电动机的第一电动机210的转动轴被连接到小齿轮510，该小齿轮510被展示在图5的截面视图中。该小齿轮510可以将第一电动机210的转子的旋转运动传递到齿轮270，并且旋转运动可以经由齿轮270传递到连接到齿轮270的仪器轴A3。
控制杆250通过螺杆或螺栓415固定到第一电动机210的定子516，这在图4和图5中示出。控制杆250可以围绕转动轴A1转动有限的角度。控制杆250的另一端被耦合到第二电动机220，该第二电动机220也被连接到框架411并且被布置成使得其定子422能关于围绕第二电动机220的转子轴A2的转动固定。 在图4到图6的例子中，第二电动机和控制杆之间的耦合通过心轴驱动装置实现，
10该心轴驱动装置包括螺纹心轴430和心轴螺母440。该螺纹心轴430被固定到优选地为步进电动机的第二电动机220的转子轴，或者心轴430可以与转子轴相同，即转子可以是心轴的形式。通过螺纹心轴430和心轴螺母440，第二电动机220的旋转运动被转换成控制杆的端部的线性运动，即根据转动方向在图4中向右侧或向左侧的运动。 如图4中可见到的，心轴螺母440与第二电动机220相对的端部被控制杆250支撑。弹簧413被定位在控制杆250的另一侧，该弹簧413顶着控制杆250施加弹簧力，使得心轴螺母440和控制杆250彼此压紧以减少窜动。因此，弹簧413将安装单元，即框架411耦合到调节单元，即控制杆250。 心轴螺母440的位置，以及因此同样控制杆250的位置被位置探测器414，比如光感测器以及指示器480，比如针探测，其中位置探测器414被固定到框架411，而指示器480被固定到心轴螺母440。可选择地，指示器480也可以被直接地连接到控制杆250以探测控制杆的运动。 应理解，图4的电动机驱动装置不被限制到心轴驱动装置，并且能够将第二电动机220的转子的转动运动转换成线性运动的其它适合的机械装置也是可能的，例如图9A和图9B中所示的。 依据上面关于图1和图2的讨论，第一电动机210被用于粗略模式操作，在粗略模式操作中，仪器轴A3以高角速度转动。另一方面，定位仪器轴A3的精度，即将仪器轴A3精确地转动到某个角度的精度被限制到第一电动机210的步级位置的尺寸以及由齿轮270和小齿轮510提供的齿轮传动比。因为此精度可能不足以用于测量仪器的操作，所以电动机驱动装置400包括第一电动机210的可枢轴转动地安装的定子，该定子可以被第二电动机220转动。 详细地，由于第一电动机210的定子和转子之间的保持扭矩，第二电动机220的旋转运动可以经由心轴驱动装置430、440、控制杆250和第一电动机210的转子上的定子516被赋予，并且因此仪器轴A3可以被精细地转动。因此，仪器轴A3的精细调节能以足以用于测量仪器的规模实现。换言之，控制杆250可以对第一电动机的定子施加扭矩以将定子转动一小角度。 在此例子中，调节单元基本上包括心轴驱动装置、控制杆250和第二电动机220，以便使第一电动机210的定子在有限的角度范围内转动。该角度范围基本上由心轴驱动装置430、440的调节范围界定，并且心轴螺母440或控制杆250的位置恒定地由位置探测器414和指示器480监测。 如图4中所示，螺纹心轴430基本上在与第二电动机220的转动轴一致的轴向方向延伸，并且因此通过在一个方向转动该螺纹心轴，控制杆250的下端可以基本上由弹簧413的力拉向第二电动机220，并且通过在相反方向转动，控制杆250的下端可以从第二电动机220被推离开。 如关于图2和图4显示和描述的，控制杆被固定到第一电动机的定子，并且通过在弹簧的位置使用第二电动机推动控制杆的下部部分，控制杆转动第一电动机的定子。这使得控制杆250有可能引起定子的精细调节。有优势地，由于第一电动机210的转子和定子之间的可选的保持扭矩，在定子被转动时转子也被转动，以便可以引起仪器轴的精细调节而不驱动第一电动机。
电动机驱动装置400的未示出的控制单元控制第一电动机和第二电动机的运动。具体地，第一电动机210和第二电动机220以这样的方式控制，即心轴螺母440或控制杆250在中间位置，例如在螺纹心轴上的调节范围的中间位置移动，该中间位置基本上对应于角度范围的中间位置，以便第一电动机210的定子可以在顺时针方向或逆时针方向转动。
例如，当第一电动机的转子转动到某位置时，第一电动机的定子可以在相反方向转动，使得控制杆250到达中间位置。可选择地，当第一电动机的定子被转动以便将控制杆250定位在中间位置时，第一电动机210的转子可以在相反方向转动，使得仪器轴的位置基本上保持相同。相对于转子转动定子通常在粗略模式中实施，其中在精细模式中，第一电动机的转子和定子相对于彼此保持在相同的位置。因此，具有控制杆250的位移极限的调节范围可以得到有效地使用。 如上文提到的，图5示出了电动机驱动装置400的截面。截面A-A包括转动轴Al和仪器轴A3，这在图6中同样可以看见。第一电动机210通过合适的轴承509，例如球轴承或滑动轴承可枢轴转动地围绕转动轴Al安装在框架411上。小齿轮510与齿轮270啮合。此外，齿轮517可以被耦合到齿轮270，使得通过在相反方向切向地作用在齿轮上的弹力，可使得正齿轮没有窜动。仪器轴A3的转动引起望远镜主体511转动。
另一方面，在图6中，示出了电动机驱动装置400的沿着B-B的截面，该截面垂直于转动轴Al并平行于转子轴A2。这里，第二电动机220通过螺栓，包括螺栓618安装到框架411，使得定子422不能相对于框架411围绕转子轴A2转动。 总之，图4到图6的电动机驱动装置的元件被布置成像下文那样被控制单元控制。
控制单元可以在粗略模式中通过相对于定子转动转子来驱动第一电动机以调节仪器轴的粗略角度，并且可以在精细模式中通过使第一电动机的定子围绕转动轴转动来驱动第二电动机以调节仪器轴的精细角度。具体地，控制单元可以首先驱动第一电动机以将转子转动第一角度到达第一位置来调节仪器轴的粗略角度，并且然后可以驱动第二电动机以将第一电动机的定子转动第二角度到达第二位置来调节仪器轴的精细角度，其中第一角度大于第二角度。此外，调节仪器轴的角度的精度，即角分辨率可能还取决于由控制杆250和齿轮270的布置和尺寸提供的传动比。 接下来，关于图7和图8讨论与前文描述的电动机驱动装置类似的电动机驱动装置。 图7示出了包括磁体的电动机驱动装置700的详细的透视图，而图8示出了沿着平行于仪器轴A3和转动轴Al的平面取得的该相同的电动机驱动装置的截面图。
除图4至图6的电动机驱动装置400的元件以外，图7的电动机驱动装置700还包括带有锚固件732和盘731的磁体730。 磁体730被连接到控制杆250以对第一电动机210施加分开力，以便将第一电动机的转子锁定到控制杆250。在此例子中，分开力可以被施加到第一电动机210的转动轴，通过使盘731压紧图8中示出的控制杆部分833，该盘被连接到第一电动机210。磁体730可以为双稳态磁体，并且分开力可以通过双稳态磁体730的锚固件732机械地施加。
使用双稳态磁体作为磁体730可以是有优势的，因为当第一极性的第一电流脉冲被施加时(该双稳态磁体包括锚固件和放置成与锚固件成一直线的永磁体)，锚固件732可以在磁体内被拉动，并且如果带有第二极性的第二电流脉冲被施加，则锚固件732可以被推出，其中锚固件732可以借助于弹簧从永磁体释放，其中弹簧未示出。可选择地，使用常
规的电磁铁也是可能的，但使用常规的电磁铁将在其中一个状态中消耗能量。 在操作中，如果为了精细模式操作电动机220被致动，则锚固件732被推出磁体
730并且锚固件732将连接到转动轴Al的盘731按压到控制杆部分833上。因此，第一电
动机210被夹持并且转子不能相对于定子运动，使得第一电动机也可以被切断。如果使用
双稳态磁体730，则同样此磁体可以被切断并且第二电动机220可以经由包括螺纹心轴和
心轴螺母的心轴驱动装置来移动控制杆250。控制杆250可以随后转动第一电动机210的
定子，这直接导致第一电动机的转子的转动。应注意到，磁体730和控制杆部分833被连接
到控制杆250或者为控制杆250的一部分，使得第一电动机210可由第二电动机220转动，
并且第一电动机被牢固地夹持到控制杆250。因此，磁体730构成电磁夹具。 因此，即使如第一电动机210或任何其它电动机一样的步进电动机的保持扭矩是
不充分的，以及当控制杆250被移动并且第一电动机的转子和定子之间可能存在有相对移
动时，该电动机驱动装置仍然可以像上文所述的那样通过使用电磁夹具操作。 可选择地，对于通过锚固件机械地施加分开力，使用一些种类的电磁铁在第一电
动机的转子中感生强磁场以便保持扭矩可以增加是可行的。 如上文描述的，电动机驱动装置400不被限制到上文讨论的心轴驱动装置，并且可以使用其它合适的机械装置。关于图9A和图9B示出了使用蜗杆传动装置来精细地移动控制杆250的可选择的装置。 在图9A中，螺纹心轴由蜗杆传动装置代替。该第二电动机220通过螺栓918连接到框架411。第二电动机220的转子适合于构成蜗杆919。控制杆250使用其形状类似蜗杆传动装置的下端与蜗杆919啮合。蜗杆和蜗杆传动装置之间的窜动可以通过耦合到框架411的弹簧913而消除，该弹簧913具有和前文讨论的弹簧413类似的功能。因此，第二电动机的转子的转动转换成围绕轴A1的运动，使得在电动机驱动装置400中的第一电动机的定子可以被移动。 在图9B中，蜗杆传动装置也代替图4的心轴驱动装置。第二电动机220通过螺栓918安装到电动机支撑件920。电动机支撑件920通过接合点A4可转动地耦合到框架411。第二电动机220的转子可以再次适合于构成蜗杆919，控制杆250的下部部分与该蜗杆919啮合。在此例子中，蜗杆919和控制杆250之间的窜动可以使用弹簧913消除，该弹簧913将电动机支撑件920与框架411连接。 在上文的描述中，已经描述了电动机驱动装置的若干个不同的实施方式。此种电动机驱动装置可以被整合在测量仪器中，以便转动测量仪器的仪器轴。另外，如果需要在两个方向，即水平方向和垂直方向转动测量仪器的头部，则两个电动机驱动装置，比如上文描述的那些电动机驱动装置可以被整合在测量仪器中，使得第一电动机驱动装置可以转动水平仪器轴并且第二电动机驱动装置可以转动垂直仪器轴。 如前文提到的，电动机驱动装置必须精确地且快速地调节仪器轴，以定位光学装置，比如望远镜511，以准确地指向将被测量的物体。例如，在短时间内关于垂直角度和水平角度将光学装置定位到1角秒(1〃 )以下的精度是理想的。 接下来，将描述在测量仪器中的一个或两个电动机驱动装置的电动机的控制的具体例子。
图IO示出了通向和来自电动机驱动装置或测量仪器的用于控制电动机的控制单 元的信息的流动。 接下来，将假设电动机驱动装置的控制单元与测量仪器的控制单元是相同的控制 单元。然而，很明显，不同的控制单元也可以被用于控制具体功能，例如电动机驱动装置的 功能以及测量仪器的其它测量与数据测量功能。 作为控制单元，微处理器1040被用于经由串行接口获得来自垂直和水平角度感 测器1030的当前角度数据。目标角度数据可以从仪器管理器、跟踪器接收，该跟踪器支持 物体的自动跟踪或运行在外部连接的PC IOIO上的应用程序的自动跟踪。来自操作旋钮 1020的数据也可以通过控制单元接收，并且在确定目标角度时可以被考虑。
在微处理器1040中，分析接收的角度，并且实现用于驱动电动机的协调。例如， 如图10中示出的，四个步进电动机1062、 1064、 1066和1068可用于与步进电动机驱动器 1052、 1054、 1056和1058信号通讯地连接。具体地，对于水平运动，使用粗略驱动电动机 1062(第一电动机)和精细驱动电动机1064(第二电动机)，而对于垂直运动，使用粗略驱 动电动机1066 (第一电动机)和精细驱动电动机1068 (第二电动机)，其中，在图10中水平 用H表示而垂直用V表示。 通向步进电动机驱动器的命令可以经由并行接口发送。此外，在图10中未示出的 水平电动机驱动装置和垂直电动机驱动装置中的每一个可以包括磁体，比如上文讨论的磁 体730，该磁体可以去激活以便在粗略驱动电动机运行时允许粗略运动。当粗略驱动电动机 未运行时，粗略驱动电动机可以由磁体夹持并可以被切断。 在图IIA中，示出了控制单元的操作程序的构造。来自操作旋钮1102的数据被数 字齿轮箱1108接收，并且其依靠在旋钮处的转动速度调节大小，使得能依靠旋钮操作使仪 器转动得更快或更慢。然后，如图11A中可以见到的，数据在1109中被转化成对应的目标 角度值，并且目标角度随后通过考虑来自仪器管理器、跟踪器和/或PC 1104的输出而被输 入到主状态机1110。来自角度感测器1106的当前角度被主状态机1110接收。主状态机与 外围设备通讯、初始化例行程序并选定当前操作模式。 在精细模式中，手动运动探测/紧急停止探测1120监控控制杆或心轴螺母的角度 值和位置，并且在所有操作模式中监控当前角度值并切断电动机，如果估计的角度值和当 前角度值之间的偏差太大则表示为"停"。估计的角度由当前角度和实际运动计算出以达到 目标角度。因此，可以避免对于仪器的机械部件的应变和应力以及可能的损坏。如果有人试 图用手转动测量仪器的头部，则这将通过使用某阈值的手动运动探测探测，并且电磁夹具， 即磁体730和驱动装置被释放，使得仪器可以围绕其轴自由地转动。 粗略/精细选择1140依据操作模式确定必须控制哪一个电动机，即粗略驱动电动 机还是精细驱动电动机。如上文描述的，如果需要快速转动以及因此需要大角度，则将使用 粗略模式并且依据经计算的样式"斜坡控制(ramp control) " 1142控制和驱动电动机，在 转动时，该斜坡控制可以被重新编程。在粗略模式中，电磁夹具被释放。
如果为了保持某位置需要较小的角度，则选择精细模式。该程序可以和反馈控制， 例如数字PID控制器的"环路控制"1144 一起工作，并且在精细模式中电磁夹具是有效的。 此外，可以监测控制杆或心轴螺母的位置，"精细驱动范围检查和对准中心"1146如上文所 述的那样。
如上文关于图4到图6描述的，如果心轴螺母达到螺纹心轴的端部，则实现将控制 杆250对准中心，即将控制杆250移动到中间位置。电动机程序生成1148产生电动机程序 并且执行电动机控制1150。 图11B更详细地描述了精细驱动对准中心，以便用户不达到控制杆250的任何位 移极限。 如上文讨论的，在精细模式中，心轴螺母在螺纹心轴上的位置不断地被软件检查， 例如通过计算电动机的步级计数，以及通过光感测器比如操作1160中的光垒。应理解，除 了心轴螺母之外，还可以使用其它运动零件来探测控制杆的位移，例如凸轮随动器或控制 杆的其它部分可以被监测。 在图11B的例子中，精细驱动对准中心，即将心轴螺母移回到螺纹心轴上的中间 位置通过两种情况实现。首先，当达到位移极限，即操作1170中的螺纹心轴的端部时，以及 其次，当如操作1175中示出的那样以大于例如20gon/s转动仪器以便在接下来的物体的瞄 准中达到中间位置并且用户可以在精细模式中操作以优化物体的瞄准时。
当在操作1180中实现精细驱动对准中心时，粗略驱动电动机基本上在相反方向 转动相同的角度量以致精细驱动对准中心不被用户注意到。因此，粗略驱动电动机在相反 方向的转动与精细驱动电动机的转动同步，并且电磁夹具在操作1190中被释放。可选择 地，为了在1190保持位置，角速度可以保持恒定。 接下来，将关于图12描述用于控制精细模式和粗略模式的具体例子。在图12中 示出了控制过程。 来自框1220的启用信号致动控制模式1200。如果精细驱动电动机位置超出极限 以外，则执行框1210中的对准中心以将精细驱动装置移动到中心位置，并且将对准中心的 过程完成信号返回到控制模式框1200。如果到达目标角度的差值太大或者在精细模式中的 速度太高，则可以使用框1250中的斜坡模式切换到粗略模式，并且如果名义角度已经达到 目标角度则可以在框1230中调节斜坡。 如果估计的角度与实际角度不同，或者在用框1240中的"阻塞"表示的阻塞运动 的情形中，可以停止操作并且电动机或驱动装置切断以便手动运动，并且对应的运动停止 信号被返回到控制模式框1200。 如上文描述的，控制单元可以通过微处理器实现。可选择地，控制单元可以通过计
算机、现场可编程门阵列(FPGA)或集成电路比如ASIC(专用集成电路)或者软件或上面描
述的任何合适的组合而实现，但不被限制到上面的描述。此外，控制单元可以包括与微处理
器信号通讯连接的存储单元或者被连接到与微处理器信号通讯连接的存储单元。 控制单元的功能可以像软件程序那样被实施，并且可以通过微处理器和存储器，
比如存储单元或任何种类的RAM、 ROM、硬盘、EEPROM、快闪存储器等等实现。储存在存储器
中的程序码可以为包括适合于引起控制单元中的微处理器执行上文描述的操作的指令的程序。 储存在存储器中的程序码可以为包括适合于引起控制单元中的微处理器执行上 文描述的测量仪器的操作的指令的程序。 换言之，可以提供包括适合于引起处理器比如控制单元的微处理器执行上文描述 的操作的组合的指令的程序。
而且，可以提供其中包含有程序的计算机可读媒体。计算机可读媒体可以是有形
的比如盘或其它数据载体，或者可以是无形的，由适合于电子的、光学的或任何其它类型的
传输的信号构成。计算机程序产品可以包括计算机可读媒体，并且当被载入计算机、处理器
或微控制器的程序存储器时，引起处理器或微控制器执行上文描述的操作。 如上文描述的，上面的实施方式和例子允许仪器轴以高角分辨率快速转动。因此，
电动机驱动装置可以用于要求快速且精确定位的测量仪器中。 应理解，在描述的电动机驱动装置和测量仪器以及方法中可以做出各种修改和变 化形式而不背离于本发明的范围或精神。 已经关于具体实施方式
和例子描述了本发明，这些具体实施方式
和例子在所有方 面旨在是示例性的而不是限制性的。本领域技术人员将理解，硬件、软件以及固件的很多不 同的组合将适合于实践本发明。 而且，对于本领域技术人员来说，通过考虑本文中公开的本发明的说明书和实践， 本发明的其它实现将是明显的。意图是，说明书和例子仅被考虑为示例性的。为此，应理解， 本发明方面在于比前文公开的实现或构造的所有特征要少。因此，本发明的真实范围和精 神由接下来的权利要求指明。
1权利要求
用于测量仪器的电动机驱动装置，其包括第一电动机(110；210)，其用于转动仪器轴(A3)，所述第一电动机包括定子和转子，所述转子具有转动轴(A1)和相对于所述定子的多个步级位置；安装单元(111；211)，其用于安装所述第一电动机以便可围绕转动轴枢轴转动；以及调节单元(120)，其用于使所述第一电动机的所述定子围绕转动轴转动。
2. 如权利要求l所述的电动机驱动装置，其中，所述调节单元包括控制杆(250)，所述 控制杆耦合到所述定子，使得所述控制杆的运动转换成所述定子的转动。
3. 如权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其中，所述调节单元包括致动器，所述致 动器用于对所述定子(516)施加扭矩。
4. 如权利要求2或3所述的电动机驱动装置，其中，所述调节单元包括心轴驱动装置 (430,440)以及蜗杆传动装置中的一个，以便将所述致动器和所述控制杆(250)耦合来移 动所述控制杆。
5. 如权利要求3或4所述的电动机驱动装置，其中，所述致动器包括第二电动机 (220)。
6. 如权利要求5所述的电动机驱动装置，其中，所述第二电动机(220)包括第二定子和第二转子，并且所述第二转子具有相对于所述第二定子的多个步级位置。
7. 如权利要求5和6所述的电动机驱动装置，其中，所述调节单元(120)包括螺纹心 轴(430)和蜗杆(919)中的一个，所述螺纹心轴(430)和所述蜗杆(919)在与所述第二电 动机的转动轴一致的轴向方向延伸。
8. 如权利要求1至7中的至少一项所述的电动机驱动装置，其中，所述第一电动机和所 述第二电动机(220)中的至少一个由提供所述转子和所述定子(516)之间的保持扭矩的步 进电动机组成。
9. 如权利要求1至8中的至少一项所述的电动机驱动装置，其还包括齿轮(270)，所述 齿轮(270)耦合到所述第一电动机，以便通过所述第一电动机围绕转动轴(Al)的转动来转 动仪器轴(A3)。
10. 如权利要求1至9中的至少一项所述的电动机驱动装置，其还包括弹簧(413; 913)，所述弹簧(413 ;913)将所述安装单元(211)与所述调节单元耦合。
11. 如权利要求2至10中的至少一项所述的电动机驱动装置，其还包括磁体(730)，所 述磁体(730)连接到所述控制杆(250)，以对所述第一电动机施加分开力以将所述第一电 动机锁定到所述控制杆。
12. 如权利要求11所述的电动机驱动装置，其中，所述磁体为双稳态磁体，并且所述分 开力通过所述双稳态磁体的锚固件(732)机械地施加。
13. 如权利要求2至12中的至少一项所述的电动机驱动装置，其还包括位置探测器 (414)，所述位置探测器(414)用于探测所述控制杆的位置。
14. 如权利要求1至13中的至少一项所述的电动机驱动装置，其还包括控制单元，所述 控制单元适合于驱动所述第一电动机和所述调节单元(120)。
15. 如权利要求14所述的电动机驱动装置，其中，所述控制单元适合于在粗略模式中 通过相对于所述定子(516)转动所述转子来驱动所述第一电动机以调节仪器轴(A3)的粗 略角度，而且适合于在精细模式中通过使所述定子围绕转动轴(Al)转动来驱动所述调节单元以调节仪器轴的精细角度。
16. 如权利要求15所述的电动机驱动装置，其中，所述控制单元适合于首先驱动所述 第一电动机以将所述转子转动第一角度到达第一位置来调节述仪器轴的粗略角度，并且然 后驱动所述调节单元(120)以将所述第一电动机的所述定子转动第二角度到达第二位置 来调节仪器轴(A3)的精细角度，所述第一角度大于所述第二角度。
17. 测量仪器，其包括权利要求1至16中的至少一项所述的电动机驱动装置，所述电动 机驱动装置用于转动所述测量仪器的仪器轴。
18. 测量仪器，其包括两个如权利要求1至16中的至少一项所述的电动机驱动装置，第 一电动机驱动装置适合于转动水平仪器轴(A3)，而第二电动机驱动装置适合于转动垂直仪 器轴。
19. 用于控制测量仪器的控制方法，其包括通过第一电动机(10)转动所述测量仪器的仪器轴(A3)，所述第一电动机被安装成可 围绕转动轴枢轴转动并且包括定子(516)和转子，所述转子具有转动轴(Al)以及相对于所 述定子的多个步级位置以调节仪器轴的粗略角度；以及通过调节单元(120)使所述第一电动机的所述定子围绕转动轴转动以调节仪器轴的 精细角度。
20. 如权利要求19所述的控制方法，其中转动仪器轴(A3)包括在粗略模式中相对于所述定子(516)转动所述转子以调节仪器 轴的粗略角度；以及使所述定子围绕转动轴(Al)转动在精细模式中执行以调节仪器轴的精细角度。
21. 如权利要求20所述的控制方法，其中，在粗略模式中，所述第一电动机的所述转子 首先被转动第一角度到达第一位置，并且然后在精细模式中，所述第一电动机的所述定子 被转动第二角度到达第二位置，所述第一角度大于所述第二角度。
22. 如权利要求20或21所述的控制方法，其中，当所述第一电动机的所述转子被转动 到第二位置时，所述定子在相反方向转动到第三位置。
23. 如权利要求20或21所述的控制方法，其中，在精细模式中，所述第一电动机的所述 转子和所述定子相对于彼此保持在相同位置。
24. —种程序，其包括适合于引起数据处理装置执行权利要求19至23中的至少一项所 述的方法的指令。
25. —种计算机可读媒体，其中包含有程序，其中，所述程序将使计算机执行权利要求 19至23中的至少一项所述的方法。
26. —种计算机程序产品，其包括依据权利要求25所述的计算机可读媒体。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量仪器的电动机驱动装置和一种用于控制测量仪器以使仪器轴能够以高角分辨率快速转动的控制方法。用于测量仪器的电动机驱动装置，包括第一电动机，其用于转动仪器轴，该第一电动机包括定子和转子，转子具有转动轴以及相对于定子的多个步级位置；安装单元，其用于安装第一电动机以便可围绕转动轴枢轴转动；以及调节单元，其用于使第一电动机的定子围绕转动轴转动。
文档编号H02K7/10GK101793511SQ20101000332
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者A·普鲁福斯特, B·多纳特, M·菲舍尔, M·诺瓦克, S·拉布斯 申请人:特里伯耶拿有限公司