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Die Erfindung betrifft eine Schrittmotoransteuerung zur Abgabe mindestens eines treppenförmigen, je nach Schrittweite mehr oder weniger einem sinusförmigen Strom angenäherten Betriebsstromes an den Schrittmotor, wobei die Schrittmotoransteuerung einen Taktsignal-Eingang zum Festlegen vom Schrittmotor zu fahrenden Schrittzahl und einen Schrittweiten-Eingang zum Festlegen der pro Schritt zu fahrenden Schrittweite aufweist.
Es ist bereits bekannt, Schrittmotoren im Vollschrittbetrieb zu betreiben, wobei die Schrittmotoransteuerung ein Rechtecksignal abgibt. Die Schrittzahl entspricht dabei der Polzahl des Motors, bei bipolaren Schrittmotoren gibt die Steuerung 90 phasenverschobene Phasenströme ab.
Es ist auch bereits bekannt, den Stromverlauf ausgehend vom Rechtecksignal im Vollschritt- Betrieb in feinere Schritte zu unterteilen (beispielsweise Halbschritt-Betrieb, Viertelschritt-Betrieb etc. ), wobei die Schrittmotoransteuerung je nach Schrittweite (bzw. Schritteilung ausgehend vom Vollschritt) einen mehr oder weniger sinusförmigen stromangenäherten Betriebsstrom abgibt. Mit einer solchen gegenüber dem Vollschritt-Betrieb feiner abgestuften Feinschritt-Betrieb lässt sich eine höhere Auflösung erzielen (JP-A-09219995).
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Schrittmotoransteuerung zu schaffen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Schrittmotoransteuerung eine Umschalteinheit zum Verändern der tatsächlich ausgegeben Schrittweite des Betriebsstromes gegenüber der am Schrittweiten-Eingang anstehenden Schrittweite bei entsprechender Anpassung der tatsächlich ausgegebenen Schrittzahl gegenüber der am Taktsignal-Eingang anstehenden Schrittzahl aufweist.
Damit ist die Schrittmotoransteuerung in der Lage selbständig oder aufgrund eines äusseren Signals die Schrittweite und entsprechend die Schrittzahl zu ändern, wobei der Schrittmotor selbstverständlich genau um den gleichen Betrag fährt, der dem Signal am Schrittweiten-Eingang und am Taktsignal-Eingang entspricht. Der Motor fährt diesen Weg allerdings in feineren oder gröberen Schritten als dies dem Signal am Schrittweiten-Eingang entspricht.
Diese Funktionalität lässt sich zumindest in zweifacher Weise ausnutzen. Bei relativ niedrigen Taktfrequenzen kann die Schrittmotoransteuerung im nieder auflösenden Schrittbetrieb betrieben werden (nach aussen hin z. B im Vollschritt-Betrieb), wobei die Schrittmotoransteuerung selbst die Zwischenschritte im hochauflösenden Schrittbetneb durchführt. Dies kann durch Messung der Taktschritte und entsprechende Teilung sowie Ausgabe der Feinschritte geschehen. Mit anderen Worten, reduziert die Schrittmotoransteuerung die Schrittweite selbst und simuliert somit am Ausgang einen Feinschritt-Betrieb. Diese Funktion erhöht zwar nicht die Auflösung der Schritteilung wie im echten Feinschritt-Betrieb, reduziert jedoch im Voll- oder Halbschritt-Betrieb die auftretenden Resonanzen wie im Feinschritt-Betrieb.
Der Motor läuft "runder". Dennoch kann die eingangsseitige Taktfrequenz niedrig gehalten werden
Umgekehrt ist es auch möglich, dass die Schrittmotoransteuerung selbständig oder aufgrund eines äusseren Steuersignals die Schrittweite gegenüber dem am Schrittweiten-Eingang anstehenden Signal vergrössert. Dies ist vor allem bei grösseren Drehzahlen günstig, weil dort der Schrittmotor aufgrund der internen Induktivitäten den zugeführten Stromverlauf ohnehin integriert und daher ein allzu feingestuften Stromverlauf nichts bringt. Man kann daher den Motor ohne Nachteile mit gröberen Stromverläufen betreiben und damit die ausgangseitigen Stromregler entlasten.
Der Grad der Schrittweitenvergrösserung kann von der Drehzahl bzw. von der Taktfrequenz abhängen und graduell, beispielsweise beim Hochlauf bzw beim Herunterfahren des Motors verändert werden
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass eine Einrichtung zur Erfassung einer vorbestimmten Phasenlage des Betriebsstromes, insbesondere eines Nulldurchganges desselben, wobei die Einrichtung bei Vorliegen dieser Phasenlage ein Synchronisationssignal auf einem Synchronisations-Ausgang abgibt.
Eine solche Einrichtung zur Abgabe eines Synchronisations-Signals erlaubt es, die Schrittweite am Schrittweiten-Eingang während des Betriebes des Motors zu verändern, es ist beispielsweise möglich, von einem Vollschritt-Betrieb auf einen Halbschritt-Betrieb oder auf einen noch feineren Betrieb umzuschalten Damit es bei dieser Umschaltung zu keinen Problemen kommt, ist es günstig, diese Umschaltung synchron mit dem Vollschritt durchzuführen, wozu das SynchronisationsSignal vorgesehen ist. Ein vorgeschaltetes Steuerinterface kann dieses Synchronisationssignal empfangen und in diesem Moment die Schrittweite verändern.
Die Erfindung eignet sich insbesondere bei bipolaren Schrittmotoren, welche mit 90 phasen-
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verschobenen Betriebsströmen gespeist werden, lässt sich aber grundsätzlich auch bei anderen Schrittmotoren anwenden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Schrittmotoransteuerung, die Fig. 2 zeigt im Detail eine der beiden Stromreglereinheiten, die Fig. 3a bis 3f zeigen mögliche Stromverläufe der beiden insgesamt um 90 phasenverschobenen Betriebsströme, welche von der Schrittmotoransteuerung an einen bipolaren Schrittmotor geliefert werden.
In Fig. 1 ist mit 1 die Schrittmotorleistungskarte (Schrittmotoransteuerung) bezeichnet, welche beispielsweise für den Bereich 24 VDC bis 150 VDC/12A ausgelegt ist. Die im Blockschaltbild dargestellten Einheiten können entweder hardwaremässig oder auch grossteils softwaremässig realisiert sein, beispielsweise auf der Basis eines "RISC Microcontrollers" AT 90 S 2313.
Die erfindungsgemässe Schrittmotoransteuerung 1 weist steuerungsseitig drei Eingänge auf: einen Taktsignal-Eingang 2 zum Festlegen der vom Schrittmotor zu fahrenden Schrittzahl, einen Drehrichtungseingang 3 zum Festlegen der Drehrichtung und einen Schrittweiten-Eingang 4 zum Festlegen der pro Schritt zu fahrenden Schrittweite. Ausserdem existiert noch ein SynchronisationsSignal-Ausgang 5 zur Abgabe eines Synchronisations-Signals bei Vervollständigung eines jeden Vollschrittes. Der Schrittmotoransteuerung 1 ist ein Steuerinterface 6 vorgeschaltet, das über Steuerleitungen 7 od. dgl.
Signale von einer übergeordneten Steuerung oder durch Fernübertragung erhält Das Steuerinterface gibt ausgangsseitig im wesentlichen vor, was der Schrittmotor M zu tun hat, die Schrittmotoransteuerung 1 setzt diese Befehle in einen entsprechenden Stromverlauf am Ausgang 8 und 9 für die beiden um 90 phasenverschobenen Betriebsströme um. Mit 10 ist die zentrale Ablaufsteuerung des Systems bezeichnet, welche unter Zuhilfenahme einer vorgespeicherten Tabelle 11 (Sinusverlauf) für die einzelnen Phasenströme Signale an die Ausgabeeinheit 12 für die zwei Digitalanalogwandler 13 und 14 abgibt. Diese Digitalanalogwandler setzen die digitalen Stromwerte in analoge Werte um und geben sie an die 4-Quadrantenstromregler 15 bzw.
16 weiter, die einen vorgegebenen Stromverlauf genau einhalten können und eine Leistungsendstufe in Brückenschaltung für jede der beiden Motorphasen enthalten. Ein Beispiel für einen solchen Stromregler ist in Fig. 2 gezeigt.
Der in Fig. 2 gezeigte Stromregler erhält am Eingang 17 die Sollwertvorgabe für den Phasenstrom. Diese gelangt in einen PI-Regelverstärker 18 für bidirektionale Spannungen, der mit einem PWM-Kontroller 19 mit Fixfrequenz zur Ansteuerung der Endstufentransistoren 20 kommuniziert. Diese Endstufentransistoren sind in einer Brückenschaltung angeordnet und werden von einer Gleichspannungsquelle 21 gespeist. Mit einer solchen Schaltung ist es möglich, an die Wicklung 22 eines Schrittmotors treppenförmige Betriebsströme abzugeben, wie sie beispielsweise in den Fig. 3a bis 3f dargestellt sind.
Die Fig. 3a bis 3f zeigen jeweils einen treppenförmigen Stromverlauf, der je nach Schrittweite mehr oder weniger einen sinusförmigen Stromverlauf angenähert ist, wie er beispielsweise in Fig. 3 schematisch eingezeichnet ist.
Die in Fig. 1 gezeigte Schrittmotoransteuerung erlaubt es nun die Schrittweite (mit anderen Worten die Feinheit bzw. Grobheit des Stromverlaufes) an die jeweiligen Verhältnisse optimal anzupassen.
Dazu weist die Schrittmotoransteuerung eine Umschalteinheit 24 zum Verändern der tatsächlich ausgegebenen Schrittweite des Betriebsstromes gegenüber der am Schrittweiten-Eingang anstehenden Schrittweite auf, wobei natürlich die Schrittzahl automatisch entsprechend angepasst wird, damit der insgesamt vom Motor zurückgelegte Weg durch die selbständige SchrittweitenUmstellung in der Schrittmotoransteuerungskarte derselbe bleibt
Besonders günstig ist es, wenn die Schrittweitenveränderung in Abhängigkeit von der Frequenz des Taktsignals erfolgt Dazu ist eine Einrichtung 25 zur Frequenzmessung (und "interrupt"Steuerung des Systems) vorgesehen Das Frequenzsignal kann in eine Einrichtung 26 gelangen, die einen Faktor a ermittelt, um den die Schrittweite verändert wird.
Dieser Faktor a wird an die Umschalteinheit 24 weitergegeben, die beispielsweise die Schrittweite w um den Faktor a reduziert und dafür den Takt um den Faktor a erhöht. Wenn der Faktor a grösser wie 1 ist, entsteht ein fein-
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stufigerer Stromverlauf, wenn der Faktor kleiner wie 1 ist, entsteht ein gröberer Stromverlauf. Über einen Eingang 27 ist es beispielsweise über DIP-Schalter möglich, festzulegen, bei welchen Frequenzen welche Schrittweitenänderung erfolgt. Wie bereits eingangs erwähnt wurde, können die einzelnen Komponenten sowohl software- wie hardwaremässig realisiert sein. Es ist daher durchaus möglich, dass die Einheiten 24 und 26 in die zentrale Mikroprozessorsteuerung integriert sind.
Damit es beim Umschalten der Schrittweite über den Schrittweiten-Eingang 4 zu keinen Störungen kommt, ist es gemäss einer Variante der Erfindung günstig, diese Umschaltung volischrittsynchronisiert durchzuführen, d. h. jeweils nach einem vollständigen Vollschritt. Dazu ist die Einrichtung 28 zur Erfassung einer vorbestimmten Phasenlage des Betriebsstromes, insbesondere eines Nulldurchganges desselben vorgesehen. Diese Einrichtung 28 gibt über den Ausgang 5 ein Synchronisationssignal an das vorgeschaltete Interface 6 ab, welches dann und nur dann die Schrittweite am Eingang 4 verändert.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die erfindungsgemässe Schrittmotoransteuerung in der Lage ist, während des Betriebes die Schrittweite, also die Feinstufigkeit des bzw. der ausgegebenen Betriebsströme an den Schritten zu verändern, einerseits über den Schrittweiten-Eingang 4 über das Interface 6 und andererseits innerhalb der Schrittmotorleistungskarte selbst über die Umschalteinrichtung 24. Diese Umschalteinrichtung 24 kann in Abhängigkeit von der Frequenz des Taktsignals arbeiten, es ist aber auch möglich, über einen zusätzliche nicht dargestellte Leitung eine externe Beeinflussung vorzunehmen.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Schrittmotoransteuerung zur Abgabe mindestens eines treppenförmigen, je nach Schritt- weite mehr oder weniger einem sinusförmigen Strom angenäherten Betriebsstromes an den Schrittmotor, wobei die Schrittmotoransteuerung einen Taktsignal-Eingang zum Fest- legen vom Schrittmotor zu fahrenden Schrittzahl und einen Schrittweiten-Eingang zum
Festlegen der pro Schritt zu fahrenden Schrittweite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittmotoransteuerung (1) eine Umschalteinheit (24) zum Verändern der tatsächlich ausgegeben Schrittweite (w x a) des Betriebsstromes gegenüber der am Schrittweiten-
Eingang (4) anstehenden Schrittweite (w) bei entsprechender Anpassung der tatsächlich ausgegebenen Schrittzahl gegenüber der am Taktsignal-Eingang (2) anstehenden Schritt- zahl aufweist.