CH657948A5

CH657948A5 - INCREMENTAL DRIVE DEVICE WITH A STEPPING MOTOR.

Info

Publication number: CH657948A5
Application number: CH6704/79A
Authority: CH
Inventors: Lawrence W Langley; H Keith Kidd
Original assignee: Kollmorgen Tech Corp
Priority date: 1978-07-20
Filing date: 1979-07-18
Publication date: 1986-09-30
Also published as: IT7949815A0; GB2026795B; GB2026795A; FR2431792B1; CA1142581A; DE2929556A1; DE2929556C2; FR2431792A1; IT1162354B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Inkremental-Antriebseinrichtung, bestehend aus einem Schrittschaltmotor mit variabler Reluktanz und einer Steuereinrichtung für den Schrittschaltmotor. The invention relates to an incremental drive device consisting of a stepping motor with variable reluctance and a control device for the stepping motor.

Es ist allgemein bekannt, dass Schrittmotoren jeder Art bei bestimmten Kombinationen von Antrieb, Last, Trägheit und It is well known that stepper motors of all types have certain combinations of drive, load, inertia and

Frequenz Unstetigkeiten oder Instabilitäten aufweisen. Diese Instabilitäten werden durch die Kraftverlagerung in jeder Grundposition des Schrittmotors verursacht. In dieser Position verhält sich der Motor so, als ob eine Federkraft an den beweglichen Teilen seiner trägen Masse angreift, wodurch eine hohe, ungedämpfte Resonanz entsteht. Wird der Schrittmotor in seiner Resonanzfrequenz oder in einer harmonischen Frequenz dieser Resonanzfrequenz angetrieben, so kann dies zu einem völlig regellosen Motorlauf führen. Es sind bereits Verfahren entwickelt worden, um den Motor ohne Unregelmässigkeiten durch seine Resonanzfrequenz zu steuern und ihn so völlig gleichmässig zu beschleunigen oder zu verzögern. Die bisher entwickelten Verfahren setzen allerdings alle voraus, dass die Motorlast annähernd unverändert ist. Eine gut ausgeglichene Schrittmotor-Antriebseinrichtung, die gleichmässig beschleunigt und verzögert, reagiert in der Regel sehr schlecht auf Halbierung oder Verdoppelung der Last. Frequency have discontinuities or instabilities. These instabilities are caused by the shift of force in every basic position of the stepper motor. In this position, the motor behaves as if spring force is applied to the moving parts of its inertial mass, creating a high, undamped resonance. If the stepper motor is driven in its resonance frequency or in a harmonic frequency of this resonance frequency, this can lead to a completely irregular motor run. Processes have already been developed to control the motor without irregularities by its resonance frequency and to accelerate or decelerate it completely uniformly. However, the methods developed so far all assume that the engine load is almost unchanged. A well balanced stepper motor drive device that accelerates and decelerates evenly usually reacts very poorly to halving or doubling the load.

Hersteller und Benutzer von Schrittmotoren haben verschiedene Verfahren entwickelt, um die Schrittmotoren nach Art eines geschlossenen Schaltkreises zu steuern. Die Rückkopplungs-Schrittmotoren können in zwei Gruppen eingeteilt werden: 1) Geschwindigkeits-Rückkopplung, wobei entsprechend der mechanischen Schrittgeschwindigkeit des Motors ein Signal entwickelt wird, welches die Antriebsfrequenz regelt; und 2) ein Impuls-Positions- oder Zeitrückkopplungssystem, bei welchem eine Ausgangsinformation entweder direkt vom Motor oder über einen Umwandler kommt und direkt zur Steuerung des Motors verwendet wird. Beide Verfahren schliessen implizit eine Geschwindigkeits-Rückkopplung ein, was zur Folge hat, Stepper motor manufacturers and users have developed various methods to control the stepper motors in a closed circuit manner. The feedback stepper motors can be divided into two groups: 1) speed feedback, a signal being developed in accordance with the mechanical step speed of the motor, which regulates the drive frequency; and 2) a pulse position or time feedback system in which output information comes either directly from the motor or through a converter and is used directly to control the motor. Both methods implicitly include speed feedback, which has the consequence

dass der Motor sehr heftig auf Lastveränderungen reagiert. Die erfolgreichste Rückkopplungssteuerungs-Methode, die bisher bekannt geworden ist, bedient sich einer ausserhalb der Antriebseinrichtung gelegenen Messeinrichtung, beispielsweise eines elektro-optischen Umwandlers. Die vom Umwandler ausgehenden Signale werden zur Bestätigung und zum Zählen der Schritte verwendet; in manchen Systemen werden diese auch direkt zur Steuerung der Antriebsimpulse für den Motor verwendet. that the engine reacts very violently to changes in load. The most successful feedback control method that has become known so far uses a measuring device located outside the drive device, for example an electro-optical converter. The signals coming from the converter are used to confirm and count the steps; in some systems, these are also used directly to control the drive pulses for the motor.

Es sind auch Versuche gemacht worden, die Rückkopplungssignale direkt den Wicklungen des Schrittmotors zu entnehmen; der bedeutendste Vorteil einer solchen Lösung wären die wesentlich geringeren Herstellungskosten. Ein weiterer Vorteil einer solchen Anordnung besteht in der geringeren Trägheit, da die zusätzliche Last des Umwandlers entfällt, die einen beträchtlichen Teil der Gesamtlast darstellen kann. Die bei der zuletzt vorgeschlagenen Lösung der Rückkopplung direkt von den Wicklungen auftretende Schwierigkeit besteht darin, dass das von diesen ausgehende Signal meist sehr schwach ist im Vergleich zur Antriebsspannung des Motors. In den üblichen Schrittmotoren verändert sich die Antriebsspannung mit der Geschwindigkeit des Motors. Das bisher erfolgreichste Verfahren besteht darin, dass der Motorstrom, der äquivalent seiner Geschwindigkeit ist, gemessen wird, weil die Rück-EMF den Motorstrom vermindert. Im Handel ist mindestens ein solches Rückkopplungssystem erhältlich. Jedoch ist die Reaktion dieser bekannten Systeme bei Lastschwankungen aufgrund der grossen Zeitkonstante völlig ungenügend. Attempts have also been made to extract the feedback signals directly from the windings of the stepper motor; the most significant advantage of such a solution would be the significantly lower manufacturing costs. Another advantage of such an arrangement is the lower inertia, since the additional load of the converter, which can represent a considerable part of the total load, is eliminated. The difficulty that arises in the last proposed solution of the feedback directly from the windings is that the signal emanating from them is usually very weak in comparison to the drive voltage of the motor. In conventional stepper motors, the drive voltage changes with the speed of the motor. The most successful method to date has been to measure the motor current, which is equivalent to its speed, because the back EMF reduces the motor current. At least one such feedback system is commercially available. However, the reaction of these known systems to load fluctuations is completely inadequate due to the large time constant.

Ein Reluktanz-Motor macht von dem Effekt Gebrauch, dass, abhängig von der Energieverteilung im magnetischen Schaltkreis, die mechanische Kraft immer in Richtung der geringsten Reluktanz wirkt. A reluctance motor makes use of the effect that, depending on the energy distribution in the magnetic circuit, the mechanical force always acts in the direction of the lowest reluctance.

Ein bekannt gewordener Reluktanz-Motor benutzt eine mit Zähnen versehene Rotor/Stator-Kombination mit Rotor- und Statorzähnen und einem Spalt zwischen diesen, bei welcher die Rotation des Rotors eine zyklische Variation der Reluktanz des magnetischen Stromes bewirkt. Die Spaltabmessung ändert sich, wenn Rotor und Stator sich relativ zueinander bewegen. Ein Motor mit ununterbrochener Schrittbewegung hat mindestens zwei oder mehr Sätze von Zähnen auf Stator und Rotor A known reluctance motor uses a toothed rotor / stator combination with rotor and stator teeth and a gap between them, in which the rotation of the rotor causes a cyclic variation in the reluctance of the magnetic current. The gap dimension changes when the rotor and stator move relative to each other. A continuous step motor has at least two or more sets of teeth on the stator and rotor

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sowie getrennte magnetische Stromkreise, die sich durch diese erstrecken und die getrennt voneinander mit Strom versorgt werden können. Die verschiedenen Rotor/Statorzähne sind versetzt und im Winkel zueinander angeordnet. Bei selektiver Stromversorgung der Magnetkreise wird der Rotor veranlasst, sich jeweils in die Richtung der geringsten Reluktanz für den entsprechenden Magnetstromkreis zu bewegen, und zwar entsprechend seiner magnetischen und mechanischen Konstruktion und der verwendeten Steuereinrichtung. Bei den üblichen Schrittmotoren mit variabler Reluktanz weisen Stator- und Rotorzähne die gleiche oder annähernd die gleiche Breite auf; diese Anordnung bewirkt die grösste mögliche Differenz zwischen geringster und grösster Reluktanz. and separate magnetic circuits that extend through them and that can be powered separately. The various rotor / stator teeth are offset and arranged at an angle to one another. When the magnetic circuits are supplied with power selectively, the rotor is caused to move in the direction of the lowest reluctance for the corresponding magnetic circuit, in accordance with its magnetic and mechanical construction and the control device used. In the conventional stepper motors with variable reluctance, the stator and rotor teeth have the same or approximately the same width; this arrangement causes the greatest possible difference between the lowest and the largest reluctance.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche die angeführten Nachteile vermieden werden. The object of the invention is to provide a drive device of the type mentioned at the outset by which the disadvantages mentioned are avoided.

Die erfindungsgemässe Antriebseinrichtung weist die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale auf. Ausführungsformen der Antriebseinrichtung bilden Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. The drive device according to the invention has the features stated in the characterizing part of patent claim 1. Embodiments of the drive device form the subject of the dependent claims.

Durch die Erfindung werden unerwünschte Rückstellkräfte des Schrittmotors auf ein Minimum reduziert, ein besserer Wirkungsgrad gewährleistet und eine grössere Empfindlichkeit erzielt. Ferner wird während der Beschleunigung und der Verzögerung sowie unter in einem weiten Bereich variierender Last stets ein zuverlässiger Schrittablauf erzielt. The invention reduces undesirable restoring forces of the stepper motor to a minimum, ensures better efficiency and achieves greater sensitivity. Furthermore, a reliable step sequence is always achieved during acceleration and deceleration as well as under a load which varies over a wide range.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings.

Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Linear-Schrittmotors mit variabler Reluktanz, wie er im Zusammenwirken mit der Motorsteuereinrichtung in der inkrementalen Antriebseinrichtung nach der Erfindung verwendet wird. Fig. 1 is a simplified representation of a linear stepper motor with variable reluctance, as used in cooperation with the motor control device in the incremental drive device according to the invention.

Fig. 2 ist eine vereinfachte Darstellung eines Teilausschnittes eines zylindrischen Rotations-Schrittmotors mit variabler Reluktanz. Fig. 2 is a simplified illustration of a partial section of a cylindrical rotary stepper motor with variable reluctance.

Fig. 3 A ist eine vereinfachte Darstellung eines Teilausschnittes der Scheibe eines Rotations-Schrittmotors. 3 A is a simplified illustration of a partial section of the disk of a rotary stepper motor.

Fig. 3B ist eine vereinfachte Darstellung der Zahnanordnung, wie sie bei dem Motor nach Fig. 3A verwendet wird. Figure 3B is a simplified illustration of the tooth arrangement used in the motor of Figure 3A.

Fig. 4A ist eine vereinfachte Darstellung eines Teilausschnittes des Läufers im Motor nach Fig. 1. FIG. 4A is a simplified illustration of a partial section of the rotor in the motor according to FIG. 1.

Fig. 4B ist eine vereinfachte Teilansicht eines Stators, wie er in Kombination mit einem schraubenlinienförmigen Läuferelement entsprechend Fig. 4A verwendet wird. FIG. 4B is a simplified partial view of a stator as used in combination with a helical rotor element according to FIG. 4A.

Fig. 5 ist ein Funktionsblockdiagramm einer Ausgestaltungsform der Motorsteuereinrichtung der erfindungsgemässen Inkremental-Antriebseinrichtung. 5 is a functional block diagram of an embodiment of the motor control device of the incremental drive device according to the invention.

Fig. 6 ist eine schematische Schaltskizze einer Ausgestaltungsform der Steuereinrichtung nach Fig. 5. FIG. 6 is a schematic circuit diagram of an embodiment of the control device according to FIG. 5.

Fig. 7 ist eine schematische Schaltskizze einer Ausgestaltungsform des Funktionsgenerators und des Komparators. 7 is a schematic circuit diagram of an embodiment of the function generator and the comparator.

Fig. 8A, 8B und 8C sind Darstellungen der typischen Wellenformen nach einer Ausgestaltung des Komparators entsprechend Fig. 5. 8A, 8B and 8C are representations of the typical waveforms according to an embodiment of the comparator according to FIG. 5.

Fig. 9A, 9B und 9C sind Verlaufdiagramme eines Programms der Steuereinrichtung. 9A, 9B and 9C are flow charts of a program of the controller.

Eine Ausgestaltungsform eines Linear-Motors mit variabler Reluktanz mit einer Inkremental-Motorsteuereinrichtung entsprechend der erfindungsgemässen Inkremental-Antriebsein-richtung zeigt Fig. 1. Der Motor 10 ist mit einem zylindrischen Stator 11 und einem ringförmigen Läufer 14 ausgerüstet. Der Stator 11 hat Zähne 12 und zwischen diesen Einkerbungen 13. Die Zähne haben einen Mittenabstand P und eine Breite P/2. Der Stator wird vorzugsweise aus Eisen mit einer Beimischung von 2,5 % Silizium hergestellt. Der ringförmige Läufer 14 gleitet auf dem Stator 11 auf den Lagern 15. Der Läufer 14 weist die Pole 16 und 17 auf, zwischen denen der ringförmige Permanentmagnet 18 angeordnet ist; vorzugsweise wird ein Samarium-Kobalt-Magnet verwendet. Der Pol 16 hat zwei ringförmige Läuferelemente 19 und 20, während Pol 17 die beiden ringförmigen Läuferelemente 21 und 22 aufweist, die durch die Wicklungen 23 bzw. 24 voneinander getrennt sind. Zwischen dem Permanentmagneten 18 und den Polen 16 und 17 sind die Kraftflussregler 25 und 26 angeordnet. Läuferelemente sowie Kraftflussregler sind ebenfalls aus 2,5 % siliziumhaltigem Eisen hergestellt. Die Ringe 27 und 28, ebenfalls aus 2,5 % Silizium enthaltendem Eisen, ermöglichen den Kraftfluss zwischen den Läuferelementen 19-20 und 21-22. An embodiment of a linear motor with variable reluctance with an incremental motor control device in accordance with the incremental drive device according to the invention is shown in FIG. 1. The motor 10 is equipped with a cylindrical stator 11 and an annular rotor 14. The stator 11 has teeth 12 and between these notches 13. The teeth have a center distance P and a width P / 2. The stator is preferably made of iron with an admixture of 2.5% silicon. The ring-shaped rotor 14 slides on the stator 11 on the bearings 15. The rotor 14 has the poles 16 and 17, between which the ring-shaped permanent magnet 18 is arranged; a samarium-cobalt magnet is preferably used. The pole 16 has two ring-shaped rotor elements 19 and 20, while pole 17 has the two ring-shaped rotor elements 21 and 22, which are separated from one another by the windings 23 and 24, respectively. The force flow controllers 25 and 26 are arranged between the permanent magnet 18 and the poles 16 and 17. Rotor elements and power flow regulators are also made from 2.5% silicon-containing iron. The rings 27 and 28, also made of iron containing 2.5% silicon, allow the force to flow between the rotor elements 19-20 and 21-22.

Während die Mittenabstände der Statorzähne 12 gleich P sind und ihre Breite P/2, sind die Mittenabstände der Läuferzähne 29 gleich P, ihre Breite aber P/4. Zusätzlich sind die Zähne in den Läuferelementen 19 und 20 sowie in 21 und 22 zueinander um (n± 1/2) P versetzt angeordnet, wobei n eine ganze Zahl ist. Die Zähne der Pole 16 und 17 sind um (m± 1/4) P gegeneinander versetzt, wobei m eine ganze Zahl ist. Der Motor 10 wird von einer linearen Position zur nächsten geschaltet, indem die Stromrichtung in einer der beiden Kontrollwicklungen 23 und 24 umgekehrt wird, wobei beide Wicklungen ständig unter Spannung stehen. While the center distances of the stator teeth 12 are P and their width P / 2, the center distances of the rotor teeth 29 are P, but their width is P / 4. In addition, the teeth in the rotor elements 19 and 20 as well as in 21 and 22 are offset from one another by (n ± 1/2) P, where n is an integer. The teeth of the poles 16 and 17 are offset from one another by (m ± 1/4) P, where m is an integer. The motor 10 is switched from one linear position to the next by reversing the direction of current in one of the two control windings 23 and 24, both windings being constantly under voltage.

Es besteht keinerlei Gefahr, dass der Läufer sich in die falsche Richtung bewegen könnte. Die Bewegungsrichtung ist eindeutig durch die Wicklung bestimmt, in welcher die Stromrichtung geändert wird. Von den inaktiven Zähnen geht keinerlei entgegengerichtete Kraft aus, die die durch die magnetische Aktivierung der aktiven Zähne bewirkte Bewegung in der gewünschten Richtung behindern könnte. So kann der in Fig. 1 gezeigte Motor in jeder Richtung bewegt werden. There is no danger that the runner could move in the wrong direction. The direction of movement is clearly determined by the winding in which the current direction is changed. There is no opposing force from the inactive teeth which could hinder the movement in the desired direction caused by the magnetic activation of the active teeth. So the motor shown in Fig. 1 can be moved in any direction.

Eine weitere Ausgestaltungsform eines Motors der erfindungsgemässen Antriebseinrichtung zeigt Fig. 2. Der Motor 40 ist mit einem zylindrischen Rotor 41 ausgerüstet, dessen Zähne 42 sich zwischen den Einkerbungen 43 in Längsrichtung erstrecken. Die Zähne 42 haben eine Breite von P/2 und Mittenabstände von P im Bogenmass. Die Einkerbungen 43 können mit einem nicht magnetischen Material ausgefüllt werden, um dem Rotor 41 eine gleichmässige Oberfläche zu verleihen. Der Stator 44 ist mit zwei Polen 44a und 44b versehen. Jeder der beiden Statorpole 44a und 44b ist mit zwei Sätzen sich in Längsrichtung erstreckender Zähne 45-46 und 47-48 ausgerüstet. Zwischen diesen Zahngruppen befinden sich die Steuerwicklungen 49a und 49b. Die Statorzähne 45, 46, 47 und 48 haben untereinander einen Mittenabstand P (Bogenmass) und eine Breite P/4. Die Statorpole 44a und 44b sind durch einen Ringmagneten 49 getrennt. Die Statorzähne 45 und 46 (ebenso wie die Statorzähne 47 und 48) sind gegeneinander um (n± 1/2) P versetzt, wobei n eine ganze Zahl ist. Die Statorpole 44a und 44b sind um (m ± 1/4) P gegeneinander versetzt, wobei m eine ganze Zahl ist. FIG. 2 shows another embodiment of a motor of the drive device according to the invention. The motor 40 is equipped with a cylindrical rotor 41, the teeth 42 of which extend in the longitudinal direction between the notches 43. The teeth 42 have a width of P / 2 and centers of P in radians. The notches 43 can be filled with a non-magnetic material in order to give the rotor 41 a uniform surface. The stator 44 is provided with two poles 44a and 44b. Each of the two stator poles 44a and 44b is equipped with two sets of longitudinally extending teeth 45-46 and 47-48. The control windings 49a and 49b are located between these tooth groups. The stator teeth 45, 46, 47 and 48 have a center-to-center distance P (radian measure) and a width P / 4. The stator poles 44a and 44b are separated by a ring magnet 49. The stator teeth 45 and 46 (as well as the stator teeth 47 and 48) are offset from one another by (n ± 1/2) P, where n is an integer. The stator poles 44a and 44b are offset from one another by (m ± 1/4) P, where m is an integer.

Die Steuerwicklungen 49 a und 49b sind ständig mit Gleichstrom versorgt, dessen Stärke ausreichend ist, um eine MMK zu erzeugen, die derjenigen von Permanentmagnet 49 entspricht, wobei die Richtung des Stromflusses in der Spule so gewählt wird, dass der magnetische Fluss sich entweder zu dem von Permanentmagnet 49 addiert oder diesem entgegenwirkt. Die vier möglichen Kombinationen von Stromrichtungen bewirken Kaft-linienwege durch die Rotor- und Statorzähne, welche denen im Schrittmotor von Fig. 1 entsprechen. Die Schrittschaltung im Motor erfolgt durch den Wechsel der Stromrichtung in den Steuerwicklungen 49a und 49b. The control windings 49a and 49b are continuously supplied with direct current, the strength of which is sufficient to generate an MMK which corresponds to that of permanent magnet 49, the direction of the current flow in the coil being chosen such that the magnetic flux either adjoins that added by permanent magnet 49 or counteracts this. The four possible combinations of current directions cause caft line paths through the rotor and stator teeth, which correspond to those in the stepper motor of FIG. 1. The motor is stepped by changing the current direction in the control windings 49a and 49b.

Eine Ausgestaltungsform eines Scheibenmotors, wie er in der erfindungsgemässen Inkremental-Antriebseinrichtung vorhanden sein kann, zeigen die Figuren 3A und 3B. Der Motor 50 weist einen Rotor 51 auf, der vermittels einer Manschette 51b, die aus Epoxidharz bestehen kann und mit einem Weicheisen-ring 51c verbunden ist, auf einer nicht magnetischen, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellten Achse 51a sitzt. Zwei Statorpole 52 und 53 befinden sich auf den gegenüberliegenden FIGS. 3A and 3B show an embodiment of a disk motor as it can be present in the incremental drive device according to the invention. The motor 50 has a rotor 51 which is seated on a non-magnetic shaft 51a, preferably made of stainless steel, by means of a sleeve 51b which can be made of epoxy resin and which is connected to a soft iron ring 51c. Two stator poles 52 and 53 are on the opposite

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Seiten des Rotors 51. Der Statorpol 52 ist mit zwei Sätzen radial angeordneter, keilförmiger Zähne 54 und 55 versehen, wobei die Durchmesser der durch die Anordnung gebildeten Kreise unterschiedlich sind. Der Statorpol 53 besitzt zwei Sätze von Zähnen 56 und 57, die entsprechend angeordnet sind. Mit den Statorpolen 52 und 53 sind ringförmige Permanentmagnete 58a und 58, vorzugsweise Samarium-Kobaltmagnete, verbunden. Die Ringmagnete 58a und 58 sind von den Spulen 59 und 60 umgeben, die Leiter 59a, 59b und 60a, 60b haben, welche mit Stromquellen verbunden sind, deren Richtung steuerbar ist. Sides of the rotor 51. The stator pole 52 is provided with two sets of radially arranged, wedge-shaped teeth 54 and 55, the diameters of the circles formed by the arrangement being different. The stator pole 53 has two sets of teeth 56 and 57 which are arranged accordingly. Annular permanent magnets 58a and 58, preferably samarium-cobalt magnets, are connected to the stator poles 52 and 53. The ring magnets 58a and 58 are surrounded by the coils 59 and 60, which have conductors 59a, 59b and 60a, 60b, which are connected to current sources whose direction can be controlled.

Der Rotor 51 ist mit radial in gleichmässigen Abständen angeordneten keilförmigen Zähnen 61 versehen. Die Rotorzähne 61 werden vorzugsweise aus Vanadium «Permendur» hergestellt. Der Mittenabstand der einzelnen Zähne beträgt P (im Bogenmass), die Breite der Zähne P/4 (im Bogenmass). Die Statorzähne 54, 55 und 56, 57 sind gegeneinander um (n± 1/2) P versetzt, wobei n eine ganze Zahl ist. Die Statorpole 52 und 53 sind gegeneinander um (m ± 1/4) P (im Bogenmass) versetzt, wobei m eine ganze Zahl ist. Die Fig. 3B zeigt die räumliche Lage der Rotorzähne 61 und der Statorzähne 54 und 55; sowohl Rotor- als auch Statorzähne sind vorzugsweise in Epoxidharzringe eingebettet. The rotor 51 is provided with radially evenly spaced wedge-shaped teeth 61. The rotor teeth 61 are preferably made from “Permendur” vanadium. The center distance of the individual teeth is P (in radians), the width of the teeth P / 4 (in radians). The stator teeth 54, 55 and 56, 57 are offset from one another by (n ± 1/2) P, where n is an integer. The stator poles 52 and 53 are offset from one another by (m ± 1/4) P (in radian measure), where m is an integer. 3B shows the spatial position of the rotor teeth 61 and the stator teeth 54 and 55; both rotor and stator teeth are preferably embedded in epoxy resin rings.

Der Gleichstrom, der die Steuerwicklungen 59 und 60 durchfliesst, ist so bemessen, dass er der MMK der ringförmigen Permanentmagnete 58a und 58 entspricht und dieser entweder entgegengerichtet ist oder sich zu ihr addiert. Die Schrittschaltung des Scheiben-Schrittmotors wird gesteuert durch die Schaltung der Stromrichtung, wie hier schon zuvor beschrieben. In den Figuren ist das aus nicht magnetischem Material bestehende Gehäuse der Statorhälften 52 und 53 der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht gezeigt. The direct current which flows through the control windings 59 and 60 is dimensioned such that it corresponds to the MMK of the ring-shaped permanent magnets 58a and 58 and that this is either directed in the opposite direction or adds to it. The stepping of the disc stepper motor is controlled by switching the current direction, as already described here. The housing of the stator halves 52 and 53, which is made of non-magnetic material, is not shown in the figures for the sake of clarity.

Die Figuren 4A und 4B zeigen ein schraubenlinienförmiges Läuferelement und einen Stator, wie bei dem Linear-Schritt-motor mit variabler Reluktanz gem. Fig. 1 verwendet. Das Läuferelement 19 besteht aus einer hohlen, zylindrischen Schale 19a mit einem nach aussen gerichteten Flansch 19b für Montagezwecke. Das Innere der Schale ist mit einer Zahngruppe 29 versehen; die Zähne sind in einer regelmässigen Schraubenlinienform angeordnet. Der Mittenabstand der Zähne beträgt P und die Zahnbreite P/4. Die Einkerbungen 30 sind 3 mal so breit wie die Zähne 29. Je vier schraubenlinienförmige Läuferelemente werden im Motor gemäss Fig. 1 verwendet (Elemente 19, 20, 21 und 22). Fig. 4B zeigt den Stator 11 mit Zähnen 12 in gleichmässigen Abständen und Einkerbungen 13. Der Mittenabstand der Zähne beträgt P und die Zahnbreite P/2. Die Zähne 12 bilden eine fortlaufende Schraubenlinie. FIGS. 4A and 4B show a helical rotor element and a stator, as in the linear stepper motor with variable reluctance according to FIG. Fig. 1 used. The rotor element 19 consists of a hollow, cylindrical shell 19a with an outwardly directed flange 19b for assembly purposes. The inside of the shell is provided with a group of teeth 29; the teeth are arranged in a regular helical shape. The center distance between the teeth is P and the tooth width P / 4. The notches 30 are 3 times as wide as the teeth 29. Four helical rotor elements are used in the motor according to FIG. 1 (elements 19, 20, 21 and 22). 4B shows the stator 11 with teeth 12 at regular intervals and notches 13. The center distance between the teeth is P and the tooth width P / 2. The teeth 12 form a continuous helix.

Der Stator 11 wird vorzugsweise nach folgendem Verfahren hergestellt: Es wird vorzugsweise Eisen mit einem Gehalt von 2,5 % Silizium verwendet. Der Stab wird auf einer Drehbank gefertigt und mit einem schraubenlinienartigen Gewinde gewünschter Tiefe versehen. Der so mit dem Gewinde versehene Eisenstab erhält dann galvanisch eine sehr dünne Zinnschicht, so dass die Oberfläche lötbar ist. Als nächstes füllt man in die Einkerbungen 13 einen verzinnten Streifen elektrisch leitenden, nicht magentischen Materials, das sich über die Gesamtlänge des Stabes hinaus erstreckt. Das Material kann entweder Kupfer oder Aluminium sein. Der Streifen wird mit einer Schraube IIa am Stab befestigt. Vermittels eines normalen Lötvorganges wird der Zwischenraum zwischen dem verzinnten Streifen und dem Gewinde im Stab mit Lötzinn gefüllt. Als nächstes wird der Stab auf einen Durchmesser abgeschliffen, der etwas geringer ist (beispielsweise um 0,05 mm) als der gewünschte Durchmesser. Nun wird der Stab mit einer sehr dünnen Kupferschicht (unter 2/1000 mm) und anschliessend mit einem dünnen, galvanisch hergestellten Überzug aus einem harten, nicht magnetischem Metall, wie beispielsweise Chrom, versehen. Bei der Verwendung von Nickel anstatt Chrom ist die Zwischenverkupfe-rung nicht erforderlich. The stator 11 is preferably produced by the following method: iron with a silicon content of 2.5% is preferably used. The rod is manufactured on a lathe and provided with a helical thread of the desired depth. The iron rod thus provided with the thread is then galvanically given a very thin layer of tin, so that the surface can be soldered. Next, fill the indentations 13 with a tinned strip of electrically conductive, non-magnetic material that extends the entire length of the rod. The material can be either copper or aluminum. The strip is attached to the rod with a screw IIa. The space between the tinned strip and the thread in the rod is filled with solder using a normal soldering process. Next, the rod is ground to a diameter that is slightly smaller (e.g. 0.05 mm) than the desired diameter. Now the rod is provided with a very thin copper layer (less than 2/1000 mm) and then with a thin, electroplated coating made of a hard, non-magnetic metal, such as chrome. Intermediate copper plating is not necessary when using nickel instead of chrome.

In der fertigen Vorrichtung gleiten die tragenden Lager 15 auf dem Stator 11. Die Lager 15 sind im Vergleich zur Statoroberfläche aus weicherem Material (Fig. 1). Wird für den Stator ein weicheres Material gewählt, so sind die tragenden Lager umgekehrt aus einem härteren Material. Ist, wie im vorliegenden Fall, die Statoroberfläche verchromt, so wird für das Lager vorzugsweise ein gesintertes, bronzeartiges Metall verwendet. Es ist ebenfalls möglich, auf die tragenden Lager 15 völlig zu verzichten und statt dessen die Vertiefungen 13 zwischen den Zähnen des Läufers mit einem teflon- oder nylonartigen Material zu füllen. Wird der Stator 11 statt mit Chrom mit einem weicheren Metall wie beispielsweise Nickel überzogen, so können die tragenden Lager 15 beispielsweise aus Aluminium sein, das oberflächlich oxidiert wird und so eine besonders harte Oberfläche mit einem kleinen Reibungskoeffizienten aufweist. In the finished device, the load-bearing bearings 15 slide on the stator 11. The bearings 15 are made of a softer material compared to the stator surface (FIG. 1). If a softer material is selected for the stator, the supporting bearings are made of a harder material. If, as in the present case, the stator surface is chrome-plated, a sintered, bronze-like metal is preferably used for the bearing. It is also possible to dispense entirely with the bearing 15 and instead to fill the recesses 13 between the teeth of the rotor with a Teflon or nylon-like material. If the stator 11 is coated with a softer metal such as nickel instead of chrome, the supporting bearings 15 can be made of aluminum, for example, which is oxidized on the surface and thus has a particularly hard surface with a small coefficient of friction.

Es ist selbstverständlich, dass die hier angegebenen Anordnungen der Zahngruppen nur beispielhaft sind und die Anordnungen der beweglichen Teile auch für die feststehenden Teile verwendet werden können und umgekehrt. Ebenfalls ist das Permanentmagnet-Material nur als Beispiel zu verstehen; jedes andere permanentmagnetische Material kann verwendet werden. Der Leitweg für den Magnetfluss kann entweder auflaminiert werden oder ausschliesslich aus Metall bestehen; die Spulen können wie gezeigt angeordnet werden oder direkt um die Zähne gewickelt werden. In der linearen Ausgestaltungform kann der Querschnitt des inneres Teiles rund sein; er kann aber auch jede andere Form, z.B. quadratisch oder sechseckig, haben. Die runde Form wird allgemein wegen der einfacheren Herstellung bevorzugt. It goes without saying that the arrangements of the tooth groups given here are only examples and the arrangements of the moving parts can also be used for the fixed parts and vice versa. The permanent magnet material is also only to be understood as an example; any other permanent magnetic material can be used. The magnetic flux path can either be laminated on or made entirely of metal; the coils can be arranged as shown or wrapped directly around the teeth. In the linear configuration, the cross section of the inner part can be round; but it can also have any other shape, e.g. square or hexagonal. The round shape is generally preferred for ease of manufacture.

Die Zahl der Zähne und damit der Antriebsschritte ist unbegrenzt; ebenfalls unterliegt die Zahl der Schlitze und Pole keiner Beschränkung. Wenn die erwünschte Anzahl der Rotationsschritte durch 4 teilbar ist, kann der Motor so gestaltet werden, dass eine Feineinstellung gewährleistet wird. Ist die Zahl durch 2 teilbar, dann muss der Motor zwei elektrische Schritte für einen Bewegungsschritt aufweisen. Für den Fall, dass die Zahl der Schritte pro Umdrehung ungerade ist, müssen vier elektrische Schritte einem Bewegungsschritt entsprechen. The number of teeth and thus the drive steps is unlimited; the number of slots and poles is also not restricted. If the desired number of rotation steps can be divided by 4, the motor can be designed so that a fine adjustment is ensured. If the number is divisible by 2, then the motor must have two electrical steps for one movement step. In the event that the number of steps per revolution is odd, four electrical steps must correspond to one movement step.

Weiterhin können Linear-Motoren beliebige Zahnzwischenräume haben, die innerhalb von praktischen Begrenzungen und Spaltbreitetoleranzen liegen. Obgleich die Toleranzen für die Spaltbreiten ziemlich eng sind, fallen sie doch in den Bereich praktischer Anwendbarkeit. Furthermore, linear motors can have any interdental spaces that are within practical limits and gap width tolerances. Although the tolerances for the gap widths are quite narrow, they still fall within the range of practical applicability.

Fig. 5 zeigt ein Funktionsblockdiagramm einer Ausgestaltungsform der Steuereinrichtung, wie sie in der Inkremental-Antriebseinrichtung nach der Erfindung verwendet werden kann. Sie besteht aus einer Datenverarbeitungseinrichtung 70, den Motorantriebsschaltungen 71 und 72, den Wellenformgene-ratoren 73, 74, 75, 76 und den Komparatoren 77, 78, 79, 80. Die Motorantriebsschaltungen versorgen die Motorwicklungen ununterbrochen mit Gleichstrom, beispielsweise die Wicklungen 23 und 24 des in Fig. 1 gezeigten Motors. Die Datenverarbeitungseinrichtung 70 kann beispielsweise ein Rockwell-Mikro-prozessor 6502 sein. Die Motorantriebsschaltung 71 kann beispielsweise so gestaltet werden, wie in Fig. 6 dargestellt. Wellenformgenerator 74 und Komparator 80 können beispielsweise so gestaltet werden, wie in Fig. 7 gezeigt. FIG. 5 shows a functional block diagram of an embodiment of the control device as can be used in the incremental drive device according to the invention. It consists of a data processing device 70, the motor drive circuits 71 and 72, the waveform generators 73, 74, 75, 76 and the comparators 77, 78, 79, 80. The motor drive circuits continuously supply the motor windings with direct current, for example the windings 23 and 24 of the engine shown in FIG. 1. The data processing device 70 can be a Rockwell microprocessor 6502, for example. The motor drive circuit 71 can be configured, for example, as shown in FIG. 6. For example, waveform generator 74 and comparator 80 can be configured as shown in FIG. 7.

Jede Motorantriebsschaltung besitzt eine H-Brücke, welche ihre Wicklungen mit annähernd konstantem Strom in eine der beiden Richtungen antreibt. Das Rückkopplungssignal wird von derjenigen Wicklung erhalten, die zuletzt auf Erde geschaltet wurde. Im Augenblick der Schaltung wird in der Wicklung eine EMK erzeugt, welche die zum unteren Schalttransistor parallel geschaltete Diode zum Leiten bringt; die Spannung erreicht etwa —1 V. In dem Mass, wie sich die Energie in der Induktion der Wicklung verbraucht, steigt die Spannung über Null und erreicht einen positiven Wert, der dem ohmschen Spannungsabfall des Wicklungsstromes durch den Vorwärts-Widerstand Each motor drive circuit has an H-bridge, which drives its windings with approximately constant current in one of the two directions. The feedback signal is obtained from the winding that was last switched to earth. At the moment of switching, an EMF is generated in the winding, which causes the diode connected in parallel to the lower switching transistor to conduct; the voltage reaches about -1 V. As the energy in the induction of the winding is consumed, the voltage rises above zero and reaches a positive value which corresponds to the ohmic voltage drop of the winding current through the forward resistance

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

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des Antriebstransistors und dem Widerstand des 1,5 Ohm Strombegrenzungswiderstandes entspricht. Bei völligem Stillstand zeigt die Spannung eine völlig ungestörte Wellenform; im Fall des Motors gemäss Fig. 1 kann die Wellenform mit folgender Formel beschrieben werden: V = a(l - e"ht), wobei a und b Konstante sind. Derartige Wellenformen sind beispielsweise in den Figuren 8A und 8B dargestellt. of the drive transistor and the resistance of the 1.5 ohm current limiting resistor. When completely stopped, the voltage shows a completely undisturbed waveform; 1, the waveform can be described using the following formula: V = a (1-e "ht), where a and b are constants. Such waveforms are shown, for example, in FIGS. 8A and 8B.

Ist hingegen der Motor in Bewegung, wird die Reluktanzänderung in der vom Motor gesteuerten Wicklung eine momentane EMK erzeugen, die sich der ungestörten Wellenform überlagert. Im Falle des Motors gemäss Fig. 1 kann die Störung der Wellenform durch die Formel V = a(l - e"bt) beschrieben werden, wenn b nicht konstant ist, sondern für t>0 b(t) zunächst ab- und dann im Wert wieder zunimmt. Solche gestörten Wellenformen sind beispielsweise in den unteren Kurven der Figuren 8A und 8B dargestellt, wobei 8A unter geringer Last und 8B unter grösserer Last ist. Die Störung setzt im letzteren Fall, bedingt durch eine verlangsamte mechanische Reaktion bei grösserer Last, später ein. If, on the other hand, the motor is in motion, the change in reluctance in the winding controlled by the motor will generate an instantaneous EMF which is superimposed on the undisturbed waveform. In the case of the motor according to FIG. 1, the disturbance of the waveform can be described by the formula V = a (l - e "bt) if b is not constant, but for t> 0 b (t) first off and then in Such disturbed waveforms are shown, for example, in the lower curves of Figures 8A and 8B, where 8A is under a light load and 8B is under a greater load, the disturbance occurring later in the latter case due to a slowed mechanical reaction at a higher load a.

In der Motorsteuereinrichtung der erfindungsgemässen Inkremental-Antriebseinrichtung wird in den Wellenformgene-ratoren 73-76 ein Signal synthetisiert, welches die ungestörte Wellenform nachahmt, jedoch in Richtung der Störung verschoben ist. Das Signal der gestörten Wellenform wird mittels Komparatoren 77-80 mit dem synthetisierten Signal verglichen. Für den in Fig. 1 gezeigten Motor werden die synthetisierte und die gestörte Wellenform zusammen mit dem Ergebnis des Komparators in Fig. 8C gezeigt. Der erste Schnittpunkt entspricht dem Zeitpunkt, in welchem der Zeitpunkt der Beschleunigungs-umschaltung fast optimal ist, während der zweite Schnittpunkt dem optimalen Zeitpunkt der Verzögerungsumschaltung entspricht. Abhängig vom gewünschten Antriebsprogramm kann einer dieser Kreuzungspunkte als Zeitpunkt benutzt werden, um die Stromrichtung des Wicklungsstromes umzukehren. Die Wicklung wird ihrerseits wiederum eine Bewegungssteuerspannung produzieren, welche wiederum für die nächste Umkehr der Stromrichtung des ersten Wicklungsstromes benutzt werden kann und so fort. In the motor control device of the incremental drive device according to the invention, a signal is synthesized in the waveform generators 73-76 which mimics the undisturbed waveform but is shifted in the direction of the interference. The signal of the disturbed waveform is compared to the synthesized signal using comparators 77-80. For the motor shown in FIG. 1, the synthesized and the disturbed waveform are shown in FIG. 8C along with the result of the comparator. The first point of intersection corresponds to the point in time at which the point in time of the acceleration switchover is almost optimal, while the second point of intersection corresponds to the optimum point in time of the deceleration switchover. Depending on the desired drive program, one of these crossing points can be used as a time to reverse the direction of the winding current. The winding will in turn produce a motion control voltage which in turn can be used for the next reversal of the current direction of the first winding current and so on.

Dem Fachmann ist ohne weiteres klar, dass die Wellenform des Stillstands- und des Bewegungssignals weitgehend von der Motorkonstruktion abhängt. Die Wellenformen können expo-nentiellen oder nicht exponentiellen Charakter haben. Sie können beispielsweise parabolisch oder hyperbolisch sein. Sie können auch eine Form haben, die nicht ohne weiteres mathematisch ausgedrückt werden kann. Dennoch können sie in Wellen-formgeneratoren synthetisiert werden, wenn beispielsweise stückweise lineare Annäherungen oder reine «memory»-Mikroprozessoren verwendet werden oder eine Kombination aus beiden. It is readily apparent to those skilled in the art that the waveform of the standstill and motion signals largely depends on the motor design. The waveforms can be exponential or non-exponential. For example, they can be parabolic or hyperbolic. They can also have a shape that cannot easily be expressed mathematically. Nevertheless, they can be synthesized in waveform generators if, for example, piecewise linear approximations or pure "memory" microprocessors are used, or a combination of both.

Ebenfalls wird es dem Fachmann ohne weiteres klar sein, dass für den Fall eines plötzlichen Anhaltens oder einer Überlast des Motors das nächste Signal ausfallen wird. Dieser Zustand zeigt eine Überlast rechtzeitig an und ist gleichzeitig ein Vorteil des Schrittmotors, denn nur durch die schrittweise Rückkopplungstechnik wird eine sofortige Reaktion gewährleistet. It will also be readily apparent to those skilled in the art that the next signal will fail in the event of a sudden stop or overload of the engine. This condition indicates an overload in good time and is also an advantage of the stepper motor, because only the step-by-step feedback technology ensures an immediate response.

Wie in den Figuren 8A und 8B gezeigt, wird bei grosser Last, die aber keine Überlast ist, der erste Kreuzungspunkt verzögert, was ebenfalls eine Verzögerung des Schaltvorganges zur Folge hat. Der Schrittmotor reduziert deshalb bei grösserer Last automatisch seine Geschwindigkeit und erhöht diese bei Abnahme der Last oder bei deren völligem Fortfall. As shown in FIGS. 8A and 8B, the first crossing point is delayed when there is a heavy load, but it is not an overload, which likewise results in a delay in the switching process. The stepper motor therefore automatically reduces its speed when the load is greater and increases it when the load is removed or when it is completely eliminated.

Eine Motorsteuereinrichtung kann direkt zur Kontrolle des Schrittantriebes ohne Zwischenschaltung eines Schrittzählers verwendet werden, indem die Ausgangssignale des Komparators direkt die Wicklungen steuern. Die meisten Steuereinrichtungen machen die Zwischenschaltung eines Schrittzählers erforderlich und besondere Massnahmen, um den Motor entsprechend einer unveränderlichen oder regelbaren Aufeinanderfolge in eine bestimmten Position zu bringen. Eine geeignete, anpassungsfähige Steuereinrichtung wird durch einen Mikroprozessor gewährleistet, der entsprechende Steuerprogramme enthält, welche die geeigneten Wicklungszustände und Rückmeldesignale bewirken und so eine genaue Einstellung des Motors gewährleisten. Derartige Ablaufdiagramme sind in den Figuren 9A, 9B und 9C dargestellt; 9B und 9C zeigen die «STEPS»- und «DELCSN»-Subroutinen. A motor control device can be used directly to control the step drive without the interposition of a step counter, in that the output signals of the comparator directly control the windings. Most control devices require the interposition of a pedometer and special measures to bring the motor into a certain position according to an unchangeable or controllable sequence. A suitable, adaptable control device is ensured by a microprocessor, which contains appropriate control programs, which bring about the appropriate winding states and feedback signals and thus ensure an exact setting of the motor. Such flow diagrams are shown in FIGS. 9A, 9B and 9C; 9B and 9C show the "STEPS" and "DELCSN" subroutines.

Der Wert POSNOW ist die aktuelle Position des Motors, aufwärts und abwärts gezählt entsprechend der Bewegung des Motors. POSCOM ist die Position, in die der Motor sich bewegen soll und die festgesetzt wird, bevor das Programm vom Monitor beginnt. Das Programm beginnt mit der Bestimmung der Differenz zwischen POSNOW und POSCOM; diese Differenz ist die DIRFLG («Direction Flag»). Die absolute Differenz ist OFFSET, eine Grösse, von der rückwärts gezählt wird, bis die Position Null erreicht ist. Wenn OFFSET von Beginn an Null ist, dann beginnt der Motor sofort zu laufen. Ist OFFSET nicht gleich Null, beginnt der Motor mit den Subroutine-Schritten; danach bestimmt das Programm die weiteren Schritte. Wenn mehr als zwei Schritte verbleiben, prüft die DELSCN-Subroutine das Rückmeldesignal bis zum Eintritt eines Bewegungssignals; wenn dies gegeben wird, kann der nächste Schritt erfolgen. The POSNOW value is the current position of the motor, counted up and down according to the movement of the motor. POSCOM is the position in which the motor is to move and which is fixed before the program starts on the monitor. The program begins by determining the difference between POSNOW and POSCOM; this difference is the DIRFLG (“Direction Flag”). The absolute difference is OFFSET, a quantity from which to count down until the position zero is reached. If OFFSET is zero from the beginning, the motor starts running immediately. If OFFSET is not zero, the motor begins the subroutine steps; the program then determines the next steps. If more than two steps remain, the DELSCN subroutine checks the feedback signal until a motion signal occurs; if given, the next step can be taken.

Die Verzögerung des Umlaufs wird auch durch DELSCN bestimmt. Wenn aber der Komparator auf Null geht, wird die Routine so lange fortgesetzt, bis der Komparator wieder auf 1 geht. Wenn das geschieht, wird der nächste Schritt eingeleitet und diese Routine so oft wiederholt, bis OFFSET = 0. The delay in circulation is also determined by DELSCN. However, if the comparator goes to zero, the routine continues until the comparator goes back to 1. If this happens, the next step is initiated and this routine is repeated until OFFSET = 0.

Die STEPS-Subroutine korrigiert den Wert von POSNOW, indem hierzu DIRFLG addiert wird, welches entweder +1 oder —1 ist. Die niedrigste Reihe 2 bits von POSNOW werden nun maskiert und benutzt, um das Ausgangssignal der Wicklungen auszuwählen, welches den Antrieb in die Position POSNOW bewirkt. Dies geschieht, indem die bits niedrigerer Ordnung als Teile des Index benutzt werden. Nach einer gewissen Verzögerung werden die gleichen bits benutzt, um einen anderen Index zu konstruieren, welcher den Generator für den «comparison transient» auswählt. Schliesslich wird OFFSET dekrementiert und die Subroutine beendet. The STEPS subroutine corrects the value of POSNOW by adding DIRFLG, which is either +1 or -1. The lowest row 2 bits from POSNOW are now masked and used to select the output signal of the windings which causes the drive to the POSNOW position. This is done by using the lower order bits as parts of the index. After a certain delay, the same bits are used to construct another index, which selects the generator for the «comparison transient». Finally, OFFSET is decremented and the subroutine is ended.

Die DELSCN-Subroutine verzögert anfänglich die Aktion, damit der Wicklungsstrom gegen Null gehen kann. Dann wird ein Index bestimmt, der das richtige Rückmeldesignal bewirkt. Das Eingangssignal wird mehrfach überprüft. The DELSCN subroutine initially delays the action so that the winding current can go to zero. Then an index is determined which causes the correct feedback signal. The input signal is checked several times.

Wird zum Zeitpunkt, da der Ausgangswert von LOOPCT 0 auf Null gegangen ist, kein Rückmeldesignal erhalten, geht das Programm aus dem Monitor, denn der Motor hat zu lange gebraucht, um sich in Bewegung zu setzen. Um dies zu tun, muss der «Stack pointer» (SP)korrigiert werden, weil er aus der Sub-routine springt. Wenn das Komparatorsignal Null ist, ist die Subroutine normalerweise beendet. If no feedback signal is received at the time when the output value of LOOPCT 0 has gone to zero, the program goes out of the monitor because the motor has taken too long to start moving. To do this, the stack pointer (SP) must be corrected because it jumps out of the sub-routine. If the comparator signal is zero, the subroutine is normally ended.

Das hier beschriebene Programm ist nur ein Teil eines allgemeinen Steuerprogrammes, welches an die Quelle, die die gewünschten Positionen steuert, die tatsächlich erreichten Positionen zurückmeldet. Die beschriebenen Routinen sollten allerdings ausreichen, um die Positionierung durch ein Digitalsignal zu bewirken. The program described here is only part of a general control program, which reports the positions actually reached back to the source that controls the desired positions. However, the routines described should be sufficient to effect positioning using a digital signal.

Untersuchungen an dem in Fig. 1 dargestellten Motor haben gezeigt, dass in einem geschlossenen Steuerkreis Schrittgeschwindigkeiten von 400/Sek. ohne weiteres erzielt werden können; bei einem nicht geschlossenen Kreis wird der Motor bei mehr als 150 Schritten/Sek. unzuverlässig. Bei geschlossenem Steuerkreis hat sich der Motor als weitgehend lastunabhängig erwiesen; er kann dann seine Geschwindigkeit unter ansteigender Last von 400 Schritten/Sek. auf 50 Schritte/Sek. reduzieren und zeigt bei jedem abrupten Anhalten die Zahl der bereits ausgeführten Schritte an. Investigations on the motor shown in Fig. 1 have shown that in a closed control circuit step speeds of 400 / sec. can be easily achieved; if the circuit is not closed, the motor will stop at more than 150 steps / sec. unreliable. When the control circuit is closed, the engine has proven to be largely independent of the load; he can then increase his speed under an increasing load of 400 steps / sec. to 50 steps / sec reduce and shows the number of steps that have already been carried out with each abrupt stop.

5 5

io io

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

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657 948 657 948

Während in der vorliegenden Beschreibung die Steuerung des Inkremental-Antriebssystems an einem Linear-Schrittmotor mit variabler Reluktanz beschrieben wurde, wird es dem Fachmann keine Schwierigkeiten bereiten, das beschriebene erfin-dungsgemässe System auch auf andere Motoren zu übertragen, beispielsweise auf solche mit einem scheibenförmigen oder einem zylindrischen Rotor. In dem in den Figuren 9A - 9C beschriebenen Steuerungsprogramm wird positionsabhängig geschaltet. Für den Fachmann wird es aber keine Schwierigkeiten machen, statt dessen die Schaltung geschwindigkeitsabhängig vorzunehmen. Noch grössere Geschwindigkeiten können erzielt werden, wenn die verlangte Position mehr als einen Schritt von der dynamischen Position entfernt ist. Diese Technik wird vorzugsweise dann angewendet, wenn die Verzögerung, bedingt durch die Stromversorgung der Spule, zum die Geschwindigkeit limitierenden Faktor wird. Unter diesen Bedigungen muss das Rückmeldesignal an der anderen Spule gemessen werden, und es kann eine Verzögerungskorrektur erforderlich werden, um s entgegenwirkende Kräfte sowie Drehkräfte zu vermeiden. While the control of the incremental drive system on a linear stepper motor with variable reluctance was described in the present description, it will be no problem for the person skilled in the art to transfer the system according to the invention described to other motors, for example to those with a disk-shaped or a cylindrical rotor. In the control program described in FIGS. 9A-9C, the switch is position-dependent. However, it will be no problem for the person skilled in the art to instead carry out the shift depending on the speed. Even higher speeds can be achieved if the required position is more than one step away from the dynamic position. This technique is preferably used when the delay, due to the power supply to the coil, becomes the speed limiting factor. Under these conditions, the feedback signal must be measured on the other coil, and a deceleration correction may be necessary to avoid counteracting forces and rotating forces.

Obgleich in Fig. 5 für jede Wicklung zwei Wellenform-Generatoren gezeigt sind, ist tatsächlich nur ein Wellenform-Generator pro Wicklung erforderlich, da die Wellenformen, die an beiden Wicklungsenden bei Schaltung auf das niedrigere Po-lo tential oder Null auftreten, an sich gleich sind. Entsprechend ist auch nur ein Komparator erforderlich. Bei Verwendung von integrierten Schaltungen kann es allerdings einfacher sein, zwei Wellenform-Generatoren und zwei Komparatoren zu verwenden; die zusätzlichen Kosten sind geringfügig. Although two waveform generators are shown in FIG. 5 for each winding, in fact only one waveform generator is required per winding, since the waveforms which occur at both winding ends when switched to the lower potential or zero are in themselves the same are. Accordingly, only one comparator is required. When using integrated circuits, however, it may be easier to use two waveform generators and two comparators; the additional costs are minor.

v v

5 Blätter Zeichnungen 5 sheets of drawings

Claims

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2nd

PATENT CLAIMS

1. incremental drive device, consisting of a stepper motor with variable reluctance and a control device for the stepper motor, characterized in that the motor has at least two windings that provide standstill signals with undistorted waveform and motion-dependent signals with distorted waveform, and that the control device has a waveform generator for synthesizing waveforms which correspond to the standstill signals supplied by the motor, and a comparator device for comparing the waveform supplied by the waveform generator with the motion-dependent signals supplied by the motor, and a device for controlling the power supply of the motor as a function of said signal comparison.

2. Drive device according to claim 1, characterized in that the control device contains at least the following elements:

a a first and a second drive circuit, which is connected to the first and the second motor winding;

b first waveform generator means for synthesizing a signal whose waveform corresponds to the standstill signal provided by the first motor winding, and second waveform generator means for synthesizing a signal whose waveform corresponds to the standstill signal supplied by the second motor winding;

c a first comparator device which is connected to the first motor winding and to the output of the first waveform generator device in such a way that a comparison is made between the synthesized waveform and the motion-dependent signal supplied by the first motor winding; and d a second comparator device which is connected to the second motor winding and to the output of the second waveform generator device for the purpose of comparing the synthesized waveform with the motion-dependent signal supplied by the second motor winding, and e a data processing device which is connected to both the first and the is connected to the second motor winding and also to the first and the second waveform generator device and the first and the second comparator device and controls or effects the power supply of the first and the second winding as a function of the signal comparison mentioned.

3. Drive device according to claim 2, characterized in that the motor is designed to carry out forward and reverse switching steps and contains a first component which has a plurality of teeth, the center distance P and the width of which is P / 2, and a second component, which is movably arranged with respect to the first and has at least two poles, each pole having two sets of teeth, the center distance of which is P and the width of which is P / 4, that furthermore the tooth sets in each pole are offset from one another by an amount , which is (n ± 1/2) P, where n is an integer, that the poles are further offset from each other by an amount that is (m ± 1/4) P, where m is also an integer that each of the poles with a winding is provided, which is used for charging with direct current and forms one of the motor windings, and that the second component is equipped with at least one magnet.

4. Drive device according to claim 3, characterized in that the first component of the motor is stationary and the second is arranged movably relative to the first.

5. Drive device according to claim 3, characterized in that the second component of the motor is stationary and the first is arranged movable relative to it.

6. Drive device according to claim 3, characterized in that the magnet is a permanent magnet, preferably a magnet containing rare earths.

7. Drive device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the data processing device includes a device for determining the difference between the desired motor position and the actual motor position, and a device for determining the step direction of the stepper motor and a device to step the motor continue to zero until the difference between the actual and the desired motor position is reduced.

8. Drive device according to claim 7, characterized in that the data processing device contains a device for reducing the switching speed when reaching a predetermined difference between the predetermined and actual motor position.

9. Drive device according to claim 7, characterized in that the first and the second drive circuit above the winding in each case contains an H-bridge with four transistors which can be operated in pairs depending on the data processing device in order to reverse the current through the winding and To advance the motor.

10. Drive device according to claim 7, characterized in that both the first and the second waveform generator device each have two generators, and the first and the second comparator device each have two comparators.

11. Drive device according to claim 7, characterized in that the standstill signal has exponential waveform.

12. Drive device according to claim 7, characterized in that the synthesized waveforms are offset in the direction of the interference.

13. Drive device according to claim 11, characterized in that the exponential waveform generally corresponds to V = a (l - e "bt), where a and b are constant.

14. Drive device according to one of claims 3 to 13, characterized in that the first component of the motor has a cylindrical shape and is equipped with a regular, screw-shaped tooth arrangement with an intermediate groove, that the second component has a screw-shaped tooth arrangement, at least surrounds a portion of the first member and has two annular poles separated by an annular magnet, each pole including two annular elements separated by a ring winding, and each element having a set of helical teeth with grooves therebetween that the tooth center distance P and the tooth width is P / 4, and that the tooth sets of each pole are offset in the longitudinal direction by an amount (n ± 1/2) P, the poles in the longitudinal direction by an amount of (m ± 1/4) P are staggered and m and n are integers.

15. Drive device according to claim 14, characterized in that the second motor component has annular force flow regulators which are arranged on both sides of the magnet and between this and each pole, and that the cross section of these force flow regulators tapers in the direction from the magnet to the poles.

16. Drive device according to claim 15, characterized in that the magnet is a permanent magnet, preferably one which contains rare earths.

17. Drive device according to claim 14, characterized in that the mentioned grooves are filled with a Teflon or nylon-like material.

18. Drive device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the motor has a disk-shaped shape

10th

15

20th

25th

30th

35

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45

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55

60

65

3rd

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contains a rotor, which is connected to an axis and has a plurality of wedge-shaped, radially expanding, equally spaced teeth, and that the stator has two poles arranged on one or the other side of the rotor, and each Stator pole has two sets of wedge-shaped, radially extending, equally spaced teeth, each set of teeth describing a circle and both circles having different radii, and the sets of teeth in each pole offset by an angular amount of (n ± 1/2) P. , where n is an integer, that the stator poles are mutually offset by an angular amount corresponding to (m ± 1/4) P, where m is an integer, and each stator pole has an annular magnet and a ring winding, the ring winding being one of the motor windings forms.

19. Drive device according to claim 18, characterized in that the rotor has an annular iron ring which is arranged between the shaft and the rotor teeth and serves to conduct the magnetic flux between the stator poles.

20. Drive device according to claim 18 or 19, characterized in that the magnet is a permanent magnet, preferably one which contains rare earths.

21. Drive device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the motor is a bidirectional stepper motor which contains the following components:

a cylindrical rotor having a plurality of longitudinally expanding teeth with grooves therebetween, the teeth being arranged at an angular center distance P and an angular width P / 2;

and a cylindrical stator which surrounds the rotor and which is provided with two annular poles separated by an annular magnet, each stator pole having teeth arranged in the longitudinal direction of the stator and equally spaced, with an angular center distance of P and an angular width of P / 4, and the two sets of teeth are angularly offset corresponding to (n ± 1/2) P where n is an integer, and the stator poles are offset by the amount (m ± 1/4) P, where m is an integer Number is, and the sets of teeth in each stator pole are separated from one another by a ring winding which forms one of the motor windings.

22. Drive device according to claim 14, characterized in that a component of the motor has a tin-plated iron rod with helical windings on its outer surface, a tin-plated strip of material being soldered into the helical groove of the iron rod so that the iron rod is ground to a certain diameter and that the surface of the ground iron rod is provided with a hard metal coating.

23. Drive device according to claim 22, characterized in that there is a copper layer under the hard metal coating.

24. Drive device according to claim 23, characterized in that there is a chrome layer between the copper layer and the hard metal coating.

25. Drive device according to claim 23, characterized in that there is a nickel layer between the copper layer and the hard metal coating.