CS248336B1

CS248336B1 - Circuit for fine stepping of stepper motors

Info

Publication number: CS248336B1
Application number: CS128485A
Authority: CS
Inventors: Ludvik Spiral; Vladimir Hosek; Jiri Vacatko
Original assignee: Ludvik Spiral; Vladimir Hosek; Jiri Vacatko
Priority date: 1985-02-22
Filing date: 1985-02-22
Publication date: 1987-02-12

Abstract

Obvod umožňuje dosáhnou' libovolnou mezipolohu mezi dvěma kroky krokového motoru, pracujícího v otevřené smyčce, který je vybaven generátorem polohovacího kmitočtu, obvodem řídicí logiky a výkonovýra zesilovačem. Ka výstup obvodu řídicí^logiky je připojen jeden vstup kompenzačního obvodu, jehož druhý vstup je připojen na vstup obvodu řídicí logiky, určující směr otáčení krokového motoru a třetí vstup na výstup snímače polohy ‘krokového motoru. Výstup kompenzačního obvodu je spojen jednak s jedním vstupem kombinačního obvodu a jednak na jeden vstug multiploxoru. Na druhý vstup kombinačního obvodu je připojen výstup obvodu řídicí logiky a třetí vstup výstup multiplexeru. Ma druhý vstup multiplexeru je připojen výstup monostabilního klopného obvodu, jehož vstupem je výstup z generátoru polohovacího kmitočtu. Jeden výstup kombinačního obvodu je spojen se vstupem výkonového zesilovače a druhý výstujo je spojen se čtvrtým vstupem kompenzačního obvodu.The circuit allows to reach any intermediate position between two steps of a stepper motor operating in an open loop, which is equipped with a positioning frequency generator, a control logic circuit and a power amplifier. To the output of the control logic circuit is connected one input of the compensation circuit, the second input of which is connected to the input of the control logic circuit, determining the direction of rotation of the stepper motor and the third input to the output of the position sensor of the stepper motor. The output of the compensation circuit is connected to one input of the combinational circuit and to one input of the multiplexor. To the second input of the combinational circuit is connected the output of the control logic circuit and the third input is the output of the multiplexer. To the second input of the multiplexer is connected the output of a monostable flip-flop, the input of which is the output of the positioning frequency generator. One output of the combinational circuit is connected to the input of the power amplifier and the second output is connected to the fourth input of the compensation circuit.

Description

Vynález se týká obvodu pro řízení jemného krokování krokového motoru, to je dosažení libovolné mezipolohy mezi dvěma kroKy krokového motoru pracujícího v otevřené smyčce.The invention relates to a circuit for controlling the stepping of a stepper motor, i.e. to achieve any intermediate position between two steps of a stepper motor operating in an open loop.

Současné řídící obvody pro Krokové motory dovolují krokovat plnými kroky. Velikost kroKU určuje přesnost krokování. Čím je menší úhel jednoho kroku, tím se dosáhne větší přesnosti.Current control circuits for Stepper motors allow for full steps. The step size determines the accuracy of the stepping. The smaller the angle of one step, the greater the accuracy.

Čím je menší úhel jednoho kroku, tím je třeba většího počtu kroků pro dosažení nové polohy, a tím delší doby přestavení.The smaller the angle of one step, the more steps are required to reach the new position and the longer the adjustment time.

Vyrábějí se motory s velkým, krokem 15° až 30° a motory s malým krokem 1,2° áž 3°. U motoru s velkým krokem dosáhneme krátké doby přestavení, přesnost je dána velikostí kroku. Požadavek rychlosti a přesnosti je protichůdný a je třeba hledat při návrhu pohonu kompromis.They produce large step motors from 15 ° to 30 ° and small step motors from 1.2 ° to 3 °. For a large step motor, a short adjustment time is achieved, the accuracy is given by the step size. The requirement for speed and accuracy is contradictory and a compromise should be sought when designing the drive.

Další nevýhoda současného způsobu řízení motorů s velkým i malým krokem je trhavý pohyb při krokování nízkou frekvencí, kdy motor provede krok, zastaví se a čeká, provede další krok atd. V řadě aplikací pohonů s krokovými motory je tento trhavý pohyb na závadu, například v lékařství.Another disadvantage of the current method of controlling both large and small step motors is the jerky movement at low frequency stepping, where the motor takes a step, stops and waits, takes the next step, etc. In many stepper motor drive applications, this jerky movement is defective, medicine.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny obvodem pro řízení jemného krokování krokového motoru s generátorem polohového kmitočtu, obvodem řídicí logiky a výkonovým zesilovačem, jehož výstupy jsou připojeny na jednotlivá vinutí krokového motoru. Podstatou tohoto obvodu je, že na výstup obvodu řídící logiky je připojen jeden vstup kompenzačního obvodu, jehož druhý vstup je připojen na vstup obvodu řídící logiky, který slouží pro urče ní směru otáčení krokového motoru. Třetí vstup kompenzačního iThe above drawbacks are overcome by the stepper motor fine-tuning control circuit with the position frequency generator, the control logic circuit and the power amplifier, the outputs of which are connected to the individual windings of the stepper motor. The essence of this circuit is that one output of the compensation circuit is connected to the output of the control logic circuit, the other input of which is connected to the input of the control logic circuit, which serves to determine the direction of rotation of the stepper motor. Third input compensation i

- 2 248 336 obvodu je připojen na výstup snímače polohy krokového motoru. Výstup kompenzačního obvodu je spojen jednak s jedním vstupem kombinačního obvodu a jednak na jeden vstup multiplexeru. Na druhý vstup kompenzačního obvodu je připojen výstup obvodu řídící logiky a na druhý vstup multiplexeru je připojen výstup monostabilního klopného obvodu. Vstup monostabilního klopného obvodu je spojen s generátorem polohovacího kmitočtu. Výstup multiplexeru je připojen na třetí vstup kombinačního obvodu. Jeden výstup kombinačního obvodu je spojen s výkonovým zesilovačem a druhý výstup je připojen ke čtvrtému vstupu kompenzačního obvodu.- 2,248,336 circuit is connected to output of stepper motor position sensor. The output of the compensation circuit is connected both to one input of the combination circuit and to one input of the multiplexer. The control logic circuit output is connected to the second input of the compensation circuit, and the monostable flip-flop output is connected to the second input of the multiplexer. The monostable flip-flop input is connected to a positioning frequency generator. The multiplexer output is connected to the third input of the combination circuit. One output of the combination circuit is connected to the power amplifier and the other output is connected to the fourth input of the compensation circuit.

Výhodou tohoto obvodu pro řízení jemného krokování je, že umožňuje dosáhnout předem zvolené přesnosti krokování podle zvoleného počtu mezikroků při velké rychlosti dosažení nové polohy. Obvod dosahuje plynulého otáčení krokového motoru i při nízkých frekvencích krokování a je použitelný pro všechny druhy krokových motorů, tj. tří i Čtyř vinulových, s vinutím zapojeným do hvězdy i do trojúhelníka, pro různé způsoby magnetizace, pro motory akční i reakční a pro motory různých výkonů. Dále umožňuje využít koncových zesilovačů a koncových elektronických komutátorů· vyráběných výrobci krokových motorů pro normální způsob řízení bez zvláštních úprav, pro nadřízenou úroveň řízení krokového motoru mohou být použity obvody sestavené z TTL logiky nebo mikropočítače, při dosažení stejné přesnosti nastavení výsledné polohy je možno snížit převodové číslo převodovky mezi motorem a zátěží. Použitím pulsního proudu pro nastavení mezipolohy není třeba realizovat složitý stejnosměrný zesilovač, který by byl nutný, pokud by se nastavení mezipolohy řídilo stej nosměrným proudem. Jako generátor pulsního proudu lze využít mikropočítač, popřípadě integrované obvody,The advantage of this fine stepping control circuit is that it allows to achieve a predetermined stepping accuracy according to a selected number of intermediate steps at a high speed of reaching a new position. The circuit achieves continuous rotation of the stepper motor at low stepping frequencies and is applicable to all types of stepper motors, ie three- and four-winding, with star and delta winding, for various magnetization modes, for action and reaction motors and for motors of different performances. It also allows the use of terminal amplifiers and terminal electronic commutators · manufactured by stepper motor manufacturers for normal control without special adjustments, circuits of TTL logic or microcomputer can be used for higher level control of stepper motor. gearbox number between motor and load. By using a pulse current to adjust the intermediate position, there is no need to realize a complex DC amplifier that would be required if the intermediate position were controlled by the DC current. A microcomputer or integrated circuits can be used as a pulse current generator,

Příklad zapojení obvodu pro jemné krokování krokového motoru je uveden na přiloženém výkresy.An example of a stepper motor fine step circuit is shown in the attached drawings.

Na výstup obvodu 10 řídicí logiky je připojen jeden vstup kompenzačního obvodu 20. Druhý vstup kompenzačního obvodu 20 jeOne output of the compensation circuit 20 is connected to the output of the control logic circuit 10. The other input of the compensation circuit 20 is

- 3 248 336 spojen se vstupem obvodu 10 řídící logiky, kde tento vstup určuje směr otáčení krokového motoru 70. Třetí vstup kompenzačního obvodu 20 je připojen na výstup snímače 80 polohy krokového motoru 70. Výstup kompenzačního obvodu 20 je spojen jednak s jedním vstupem kombinačního obvodu 40 a jednak s jedním vstupem multiplexeru £0. Druhý vstup kombinačního obvodu 40 je spojen s výstupem obvodu 10 řídící logiky a druhý vstup multiplexeru 50 je spojen s výstupem monostabilního klopného obvodu 60. Vstup monostabilního klopného obvodu 60 je spojen s generátorem 90 polohovacího kmitočtu. Výstup multiplexeru 50 je připojen na třetí vstup kombinačního obvodu 40, jehož jeden výstup je spojen s výkonovým zesilovačem 50 a druhý výstup je spojen se čtvrtým vstupem kompenzačního obvodu 20.A third input of the compensation circuit 20 is connected to the output of the stepper motor position sensor 80. The output of the compensation circuit 20 is connected to one input of the combination circuit. 40 and on the other hand with one multiplexer input 40. The second input of the combination circuit 40 is coupled to the output of the control logic circuit 10, and the second input of the multiplexer 50 is coupled to the output of the monostable flip-flop 60. The input of the monostable flip-flop 60 is coupled to the positioning frequency generator 90. The output of the multiplexer 50 is connected to a third input of the combination circuit 40, one output of which is coupled to the power amplifier 50 and the other output is coupled to the fourth input of the compensation circuit 20.

Obvod 10 řídící logiky určuje pořadí přepínání řídících pulsů na jednotlivá vinutí krokového motoru 70. Tento obvod 10 řídící logiky je řízen signálem frekvence krokování a signálem určujícím směr otáčení krokového motoru 70, a to například z mikropočítače. Tento obvod 10 řídící logiky je většinou dodáván výrobcem krokových motorů společně s výkonovým zesilovačem 50. Kompenzační obvod 20 prcsédí kompenzaci zatěžovacího momentu, a to na základě signálů, přicházejících ze snímače 80 polohy krokového motoru 70, signálem, přicházejícího z kombinačního obvodu 40, který určuje, zda má být vybuzeno jedno nebo dvě vinutí krokového motoru 70, signálu ze vstupu obvodu 10 řídící logiky, určujícího směr otáčení a signálu z výstupu tohoto obvodu 10 řídící logiky, který určuje, které vinutí bylo vybuzeno při posledním plném kroku. Multiplexer 50 spolu s kombinačním obvodem 40 určují, na které vinutí krokového motoru 70 bude přiveden signál o kmitočtu jemného polohování, Který se následně zesílí ve výkonovém zesilovači £0. Monostabilní klopný obvod 60 zpracovává polohovací kmitočet z generátoru 90 polohovacího kmitočtu na kmitočet jemného polohování.The control logic circuit 10 determines the order of switching of the control pulses to the individual windings of the stepper motor 70. This control logic circuit 10 is controlled by a stepping frequency signal and a signal determining the direction of rotation of the stepper motor 70, for example from a microcomputer. This control logic circuit 10 is typically supplied by the stepper motor manufacturer together with the power amplifier 50. The compensation circuit 20 precedes the load torque compensation based on the signals coming from the stepper motor position sensor 80 by a signal coming from the combination circuit 40 which determines whether one or two windings of the stepper motor 70 are to be energized, a signal from the input of the control logic circuit 10 determining the direction of rotation and a signal from the output of the control logic circuit 10 which determines which winding was energized at the last full step. The multiplexer 50, together with the combination circuit 40, determines which winding of the stepper motor 70 will receive a fine positioning frequency signal, which is then amplified in the power amplifier 40. The monostable flip-flop 60 processes the positioning frequency from the positioning frequency generator 90 to a fine positioning frequency.

Celé řízení krokového motoru 70 je rozděleno do dvou fází.The entire control of the stepper motor 70 is divided into two phases.

V první fázi se rotor krokového motoru 70 nastaví do polohy urče né počtem celých kroků. Ve druhé fázi se zastaví přívod pulsů kokování do obvodu 10 řídící logiky a zároveň se přivede kmito- 4 248 336In a first stage, the rotor of the stepper motor 70 is set to a position determined by the number of full steps. In the second phase, the coking pulse to the control logic circuit 10 is stopped and the frequency is also applied to the 4 248 336

Set jemného polohování na multiplexer 30, který se přepne do pří slušné fáze koncového výkonového zesilovače 30 podle stavu kombinačního obvodu 40· Tím dojde k pootočení rotoru o úhel, který je určen frekvencí polohovacích pulsů, polohovací kmitočet je dále přiveden na monostabilní klopný obvod 60, sestavený například z časovače NE 555 s nastavenou konstantní šířkou pulsu 0,156 msec, což odpovídá periodě maximálního polohovacího kmitočtu. Zvýšení rychlosti nastavení do nové polohy a velké přesnosti je možno dosáhnout použitím motorů s velkým krokem ve spojení s navrženým zapojením. Motor odkrokuje požadovaný počet celých kroků, potom obvod řídící logiky provede nastavení do požadované polohy v rozmezí dalšího celého kroku. Nastavení libovolné polohy v rámci jednoho kroku je možné proměnným buzením odpovídajících dvou vinutí krokového motoru 70. Podle výsledného magnetického pole krokového motoru 70 se nastaví poloha jeho rotoru. Aby řízení bylo snadno realizovatelné, používá se pro buzení cívek pulsní proud s konstantní amplitudou a proměnnou frekvencí. Střední hodnota tohoto proudu určuje velikost buzení cívek. Velikost frekvence pulsů je volena tak, aby rotor krokového motoru 70 nestačil pulsní magnetické pole sledovat. Frekvenci pulsního budicího proudu je možno měnit plynule, kdy se motor bude plynule natáčet v rámci jednoho kroku nebo po malých skokových hodnotách, kdy je například možno rozdělit jeden celý krok na 256 mezikroků.The fine positioning set on the multiplexer 30, which switches to the appropriate phase of the final power amplifier 30 according to the state of the combination circuit 40, thereby rotates the rotor by an angle determined by the frequency of the positioning pulses. composed of, for example, a timer NE 555 with a set constant pulse width of 0.156 msec, corresponding to a period of maximum positioning frequency. Increasing the new positioning speed and high accuracy can be achieved by using large step motors in conjunction with the proposed wiring. The motor steps over the required number of full steps, then the control logic circuit adjusts to the desired position within the next full step. The adjustment of any position within a single step is possible by varying the excitation of the corresponding two windings of the stepper motor 70. According to the resulting magnetic field of the stepper motor 70, the position of its rotor is set. To make the control easy to implement, a pulse current of constant amplitude and variable frequency is used to drive the coils. The mean value of this current determines the magnitude of the coil excitation. The magnitude of the pulse frequency is selected such that the rotor of the stepper motor 70 is not sufficient to monitor the pulse magnetic field. The frequency of the pulse excitation current can be varied continuously, with the motor running continuously in one step or in small step values, for example, one whole step can be divided into 256 intermediate steps.

Je výhodné využít pro řízení jednoho nebo několika krokových motorů mikropočítač. Závislost mezi budicím proudem a výslednou polohou rotoru krokového motoru 70 není lineární. Linearizaci je možno provádět tím, že požadovanou frekvenci pulsní ho budicího proudu bude nastavovat mikropočítač podle tabulky, uložené v paměti. Tabulka bude respektovat uvedenou nelinearitu. Obvod pro řízení jemného krokování na základě údajů mikropočítače provede vygenerování pulsního budícího proudu a zajistí jeho připojení na odpovídající vinutí, a to podle směru otáčení krokového motoru 70, podle vybuzení poslední cívky, resp. cívek, při posledním plném kroku, případně podle zapojení vinutí krokového motoru 70*It is advantageous to use a microcomputer to control one or more stepper motors. The dependence between the excitation current and the resulting rotor position of the stepper motor 70 is not linear. Linearization can be performed by setting the desired frequency of the pulse excitation current by a microcomputer according to a table stored in memory. The table will respect the stated non-linearity. The fine-jog control circuit based on the microcomputer data generates a pulsed excitation current and provides its connection to the corresponding windings, according to the direction of rotation of the stepper motor 70, the excitation of the last coil, respectively. coils, at the last full step, depending on the winding of the stepper motor 70 *

- 5 248 336- 5 248 336

Vynález bude možno využít například u řízení vyvrtávacích a dalších obráběcích strojů, při řízení hvězdářských dalekohledů, kreslících zařízení, v lékařských přístrojích a podobně.The invention will be applicable, for example, to the control of boring and other machine tools, the control of astronomical telescopes, drawing devices, medical devices and the like.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Stepper motor control circuit with positioning frequency generator of control logic circuit and power amplifier, the outputs of which are connected to individual windings of the stepper motor, characterized in that one output of the compensation circuit (20) is connected to the output of the control logic (10). whose second input is connected to the input of the control logic (10) for determining the direction of rotation of the stepper motor (70), the third input to the output of the stepper motor position sensor (80) and the compensation circuit output (20) is connected to one the input of the combination circuit (40) to the other input of which the control logic circuit (10) is connected, and to one input of the multiplexer (50) to the other input of which the monostable flip-flop (60) is connected. a positioning frequency generator (90) and a multiplexer output (50) are connected to a third input of the combining circuit (40), one output of which is coupled to a power amplifier (50) and the other output is coupled to a fourth input of the compensation circuit (20).