CS248337B1

CS248337B1 - Stepping motor load torque compensation device

Info

Publication number: CS248337B1
Application number: CS128585A
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

Zařízení umožňuje přesné nastavení základní polohy určené celým P-okem krokového motoru. Zařízení sestává ze snímače polohy, jehož rotor je upevněn na hřídeli motoru a počet jeho mezer a zubů je rovný počtu kroků motoru. V bocích zubů na kružnici se středem v ose rotoru jsou půlkruhová vybrání. V jejich osách jsou z jedné strany na statoru dvě shodná čidla a souose z druhé strany na statoru odpovídající zdroje. Výstupy čidel jsou spojeny s kompenzačním obvodem, na nějž je dále z řídicího obvodu veden signál s informací o směru otáčení a o vybuzení vinutí motoru. Jeden výstup kompenzačního obvodu je spojen s kombinačním obvodem, jenž je též připojen na obvod řídicí logiky a druhý výstup Je přes generátor proměnného kmitočtu připojen na další vstup kombinačního obvodu. Výstup kombinačního obvodu a obvodu řídicí logiky jsou spojeny se součtovým členem, jehož vystup je přes výkonový zesilovač propojen s vinutími motoru.The device allows precise adjustment of the basic position determined by the entire P-eye of the stepper motor. The device consists of a position sensor whose rotor is mounted on the motor shaft and its number of gaps and teeth is equal to the number of motor steps. There are semicircular recesses in the sides of the teeth on a circle centered on the rotor axis. In their axes, there are two identical sensors on one side of the stator and corresponding sources coaxially from the other side of the stator. The sensor outputs are coupled to a compensation circuit on which a directional direction signal and an excitation of the motor winding are further fed from the control circuit. One output of the compensation circuit is coupled to a combination circuit that is also coupled to the control logic circuit and the second output is connected to another input of the combination circuit via a variable frequency generator. The output of the combination circuit and the control logic circuit are coupled to a summation member whose output is connected to the motor windings via a power amplifier.

Description

Vynález se týká zařízení pro kompenzaci zatěžovacího momentu Krokových motorů, které dociluje přesné nastavení základní polohy určené celým krokem krokového motoru.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for compensating the load torque of stepper motors which achieves an accurate adjustment of the starting position determined by the entire stepper motor step.

Současný stav řízení krokových motorů v otevřené smyčce předpokládá, že zatéžovací moment motoru je menší než kroutící moment motoru a že přesnost nastavení je dána velikostí Kroku motoru. Vlivem zatěžovacího momentu se motor nenastaví přesně na požadované poloze plného kroku, ale je vychýlen o úhel daný statickou zatěžovací charakteristikou. Pokud vyžadujeme přesné nastavení polohy, popřípadě přesné nastavení mezipolohy při jemném krokování, musíme zkompenzovat vlit zatěžovacího momentu. Dosud však nejsou známa zařízení zabezpečující tuto kompenzaci.The current state of open-loop stepper motor control assumes that the motor load torque is less than the motor torque and that the adjustment accuracy is given by the size of the Motor Step. Due to the load torque, the motor is not set exactly at the desired full step position, but is deflected by the angle given by the static load characteristic. If exact positioning is required, or if the intermediate position is to be adjusted precisely during gentle stepping, the load moment load must be compensated. However, devices providing this compensation are not yet known.

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro kompenzaci zatěžovacího momentu krokového motoru podle vynálezu. Jeho podstatou je, že sestává ze snímače polohy, jehož rotor je upevněn na hřídeli krokového motoru. Počet mezer a zubů rotoru je rovný počtu kroků krokového motoru na jednu otáčku. V bocích zubů jsou na kružnici se středem ve středu rotoru vytvořena půlkruhové vybrání. V osách těchto půlkruhových vybrání jsou z jedné strany na statoru snímače umístěna dvě stejná čidla, například fotosnímač nebo Hallova sonda. Proti každému čidlu je umístěn souose na druhé straně statoru odpovídající zdroj, tedy napři žárovka nebo permanentní magnet. Výstupy čidel jsou spojeny se dvěma vstupy kompenzačního obvodu. Na další dva vstupy kompenzačního obvodu jsou připojeny výstupy řídícího obvodu, a to s informací o směru otáčení a s informací o počtu vybuzených vinutí krokového motoru. Jeden výstup kompenzačního obvodu je spojen s jedním vstupem kombinačního obvodu vinutí, který máThe above-mentioned disadvantages are overcome by the device for compensating the load torque of the stepper motor according to the invention. Its essence is that it consists of a position sensor whose rotor is mounted on the stepper motor shaft. The number of gaps and teeth of the rotor is equal to the number of steps of the stepper motor per revolution. In the sides of the teeth, a semicircular recess is formed on a circle centered in the center of the rotor. On the axes of these semicircular recesses, two identical sensors, for example a photo sensor or a Hall probe, are located on one side of the sensor stator. Opposite each sensor is placed coaxially on the other side of the stator corresponding source, ie bulb or permanent magnet. The sensor outputs are connected to two inputs of the compensation circuit. The other two inputs of the compensation circuit are connected to the outputs of the control circuit with information about the direction of rotation and information about the number of excited windings of the stepper motor. One compensation circuit output is coupled to one winding combination circuit input it has

- 2 —- 2 -

248 337 dřuhý vstup spojen s výstupem obvodu řídící logiky. Druhý výstup kombinačního obvodu je spojen přes generátor proměnného kmitočtu se třetím vstupem kombinačního obvodu vinutí, jehož výstup je připojen k jednomu vstupu součtového členu. Druhý vstup součtového členu je připojen na výstup obvodu ííúící logiky a výstup součtového členu je přes výkonový zesilovač propojen s jednotlivými vinutími krokového motoru.248 337 the second input is connected to the output of the control logic circuit. The second output of the combination circuit is coupled via a variable frequency generator to a third input of the winding combination circuit, the output of which is connected to one input of the summation element. The second input of the summation element is connected to the output of the logic circuit and the summation element output is connected to individual windings of the stepper motor via a power amplifier.

Toto zařízení má přednost v tom, že umožňuje dosáhnout přes ného nastavení celého kroku, bez ohledu na velikost zatěžovacího momentu. Kompenzace zatěžovacího'momentu je nezbytná při jemném nastavení polohy, neboi zatěžovací moment může způsobit chybu rovnající se až několika stovkám mezikroků. Další předností zařízení je, že je vhodné pro všechny typy krokových motorů - pro tří i čtyř vinutové, zapojené do hvězdy i do trojúhelníka, pro různé způsoby magnetizace pro motory akční i reakční a pro motory různých výkonů. Zařízení umožňuje využít koncových zesilovačů a koncových elektronických komutátorů vyráběných výrobci krokových motorů bez zvláštních úprav. Lze je využít jak při řízení krokového motoru obvody TTL logiky, tak při řízení mikropočítačem.This device has the advantage that it allows accurate adjustment of the entire step, regardless of the load torque. Compensation of the load torque is necessary for fine adjustment of the position, since the load torque can cause an error of up to several hundred intermediate steps. Another advantage of the device is that it is suitable for all types of stepper motors - for three and four winding, star and delta, for different types of magnetization for action and reaction motors and for motors of different powers. The device allows the use of terminal amplifiers and terminal electronic commutators manufactured by stepper motor manufacturers without any special modifications. They can be used for both stepper motor control of TTL logic circuits and microcomputer control.

Příklad zařízení podle vynálezu je uveden na přiložených výkresech. Na obr. 1 je schematicky v půdoryse znázorněn snímač polohy, zejména jeho rotor, na obr. 2 je snímač v náryse a na obr. 5 je blokové schéma zapojení daného ařízení.An example of the device according to the invention is given in the accompanying drawings. Fig. 1 is a schematic plan view of a position sensor, in particular a rotor thereof; Fig. 2 is a front elevation view; and Fig. 5 is a schematic block diagram of the arrangement.

Rotor 2 snímače 1 polohy má vyfrézovány mezery 4, jejichž počet je poloviční než počet kroků na obvod krokového motoru 90> V bocích zubů 2 J^sou vytvořena půlkruhová vybrání 6. Všechna tato půlkruhová vybrání 6 leží ve stejné vzdálenosti od středu rotoru 2. V osách půlkruhových vybrání 6 jsou z jedné strany na statoru 2 umístěna dvě stejná čidla 40 a proti nim souose, na druhé straně statoru 2 jsou umístěny odpovídající zdroje 50. Například je-li čidlem 40 fotosnímač, je zdrojem 50 Žárovka. Bude-li jako čidlo 40 použita Hallova sonda, bude zdrojem 50 permanentní magnet. Výstupy těchto čidel 40 jsou připojeny naThe rotor 2 of the encoder 1 has milled gaps 4, which are half the number of steps per stepper motor circuit 90> Semicircular recesses 6 ^are formed in the sides of the teeth 2J. All these semicircular recesses 6 are equidistant from the center of the rotor 2. the semicircular recesses 6 are on one side on the stator 2 two identical sensors 40 and coaxially opposite them, on the other side of the stator 2 the corresponding sources 50 are located. For example, if the sensor 40 is a photo sensor, the source 50 is a bulb. If Hall probe is used as sensor 40, the source 50 will be a permanent magnet. The outputs of these sensors 40 are connected to

- 3 248 337 vstupy kompenzačního obvodu 10. Na jeho třetí vstup je připojen výstup řídícího obvodu, který není kreslen, nesoucí informaci o směru otáčení krokového motoru 90 a na čtvrtý vstup další výstup řídícího obvodu, který nese informaci o vybuzení, jednoho nebo dvou vinutí krokového motoru 90. Jeden výstup kompenzačního obvodu 10 je spojen s kombinačním obvodem 50 vinutí, jež je zároveň připojen na výstup obvodu 60 řídicí logiky. Druhý výstup kombinačního obvodu 10 je přes generátor 20 proměnného kmitočtu spojen se třetím vstupem kombinačního obvodu 50 vinutí, jehož výstup a rovněž tak i výstup obvodu 60 řídící logiky jsou připojeny na vstupy součtového členu 70, jehož výstup je přes výkonový zesilovač 80 propojen s jednotlivými vinutími krokového motoru 90«- 3,248,337 inputs of the compensating circuit 10. Its third input is connected to a control circuit output that is not drawn carrying information about the direction of rotation of the stepper motor 90 and to the fourth input another control circuit output which carries excitation information of one or two windings. One output of the compensation circuit 10 is connected to the winding combination circuit 50, which is also connected to the output of the control logic circuit 60. The second output of the combination circuit 10 is connected via a variable frequency generator 20 to the third input of the winding combination circuit 50, the output as well as the output of the control logic circuit 60 being connected to the inputs of the summation member 70 whose output is coupled to the windings stepper motor 90 «

Zařízení pracuje takto. Pokud je krokový motor 90 v základní poloze, tedy nezatížený zatěžovacím momentem, procházejí světelné paprsky ze zdroje 50, v tomto případě ze žárovky, polovinou otvoru v zubu 2 a mezerou 4 a jsou osvětlena obě čidla 40. Kombinační obvod 50 nepropouští signál z generátoru 20 proměnného kmitočtu a buzení vinutí krokového motoru 90 je' dáno posledním nastavením obvodu 60 řídící logiky.The device works as follows. When the stepper motor 90 is in the initial position, not loaded by the load torque, light rays from the source 50, in this case the bulb, pass through the half of the hole in the tooth 2 and the gap 4 and both sensors 40 are illuminated. the variable frequency and the excitation of the winding of the stepper motor 90 is determined by the last setting of the control logic circuit 60.

Pokud je rotor krokového motoru 90 vlivem zatěžovacího momentu vychýlen o určitý úhel na jednu stranu, jedna fotonka je osvětlena, druhá neosvětlena. Podle toho elektronický obvod pozná, kterým směrem se má provádět kompenzace. Na odpovídající vinutí krokového motoru 90, určené směrem kompenzace, signálem parity, který určuje jestli se jedná o mezeru nebo zub rotoru snímače a signálem podávající informaci o buzení jedné nebo dvou fázích vinutí krokového motoru 90 při jeho posledním kroku se přivede signál impulsního proudu z generátoru 20 proměnného kmitočtu, jehož kmitočet se postupně zvyšuje. Volba rychlosti nárůstu kmitočtu se provádí podle druhu krokového motoru 90 a zátěže. Se vzrůstající frekvencí impulsního proudu se začíná natáčet rotor krokového motoru 90. Natáčení se ukončí, jakmile obě fotonky budou osvětleny. Volba rychlosti nárůstu zaručuje stabilní režim práce krokového motoru 90. Po skončení kompen248 337 zace zatěžovacího momentu zůstává signál impulsního produ připojen až do příkazu k vykonání dalšího kroku. Kompenzace se pro vádí po odkrokování požadovaného počtu kroků.If the rotor of the stepper motor 90 is deflected by a certain angle to one side due to the loading torque, one photocell is illuminated, the other not illuminated. Accordingly, the electronic circuit recognizes in which direction the compensation is to be made. The corresponding winding of the stepper motor 90, determined by the compensation direction, with a parity signal that determines whether there is a gap or tooth of the sensor rotor and a signal providing information about the excitation of one or two phases of the stepper motor winding 20 variable frequency, whose frequency is gradually increasing. The selection of the frequency increase rate is made according to the type of stepper motor 90 and the load. As the pulse current frequency increases, the stepper motor rotor 90 starts to rotate. The rotation ends as soon as both photons are illuminated. Selecting the rate of rise ensures a stable mode of operation of the stepper motor 90. After the load torque compensation is complete, the pulse-output signal remains connected until the next step is executed. Compensation is performed after the desired number of steps is stepped.

Kompenzační obvod 10 zpětné vazby určuje na základě signálů směr otáčení krokového motoru 22, parita a signálů od čidel 40, kterým směrem má být kompenzace zatěžovacího momentu prováděna. Signálem|například z řídícího počítače,jsou zapínány po odkrokování požadovaného počtu kroků zdroje £0, čímž se uvede do činnosti kompenzační obvod 10 zpětné vazby, první výstupní signál kompenzační obvodu 10 spouští se zpožděním generátor 20 proměnného kmitočtu a druhý výstupní signál je vstupním signálem kombinačního obvodu 50 vinutí. Tento kombinační obvod 50 vinutí na základě signálu s informací o požadovaném směru kompenzace a signálu s informací o vybuzení vinutí krokového motoru 90 při posledním kroku před kompenzací určí, na kterou fázi krokového motoru 90 bude přiveden signál o proměnném kmitočtu z generátoru 20 proměnného kmitočtu. Působením impulsního proudu o proměnném, narůstajícím, kmitočtu se krokový motox· 90 začne natáčet. To bude trvat tak dlouho, až přijde signál od obou čidel £0. Kompenzace zatěžovacího momentu je skončena a kombinační obvod 10 signálem na svém prvním výstupu ukončí nárůst kmitočtu generátoru 20 proměnného kmitočtu. Generátor 20 proměn ného kmitočtu bude dále dodávat impulsní proud o kmitočtu, který byl nastaven v okamžiku otočení rotoru 2 snímače 1 do nulové polohy. Při příchodu dalšího pulsu na obvod 60 řídící logiky se změní magnetizace vinutí a kombinační obvod 50 vinutí odpojí signál z výstupu kombinačního obvodu 50 vinutí a vynuluje generátor 20 proměnného kmitočtu, tedy nastaví nulový kmitočet. Tím je zařízení připraveno po dalším odkrokování požadovaného ,počtu kroků provádět kompenzaci zatěžovacího momentu. Součtový člen 70 zajištuje přívod signálu na výkonový zesilovač 80 z obvodu 60 řídící logiky a z kombinačního obvodu 50 vinutí.The feedback compensation circuit 10 determines, based on the signals, the direction of rotation of the stepper motor 22, the parity and the signals from the sensors 40 in which direction the load torque compensation is to be performed. For example, from the control computer, after the required number of steps of the source 60 is actuated, the feedback compensation circuit 10 is actuated, the first output signal of the compensation circuit 10 triggers a delayed variable frequency generator 20 and the second output signal is the combination input signal. winding circuit 50. This winding combination circuit 50 determines to which phase of the stepper motor 90 the variable frequency signal from the variable frequency generator 20 will be fed, based on the desired direction of compensation signal and the winding information of the stepper motor 90 in the last step before compensation. Due to the pulse current of variable, increasing frequency, the stepping motox · 90 starts to rotate. This will last until both sensors £ 0 arrive. The load torque compensation is terminated and the combination circuit 10 terminates the increase in frequency of the variable frequency generator 20 at its first output. Furthermore, the variable frequency generator 20 will supply a pulse current at the frequency that was set when the rotor 2 of the sensor 1 was rotated to the zero position. When the next pulse arrives at the control logic circuit 60, the winding magnetization changes and the winding combination circuit 50 disconnects the signal from the output of the winding combination circuit 50 and resets the variable frequency generator 20 to set the zero frequency. As a result, the device is ready to compensate for the load torque after further stepping in the required number of steps. The summation member 70 provides a signal to the power amplifier 80 from the control logic circuit 60 and the winding combination circuit 50.

Vynález je možno využít u všech aplikací krokových motorů pracujících v otevřené smyčce, kde cheeme dosáhnout vyšší přesnosti nastavení polohy. Zvláště je výhodný u jemného krokování motorů, kde zaručuje nastavení v mezipoloze bez ohledu na působení zatěžovacího momentu.The invention is applicable to all open loop stepper motor applications where cheeme can achieve higher positioning accuracy. It is especially advantageous for fine stepping of motors, where it guarantees adjustment in the intermediate position regardless of the application of the load torque.

Claims

Device for compensating the stepping torque load torque characterized in that it consists of a position sensor (1) whose rotor (2) is mounted on the shaft of the stepper motor (90), the number of gaps (4) and teeth (5) of the rotor (2) being equal to the number of steps of the stepper motor (90) per revolution and in the sides of the teeth (5), semicircular recesses (6) are formed on the circle centered in the center of the rotor (2), the axes of which are located on one side on the stator sensors (1) two identical sensors (40), against which the corresponding sources (50) are placed on the stator (5), the sensor outputs (40) are connected to two inputs of the compensation circuit (10), to which the third input is connected control circuit with information about the direction of rotation of the stepper motor (90) and to the fourth input is connected output of control circuit with information about excitation of one or two windings of stepper motor (90), one output of this compensating circuit (10) is connected to one the second input of the winding combination circuit (50) is connected to the output of the control logic circuit (60), the second output of the combination circuit (10) is connected via a variable frequency generator (20) to the third input of the winding combination circuit (50), the output is connected to one input of the summation member (70), the other input of which is connected to the output of the control logic circuit (60) and the output is connected to the windings of the stepper motor (90) via a power amplifier (80).