DD256782A1

DD256782A1 - positioning

Info

Publication number: DD256782A1
Application number: DD85277877A
Authority: DD
Inventors: Peter-Klaus Budig; Heinz Timmel; Stefan Eberl
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1988-05-18
Also published as: DE3620472A1

Abstract

Die Erfindung "Positionierantrieb" betrifft einen translatorischen Positionierantrieb, der gesteuert definierte Schritte realisiert. Anwendungsgebiet: Feingeraetebau, Handhabetechnik. Ziel: Den mechanisch-technischen Aufwand von translatorischen Positionierantrieben zu verringern und diese mechanisch robuster zu gestalten. Aufgabe: Einen mechanisch einfachen, robusten translatorischen getriebelosen Direktantrieb zur Positionierung mit theoretisch beliebig kleinem Elementarschritt und theoretisch unbegrenzter Verfahrweglaenge anzugeben, dessen gewuenschter Verfahrweg durch Angabe der Schrittzahl direkt steuerbar ist. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe mit einem linearen m-phasigen Schraubengewindereluktanzmotor, einem gesteuerten Umrichter, der eine frequenzvariable m-phasige Spannung, auch mit der Frequenz Null erzeugt und einer programmierbaren digitalen Steueranordnung fuer die Erzeugung einer m-phasigen Drehspannung am Ausgang eines angeschlossenen Umrichters geloest. Es wurde gefunden, dass der bisher mit Drehstrom einer Frequenz groesser als Null gespeiste Schraubengewindereluktanzmotor als Schrittmotor anwendbar ist, wenn er auch mit einem m-phasigen Drehstrom der Frequenz Null gespeist wird. Damit sind Richtungsumkehr, Elementarschrittlaengen im m-Bereich und unbegrenzte Verfahrweglaengen realisierbar.The invention "positioning drive" refers to a translational positioning drive that realizes controlled steps defined. Application: Feingeraetebau, handling technology. Goal: To reduce the mechanical and technical complexity of translational positioning drives and to make them mechanically more robust. Task: To specify a mechanically simple, robust translatory gearless direct drive for positioning with theoretically arbitrarily small elementary step and theoretically unlimited travel length whose desired travel is directly controllable by specifying the number of steps. According to the invention, the object is achieved with a linear m-phase screw-type inductance motor, a controlled converter which generates a frequency-variable m-phase voltage, also with the frequency zero, and a programmable digital control arrangement for generating an m-phase rotary voltage at the output of a connected converter. It has been found that the helical screw type, as previously fed with three-phase, frequency greater than zero screw motor is applicable as a stepping motor, even if it is fed with a m-phase three-phase current of zero frequency. This reversal of direction, Elementarschrittlaengen in the m-range and unlimited travel lengths are feasible.

Description

The field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen translatorischen Positionierantrieb, der gesteuert definierte Schritte realisiert. Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar im Feingerätebau und in der Handhabetechnik.The invention relates to a translational positioning drive that realizes controlled steps defined. The invention is advantageously applicable in precision engineering and in handling technology.

Characteristic of the known technical solutions

Es sind verschiedene translatorische Positionierantriebe bekannt. Diese erfordern meist einen hohen regelungstechnischen Aufwand. Deshalb ist man bestrebt, zur Aufwandverringerung Schrittmotore einzusetzen. Das sind Motore, die ungeregelt definierte Schritte realisieren.Various translational positioning drives are known. These usually require a high control engineering effort. For this reason, efforts are being made to use stepping motors to reduce costs. These are motors that realize unregulated defined steps.

Auch sind Positionierantriebe mit sehr kleiner Elementarschrittlänge unter Anwendung des piezoelektrischen oder des magnetostriktiven Effekts bekannt. Nachteilig ist deren begrenzte Verschiebeweglänge.Also positioning drives are known with very small elementary step length using the piezoelectric or the magnetostrictive effect. The disadvantage is their limited displacement path length.

Bei den bekannten und sehr robusten translatorischen Positionierantrieben mit Schrittmotoren nach dem Reluktanzprinzip ist die Elementarschrittlänge durch die Geometrie des Motors bestimmt und auch begrenzt. Elementarschrittlängen im μΐτι-Bereich sind selbst mit sehr aufwendigen Steuerungen nicht möglich.In the known and very robust translational positioning drives with stepper motors according to the reluctance principle, the elementary step length is determined by the geometry of the motor and also limited. Elementary step lengths in the μΐτι range are not possible even with very complex controls.

The aim of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, den mechanisch-technischen Aufwand von translatorischen Positionierantrieben zu verringern und diese mechanisch robuster zu gestalten.The aim of the invention is to reduce the mechanical and technical complexity of translational positioning drives and to make them mechanically more robust.

The essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen mechanisch einfachen, robusten translatorischen getriebelosen Direktantrieb zur Positionierung mit theoretisch beliebig kleinem Elementarschritt und theoretisch unbegrenzter Verfahrweglänge anzugeben, dessen gewünschter Verfahrweg durch Angabe der Schrittzahl direkt mit einem einzigen digitalen Wort steuerbar ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgbe, einen solchen Positionierantrieb anzugeben, mit einem linearen m-phasigen Schraubengewindereluktanzmotor, einem gesteuerten Umrichter, der eine frequenzvariable m-phasige Spannung, auch mit der Frequenz Null, erzeugt und einer programmierbaren digitalen Steueranordnung für die Erzeugung einer m-phasigen Drehspannung am Ausgang eines angeschlossenen Umrichters dadurch gelöst, daß der Ausgang einer programmierbaren digitalen Steueranordnung mit dem Steuereingang eines gesteuerten Umrichters, der eine frequenzvariable m-phasige Spannung, auch mit der Frequenz Null, erzeugt, verbunden ist, daß der Ausgang des Umrichters mit den Anschlüssen eines Schraubengewindereluktanzmotors verbunden ist, daß die Steueranordnung so programmiert ist, daß die Ausgangsspannungen des Umrichters ein m-phasiges Drehspannungssystem bilden, daß die Steuerung der Bewegung des Schraubengewindereluktanzmotors durch eine schrittweise phasenrichtige Änderung der m Phasenspannungen ohne Auslassung eines Schrittes des m-phasigen Drehspannungssystems erfolgt.The object of the invention is therefore to provide a mechanically simple, robust translational gearless direct drive for positioning with theoretically arbitrarily small elementary step and theoretically unlimited travel path whose desired travel is specified by indicating the number of steps directly with a single digital word. According to the invention, the Aufgbe to provide such a positioning, with a linear m-phase helical screw type, a controlled inverter, the frequency-variable m-phase voltage, even with the frequency zero generated, and a programmable digital control arrangement for generating an m-phase rotary voltage at the output of a connected converter achieved in that the output of a programmable digital control device is connected to the control input of a controlled inverter which generates a frequency-variable m-phase voltage, also with the frequency zero, that the output of the inverter to the terminals of a Schraubwindungsmitteleluktanzmotors is connected, that the control arrangement is programmed so that the output voltages of the inverter form an m-phase rotary voltage system, that the control of the movement of the Schraubengeweileluktanzmotors by a stepwise in-phase change of the m Phasensp without omission of a step of the m-phase three-phase voltage system takes place.

Es wurde gefunden, daß der bisher mit Drehstrom einer Frequenz größer als Null gespeiste Schraubengewindereluktanzmotor hervorragend als Schrittmotor anwendbar ist, wenn er erfindungsgemäß auch mit einem m-phasigen Drehstrom der Frequenz Null gespeist wird, da er dann seine Position mit einer stromabhängigen Haltekraft beibehält. Soll dessen Position geändert werden, sind die m Phasen des Drehstroms einzuspeisen, die gegenüber den Phasen der vorigen Position um einen kleinsten Phasenschritt verändert sind. Dieser Phasenschritt bestimmt die Elementarschrittlänge.It has been found that the Schraubengewindeeluktanzmotor previously fed with three-phase frequency greater than zero is excellently applicable as a stepper motor, when it is fed according to the invention with a m-phase three-phase current of zero frequency, since it then maintains its position with a current-dependent holding force. If its position is to be changed, the m phases of the three-phase current are to be fed, which are changed compared to the phases of the previous position by a smallest phase step. This phase step determines the elementary step length.

Die Bewegungsrichtung wird dadurch bestimmt, welche der zwei zu den m Phasenströmen der Ausgangsposition benachbarten je m Phasenströme eingespeist werden.The direction of movement is determined by which of the two m phase currents adjacent to the m phase currents of the starting position are fed.

Die maximale Verschiebeweglänge wird nur durch die Läuferlänge begrenzt.The maximum displacement path length is limited only by the length of the rotor.

Es ist zweckmäßig, daß in der programmierbaren Steueranordnung gespeicherte Schritte oder Schrittfolgen abarbeitbar sind oder daß Schritte oder Schrittfolgen von einer übergeordneten Anordnung gesteuert abarbeitbar sind und dadurch der Läufer des Schraubengewindereluktanzmotors, ausgehend von einer beliebigen Startposition, eine vorgebbare Endposition einnimmt.It is expedient that steps or step sequences stored in the programmable control arrangement can be processed or that steps or step sequences can be executed controlled by a superordinate arrangement and thereby the rotor of the helical torque motor assumes a predefinable end position starting from an arbitrary starting position.

Bei der Programmierung der Schritte oder Schrittfolgen sind die bekannten Bedingungen an Schrittmotorsteuerungen zu beachten, damit beispielsweise keine Schrittverluste auftreten.When programming the steps or step sequences, the known conditions for stepper motor controls must be observed so that, for example, no step losses occur.

embodiment

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.

Dabei sind folgende Baugruppen zur erfindungsgemäßen Anordnung verknüpft:The following modules are linked to the arrangement according to the invention:

Ein dreisträngiger Schraubengewindereluktanzmotor mit einer Kippkraft von etwa 65 N und einer Ganghöhe von 2,5 mm.A three-stranded screw-type, 230V, 230-mm pitch rotor.

Ein dreiphasiger Transistorpulswechselrichter mit Spannungszwischenkreis, der ein dreiphasiges Drehspannungssystem nach dem Pulsbreitenmodulationsverfahren auch mit der Frequenz Null erzeugt.A three-phase transistor pulse inverter with voltage intermediate circuit, which generates a three-phase voltage system according to the pulse width modulation method also with the frequency zero.

Eine programmierbare digitale Steueranordnung mit einer einprogrammierten sinusförmigen Drehspannungssollwertquelle und einem Steuerprogramm für die Berechnung der Schrittzahlen zwischen zwei Positionen oder der Abarbeitung einer programmierten Schrittfolge.A programmable digital controller having a programmed sinusoidal voltage reference source and a control program for calculating step counts between two positions or processing a programmed step sequence.

Es wurde eine Wortbreite von 8 Bit gewählt. Weiterhin sind 240 Funktionswerte je Periode der Sinusschwingung gespeichert.A word width of 8 bits was chosen. Furthermore, 240 function values per period of the sinusoidal oscillation are stored.

Daraus resultieren eine Elementarschrittlänge von 20,83μ,ιτι und ein Phasenschritt von 1,5 Grad. Mit einer Drehspannungsfrequenz von 20 Hz erreicht man eine Vorschubgeschwindigkeit von 100 mm/s, wofür eine SpeicherkapazitätThis results in an elementary step length of 20.83μ, ιτι and a phase step of 1.5 degrees. With a three-phase frequency of 20 Hz, a feed rate of 100 mm / s is achieved, for which a storage capacity

von weniger als 1 KByte ausreichend ist. / ·of less than 1 Kbyte is sufficient. / ·

Durch eine reibungsarme Lagerung des Läufers wurde ein Fehler von weniger als 1^m für den gesamten Verschiebeweg ermittelt! Zur Änderung der Position des translatorisch bewegten Läufers werden die drei Stränge des Ständers so gespeist, daß die Ströme der neuen Position gegenüber den Strömen der Ausgangsposition um einen Phasenschritt verändert sind. Je nach dem Vorzeichen der Änderung erfolgt eine Vor- oder Rückwärtsbewegung des Läufers.Due to a low-friction bearing of the rotor an error of less than 1 ^ m was determined for the entire displacement! To change the position of the translator moving rotor, the three strands of the stator are fed so that the currents of the new position are changed from the currents of the starting position by a phase step. Depending on the sign of the change takes place a forward or backward movement of the rotor.

Problemlos wurden Verschiebeweglängen von 500mm erreicht.Sliding travel lengths of 500mm were easily achieved.

In der Steuerung werden die notwendigen Phasenschritte von einer Position zur anderen ermittelt und abgespeichert. Diese Phasenschrittfolgen sind auch von einer übergeordneten Steuerung vorgebbar, wodurch beliebige Weg-Zeit-Verläufe der Verschiebung des Läufers realisierbar sind. Die Steuerung übernimmt auch die Ansteuerung des Umrichters zur Realisierung der zu einem Phasenschritt gehörenden Phasenspannungen.The necessary phase steps from one position to another are determined and stored in the controller. These phase step sequences can also be predetermined by a higher-level controller, as a result of which any path-time profiles of the displacement of the rotor can be realized. The control also takes over the control of the inverter for the realization of the phase voltages belonging to a phase step.

Claims

1. Positioning drive, consisting of a linear m-phase screw-threaded inductance motor, a controlled inverter that generates a frequency-variable m-phase voltage, even at zero frequency, and a programmable digital control arrangement for generating an m-phase voltage at the output of a connected inverter CHARACTERIZED IN THAT the output of a programmable digital controller is connected to the control input of a controlled inverter generating a frequency variable m-phase voltage, also of zero frequency, that the output of the inverter is connected to the terminals of a helical screw type motor, in that the control arrangement is programmed such that the output voltages of the converter form an m-phase rotary voltage system, that the control of the movement of the helical screw motor by a stepwise in-phase change of the m phase voltages without omitting a step it takes place of the M-phase three-phase voltage system.

2. Positioning drive according to claim 1, characterized in that in the programmable control arrangement stored steps or sequences of steps are abarbeitbar or that steps or sequences of steps controlled by a superordinate arrangement abarbeitbar and thereby the rotor of the Schraubengewilfeluktanzmotors, starting from any starting position, assumes a definable end positions ,