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GEGENSTAND DER ERFINDUNG
UND STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für einen
Positioniermotor, wie zum Beispiel bürstenlose Motoren und Schrittmotoren,
und insbesondere auf eine Regelvorrichtung für einen Positioniermotor, die
den durch die Motorwicklung des Positioniermotors fließenden Strom
in Abhängigkeit
von dem Lastmoment, das am Positioniermotor wirkt, vergrößert und
verringert.
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Bisher
war es bei der Regelung dieser bürstenlosen
Motoren und Schrittmotoren eine wichtige Frage, wie verhindert werden
kann, dass beim Motor Schrittabweichungen auftreten. Wie es zu Schrittabweichungen
eines Motors kommt, wird werter unten erörtert.
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Im
Hinblick auf eine Regelvorrichtung für einen Schrittmotor mit einer
Funktion, die eine Schrittabweichung verhindern soll, gibt es zum
Beispiel bereits eine von den Erfindern der vorliegenden Anwendung
vorgeschlagene Erfindung, die eine Antriebsregelung zur Verhinderung
von Schrittabweichungen eines Schrittmotors zum Inhalt hat. Zu dem
Zeitpunkt, zu dem dieser Vorschlag gemacht wurde, erwies sich die
Lösung
als außerordentlich
wirksam. Zur Zeit nimmt ihr praktischer Nutzen immer mehr ab (siehe zum
Beispiel das Japanische Patent Nr. 2562874).
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Die
grundlegenden Faktoren, die bewirken, dass es bei bürstenlosen
Motoren und Schrittmotoren zu Schrittabweichungen kommt, werden
nachstehend beschrieben.
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9 zeigt die grundlegende
Kennlinie eines Schrittmotors. Wenn sich die Stellung des Läufers ändert, während die
den Ständer
erregende Phase bei 0° liegt,
wird ein dem Drehwinkel entsprechendes Drehmoment (senkrechte Achse)
im Schrittmotor erzeugt. Das Drehmoment bildet bei einer Umdrehung
des Drehwinkels der Maschine jeweils nach einer bestimmten Anzahl
von in dem Läufer
ausgebildeten Zähnen
eine Sinuswelle. Sie ist unter der Bezeichnung θ-T-Kennlinie bekannt. Nachstehend
wird ein Beispiel beschrieben, in dem der Läufer 50 Zähne aufweist.
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Wie
sich aus 9 ersehen lässt, ist
das Drehmoment, das in einem Schrittmotor als Gegenkraft erzeugt
wird, nahe 0° bezüglich des
Erregungswinkels dem Winkel proportional, um den der Läufer durch
eine äußere Kraft
bewegt wird. Der Schrittmotor führt
die Lageregelung aus, indem sich der Läufer synchron bewegt, wenn
die Befehlsposition auf den Erregungswinkel gesetzt wird.
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Wenn
der Drehwinkel aber ±1,8° (±90° Phasenwinkel) überschreitet,
kommt es zu dem Problem einer Schrittreduzierung. Dabei wird das
erzeugte Drehmoment reduziert oder invertiert. In diesem Fall hält der Läufer nicht
an dem Winkel der Befehlsposition, sondern an einem anderen Winkel
an.
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10 zeigt die θ-T-Kennlinie
in einem Fall, in dem die Regelung, mit der die Schrittreduzierung verhindert
werden soll, erfolgt, indem ein Schrittmotor, der die obige θ-T-Kennlinie aufweist,
mit einem Regelkreis ausgestattet wird. Dieser Regelkreis ändert den
Erregungswinkel in Übereinstimmung
mit dem Läufer,
so dass ein maximales Drehmoment aufrechterhalten wird. Dieses Regelverfahren
wird in dem Japanischen Patent mit der vorläufigen Veröffentlichungs-Nr. 1999-113289
offengelegt.
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Bei
diesem Regelverfahren überwacht
eine Regelvorrichtung die Abweichung zwischen dem Befehlspositionssignal
und dem erfassten Läuferpositionssignal,
implementiert die folgenden beiden Betriebsarten in Abhängigkeit
von diesem Abweichungsbetrag (Phasenwinkel) und schaltet in Abhängigkeit
von dem Betrag der Abweichung auf eine der Betriebsarten um. Das
heißt,
wie in 10 gezeigt wird,
dass in Abhängigkeit
vom Verhältnis
zwischen der Läuferposition
(Drehwinkel) und dem im Läufer erzeugten
Drehmoment Folgendes passiert:
- (a) wenn –90° ≤ Betrag der
Abweichung ≤ +90°, wird die
Betriebsart ST (Betriebsart Schrittmotor) gesetzt, bei der der Erregungszustand
der Motorwicklung geschaltet wird, und
- (b) wenn –90° > Betrag der Abweichung
oder +90° < Betrag der Abweichung,
wird die Betriebsart BL (Betriebsart bürstenloser Motor) gesetzt,
bei der die Erregung so erfolgt, dass die Phase des Erregungsstroms
90° vor
der Läuferstellung
ein stabiler Erregungspunkt wird.
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Bei
diesem Regelverfahren wird demzufolge, wenn der Drehwinkel größer ist
als ±1,8°, dadurch, dass
der Regelkreis den Erregungswinkel zusammen mit dem Drehwinkel des
Läufers ändert, ein
maximales Drehmoment des Schrittmotors aufrechterhalten. Das heißt, dass
der Erregungswinkel innerhalb von ±1,8° die Befehlsposition ist, und
dass, wenn der Drehwinkel größer ist
als ±1,8°, der Erregungswinkel
auf die Erregungsphase gestellt wird, bei der entsprechend dem Winkel
des Läufers
ein maximales Drehmoment angelegt wird.
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Bei
der in dem Japanischen Patent mit der vorläufigen Veröffentlichungs-Nr.1999-113289 als Verfahren
zur Verhinderung der Schrittabweichung bei Motoren offengelegten
Erfindung besteht aber das Problem, dass die Tendenz vorliegt, dass
vom Motor immer mehr Wärme
erzeugt wird, und dass darüber
hinaus der Wirkungsgrad abnimmt, weil mehr Strom in die Motorwicklung
fließt
als nötig,
unabhängig
von der Größe des am
Motor wirkenden Lastmoments.
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Demzufolge
machten sich wertere technologische Verbesserungen erforderlich.
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ZIEL UND ZUSAMMENFASSENDE
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts des vorstehend dargelegten
Sachverhalts gemacht. Ein Ziel besteht dann, die obigen Probleme
zu lösen, indem
eine Regelvorrichtung für
einen Positioniermotor eingesetzt wird, um eine Schrittabweichung
des Positioniermotors zu verhindern. Außerdem wird angestrebt, dass
der Positioniermotor wenig Wärme
erzeugt und einen guten Energiewirkungsgrad aufweist.
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Eine
Konfiguration der vorliegenden, zur Erreichung der obigen Ziele
gedachten Erfindung besteht aus einer Vorrichtung mit einem Positionserfassungsabschnitt,
der die Position des Motorläufers
eines für
die Lageregelung eingesetzten Motors, wie zum Beispiel eines bürstenlosen
Motors oder eines Schrittmotors, erfasst, einem ersten und einem
zweiten Regelabschnitt, die ein von dem Positionserfassungsabschnitt
stammendes Positionserfassungssignal mit einem Befehlspositionssignal
vergleichen und auf der Grundlage dieses Positionsabweichungssignals
ein Signal ausgeben, das einem in eine Wicklung des Motors einzuspeisenden
Strom entspricht, einem ersten und einem zweiten Aufteilungseinstellabschnitt,
die die von dem ersten und dem zweiten Regelabschnitt abgegebenen
Signale in einem festgesetzten Aufteilungsverhältnis oder einer festgesetzten
Aufteilungsrate aufteilen, einem Signalsyntheseabschnitt, der dazu
dient, durch Vektoraddition die von dem ersten und zweiten Aufteilungseinstellabschnitt
aufgeteilten Ausgangssignale zu synthetisieren, und einem Verstärkungsabschnitt, der
das vom Signalsyntheseabschnitt synthetisierte Ausgangssignal empfängt und
den in die Motorwicklung einzuspeisenden Strom liefert, wobei die
Position des Motors durch das Befehlspositionssignal gemäß der folgenden
Beschreibung geregelt wird.
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Das
heißt,
es handelt sich um eine Lageregelvorrichtung eines Positioniermotors,
bei der, wenn das Positionsabweichungssignal sich innerhalb eines Phasenwinkels
von 90° befindet,
der erste Regelabschnitt ein Sinuswellendatensignal ausgibt, das
dem Befehlspositionssignal einer Sinuswellentabelle entspricht,
und wenn das Positionsabweichungssignal einen Phasenwinkel von 90° überschreitet,
gibt der erste Regelabschnitt ein Sinuswellendatensignal einer Sinuswellentabelle
aus, das den Motor so anregt, dass der Motor sich bei einem Phasenwinkel
von 90° vor
der Läuferposition
an einem stabilen Erregungspunkt befindet, und bei der der zweite
Regelabschnitt als Servoregelabschnitt oder Rückführungsregelabschnitt dient
und das Ausgangssignal ausgibt, und bei der der Verstärkungsabschnitt
den in die Motorwicklung eingespeisten Strom gemäß einem an dem Motor anliegenden
Lastmoment vergrößert oder
verkleinert.
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Es
ist auch eine Lageregelvorrichtung eines Positioniermotors, bei
der der erste Regelabschnitt aus einem Befehlspositionszähler besteht,
der die Impulse des Befehlspositionssignals zählt, einem Läuferpositionszähler, der
die Impulse des vom Positionserfassungsabschnitt ausgesandten Positionserfassungssignals
zählt,
einem Phasenberechnungsabschnitt, der die Impulssignale beider Zähler empfängt und
auf der Grundlage eines Abweichungssignals zwischen den beiden Impulssignalen
eine Adresse der Sinuswellentabelle ausgibt, und der Sinuswellentabelle,
die dazu dient, entsprechend dem vom Phasenberechnungsabschnitt
stammenden Adressensignal ein Sinuswellendatensignal auszugeben,
bei der das Abweichungssignal ein innerhalb von 90° liegender
Phasenwinkel ist, der Phasenberechnungsabschnitt das Befehlspositionsimpulssignal
ausgibt, und bei der, wenn der Phasenwinkel größer ist als 90°, der Phasenberechnungsabschnitt
das Positionserfassungsimpulssignal des Motors um einen Phasenwinkel
von 90° berichtigt
und dieses Positionserfassungsimpulssignal ausgibt.
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Die
vorliegende Erfindung ist so aufgebaut, wie dies oben beschrieben
worden ist, und somit werden, wie dies in dem Japanischen Patent
mit der vorläufigen
Veröffentlichungs-Nr.
1999-113289 offengelegt worden ist, ein Befehlspositionssignal und
ein Positionserfassungssignal vom mit dem Motorläufer verbundenen Lagegeber
an den ersten Regelabschnitt und an den zweiten Regelabschnitt,
der als Servoregelabschnitt oder Rückführungsregelabschnitt dient,
angelegt, die Ausgänge
des ersten und des zweiten Regelabschnitts werden an einen ersten beziehungsweise
an einen zweiten Aufteilungseinstellabschnitt angelegt, und die
Ausgänge
dieser beiden Aufteilungseinstellabschnitte werden durch einen Signalsyntheseabschnitt
vektorsynthetisiert (vektoraddiert), und vom Ausgangsverstärkungsabschnitt
wird Strom zur Wicklung des Motors geliefert, um den Motor anzutreiben.
Der Motor wird angetrieben und dabei mit Strom gespeist, der in
Abhängigkeit
von einer mechanisch an den Motor angelegten Last zunimmt oder abnimmt.
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Es
ist zu beachten, dass der erste Regelabschnitt das Signal überwacht,
das die erfasste Abweichung zwischen dem Befehlspositionssignal
und dem erfassten Läuferpositionssignal
anzeigt, und bei dem beispielsweise in dem Japanischen Patent mit der
vorläufigen
Veröffentlichungs-Nr.
1999-113289 gezeigten Regelabschnitt stehen je nach dem Betrag dieser
Abweichung (Phasenwinkel) zwei Betriebsarten, eine Betriebsart ST
und eine Betriebsart BL, zur Verfügung, wie zum Beispiel die,
die in 10 gezeigt werden,
und durch das Umschalten auf eine dieser Betriebsarten wird eine
Schrittreduzierung des Motors verhindert.
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Der
zweite Regelabschnitt dient außerdem als
Servoregelabschnitt oder Rückführungsregelabschnitt
für einen
handelsüblichen
Servomotor.
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Bei
der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung
für einen
Positioniermotor besitzt die Vorrichtung einen Positionserfassungsabschnitt,
der eine Motorläuferposition
eines lagegeregelten Motors, wie zum Beispiel eines bürstenlosen
Motors oder eines Schrittmotors, erfasst, einen ersten und einen
zweiten Regelabschnitt, die ein vom Positionserfassungsabschnitt
stammendes Positionserfassungssignal mit einem Befehlspositionssignal
vergleichen und auf der Grundlage dieses Positionsabweichungssignals ein
Signal ausgeben, das einem Strom zur Speisung einer Wicklung des
Motors entspricht, einen ersten und einen zweiten Aufteilungseinstellabschnitt,
die die vom ersten und zweiten Regelabschnitt ausgegebenen Signale
in einem festgesetzten Aufteilungsverhältnis oder einer festgesetzten
Aufteilungsrate verteilen, einen Signalsyntheseabschnitt, der dazu dient,
durch Vektoraddition die von dem ersten und dem zweiten Aufteilungseinstellabschnitt
aufgeteilten Ausgangssignale zu synthetisieren, und einen Verstärkungsabschnitt,
der das vom Signalsyntheseabschnitt synthetisierte Ausgangssignal
empfängt
und den Strom ausgibt, der an die Motorwicklung geliefert werden
soll, wobei die Position des Motors durch das Befehlspositionssignal
gesteuert wird. Auf diese Weise werden die ausgezeichneten Effekte
erreicht, dass der Motor nur wenig Wärme erzeugt und einen guten
Wirkungsgrad aufweist, weil eine Schrittreduzierung des Motors verhindert
wird und der Strom entsprechend der angelegten Last geliefert wird.
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Selbst
wenn der Wert des Regelsignals des ersten Regelabschnitts durch
den ersten Aufteilungseinstellabschnitt auf einen Signalwert reduziert
wird, der dem vorstehend erwähnten
Motorwicklungsstrom entspricht, erhöht und verringert sich die
Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt gemäß dem Lastmoment, so dass das
Problem, dass ein unzureichendes Moment vorliegt, nicht eintritt.
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Da
der Strom außerdem
an die Motorwicklungen gemäß der am
Motor anliegenden Last geliefert wird, ist der energetische Wirkungsgrad
gut, und der Motor erzeugt weniger Wärme.
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Ferner
gibt es, da die θ-T-Kennlinie
der Regelung mit dem ersten Regelabschnitt direkt genutzt werden
kann, keine Verzögerung
bei der Regelung, so dass ein gutes Reaktionsvermögen erreicht
wird. Wenn an den Motor im gestoppten Zustand ein Lastmoment angelegt
wird, wird die Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt aktiviert,
um die θ-T-Kennlinie
des Motors auszugleichen. Demzufolge wird die gestoppte Position
so eingestellt, dass sie der Befehlsposition nahe kommt, wodurch
sich die Genauigkeit der gestoppten Position erhöht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Blockschaltbild, das
ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung
eines Positioniermotors zeigt.
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2 ein Blockschaltbild, das
ein Beispiel für
das Innere des ersten Schaltungsabschnitts der Regelvorrichtung
zeigt.
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3 ein Blockschaltbild der
Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt der Regelvorrichtung.
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4 eine grafische Darstellung,
die einen Fall zeigt, bei dem das Lageverhältnis (Phase) zwischen den
Ständerzähnen und
den Läuferzähnen des
Schrittmotors ein Phasenwinkel von 0° ist.
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5 eine grafische Darstellung,
die einen Fall zeigt, bei dem das Lageverhältnis (Phase) zwischen den
Ständerzähnen und
den Läuferzähnen des
Schrittmotors ein Phasenwinkel von 90° ist.
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6 ein Vektordiagramm des
Motorstroms in dem Zustand, in dem die Servoregelung durch den zweiten
Regelabschnitt durchgeführt
wird. Die Stromkomponenten werden nur in Richtung der senkrechten
Achse (90°)
in Bezug auf die Richtung der waagerechten Achse gezeigt (Kraftflussvektor).
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7 ein Vektordiagramm des
Motorstroms in dem Zustand, in dem die Regelung durch den ersten
Regelabschnitt durchgeführt
wird. Eine Strichlinie zeigt den Verlauf des Stromvektors in Bezug
auf die waagerechte Richtung (Kraftflussvektor).
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8 eine grafische Darstellung,
die einen zusammengesetzten Vektor zeigt, der aus dem Vektor des
Motorstroms bei Durchführung
der Regelung durch den ersten Regelabschnitt und aus dem Vektor des
Motorstroms bei Durchführung
der Servoregelung durch den zweiten Regelabschnitt besteht.
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9 ein θ-T-Kennliniendiagramm, das
das Verhältnis
zwischen dem erzeugten Drehmoment (senkrechte Achse) und dem Drehwinkel
(waagerechte Achse) des Läufers
des Schrittmotors zeigt.
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10 ein θ-T-Kennliniendiagramm, das das
Verhältnis
zwischen dem erzeugten Drehmoment (senkrechte Achse) und dem Drehwinkel
(waagerechte Achse) des Motorläufers
in dem Fall zeigt, in dem dem Schrittmotor eine Regelvorrichtung
hinzugefügt
worden ist, die entsprechend einer herkömmlichen Technologie (Japanisches
Patent mit der vorläufigen
Veröffentlichungs-Nr.
1999-113289) die in 9 gezeigte θ-T-Kennlinie
aufweist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend ausführlich unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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1 ist ein Blockdiagramm,
das ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung
des Positioniermotors zeigt, 2 ist
ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für das Innere des ersten Regelabschnitts
der Regelvorrichtung zeigt, und 3 ist
ein Blockdiagramm des Servoregelabschnitts des zweiten Regelabschnitts
der Regelvorrichtung.
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In 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Zweiphasen-Hybridschrittmotor,
bei dem auf der äußeren Umfangsfläche seines
Läufers
50 Läuferzähne ausgebildet
sind, die Ständerzähnen gegenüber stehen,
die auf der inneren Umfangsfläche
des Ständers des
Motors 1 ausgebildet sind. Ein Lagegeber 2 ist mit
dem Läufer
des Motors 1 verbunden, und ein Positionserfassungssignal
vom Lagegeber 2 wird als Rückführgröße an den ersten und an den
zweiten Regelabschnitt 3 und 4 angelegt. An den
Motor 1 wird mechanisch eine Last 10 angelegt.
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Sowohl
der erste als auch der zweite Regelabschnitt 3 und 4 erhalten
ein Befehlspositionssignal von außen, und im ersten und zweiten
Regelabschnitt 3 und 4 werden das Positionserfassungssignal
vom Lagegeber 2 und das Befehlspositionssignal verglichen,
und auf der Grundlage dieser Positionsabweichung wird ein Signal,
das einem zu den Wicklungen des Motors 1 zu lieferndem
Strom entspricht, an den ersten und zweiten Aufteilungseinstellabschnitt 5 und 6 ausgegeben.
Der erste und der zweite Aufteilungseinstellabschnitt 5 und 6 teilen
die Werte der von dem ersten beziehungsweise zweiten Regelabschnitt 3 und 4 ausgegebenen
Ausgangssignale auf der Grundlage eines darin eingestellten Aufteilungsverhältnisses
oder einer Aufteilungsrate auf und liefern die Ausgangssignale an
einen Syntheseabschnitt 7. Im Syntheseabschnitt 7 werden
die Vektoren der Ausgangssignale aus dem ersten und zweiten Aufteilungseinstellabschnitt 5 und 6 vektorsynthetisiert
(vektoraddiert), und das Ergebnis wird einem Ausgangsverstärkungsabschnitt 8 zugeleitet. Der
Ausgangsverstärkungsabschnitt 8 gibt
dann den Strom aus, der für
die Speisung der Wicklungen des Motors 1 gedacht ist.
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Der
erste in 2 gezeigte
Regelabschnitt 3 vergleicht ein Befehlspositionsimpulssignal,
das zum Beispiel als von außen
eingespeistes Befehlspositionssignal dient, mit einem Läuferpositionsimpulssignal,
bei dem das Signal vom Lagegeber 2 des Läufers des
Motors 1 über
ein Wegerfassungselement 12 in ein Impulssignal umgewandelt
worden ist, führt auf
der Grundlage dieser Positionsabweichung Berechnungen durch und
gibt ein Signal aus, das dem Strom entspricht, mit dem die Wicklungen
(A-Phasen- und/oder B-Phasenwicklung) des Motors 1 gespeist
werden sollen.
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Eine
32-Bit-CPU (Central Processor Unit) wird als erster Regelabschnitt 3 verwendet,
und das Ausgangssignal, das als Befehl für den Strom für die A-Phasen-
und/oder B-Phasenwicklung
des Motors 1 dient, wird im Regeltakt von 100 μs aktualisiert.
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Das
Innere des ersten Regelabschnitts 3 wird ausführlicher
anhand von 2 beschrieben.
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Der
erste Regelabschnitt besteht aus einem Befehlspositionszähler 11,
der die Befehlspositionsimpulssignale zählt, einem Läuferpositionszähler 13, der
die Läuferpositionsimpulssignale
zählt,
die zustande kommen, indem die vom Lagegeber 2 stammenden
Positionserfassungssignale mit dem Wegerfassungselement 12 umgewandelt
werden, einem Phasenberechnungsabschnitt 14, der die Impulssignale
von den Zählern 11 und 13 empfängt und
auf der Grundlage der Abweichung zwischen diesen beiden Impulssignalen
ein Adressensignal einer Sinuswellentabelle 15 ausgibt,
und der Sinuswellentabelle 15 für die Ausgabe von Sinuswellendatensignalen
entsprechend dem vom Phasenberechnungsabschnitt 14 stammenden
Adressensignal.
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Wenn
die Abweichung der Impulssignale von den Zählern 11 und 13 ein
Phasenwinkel ist, der nicht mehr als 90° beträgt, gibt der Phasenberechnungsabschnitt 14 ein
auf dem Befehlspositionsimpulssignal basierendes Adressensignal
aus und gibt als Strombefehl ein Sinuswellendatensignal aus, das diesem
Adressensignal von der Sinuswellentabelle 15 entspricht.
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Wenn
die Abweichung größer als
ein Phasenwinkel von höchstens
90° ist,
korrigiert der Phasenberechnungsabschnitt 14 die Phase
des Positionserfassungsimpulssignals des Motors 1 um einen Phasenwinkel
von 90° und
gibt ein auf den Befehlspositionsimpulssignalen basierendes Adressensignal
aus, und gibt als Strombefehl ein Sinuswellendatensignal aus, das
diesem Adressensignal von der Sinuswellentabelle 15 entspricht.
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Mit
dem Phasenberechnungsabschnitt 14 wird die Abweichung zwischen
der Befehlsposition und der Läuferposition
ständig überwacht,
indem die beiden Zählwerte
subtrahiert werden, und die Stromphase für die Speisung des Motors 1 wird
aus dem Wert des Befehlspositionszählers 11, dem Wert
des Läuferpositionszählers 13 und
dem Wert der Abweichung zwischen diesen Werten berechnet, und diese Stromphase
wird als Adressensignal an die Sinuswellentabelle 15 ausgegeben.
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Die
Berechnung der Stromphase erfolgt im Wesentlichen mit Hilfe des
folgenden Verfahrens.
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Wenn
der vorstehend erwähnte
Wert der Abweichungszählung
nicht mehr als ±250
beträgt
(Phasenwinkel von ±90°; hier ist
darauf hinzuweisen, dass der Phasenwinkelbereich von 360° 1000 Zählimpulsen
entspricht), wird der Wert des Befehlspositionszählers 11 direkt als
Stromphase an die Sinuswellentabelle 15 ausgegeben.
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Wenn
der Wert der Abweichungszählung +250 überschreitet,
wird als Stromphase ein Wert an die Sinuswellentabelle 15 ausgegeben,
der erhalten wird, indem 250 zum Wert des Läuferpositionszählers 13 hinzuaddiert
wird. Wenn der Wert der Abweichungszählung –250 überschreitet, wird als Stromphase
ein Wert an die Sinuswellentabelle 15 ausgegeben, der erhalten
wird, indem vom Wert des Läuferpositionszählers 13 250
subtrahiert wird. In diesem Fall entspricht dieser Wert exakt dem
Wert, der erhalten wird, indem dem Wert des Läuferpositionszählers 13 250
hinzuaddiert und der Strom invertiert wird.
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Der
zweite in 3 gezeigte
Regelabschnitt 4 stellt einen gewöhnlichen Regelabschnitt eines Servomotors
dar. Der zweite Regelabschnitt 4 vergleicht das von außen angelegte
Befehlspositionssignal mit dem Erfassungssignal des mit dem Läufer des
Motors 1 verbundenen Lagegebers 2, und diese Positionsabweichung
wird durch den Ausgangsverstärkungsabschnitt 8 verstärkt, und
Strom wird zu den den Motor 1 antreibenden Wicklungen des
Motors 1 geliefert. Diese Regelung ist unter der Bezeichnung
Rückführungsregelung
oder Servoregelung bekannt, und durch dieses Regelsystem wird der
Motor 1 mit einem Strom, der sich mit der mechanisch an den
Motor 1 angelegten Last 10 im Gleichgewicht befindet,
auf die Befehlsposition gestellt.
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Die
Wirkungsweise der Regelvorrichtung für die obige Lageregelung wird
als nächstes
für einen Fall
beschrieben, bei dem der Motor 1 ein Schrittmotor ist.
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Zum
Ersten ist im Schrittmotor eine Vielzahl (bei diesem Ausführungsbeispiel
50) von Ständerzähnen und
Läuferzähnen in
den einander gegenüberliegenden
Oberflächen
des Ständers
beziehungsweise Läufers
ausgebildet, und die gegenüberliegenden
Zähne werden
aufgrund des jeweiligen Kraftflusses angezogen oder abgestoßen, wodurch
ein Drehmoment erzeugt wird, das bewirkt, dass sich der Läufer dreht.
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Wie
in 4 gezeigt wird, wird,
wenn das Lageverhältnis
(Phase) zwischen den Ständerzähnen und
den Läuferzähnen ein
Phasenwinkel von 0° ist,
kein Drehmoment durch den Kraftfluss erzeugt. Wie in 5 gezeigt wird, wird, wenn
das Lageverhältnis
zwischen den Ständerzähnen und
den Läuferzähnen ein
Phasenwinkel von 90° ist,
magnetisch ein Drehmoment erzeugt. Außerdem wird unter identischen
Bedingungen bezüglich
des Stroms der Ständerwicklungen,
wenn die Phase 90° beträgt, ein
maximales Drehmoment erzeugt, während,
wenn die Phase –90° ist, ein
maximales Drehmoment in der Richtung erzeugt wird, die der im Falle
einer Phase von 90° vorliegenden
Richtung entgegengesetzt ist (negative Richtung).
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Die
Anwendung der Servoregelung auf Schrittmotoren wird durch eine ähnliche
Verfahrensweise realisiert wie für
synchronisierte Wechselstrommotoren. Wie vorstehend ausgeführt worden ist,
wird der beste Wirkungsgrad erreicht, wenn der Erregungswinkel des
in die Ständerwicklungen
eingespeisten Stroms ein Phasenwinkel von –90° oder +90° ist, und demzufolge wird der
Erregungswinkel auf 90° oder –90° eingestellt.
Die Größe des Stroms ändert sich
in Abhängigkeit
vom Befehlssignal und von der Rückführungsregelung
des Lagegebers 2.
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In
diesem Fall gibt es, wie in 6 gezeigt wird,
bei der Servoregelung eine Stromkomponente lediglich in Richtung
der senkrechten Achse (90°).
In 6 wird die Lage des
Läufers
durch den Kraftfluss des Läufers
ausgedrückt.
Wenn die Regelung auf diese Weise durchgeführt wird, erhöht sich
das erzeugte Drehmoment proportional zur Größe des Erregungsstroms. Im
Falle der Rückführungsregelung wird
der Strom eingestellt, indem er entsprechend dem Lastmoment geregelt
wird, und es wird ein guter energetischer Wirkungsgrad erreicht.
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Wenn
man das in 2 gezeigte
Verfahren, bei dem die Regelung mit dem ersten Regelabschnitt 3 erfolgt,
vom Standpunkt des Läufers
aus betrachtet, ist die Größe des Erregungsstroms
konstant, während
sich der Erregungswinkel in Abhängigkeit von
dem angelegten Lastmoment ändert
und in einem Bereich von ±90° eingestellt
wird. Wie in 7 gezeigt
wird, beschreibt der Erregungsstrom einen Halbkreis. In Richtung
der waagerechten Achse in 7 wird
kein Drehmoment erzeugt, aber es wird ein Drehmoment bei den Teilen
in Richtung der senkrechten Achse erzeugt, und somit wird nahe 0° kein Drehmoment erzeugt,
während
bei ±90° ein positives beziehungsweise
negatives maximales Drehmoment erzeugt wird.
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8 zeigt, wie die Erregungsströme der Regelung
mit dem ersten Regelabschnitt 3 und der Servoregelung mit
dem zweiten Regelabschnitt 4 durch Vektoraddition synthetisiert
werden.
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Außerdem ändern sich
der Signalwert der Regelung mit dem ersten Regelabschnitt 3 (Stromwert)
und der Signalwert der Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt 4 (Stromwert)
in Abhängigkeit
von der Last, aber der maximale nutzbare Signalwert (Stromwert)
der beiden Regelungen kann mit Hilfe des ersten und des zweiten
Aufteilungseinstellabschnitts 5 und 6 auf jedes
Aufteilungsverhältnis oder
jede Aufteilungsrate eingestellt werden.
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Wenn
zum Beispiel der Signalwert, der dem Strom entspricht, der beim
zu regelnden Motor 1 ein maximales Drehmoment erzeugen
kann, gleich 100% gesetzt wird, können sie so aufgeteilt werden, dass
auf die Regelung mit dem ersten Regelabschnitt 3 und die
Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt 4 jeweils
ein Strom von 50% entfällt.
In diesem Fall wird das Signal für
die Regelung mit dem ersten Regelabschnitt 3 so geliefert,
dass es immer einem Strom von 50% entspricht, und das Signal für die Servoregelung
mit dem zweiten Regelabschnitt 4 wird so geliefert, dass
es, je nach Last, einem Strom von 0 bis 50% entspricht.
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Wenn
somit die Regelung mit dem ersten Regelabschnitt 3 und
die Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt 4 synthetisiert
werden, wird der Motor 1 mit einem Wicklungsstrom von 50%
bis 100% betrieben.
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Energetischer Wirkungsgrad
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Als
Arbeitsbeispiel für
das vorliegende Ausführungsbeispiel
wird ein Fall beschrieben, bei dem die Drehmomentaufteilung zwischen
der Regelung mit dem ersten Regelabschnitt 3 und der Servoregelung
mit dem zweiten Regelabschnitt 4 von dem ersten und zweiten
Aufteilungseinstellabschnitt 5 und 6 auf 50% :
50% eingestellt wird.
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Wenn
während
des Betriebs des Motors 1 auf Grund der Lastträgheit beim
Beschleunigen oder Bremsen ein Drehmoment in Höhe von 70% des maximalen Drehmoments
erforderlich ist, entspricht die Regelung mit dem ersten Regelabschnitt 3 immer
der Ausgangsgröße eines
Stromwerts von 50%, was allein aber noch nicht ein ausreichendes
Drehmoment ergibt. In diesem Fall wird die durch den zweiten Regelabschnitt 4 bewirkte
Servoregelung (Rückführungsregelung)
aktiviert und gleicht die unzureichende Höhe des Drehmoments aus, indem
sie einen Stromwert von 20% ausgibt, wodurch sich ein Drehmoment
ergibt, das der Lastträgheit
entspricht. Außerdem
wird, wenn die Drehzahl konstant ist, kein wegen Lastträgheit erforderliches
Lastmoment erzeugt, so dass in diesem Fall der Motor 1 nur
mit der Ausgangsgröße des Stromwerts
der Regelung mit dem ersten Regelabschnitt 3 angetrieben
wird.
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Wenn
nur die Regelung mit dem dritten Regelabschnitt 3 genutzt
wird, wird der Motor 1 ständig mit einem Strom beliefert,
der größer ist
als die maximale Last beim Antrieb des Motors (70%). Somit wird,
indem die Regelung sowohl mit dem dritten als auch mit dem vierten
Regelabschnitt durchgeführt wird,
anstatt lediglich mit dem ersten Regelabschnitt 3, insgesamt
weniger Strom geliefert, und damit erhöht sich der energetische Wirkungsgrad.
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Reaktionsvermögen
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Bei
der Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt 4 wird
die Lageabweichung zwischen dem Befehlspositionssignal und dem Positionserfassungssignal
durch den zweiten Regelabschnitt 4 und dadurch verstärkt, dass
sie über
den Ausgangsverstärkungsabschnitt 8 geführt wird.
Sie wird als Strom den Wicklungen des Motors 1 zugeführt, wobei
es aber zu diesem Zeitpunkt zu einer Regelverzögerung kommt. Bei der Regelung
mit dem ersten Regelabschnitt 3 kann die θ-T-Kennlinie
des Motors 1 direkt übernommen
werden, so dass es nicht zu einer Regelverzögerung kommt. Dies führt dazu,
dass das Regelsignal, das erhalten wird, indem die von den beiden
Regelabschnitten 3 und 4 ausgegebenen Signale
mit dem Syntheseabschnitt 7 und dessen Ausgang synthetisiert
werden, ein besseres Reaktionsvermögen aufweist, als es der Fall
ist, wenn nur die Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt genutzt
wird.
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Stoppgenauigkeit
-
Der
Schrittmotor 1 erzeugt auf Grund seiner θ-T-Kennlinie
ein Drehmoment. Wenn demzufolge ein Lastmoment angelegt wird, wenn
der Motor im gestoppten Zustand ist, verschiebt sich der Winkel des
Läufers,
und es wird ein der Last entsprechendes Drehmoment erzeugt. Andererseits
stellt bei der Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt 4 der Regelabschnitt 4 das
Drehmoment so ein, dass die Erfassungsposition des Läufers der
Befehlsposition nahe kommt. Demzufolge verschiebt sich die Stoppposition
infolge der Lastschwankungen, wird aber durch die Regelung verstellt.
-
In
dem Falle, in dem die Regelung lediglich mit dem ersten Regelabschnitt 3 erfolgt,
kann nur dann ein Drehmoment erzeugt werden, wenn sich der Läuferwinkel
verschiebt. Im Falle der Servoregelung mit dem zweiten Regelabschnitt 4 ist
es aber möglich,
ein Drehmoment selbst dann zu erzeugen, wenn der Läuferwinkel
nicht in Bezug auf die Befehlsposition verschoben wird. Demzufolge
wird, wenn im gestoppten Zustand des Motors ein Lastmoment vorhanden
ist, die Stoppposition durch die Servoregelung des zweiten Regelabschnitts 4 verstellt,
so dass die Genauigkeit der Stoppposition verbessert wird.
-
Die
Erfindung kann auch in anderen Formen realisiert werden, ohne dass
damit vom Geist oder von den wesentlichen Eigenschaften der Erfindung abgewichen
wird. Die in dieser Anwendung offengelegten Ausführungsbeispiele sind in jeder
Hinsicht lediglich als Erläuterungsbeispiele
anzusehen und stellen keine Einschränkung dar. Der Geltungsbereich der
Erfindung ergibt sich eher aus den beigefügten Ansprüchen als aus der vorstehenden
Beschreibung, und sämtliche Änderungen,
die unter den Bedeutungsumfang der Ansprüche fallen und dem beanspruchten
Inhalt gleichwertig sind, gelten als der beanspruchten Erfindung
zugehörig.
-
FIGUREN:
-
1
COMMAND POSITION
SIGNAL – BEFEHLSPOSITIONSSIGNAL
FIRST
CONTROL PORTION – ERSTER
REGELABSCHNITT
FIRST DISTRIBUTION ADJUSTING PORTION – ERSTER
AUFTEILUNGSEINSTELLABSCHNITT
SECOND DISTRIBUTION ADJUSTING
PORTION – ZWEITER
AUFTEILUNGSEINSTELLSABSCHNITT
POSITION DETECTION SIGNAL – POSITIONSERFASSUNGSSIGNAL
POSITION
DETECTOR – LAGEGEBER
LOAD – LAST
-
2
COMMAND POSITION
SIGNAL – BEFEHLSPOSITIONSSIGNAL
PULSED
SIGNAL – IMPULSSIGNAL
ROTOR
POSITION DETECTION SIGNAL – LÄUFERPOSITIONSERFASSUNGSSIGNAL
POSITION
DECODER – WEGERFASSUNGSELEMENT
COMMAND
POSITION COUNTER – BEFEHLSPOSITIONSZÄHLER
ROTOR
POSITION COUNTER – LÄUFERPOSITIONSZÄHLER
PHASE
CALCULATION PORTION – PHASENBERECHNUNGSABSCHNITT
ADDRESS
SIGNAL – ADRESSENSIGNAL
SINE
WAVE TABLE – SINUSWELLENTABELLE
A
PHASE CURRENT COMMAND – A-PHASEN-STROMBEFEHL
B
PHASE CURRENT COMMAND – B-PHASEN-STROMBEFEHL
-
3
COMMAND POSITION
SIGNAL – BEFEHLSPOSITIONSSIGNAL
POSITION
DETECTION SIGNAL – POSITIONSERFASSUNGSSIGNAL
POSITION
DETECTOR – LAGEGEBER
LOAD – LAST
-
4, 5
ELECTRICAL ANGLE – PHASENWINKEL
STATOR
SIDE – STÄNDERSEITE
ROTOR
SIDE – LÄUFERSEITE
TOOTH – ZAHN
-
6; 7, 8
ARC
SECONDS OF ROTOR – BOGENSEKUNDEN DES
LÄUFERS
ELECTRICAL
ANGLE – PHASENWINKEL
EXCITATION
CURRENT (POSITIVE, NEGATIVE) – ERREGUNGSSTROM
(POSITIV, NEGATIV)
MAGNETIC FLUX – KRAFTFLUSS
VECTOR ARC
OF CONTROL – VEKTORBOGEN DER
REGELUNG
VECTOR ARC OF SERVO CONTROL BY SECOND CONTROL PORTION – VEKTORBOGEN
DER SERVOREGELUNG DURCH ZWEITEN REGELABSCHNITT
VECTOR ARC OF
CONTROL BY FIRST CONTROL PORTION – VEKTORBOGEN DER REGELUNG DURCH
ERSTEN REGELABSCHNITT
-
9, 10
RELATED ART – STAND DER TECHNIK
CW
DIRECTION – IN
UHRZEIGERRICHTUNG
TORQUE – DREHMOMENT
CCW
DIRECTION – ENTGEGEN
DER UHRZEIGERRICHTUNG
ROTOR POSITION (DEGREE) – LÄUFERPOSITION
(GRAD)
BL MODE – BETRIEBSART
BL
ST MODE – BETRIEBSART
ST