DE102022121582A1

DE102022121582A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Schrittmotor-Ansteuerung sowie 3D-Drucker

Info

Publication number: DE102022121582A1
Application number: DE102022121582.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zenker
Original assignee: isepos GmbH
Current assignee: isepos GmbH
Priority date: 2022-08-25
Filing date: 2022-08-25
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ansteuerung von Schrittmotoren insbesondere bei 3D-Druckern. Dabei sind eine Einheit zur Eingabe von anzufahrenden Zielkoordinaten P1, P2, P3 sowie eine weitere Einheit zur Umsetzung der Zielkoordinaten in ein primäres Geschwindigkeitsprofil Vx, Vy zur Erreichung der Zielkoordinaten P1...P3 insbesondere über konstante Beschleunigungen BL, sowie eine weitere Einheit zur FIR-Filterung des primären Geschwindigkeitsprofils Vx, Vy und eine nachgeordnete Einheit zur zeitlichen Integration des gefilterten Geschwindigkeitsprofils VCx, VCy und zur Ausgabe von Schrittimpulsen an die Schrittmotoren vorgesehen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Schrittmotors, insbesondere für Schrittmotoren in 3D-Druckern und 3D- Drucker mit derartigen Schrittmotoren.
STAND DER TECHNIK
Schrittmotoren eignen sich aufgrund ihrer Ansteuerung über abzählbare Inkremente insbesondere für den Einsatz in Geräten, bei denen es auf eine möglichst präzise und wiederholbare Positionierung ankommt, wie z.B. Scanner, medizinische Geräte zur Bildgebenden Untersuchung (Tomographie), Robotergelenke oder auch Drucker. Insbesondere bei modernen 3D-Druckern mit multiplen koordinierten Achsen wirkt dabei eine ganze Reihe von Gruppen von Schrittmotoren funktional zusammen, so dass erhöhte Anforderungen an die synchron abgestimmten Verfahrabläufe und die Positioniergenauigkeit aller Schrittmotoren vorliegen.
Die zumeist angestrebte möglichst hohe Arbeitsgeschwindigkeit bedingt, dass auch größere Distanzen mit hoher Geschwindigkeit abgefahren werden. Typisch wird dabei jeder Schrittmotor ausgehend von einer ersten Zielkoordinate (z.B. Startposition) mit einer konstanten Beschleunigung bis zur Höchstgeschwindigkeit angesteuert und dann, nach Durchfahren einer Teilstrecke mit Höchstgeschwindigkeit, vor dem Erreichen der zweiten Zielkoordinate (Zielposition) wieder mit konstantem Betrag verzögert. Zum Anfahren weiterer Zielkoordinaten wiederholt sich dieser Vorgang entsprechend.
Je nach Ausführungsgröße des Geräts und den Massen der bewegten Komponenten wirken bei jeder Geschwindigkeitsänderung (Richtung und/oder Betrag) zum Teil erhebliche Trägheitskräfte, die wiederum mit entsprechenden mechanischen Belastungen einhergehen. Insbesondere beim Anfahren aus dem Ruhezustand und bei deutlichen Richtungsänderungen entsteht prinzipiell ein Ruck (Ableitung der Beschleunigung), dessen theoretisch unendlicher Wert nur durch elastische Effekte der mechanischen Konstruktion, sowie die Trägheit des Rotors und die Entstehung eines Schleppwinkels vermindert ist.
Werden bei Geschwindigkeitsänderungen bestimmte Grenzwerte überschritten, so kann ein überlasteter Schrittmotor kurzzeitig außer Tritt geraten. Das Lastmoment, welches auf den Schrittmotor einwirkt, übersteigt das maximal vom Schrittmotor abzugebende Drehmoment: der Rotor kann dem vorgegebenen Feld des Stators nicht mehr folgen und Schritte werden übersprungen (Schlupf). Eine einfache Erhöhung des Drehmoments durch Einsatz leistungsstärkerer Schrittmotoren ist in vielen Anwendungsbereichen nicht möglich. Insbesondere bei 3D-Druckern sind Schrittmotoren Teil der bewegten Komponenten und deren Vergrößerung führt zu entsprechend größeren bewegten Massen und damit erhöhten Trägheitsmomenten.
Darüber hinaus zeigen die Schrittmotoren gerade bei hohen Geschwindigkeiten beziehungsweise Beschleunigungen erhebliche Verschleißerscheinungen, die insbesondere durch Vibrationen verstärkt werden und zu erheblichen Beschädigungen der Schrittmotoren führen können. Daher ist es von erheblicher Bedeutung, dass diese Schrittmotoren regelmäßig und aufwendig gewartet werden um Störungen insbesondere durch mechanische Beschädigungen zu verhindern.
Die EP 3 142 244 B1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion auftretender Schrittverluste bei einem Schrittmotor mittels Messung des zeitlichen Verhaltens der Wirkleistung dP/dt. Dabei wird vorausgesetzt, dass es im Normalbetrieb keine sprunghaften Veränderungen der Last gibt, da diese sonst fehlerhaft als Schrittverlust interpretiert werden würden. Diese Einschränkung reduziert die Einsatzmöglichkeit des in diesem Dokument offenbarten Verfahrens auf Anwendungen, bei denen Schrittmotoren nur mäßig belastet werden (kleine bewegte Massen, geringe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten).
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Ansteuerung von Schrittmotoren sowie entsprechende 3D-Drucker zu entwickeln, die sich insbesondere durch reduzierte Störungsanfälligkeit, Präzision und Wartungsfreundlichkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit 3D-Drucker gelöst, welcher die im Anspruch 12 angegebenen Merkmale aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Ansteuerung gelöst, welche die im Anspruch 13 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors umfasst eine Einheit zur Eingabe von anzufahrenden Zielkoordinaten, eine weitere Einheit zur Umsetzung der Zielkoordinaten in ein primäres Geschwindigkeitsprofil zur Erreichung der Zielkoordinaten und einer Einheit zur FIR-Filterung des primären Geschwindigkeitsprofils und einem Ansteuerausgang zur Verbindung mit dem anzusteuernden Schrittmotor.
Dabei hat es sich insbesondere die FIR-Filterung als vorteilhaft erwiesen, da bei dieser Art der digitalen Filterung wahlweise verschiedene Filterfunktionen implementiert werden können, die dann über eine entsprechende Sample-Rate getaktet auf das primäre Geschwindigkeitsprofil wirken, wodurch nach Ansteuerung des zugeordneten Schrittmotors modifizierte Bewegungsabläufe erzeugt werden können. Diese modifizierten Bewegungsabläufe zeichnen sich insbesondere durch ein geglättetes Geschwindigkeitsprofil aus, durch das abrupte Beschleunigungen und damit verbundene Stöße und Vibrationen reduziert werden können und dadurch die Anfälligkeit für Störungen der Schrittmotoren verbessert werden kann.
Für die Filterung des primären Geschwindigkeitsprofils hat es sich bewährt, dass die Vorrichtung zur Ansteuerung so weitergebildet wird, dass in der Einheit zur FIR-Filterung eine Filterfunktion implementiert ist, die im Anfangs- und Endbereich des Verlaufs der Filterfunktion stetig, differenzierbar und asymptotisch gegen Null verlaufend ausgebildet ist. Damit erfolgen insbesondere Anfahrvorgänge aus einer Stillstandposition aber auch Abbremsvorgänge und Richtungsänderungen besonders gleitend und gedämpft, was sich besonders vorteilhaft auf die Robustheit des auf diese Weise angesteuerten Schrittmotors auswirkt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Vorrichtung zur Ansteuerung eines Schrittmotors ist in der Einheit zur FIR-Filterung eine Filterfunktion implementiert, die als symmetrische Filterfunktion ausgebildet ist. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass beispielsweise Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge von gleichem Betrag in gleicher Weise modifiziert werden. Weiterhin gelingt es, sowohl bei Beschleunigung-und Abgangsvorgängen unerwünschte und abrupte Veränderungen zu verhindern und dies zudem auf effiziente Weise, im Rahmen der Programmierung des FIR-Filters und damit bei der Dimensionierung der Einheit zur FIR-Filterung, zu nutzen. Auch gelingt es, die Ansteuerung nicht nur effizient sondern auch schneller zu gestalten.
Dabei hat es sich besonders bewährt, die Vorrichtung zur Ansteuerung so weiterzubilden, dass in der Einheit zur FIR-Filterung eine Filterfunktion implementiert ist, die als cos²-, Gauss- oder Tukey-Filterfunktion ausgebildet ist. Diese symmetrischen Filterfunktionen sind mit wenigen Parametern in ihrem Verlauf (z.B. Fensterbreite) festgelegt und entsprechend einfach definierbar und zu implementieren. Diese besonders bevorzugten Filterfunktionen ermöglichen damit eine effiziente Programmierung und Auslastung der Einheit zur FIR-Filterung und damit eine besonders wirksame und schnelle Ansteuerung eines Schrittmotors.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einheit zur FIR-Filterung in einem FPGA ausgebildet und damit implementiert. In diesem FPGA ist dann die jeweilig bevorzugte Filterfunktion implementiert. Durch diese Wahl des Prozessors ist gewährleistet, dass eine effiziente und sehr schnelle FIR-Filterung ermöglicht ist, was die Ansteuerung sehr sicher und schnell macht. Dies bietet u.a. auch die einfache Möglichkeit, Parameter der Filterfunktion nachträglich durch Überschreiben wahlweise zu ändern und auch den Typ der Filterfunktion zu wechseln, z.B. von Tukey-Filter zu einem Gauss-Filter.
In einer weiteren Ausführungsform einer weitergebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung weist die Einheit zur FIR-Filterung eine wählbare Fensterbreite der Filterfunktion auf. Damit lässt sich bereits bei ein und derselben Filterfunktion (z.B. Gauss) die Filterwirkung variieren. Eine größer gewählt Fensterbreite resultiert in einer stärkeren Glättung und damit Dämpfung und damit zu verringerten Beschleunigungswerten insbesondere zu reduzierten Beschleunigungsspitzen. Umgekehrt sorgt eine Verringerung der Fensterbreite für eine reduzierte Rechenbelastung für die FIR-Filterung und damit zu einer schnelleren Ansteuerung. Diese vorteilhaften Effekte sind gerade bei der vorgenannten Implementierung der Filterfunktion in einem FPGA besonders einfach zu bewerkstelligen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors ist vorzugsweise so weitergebildet und ausgelegt, dass Zielkoordinaten einen Startwert und einen Endwert und insbesondere ein oder mehrere Zwischenwerte umfassen. Durch das Vorsehen von Zwischenwerten wird es möglich, den durch die Ansteuerung des Schrittmotors definierten Bewegungsablauf noch verlässlicher und erschütterungsärmer zu gestalten, was sich in einer Reduzierung von abrupten Richtungsänderungen und damit von störenden hohen Beschleunigungen niederschlägt. Dabei können die Zwischenwerte sowohl als Zwischenwerte der Zielkoordinaten aber auch als Zwischenwerte des primären Geschwindigkeitsprofils realisiert sein und damit Situation abhängig unterschiedlich gewählt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei die Einheit zur FIR-Filterung so ausgebildet, dass die FIR-Filterung entweder nur zwischen benachbarten Zielkoordinaten erfolgt und/oder auch über zwischengelagerte Zielkoordinaten hinweg erfolgen kann. Dies bietet u.a. auch die vorteilhafte Möglichkeit, dass auch ganze Vektorzüge über verschiedene insbesondere mehrere Zwischenpositionen in einem einzigen kontinuierlichen Vorgang ohne Stopp an den Zwischenpositionen durchfahren werden können. Da durch die FIR-Filterung des primären Geschwindigkeitsprofils und der Wahl der verschiedenen Zwischenpositionen keine überhöhten Beschleunigungswerte auftreten, ist die gesamte für den Verfahrprozess zusammenwirkende mechanische Anordnung deutlich weniger belastet, die Motoren laufen ruhiger und eine Anregung unerwünschter Vibrationen oder Resonanzen wird weitgehend vermieden. Dies ist insbesondere in 3D-Druckern von Vorteil, da hier typisch sehr große Anzahlen von Vektorzügen zu durchfahren sind, die durch Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung quasi am Stück durchfahren werden können, was zusätzlich den Zeitaufwand für die Erstellung eines 3D-Drucks erheblich reduziert. Zudem gelingt es, die Wartungsfreundlichkeit deutlich zu verbessern.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung wird vorteilhaft dergestalt ausgelegt, dass die Ansteuerung mehrere Schrittmotoren synchron umfasst. Hier liegt ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Einsatzes einer Einheit zur FIR-Filterung, da diese bei der FIR-Filterung die Eigenschaft einer konstanten Gruppenlaufzeit insbesondere bei identischer Sample-Rate aufweisen. Damit ist gewährleistet, dass bei gleichzeitigem Einsatz mehrerer Filter im parallelen Betrieb verschiedener Schrittmotoren alle einzelnen Beschleunigungskurven dieselben Anstiegszeiten aufweisen und somit synchronisiert sind. Dies hat zudem den Vorteil, dass Synergien in der Vorrichtung beziehungsweise in der Durchführung des Verfahrens zur Ansteuerung genutzt werden können.
Damit ist diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere geeignet, mehrere Schrittmotoren dergestalt parallel anzusteuern, dass sich bei ändernden Bewegungsvektoren auch über mehrere Achsen, z.B. bei einem 3D-Drucker, die Beschleunigungswerte nicht sprunghaft ändern und die Verfahrabläufe auch über mehrere Zwischenpositionen weitgehend ruckfrei ausfallen. Durch diesen Dämpfungseffekt können die Schrittmotoren insgesamt mit durchschnittlich höheren Geschwindigkeiten angesteuert werden, ohne dass Schrittverluste auftreten.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung von Schrittmotoren hat es sich auch gezeigt, dass sie auch geeignet ist, neben Bewegungsabläufen im klassischen Ortsraum auch andere durch Schrittmotoren gesteuerte Abläufe zu optimieren. Neben den klassischen Zielkoordinaten aus dem Ortsraum können nun als generalisierte Zielkoordinaten, die es über Schrittmotoren anzusteuern gilt, auch andere unterschiedliche Regelvorgaben bzw. Einstellwerte eine Grundlage für die Zielkoordinaten bilden und zur Verwendung beziehungsweise Ansteuerung vorgesehen sein. Auch bei diesen ergänzenden generalisierten Zielkoordinaten gibt es vergleichbare Probleme mit unerwünschten Beschleunigungswerten, Vibrationen oder Beschädigungen durch unvorteilhaftes Ansteuern der zugehörigen Schrittmotoren. Dies bietet die Möglichkeit der vorteilhaften Ausgestaltung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der Zielkoordinaten neben Raumkoordinaten auch wenigstens einen weiteren Ansteuerwert betreffen, der insbesondere Materialmengen, Drehwinkel, Orientierung, Maße für eine Düsenöffnung, Pressdrücke, Temperaturen oder ein Mischungsverhältnis repräsentiert. Hierdurch gelingt es, die Vorteile der erfindungsgemäßen Ansteuerung von Schrittmotoren nicht nur auf Anordnungen mit Schrittmotoren zur Festlegung der räumlichen Bahn sondern auch auf andere Anordnungen mit differenzierten Aufgaben und Funktionen zu erweitern und dadurch die Vorteile zu übertragen. Dies gilt insbesondere für 3D-Drucker und hier bevorzugt für die Ansteuerung von Schrittmotoren zur Komponentenaufbringung.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors werden im Bereich der Zielkoordinaten des primären Geschwindigkeitsprofils zusätzliche Geschwindigkeitswerte ergänzt oder gleich Null gesetzt werden. Durch diese insbesondere zusätzlichen Null-Werte wird sichergestellt, dass bei der FIR-Filterung stets ausreichend viele Geschwindigkeitswerte in dem primären Geschwindigkeitsprofil zur Verfügung stehen, sodass die FIR-Filterung störungsfrei erfolgen kann und eine besonders ruckfreie Ansteuerung der Schrittmotoren ermöglicht ist. Diese Null-Werte werden bevorzugt im Bereich der Startwerte beziehungsweise der Endwerte der gesamten Bewegungsbahn insbesondere des 3D-Druckkopfes verwendet und ermöglichen damit ein besonders sanftes, störungsarmes und vibrationsfreies Anlaufen der Bewegung aus der Startposition beziehungsweise ein entsprechendes sanftes, störungsarmes und vibrationsfreies Auslaufen der Bewegung in der Endposition beispielsweise des Druckkopfes eines 3D-Druckers. Diese Null-Werte werden nicht notwendigerweise im Bereich der Startposition und der Endposition verwendet, sondern können auch an verschiedenen anderen Zielkoordinaten zwischen diesen Positionen Verwendung finden.
Die Erfindung betrifft neben der Vorrichtung zur Ansteuerung eines Schrittmotors in einer beliebigen Vorrichtung auch einen 3D-Drucker mit wenigstens einem Schrittmotor, der mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Ansteuerung versehen ist. Gerade die 3D-Drucker weisen eine Reihe von Schrittmotoren für unterschiedliche Aufgaben auf, die insbesondere aufgrund der Zielsetzung eines kurzen und effizienten Druckprozesses besonders stark belastet sind und besonders vibrations- und störungsanfällig sind. Ein Ausfall dieser Komponenten eines 3D-Druckers ist zu vermeiden, weshalb sich die Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung oder auch des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors besonders vorteilhaft auswirkt.
Die Erfindung betrifft neben der Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors auch ein Verfahren zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors insbesondere eines 3D-Druckers, bei dem Zielkoordinaten eingegeben werden, diese in ein primäres Geschwindigkeitsprofil zur Erreichung der Zielkoordinaten umgesetzt und dieses primäre Geschwindigkeitsprofil anschließend einer FIR-Filterung unterzogen und das gefilterte Geschwindigkeitsprofil über einen Ansteuerausgang dem Schrittmotor zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung erfolgt dabei in mehreren Schritten. In einem ersten Schritt werden die Zielkoordinaten eingegeben, z.B. Punkte im Raum, die hintereinander mittels eines oder mehrerer Schrittmotoren möglichst präzise angefahren werden sollen. Daraus wird dann im Regelfall ein Vektorzug im Ortskoordinatenraum erstellt.
In einem zweiten Schritt erfolgt der Übergang vom Ortkoordinatenraum in einen Geschwindigkeitsraum. Dabei werden Bahnabschnitte zwischen den Zielkoordinaten in Geschwindigkeitsvektoren umgesetzt, die für jeden beteiligten Schrittmotor eine Geschwindigkeitskomponente repräsentieren und zusätzlich eine Zeitkomponente zeigen. Vorzugsweise ist diese als Anzahl der Abtastzeiträume realisiert und gibt die den Zeitraum für die Bewegung vom Ausgangspunkt eines Bahnabschnitts zum Endpunkt des Bahnabschnitts bei vorgegebenen Geschwindigkeitskomponenten wieder. Die Geschwindigkeitskomponenten bilden gemeinsam das primäre Geschwindigkeitsprofil. Das auf diese Weise erhaltene primäre Geschwindigkeitsprofil zeigt im Regelfall zwischen den Zielkoordinaten einen abschnittsweise linearen Verlauf.
In einem dritten Schritt erfolgt die Filterung des primären Geschwindigkeitsprofils mittels FIR-Filterung, durch die eine Glättung der Geschwindigkeitsverläufe der jeweiligen Geschwindigkeitskomponenten der einzelnen Schrittmotoren einhergeht. Die Wahl der Charakteristik der FIR-Filterung, z.B. als cos²-Funktion mit bestimmter Fensterbreite, hat Einfluss auf die Form beziehungsweise das Maß der Glättung der Geschwindigkeitsverläufe.
In einem vierten Schritt werden die geglätteten Geschwindigkeitsverläufe der einzelnen Schrittmotoren über den Ansteuerausgang als Schrittimpulse den jeweiligen Schrittmotoren zugeführt.
Durch dieses vorteilhafte Verfahren zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors gelingt es, die Bewegungsabläufe zu modifizieren und dadurch ein geglättetes Geschwindigkeitsprofil sicherzustellen, durch das unerwünschte abrupte Beschleunigungen und damit verbundene Stöße und Vibrationen reduziert werden können und dadurch die Anfälligkeit für Störungen der Schrittmotoren verbessert werden kann.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors hatte sich gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, das primäre Geschwindigkeitsprofil nicht nur mit einem FIR-Filterungsablauf anzupassen sondern den FIR-Filtervorgang wiederholt anzuwenden und dadurch das endgültige gefilterte Geschwindigkeitsprofil durch wiederholte FIR-Filterung aus dem primären Geschwindigkeitsprofil zu generieren. Dazu können zwei oder mehrere FIR-Filterzyklen durchlaufen werden. Damit kann das erzeugte Geschwindigkeitsprofil insbesondere in den hohen Frequenzen wahlweise mehr oder weniger geglättet beziehungsweise gedämpft werden. Dadurch kann das Auftreten von störenden Beschleunigungsspitzen besonders effizient reduziert werden und dadurch die Sicherheit und die Wartungsfreundlichkeit und Langlebigkeit des Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung zur Ansteuerung von Schrittmotoren und damit auch der so angesteuerten Schrittmotoren verbessert werden.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der der FIR-Filtereinheit nachgeschaltete Ansteuerausgang für eine Umsetzung der am Ausgang des FIR-Filters anfallenden geglätteten Geschwindigkeitswerte in eine Weginformation ausgelegt. Dies erfolgt durch zeitliche Integration des gefilterten Geschwindigkeitsprofils. Sobald die aktuell ermittelte integrale Weglänge der Schrittweite eines Schrittes des angesteuerten Schrittmotors entspricht, gibt die Einheit einen Schrittimpuls an den Schrittmotor aus. Dies führt zu einer sehr wirkungsvollen und sicheren Ansteuerung für einen Schrittmotor.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Erzeugung der Schrittimpulse mit einem Vielfachen der Filter-Sample-Rate erfolgt. Die damit verbundene Interpolation bewirkt eine höhere zeitliche Auflösung der Schrittfolge des angesteuerten Schrittmotors.
Die einzelnen Verfahrensschritte können einerseits insgesamt als Software auf einem leistungsfähigen Rechner implementiert sein, bei vielen parallel anzusteuernden Schrittmotoren kann aber die verfügbare Rechenleistung an ihre Grenzen geraten. Zur Gewährleistung einer synchronen Ansteuerung vieler Schrittmotoren und großer Anzahl abzufahrender Zielkoordinaten über mehrere Bewegungsachsen, wie sie insbesondere bei 3D-Druckern auftreten, kann es vorteilhaft sein, die Schritte 3 (FIR-Filterung) und 4 (Integration und Schrittausgabe) über Hardwarekomponenten (FPGA) durchzuführen und somit die Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich zu erhöhen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt, dass die im primären Geschwindigkeitsprofil typischerweise auftretenden abrupten Geschwindigkeitsänderungen geglättet werden. Die anschließende durch Integration erfolgende Schrittansteuerung ist dadurch so ausgestaltet, dass einmal ein weitgehend ruckfreies Anfahren oder Abstoppen bewirkt wird, aber auch Trägheitsmomente beim Durchfahren von Richtungsänderungen stark vermindert werden. Dies sorgt in besonderem Maß für eine sehr verschleißarme Belastung der erfindungsgemäß angesteuerten Schrittmotoren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors ist damit besonders geeignet zum Einsatz in einem 3D-Drucker.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist nicht auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt.

1 zeigt eine schematische Darstellung und einen vergrößerten Ausschnitt eines Verfahrwegs WL über drei Ortskoordinaten P1...P3 in der X-Y-Ebene mit linearer Beschleunigung
2 zeigt ein beispielhaftes für einen Verfahrweg nach 1 kalkuliertes primäres Geschwindigkeitsprofil
3 zeigt ein beispielhaftes Geschwindigkeitsprofil der 2 nach FIR-Filterung mit cos²-Filterfunktion
4 zeigt einen beispielhaften, modifizierten Verfahrweg über die Positionen P1...P3 der 1 nach Ansteuerung der Schrittmotoren mit dem Geschwindigkeitsprofil nach 3
5 zeigt ein anderes beispielhaftes Geschwindigkeitsprofil der 2 nach FIR-Filterung mit Tukey-Filterfunktion
6 zeigt einen beispielhaften Verfahrweg über die Positionen P1...P3 der 1 nach Ansteuerung der Schrittmotoren mit dem Geschwindigkeitsprofil nach 5
7 zeigt für einen Anfahrvorgang eines Verfahrwegs zum Beispiel zwischen zwei Zielkoordinaten beispielhafte Verhältnisse von auftretender Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruckverhalten ohne erfindungsgemäße FIR-Filterung
8 zeigt für den entsprechenden Anfahrvorgang eines Verfahrwegs der 7 beispielhafte Verhältnisse von auftretender Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruckverhalten nach einer FIR-Filterung mit cos²-Filterfunktion
9 zeigt für den entsprechenden Anfahrvorgang eines Verfahrwegs der 7 beispielhafte Verhältnisse von auftretender Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruckverhalten nach einer FIR-Filterung mit Tukey-Filterfunktion
10 zeigt in einer schematischen Darstellung die verschiedenen Stufen der erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Schrittmotors

In 1 ist schematisch ein beispielhafter Verfahrweg, auch Zielpfad genannt, über drei Zielkoordinaten P1, P2, P3 in der XY-Ebene dargestellt, wobei sich die Verfahrrichtung in P2 ändert. Der vorgegebene theoretische Verfahrweg WZ führt exakt über die Zielkoordinate P2. Um im realen Prozess einen solchen präzise über P2 verlaufenden Verfahrweg zu erreichen, müssen beide Schrittmotoren für die X- und Y-Richtung vor Erreichen der Zielkoordinate P2 wieder langsamer angesteuert und damit abgebremst werden und bei Erreichen von P2 auf Nullgeschwindigkeit heruntergefahren sein - entsprechendes gilt bei Erreichen der Zielkoordinate P3 usw.. Ein solcher Arbeitsprozess mit Zwischenstopps an jeder Zielkoordinate führt zu einem sehr hohen zeitlichen Aufwand.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ansteuerung wird die Verfahrgeschwindigkeit auf einem Verbindungsweg, z.B. P1 → P2 vor Erreichen der Zielkoordinate auf neue Geschwindigkeitswerte geändert, aber nicht auf den Wert Null zurückgefahren. Daraus resultiert bei einem Prozess mit zahlreichen nacheinander anzufahrenden Zielkoordinaten eine deutlich höhere Arbeitsgeschwindigkeit. Dies ist allerdings verbunden mit einer gewissen Positionier-Ungenauigkeit, wie in der unteren Ausschnittsvergrößerung der 1 um die Zielkoordinate P2 als Pfad WR dargestellt.
Bei stärkeren Geschwindigkeitsänderungen (Betrag und/oder Richtung) fällt die auftretende Abweichung WR vom Ideal-Pfad WZ umso deutlicher aus. Dies hängt auch mit der Trägheit der bewegten Massen und den damit verbundenen Beharrungskräften zusammen, die bei den linearen Geschwindigkeitsänderungen im Bereich der Zielkoordinate P2 und die entsprechend auftretenden Beschleunigungswerte auftreten. Bei zu großen Belastungen können dann auch durch Schlupf Schrittverluste auftreten und die Positioniergenauigkeit nimmt weiter unkalkulierbar ab.
2 zeigt als ein beispielhaftes, schematisches Fallbeispiel einen zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf eines solchen Verfahrprozesses. Dargestellt sind über die Zeit die primären Geschwindigkeitsprofile Vx und Vy, ausgehend von einer Startposition über eine Zwischenposition zu einer Endposition, wobei die Zwischenposition ohne Abstopp-Vorgang durchfahren wird.
Von der Startposition bei T=0ms steigen die Verfahrgeschwindigkeiten Vx, Vy beider Schrittmotoren zunächst linear an (konstante Beschleunigung), wobei die Beträge der Beschleunigung unterschiedlich ausfallen. Ab etwa 100ms fahren beide Schrittmotoren mit konstanter Geschwindigkeit unterschiedlichen Betrags (Beschleunigung in diesem Bereich also Null). Bei etwa T = 1000ms tritt für ein Zeitintervall von ca. 100ms wieder eine Geschwindigkeitsänderung auf. Dabei wird Vx wird linear erhöht und Vy linear verringert.
Wie in 2 im unteren Ausschnitt über dieses mittlere Zeitfenster des oberen Abschnittes vergrößert dargestellt, verlaufen für beide Achsen die Beschleunigungen in diesem Zeitintervall mit gleichen Beträgen - aber mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Im Anschluss fahren beide Schrittmotoren für ca. 900ms mit unterschiedlichen konstanten Geschwindigkeiten (Beschleunigungen hier wieder Null). Etwa 100ms vor Erreichen der Endposition (T = 1900ms) werden beide Schrittmotoren linear mit unterschiedlichen Beschleunigungsbeträgen verzögert, so dass beide Geschwindigkeitskomponenten Vx und Vy bei etwa T = 2000ms zeitgleich den Wert Null und damit den Stillstand im Endpunkt erreichen.
Die in 2 dargestellten Graphen der primären Geschwindigkeitsprofile jeder Verfahrkomponente Vx, Vy zeigen im Verlauf bis zum Erreichen des Stopps in der Endposition mehrere Knickpunkte. Diese nicht differenzierbaren Stellen entsprechen rechnerisch sprunghaften Beschleunigungsänderungen, die wiederum (rein rechnerisch) einem unendlichen mechanischen Ruck entsprechen (Ableitung der Beschleunigung). Dies führt zu vergrößerten Schleppwinkeln zwischen Rotor und Stator der Schrittmotoren und letztlich Schrittverlusten. Dabei entstehen zwangsläufig auch unerwünschte Erschütterungen und Vibrationen bis hin zu stark belastenden Resonanzen. Dies führt zu Verschleißeffekten aller Komponenten in stark erhöhtem Maß.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Ansteuerung von Schrittmotoren wird daher das primäre Geschwindigkeitsprofil, das beispielsweise in 2 mit Knickpunkten dargestellt ist, mittels FIR-Filterung modifiziert und das gefilterte Geschwindigkeitsprofil über den Ansteuerausgang zur Ansteuerung eines oder mehrerer Schrittmotoren beispielsweise in einem 3D-Drucker verwendet. Aufgrund des verminderten Oberwellenanteils werden im gefilterten Geschwindigkeitsprofil die abrupten Geschwindigkeitsänderungen wesentlich reduziert oder treten nicht mehr auf. Das zeigt sich in einem geglätteten (also überall differenzierbaren) Verlauf über die Zeit mit entsprechend daraus abgeleiteten Beschleunigungskurven, wie sie beispielsweise in den unteren Abschnitten der 3, 4, 5 und 6 dargestellt sind. Als Resultat erfolgen alle Bewegungsabläufe, insbesondere im Übergang von beschleunigter zu gleichförmiger Bewegung, auch über mehrere Zielkoordinaten hinweg derart abgedämpft, dass auch bei hohen Geschwindigkeiten die Belastung aller mechanischen Komponenten deutlich vermindert ist und Verschleißeffekte erheblich reduziert sind.
Ein bevorzugtes Beispiel eines primären Geschwindigkeitsprofils und eines zugehörigen Geschwindigkeitsprofils nach der FIR-Filterung ist in 3 dargestellt. Vorgegeben ist hier wieder ein Zielpfad in der XY-Ebene mit Startposition-Zwischenposition-Endposition, vergleichbar wie bei der 2. Nach Durchlaufen der primären Geschwindigkeitsprofile Vx, Vy durch das FIR-Filterung zeigen die geglätteten Geschwindigkeitsprofile VCx und VCy keine Knickpunkte mehr auf. Dies ist besonders deutlich hervorgehoben im unteren Abschnitt der 3, in der eine Ausschnittsvergrößerung der Geschwindigkeitsverläufe im Bereich der mittleren Zwischenposition dargestellt ist. Durch diese weichen Geschwindigkeitsänderungen gibt es keine merkbaren Beschleunigungssprünge mehr - und damit auch keine ruckartigen Belastungen.
Als FIR-Filterfunktion der FIR-Filtereinheit ist in diesem Beispiel eine cos²-Funktion zum Einsatz gekommen. Als eine alternative FIR-Filterfunktion kann auch eine Gauss-Funktion für die FIR-Filterung eingesetzt werden, die vergleichbare Glättungseffekte bewirkt.
Die Wirkung einer Ansteuerung der Schrittmotoren mit den mittels cos²-FIR-Filterung geglätteten Geschwindigkeitsprofilen VCx und VCy auf den Bewegungsablauf in der XY-Ebene über dieselben Zielkoordinaten P1, P2, P3 ist in 4 dargestellt.
Die Abweichungen zum theoretisch exakt über die Zielkoordinaten vorgegebenen Verfahrweg WZ sind so gering, dass sie im oberen Teil der Darstellung praktisch nicht sichtbar hervortreten. Erst in der Ausschnittvergrößerung im unteren Abschnitt der 4 zeigt sich, dass der nach cos²-Filterung mit der FIR-Filtereinheit resultierende Verfahrweg Wcos im Bereich der mittleren Zielkoordinate P2 etwas näher am theoretischen Verfahrweg WZ liegt, also dichter an die mittlere Zielkoordinate P2 heranführt als der Verfahrweg WL der 1.
Dass die beiden Ortskurven WR (1) und Wcos (4) in der XY-Ebene sehr ähnlich verlaufen, verdeckt die tatsächliche Wirkung der FIR-Filterung auf Beschleunigungs- und Trägheitseffekte: die beim Verfahrweg WR ohne FIR-Filterung entsprechend dem primären Geschwindigkeitsprofil auftretenden hohen mechanischen Belastungen, hervorgerufen durch die abrupte Änderung der Geschwindigkeiten Vx und Vy im Bereich der Zielkoordinate sind in der Ortskurve WR nicht oder kaum sichtbar.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteuerung mit einer Tukey-Filterfunktion der FIR-Filtereinheit ist dargestellt in 5. Vorgegeben ist hier zunächst wieder ein entsprechender Zielpfad in der XY-Ebene mit Startposition-Zwischenposition-Endposition wie bei der 1 oder 4, das primäre Geschwindigkeitsprofil entspricht also der Darstellung aus der 2.
Die 5 zeigt die nach Anwendung der Tukey-Filterung mithilfe der FIR-Filtereinheit geglätteten Geschwindigkeitsprofile VTx und VTy. Ein Vergleich mit den gefilterten und damit geglätteten Geschwindigkeitsprofilen VCx und VCy der cos²-FIR-Filterung (3) zeigt, dass die beiden FIR-Filterfunktionen eine vergleichbare Glättung der primären Geschwindigkeitsprofile Vx und Vx bewirken. Entsprechend ist die in 6 dargestellte Ortskurve Wtuk nach Tukey-Filterung sehr ähnlich zur Ortskurve Wcos (4) einer cos²-Filterung.
Zur Verdeutlichung der tatsächlich vorhandenen Unterschiede zeigen die 7, 8 und 9 jeweils bei einem Anfahrvorgang eines Verfahrwegs, der den Beginn einer Etappe beispielsweise zwischen P1 und P2 darstellen kann, die Verläufe der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Ruckbelastung für den Fall ohne Filterung (7), für den Fall der FIR-Filterung mit einer cos²-Filterung (8) und für den Fall der FIR-Filterung mit einer Tukey-Filterung (9).
Die 7 zeigt im oberen Teil den Geschwindigkeitsverlauf VL als Abschnitt eines primären Geschwindigkeitsprofils ohne FIR-Filterung. Nach Start aus einer Ruheposition nimmt die Geschwindigkeit linear bis zu einem Endwert bei 100ms zu und verbleibt danach konstant auf diesem Wert. Das primäre Geschwindigkeitsprofil VL zeigt dabei Knickpunkte (nicht differenzierbar) bei T=0ms und T=100ms. Der mittlere Teil der 7 zeigt die dabei auftretenden Beschleunigungsverhältnisse BL: Das Anfahren aus der Ruheposition entspricht einem Sprung von Null auf einen konstanten Beschleunigungswert. Dieser konstante Beschleunigungswert wird so lange gehalten bis durch das Abschalten der Beschleunigung bei T=100ms ein Rücksprung auf den Wert Null erfolgt. Die mit diesen abrupten Beschleunigungssprüngen einhergehende Belastung der Mechanik (Ableitung der Beschleunigung) ist im unteren Teil der 7 schematisch dargestellt: Die Sprünge der Beschleunigung gehen einher mit Belastungsspitzen RA, RB -vergleichbar einem Dirac-Stoß- die jeweils einem starken Ruck mit unterschiedlichem Vorzeichen entsprechen.
8 ist in entsprechender Weise wie 7 aufgegliedert und gibt dieselbe Etappe eines Verfahrwegs wieder, wobei hier das primäre Geschwindigkeitsprofil VL ersetzt ist durch das geglättete Geschwindigkeitsprofil VC nach FIR-Filterung mit cos²-Filterfunktion. Dieses Profil VC weist keine Knickpunkte auf und zeigt asymptotische Verläufe bei Start- und Endwert. Die Folge dieses differenzierbaren Verlaufs ist die im mittleren Ausschnitt dargestellte Beschleunigungskurve BC, die keine Sprünge/Knicke mehr aufweist. Über eine ab T=0ms allmählich einsetzende Beschleunigungszunahme verläuft die Kurve BC über einen Maximalwert der Beschleunigung bei T=50ms und verringert sich ab da kontinuierlich bis zum asymptotischen Auslauf auf den Wert Null bei T=100ms.
Durch diesen weichen Verlauf der Beschleunigung BC sind Trägheitsbelastungen RC erheblich reduziert. Dies ist im unteren Teil der 8 dargestellt: Über den gesamten Zeitablauf ändert sich die Kurve RC kontinuierlich. Die Belastung wechselt dabei über einen Wendepunkt bei T=50ms das Vorzeichen. Eine Belastungsspitze (Ruck oder jerk) tritt nicht mehr auf.
9 zeigt in vergleichender Darstellung die entsprechenden Verhältnisse nach FIR-Filterung mit einer Tukey-Filterfunktion. Auch hier ist das geglättete Geschwindigkeitsprofil VT frei von Knickpunkten und zeigt ähnlich asymptotischen Verlauf wie das Profil VC der 8. Der im mittleren Teil dargestellte Verlauf der Beschleunigung BT ist ebenfalls knickfrei mit asymptotischen Ausläufern, zeigt aber gegenüber der Beschleunigungskurve BC der cos²-Filterung im mittleren Verlauf einen linearen Bereich konstanter Beschleunigung. Dieser lineare Bereich von BT geht einher mit einem Wert Null der Belastungskurve RT, wie im unteren Teil der 9 dargestellt. Belastungsspitzen treten auch hier nicht auf.
Die 10 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors.
In einem ersten Schritt werden die Zielkoordinaten eingegeben, z.B. Punkte im Raum (P1, P2, P3 ...), die nacheinander mittels eines oder mehrerer Schrittmotoren angefahren werden sollen und den Ausgangsverfahrweg bilden. Diese Koordinaten bilden dann einen Verfahrweg beispielsweise im Ortskoordinatenraum.
In einem zweiten Schritt werden die Bahnabschnitte aus dem Ausgangsverfahrweg in Geschwindigkeitsvektoren umgesetzt, die zusammenhängend ein primäres Geschwindigkeitsprofil für den abzufahrenden Verfahrweg darstellen. Das primäre Geschwindigkeitsprofil ist dabei untergliedert in einzelne Etappen mit unterschiedlich ausgeprägten Geschwindigkeitswerten und damit linearer Geschwindigkeitsänderung. Dadurch weist das primäre Geschwindigkeitsprofil zahlreiche Knickpunkte im Bereich der Geschwindigkeitsänderung auf. Diese entsprechen in dem dem primären Geschwindigkeitsprofil entsprechenden Verfahrweg mehr oder weniger ausgeprägten Beschleunigungssprüngen, die als Ruck im Bewegungsablauf wahrzunehmen sind und zu erheblichen Schäden an den Schrittmotoren oder den Geräten, in denen diese Schrittmotoren integriert sind - wie beispielsweise 3D-Drucker - führen können.
In einem dritten Schritt erfolgt die Filterung und damit Glättung des primären Geschwindigkeitsprofils mittels FIR-Filterung. Dabei haben sich verschiedene FIR-Filterfunktionen wie die cos²-, Gauss- oder Tukey-Filter-Funktion besonders bewährt und ausgezeichnet. Damit ist das erzeugte Geschwindigkeitsprofil insbesondere in den hohen Frequenzen wahlweise mehr oder weniger gedämpft.
In einem vierten Schritt werden die geglätteten Geschwindigkeitsverläufe über einen Ansteuerausgang als Schrittimpulse den jeweiligen Schrittmotoren zugeführt. Hierbei erfolgt typisch eine zeitliche Integration des gefilterten Geschwindigkeitsprofils, um die Ansteuerpulse für die Schrittmotoren zu erzeugen.
Durch das beispielhafte in 10 dargestellte Verfahren zur Ansteuerung von Schrittmotoren gelingt es, das abrupte Beschleunigen und die damit verbundenen Stöße und Vibrationen zu reduzieren und dadurch die Anfälligkeit für Störungen der Schrittmotoren zu verbessern. Auch wirkt sich dies besonders vorteilhaft auf die Robustheit des auf diese Weise angesteuerten Schrittmotors aus.
Bezugszeichenliste

P1, P2, P3: Zielkoordinaten
WZ: theoretischer Verfahrweg
WR: Verfahrweg entsprechend dem primären Geschwindigkeitsprofil
Wcos: Verfahrweg mit gefiltertem Geschwindigkeitsprofil und cos²-Filterfunktion
Wtuk: Verfahrweg mit gefiltertem Geschwindigkeitsprofil und Tukey-Filterfunktion
Vx: Geschwindigkeitsverlauf x-Richtung (primäres Geschwindigkeitsprofil)
Vy: Geschwindigkeitsverlauf y-Richtung (primäres Geschwindigkeitsprofil)
VL: Geschwindigkeitsverlauf für einen Verfahr-Abschnitt zwischen zwei Zielkoordinaten ohne FIR-Filterung des Geschwindigkeitsprofils
BL: Beschleunigungsverlauf für einen Verfahr-Abschnitt zwischen zwei Zielkoordinaten ohne FIR-Filterung des Geschwindigkeitsprofils
RA: Ruckverhalten beim Anfahren
RB: Ruckverhalten beim Abbremsen
VCx: Geschwindigkeitsverlauf x-Richtung mit gefiltertem Geschwindigkeitsprofil (cos²-Filterfunktion)
VCy: Geschwindigkeitsverlauf y-Richtung mit gefiltertem Geschwindigkeitsprofil (cos²-Filterfunktion)
VTx: Geschwindigkeitsverlauf x-Richtung mit gefiltertem Geschwindigkeitsprofil (Tukey-Filterfunktion)
VTy: Geschwindigkeitsverlauf y-Richtung mit gefiltertem Geschwindigkeitsprofil (Tukey-Filterfunktion)
VC: Geschwindigkeitsverlauf für einen Verfahr-Abschnitt zwischen zwei Zielkoordinaten mit cos²-Filterung des Geschwindigkeitsprofils
BC: Beschleunigungsverlauf für einen Verfahr-Abschnitt zwischen zwei Zielkoordinaten mit cos²-Filterung des Geschwindigkeitsprofils
RC: Auftretende Ruckbelastung für einen Verfahr-Abschnitt zwischen zwei Zielkoordinaten mit cos²-Filterung des Geschwindigkeitsprofils
VT: Geschwindigkeitsverlauf für einen Verfahr-Abschnitt zwischen zwei Zielkoordinaten mit Tukey-Filterung des Geschwindigkeitsprofils
BT: Beschleunigungsverlauf für einen Verfahr-Abschnitt zwischen zwei Zielkoordinaten mit Tukey-Filterung des Geschwindigkeitsprofils
RT: Auftretende Ruckbelastungen für einen Verfahr-Abschnitt zwischen zwei Zielkoordinaten mit Tukey-Filterung des Geschwindigkeitsprofils

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3142244 B1 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors, mit einer Einheit zur Eingabe von Zielkoordinaten (P1, P2, P3), mit einer Einheit zur Umsetzung der Zielkoordinaten in ein primäres Geschwindigkeitsprofil (Vx, Vy, VL) zur Erreichung der Zielkoordinaten, sowie einer Einheit zur FIR-Filterung des primären Geschwindigkeitsprofils (Vx, Vy, VL) und einem Ansteuerausgang zur Verbindung mit dem anzusteuernden Schrittmotor.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach Anspruch 1, wobei in der Einheit zur FIR-Filterung eine Filterfunktion implementiert ist, die im Anfangs- und Endbereich des Verlaufs der Filterfunktion stetig, differenzierbar und asymptotisch gegen Null verlaufend ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach Anspruch 2, wobei in der Einheit zur FIR-Filterung eine Filterfunktion implementiert ist, die als symmetrische Filterfunktion ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach Anspruch 2 oder 3, wobei in der Einheit zur FIR-Filterung eine Filterfunktion implementiert ist, die als cos²-, als Gauss- oder als Tukey-Filterfunktion ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einheit zur FIR-Filterung in einem FPGA implementiert ist.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einheit zur FIR-Filterung eine wählbare Fensterbreite der Filterfunktion aufweist.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei Zielkoordinaten (P1, P2, P3) einen Startwert (P1) und einen Endwert (P3) und insbesondere einen oder mehrere Zwischenwerte (P2) umfassen.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Einheit zur FIR-Filterung so ausgebildet ist, dass die FIR-Filterung entweder nur zwischen benachbarten Zielkoordinaten (P1-P2; P2-P3) erfolgt und/oder auch über zwischengelagerte Zielkoordinaten (P2) hinweg erfolgt.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei die Ansteuerung mehrere Schrittmotoren synchron umfasst.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei Zielkoordinaten neben Raumkoordinaten (P1, P2, P3) auch wenigstens einen weiteren Ansteuerwert betreffen, der insbesondere Materialmengen, Drehwinkel, Orientierung, Maße für eine Düsenöffnung, Pressdrücke, Temperaturen oder ein Mischungsverhältnis repräsentiert.
Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei im Bereich der Zielkoordinaten (P1, P2, P3) des primären Geschwindigkeitsprofils (Vx, Vy, VL) zusätzliche Geschwindigkeitswerte gleich Null gesetzt werden.
3D-Drucker mit wenigstens einem Schrittmotor mit einer Ansteuerung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren zur Ansteuerung wenigstens eines Schrittmotors insbesondere eines 3D-Druckers, bei dem Zielkoordinaten (P1, P2, P3) eingegeben werden, diese in ein primäres Geschwindigkeitsprofil (Vx, Vy, VL) zur Erreichung der Zielkoordinaten umgesetzt und dieses primäre Geschwindigkeitsprofil (Vx, Vy, VL) anschließend einer FIR-Filterung unterzogen und das gefilterte Geschwindigkeitsprofil über einen Ansteuerausgang dem Schrittmotor zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das gefilterte Geschwindigkeitsprofil durch wiederholte FIR-Filterung aus einem primären Geschwindigkeitsprofil generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Ansteuerausgang für eine Umsetzung der am Ausgang der Einheit zur FIR-Filterung anfallenden Geschwindigkeitswerte in eine Weginformation durch zeitliche Integration des gefilterten Geschwindigkeitsprofils ausgelegt ist.