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Anordnung zur übergabe von Antriebsimpulser aus einem Impulsspeicher
auf einen Schrittmotoi Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übergabe von Antriebsimpulsen
aus einem Impulsspeicher auf einen als Stellantrieb dienenden Schrittmotor nach
Maßgabe von Einzelschritten des Schrittmotors entsprechenden Rückmeldeimpulsen.
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In digitalen Regelanlagen liegt häufig die Aufgabe vor, die Ausgangsgröße
eines Reglers als Serie von Antriebsimpulsen auf ein Stellglied zu übertragen. Der
Regler kann insbesondere als ein im Zeitmultiplexbetrieb arbeitender Zentralregler
für mehrere Regelkreise ausgebildet sein, der diese Serien periodisch auf jeweils
einen Impulsspeicher für einen Stellantrieb übergibt. Da die Wirtschaftlichkeit
einer solchen Mehrfachregelanlage von der Zahl der angeschlossenen Regelkreise abhängt
und die Abfragezyklen im Interesse einer guten Regeldynamik nicht zu lang werden
dürfen, müssen die gespeicherten Serien von Antriebsimpulsen verhältnismäßig rasch
auf die Stellantriebe ausgegeben werden. Diese Stellantriebe haben somit der Anforderung
zu genügen, daß vorgegebene Serien von Antriebsimpulsen in kurzen Zyklen in mechanische
Verstellungen umgewandelt werden können. Bei dieser Umwandlung sollen aber möglichst
wenig Antriebsimpulse für die Verstellung unwirksam sein, damit die mit der Digitaltechnik
angestrebte hohe Regelgenauigkeit erhalten bleibt. Andererseits sollen aber von
den Stellantrieben oft erhebliche Drehmomente aufgebracht werden, die der dynamisch
günstigen Ausbildung der Antriebe abträglich sind.
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Ein elektrischer Stellantrieb; der hohe Drehmomente erzeugen kann,
ist beispielsweise mit der bekannten Gleichstromkommutatormaschine gegeben. Sie
kann unter gewissen Voraussetzungen auch mit Antriebsimpulsen betrieben werden.
Bei ihr treten aber große Anlauf- und Auslauffehler mit starken Streuungen auf.
Deshalb erzeugen insbesondere kurze Einschaltzeiten unbestimmte Drehwege. Da ferner
bei hohen Stellgeschwindigkeiten die Auslauffehler besonders groß sind, kann nur
ein kleines Verhältnis von größter zu kleinster Stellgeschwindigkeit ausgenutzt
werden.
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Besser geeignet zum Anschluß an digitale Regler sind bereits bekannte,
nach dem Prinzip der Synchronmaschine arbeitende Schrittmotoren, die einen mit einem
Gleichfeld erregten Läufer sowie einen Ständer mit räumlich versetzt angeordneten,
ausgeprägten Polen aufweisen. Derartige Schrittmotoren setzen die Antriebsimpulse
verhältnismäßig fehlerfrei in Winkelstellungen um und laufen bei verhältnismäßig
hohen Pulsfrequenzen sicher an. Allerdings sind Schrittmotoren mit diesem günstigen
Verhalten verhältnismäßig leistungsschwach. Die verfügbaren Drehmomente wachsen
nämlich langsamer an als die Trägheitsmomente der Läufer. Um dennoch die erforderlichen
Leistungen zu erzeugen, können bekanntlich hydraulische Verstärker von dem Schrittmotor
gesteuert werden, aber diese Verstärkung ist sehr aufwendig.
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Zum Stand der Technik gehört eine Anordnung zur Übergabe von Antriebsimpulsen
aus einem Impulsspeicher auf als Stellantriebe dienende Schrittmotoren nach Maßgabe
von Einzelschritten der Schrittmotoren entsprechenden Rückmeldeimpulsen. Diese Anordnung
besteht im wesentlichen aus einem Impulsgenerator unter Verwendung eines Synchronmotors
mit einer auf der Welle befestigten, am Rand abwechselnd mit durchbrochenen und
nicht durchbrochenen Stellen versehenen Scheibe zur Steuerung einer fotoelektrischen
Einrichtung sowie aus einem voreinstellbaren Impulszähler und einem mit ihm verbundenen
Antriebskreis für die Schrittmotoren. Die in dem Impulsgenerator mit einer konstanten
Frequenz erzeugten Antriebsimpulse werden auf den Antriebskreis geleitet, der während
der Bewegung eines Schrittmotors für die Erregung seiner Pole in der richtigen Reihenfolge
sorgt. Die von dem Antriebskreis abgenommene Rückmeldeimpulsb werden in den voreinstellbaren
Impulszähler eingespeist. Dieser Zähler gibt ein »Halt«-Signal für den Antriebskreis,
wenn die durch Einstellung des Impulszählers vorgegebene Schrittzahl des Schrittmotors
erreicht ist.
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Die genaue Zahl der mit dem Impulsgenerator erzeugten Impulse ist
bei einer bestimmten Annahme nicht kritisch, da die Genauigkeit durch den Impulszähler
bestimmt wird, der die vom Schrittmotor zurückgelegten Schritte zählt. Dazu muß
jedoch vorausgesetzt werden, daß die in den Antriebskreis eingegebenen Antriebsimpulse,
die zur Bewegung des Schrittmotors dienen sollen, auch tatsächlich in
Einzelschritte
umgesetzt werden. Andernfalls entspricht nämlich nicht jeder Rückmeldeimpuls einem
Einzelschritt, so daß der Impulszähler nicht genau die von dem Schrittmotor zurückgelegten
Schritte zählt. Damit diese Voraussetzung erfüllt ist, darf die Frequenz der Antriebsimpulse
im Hinblick auf die dynamischen Eigenschaften der Schrittrnotoren nicht zu hoch
sein. Sie darf insbesondere während des Anlaufs der Schrittmotoren zum Vermeiden
von Anlauffehlern eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Da die Frequenz der
Antriebsimpulse durch den Impulsgenerator fest vorgegeben ist, muß diese so niedrig
gewählt werden, daß sie auch bei ungünstigen Bedingungen ein exaktes Arbeiten der
Anordnung gewährleistet. Damit ist aber die Übergabegeschwindigkeit der Antriebsimpulse
auch dann begrenzt, wenn die Schrittmotoren angelaufen sind und an sich eine höhere
Frequenz ohne unzulässige Fehler verarbeiten könnten.
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Es ist weiter bekannt, daß ein mehrpoliger Schrittmotor eine Wicklung
je Pol aufweist, die wahlweise an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen
sind.
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Schließlich gehören gesteuerte Gleichrichter für das Umschalten der
Wicklungen von Schrittmotoren zum Stand der Technik.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
zur Übergabe von Antriebsimpulsen aus einem Impulsspeicher auf einen Schrittmotor
zu finden, die die eingangs gestellten Forderungen erfüllt. 4
Die Erfindung
besteht bei der eingangs vorausgesetzten Anordnung darin, daß ein Steuerglied eines
Impulserzeugers für die Rückmeldeimpulse mit einer Welle des Schrittmotors gekuppelt
ist und daß der Impulserzeuger mit der übrigen Anordnung derart elektrisch verbunden
ist, daß jeder Rückmeldeimpuls die Übergabe des nächsten Antriebsimpulses aus dem
Impulsspeicher anregt.
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Erfindungsgemäß werden also die in einem Impulsspeicher vorliegenden
Antriebsimpulse nicht, wie bekannt, mit einer festen Frequenz auf den Schrittmotor
übertragen. Vielmehr wird die Ausgabe des Speicherinhalles mit der Drehung des Motors
synchronisiert. Damit kann der Motor langsam anlaufen und sich selbst beschleunigen.
Bei einer großen Serie von Antriebsimpulsen ist dann die mittlere Ausgabegeschwindigkeit
des Impulsspeichers verhältnismäßig hoch, so daß sich mit vielen Antriebsimpulsen
eine große Regelgenauigkeit erreichen läßt. Da bei dem langsamen Anlauf keine Antriebsimpulse
verlorengehen, gilt wenigstens die gleiche hohe Genauigkeit auch bei Anregung mit
nur einem Antriebsimpuls oder wenigen Antriebsimpulsen. Die erfindungsgemäße Übergabeanordnung
hat damit auch den Vorteil, daß man in der Auslegung des Stellantriebes hinsichtlich
de§ dynamischen Verhaltens weniger eingeschränkt ist, so daß sich Antriebe mit stärkeren
Drehmomenten verwirklichen lassen.
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Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung werden an
Hand einer Zeichnung mit zwei Figuren erläutert. In F i g. 1 werden die Ausgabe
des Impulsspeichers und der Anschluß der Motorwicklungen durch Kontakte gesteuert,
die an der Motorwelle befestigten Nockenscheiben zugeordnet sind; in F i
g. 2 ist zur Steuerung dieser Vorgänge ein Schlitzinitiator vorgesehen, der
an ein Steuerwerk angeschlossen ist. Mit 10 ist in F i g. 1 ein Schrittmotor
mit dem Aufbau einer Synchronmaschine bezeichnet. Der Ständer des Motors weist drei
Polpaare 101 bis 103 auf. Die jeweils um 60' räun-.dich versetzten
ausgeprägten Pole sind mit je einer Wicklung versehen. Der Läufer 104 besteht
aus einem Dauermagneten mit ebenfalls ausgeprägten Polen. Bei größeren Maschinenleistungen
kann der Läufer statt des Dauermagneten mit einer Wicklung für Gleichmagnetisierung
versehen sein.
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Auf der Welle 11 des Schrittmotors sind zwei Nockenscheiben
12, 13 befestigt. Die Nockenscheibe 12 weist über etwa 180' eine Erhebung
zur Betätigung von Kontakten 14 bis 16 auf. Die um 120' versetzten Kontakte
sind einerseits über zwei weitere in Reihe liegende Kontakte 17, 18 mit einer
Stromquelle 19
verbunden. Ausgangsseitig führen die Kontakte 14 bis
16 über einen dreipoligen Umschalter 20 zu dem Schrittmotor, wobei jeder
Kontaktarm des Umschalters mit je einem Ende der Wicklungen eines Polpaares
verbunden ist. Die anderen Wicklungsenden sind zusammen zu der Stromquelle
19 geführt.
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Der Kontakt 17 steht in Wirkverbindung mit einem Impulsspeicher
21. An dem Befehlseingang des Impulsspeichers liegt ein Kontakt 22 an der Nockenscheibe
13. Die erhabenen Nocken dieser Scheibe sind um 60' versetzt, so daß
der Kontakt 22 immer dann geschlossen ist, wenn in dem Schrittmotor die Pole des
Läufers einem Polpaar des Ständers gegenüberstehen.
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Die beschriebene Anordnung wirkt wie folgt: Zunächst sei angenommen,
daß in dem Impulsspeicher 21 eine Zahl eingegeben ist, die einer Serie von Antriebsimpulsen
entspricht. Jedesmal wenn sich der Kontakt22 schließt und damit einen Rückmeldeimpuls
erzeugt, wird die in 21 gespeicherte Zahl um einen Wert entsprechend einem Antriebsimpuls
vermindert. Der Kontakt 17 des Impulsspeichers 21 ist geschlossen, solange
der Speicherinhalt nicht Null ist. Der Umschalter 20 dient zur Festlegung der Drehrichtung,
und zwar dreht sich der Läufer - wie noch gezeigt werden wird - in
der gezeichneten Schaltlage im Uhrzeigersinn und in der anderen Schaltlage entgegen
dem Uhrzeigersinn. Die Schaltlage kann von einer Speicherstelle gesteuert werden.
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Die Umwandlung der Serie von Antriebsimpulsen im Impulsspeicher in
eine entsprechende Drehung des Schrittmotors 10 wird durch Schließen des
Kontaktes 18 veranlaßt. Damit kommt ein Stromfluß über die Batterie
19, die Polpaare 101, 102, den Umschalter 20 und die Kontakte 14,
15, 17 und 18 zustande. Hierdurch wird der Läufer in die Lage des
größten resultierenden magnetischen Flusses, nämlich unter das Polpaar
103 gedreht. In dieser Lage schließt sich der Kontakt 22, und der Impulsspeicher
wird einen Wert zurückgestellt. Da infolge der Drehung der Läuferwelle jetzt nur
noch der Kontakt 15 durch Andruck der Nockenscheibe 12 leitend ist, fließt
nun der Strom der Stromquelle 19 lediglich durch die Wicklungen des Polpaares
102, und der Läufer dreht einen Schritt weiter.
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Dieses Spiel wiederholt sich entsprechend der folgenden Tabelle mit
unterschiedlichen Ausgangskontaktstellungen 14 bis
16, bis nach insgesamt
sechs Schritten die Ausgangslage
(0 bzw.
360') wieder erreicht ist.
Die folgende Tabelle zeigt, daß für einen Umlauf abwechselnd ein oder zwei Polpaare
erregt werden (für den Erregungszustand ist in der Tabelle ein
+ Zeichen
gesetzt). Teil
A der Tabelle gilt für Drehung
im Uhrzeigersinn,
Teil B für Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn. (Die Drehstellungen werden als Winkel
im Uhrzeigersinn positiv gezählt. Die gezeichnete Lage des Läufers entspricht dem
Winkel Null.)
| Tabelle 1 |
| Läuferstellung Erregung der Polpaare |
| (Winkelgrade) 101 102 103 |
| A 0 + + |
| 60 + |
| 120 + + |
| 180 + |
| 240 + + |
| 300 + |
| B 360 + |
| 300 + |
| 240 + + |
| 180 + |
| 120 + |
| 60 + |
Wesentlich ist bei der ganzen Anordnung, daß aus dem Impulsspeicher 21 der nächste
Antriebsimpuls erst ausgegeben wird, wenn der Läufer 104 eine bestimmte Stellung
erreicht hat. Damit wird der Vorteil erzielt, daß kein gespeicherter Antriebsimpuls
für die Weiterschaltung des Schrittmotors verlorengehen kann. Wenn der Motor aus
dem Stand träge anläuft, werden die Antriebsimpulse aus dem Impulsspeicher auch
entsprechend langsam ausgegeben. Da der Schrittmotor die Impulsausgabe selbst steuert,
folgen die Antriebsimpulse in immer kürzeren Abständen aufeinander, solange noch
Kraft zur Beschleunigung des Stellantriebes verfügbar ist. Bei einem gegebenen Abfragezyklus
können also verhältnismäßig viele Aiitriebsimpulse aus dem Impulsspeicher auf den
Schrittmotor übertragen werden.
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Wenn die Pole des Ständers entregt sind, wird der Anker immer noch
bestrebt sein, sich unter einem Polpaar einzustellen, um den Luftspalt für das Gleichfeld
des Läufers möglichst zu verkleinern. Dadurch wird der Auslauf des Läufers gebremst.
Bei Ausgabe des letzten Antriebsimpulses einer größeren Serie dreht sich der Läufer
aber verhältnismäßig rasch. Es kann deshalb ein Auslauffehler zustande kommen. Dieser
Fehler stört aber verhältnismäßig wenig, da er bezogen auf den großen Drehwinkel,
der insgesamt zurückgelegt wurde, klein ist. Bei kleinen Drehwinkeln, die langsam
überstrichen werden, tritt kein Auslauffehler auf. Zur Beseitigung des Auslauffehlers
bei größeren Impulsserien wird vorgeschlagen, den Impulsspeicher 21 mit einem Zusatzkontakt
zu versehen, der vor der Ausgabe der letzten Antriebsimpulse einer Serie ein Verzögerungsglied
in den Befehlseingang des Speichers einschaltet. Damit werden die letzten Antriebsimpulse
einer Serie verzögert ausgegeben, und der Schrittmotor bremst sich ab.
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In F i g. 2 ist der Schrittmotor 30 nur mit zwei Polpaaren
301 und 302 aufgebaut. Auf der Welle 31 des Motors ist eine
radial geschlitzte Scheibe 32 anm gebracht, die teilweise in den Schlitzinitiator
33 mit einem induktiv rückgekoppelten Oszillator eintaucht. Die Ausgangsleitung
des Schlitzinitiators führt zu einem Steuerwerk 34 mit einem Zähler, das andererseits
über Leitungen mit einem Impulsspeicher 35 verbunden ist. Von dem Steuerwerk
werden Schalter 36
bis 39 über Wirkverbindungen betätigt. Die Schalter
sind in die Stromkreise eingeschaltet, die die Wicklungen der Polpaare
301, 302 mit Stromquellen 40, 41 bilden können.
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Bei dieser Anordnung werden die Rückmeldeimpulse zur Ausgabe der Serie
aus dem Speicher 35 zur Steuerung des Schrittmotors 30 von dem Schlitzinitiator
33 angeregt. Dazu wird die induktive Rückkopplung des Oszillators in dem
Initiator entsprechend der Stellung der Schlitzscheibe 32 beeinflußt. Das
Ausgangssignal des Initiators ist nach Pulsformung zur Bildung logischer Verknüpfungen
in dem Steuerwerk 34 bereit. Das Steuerwerk bildet mit einem Zähler die Drehlage
der Welle 31 nach und stellt außerdem Verknüpfungen entsprechend der von
dem Speicher angegebenen Drehrichtung her, um die Kombination der für den nächsten
Schritt zu betätigenden Schalter zu ermitteln.
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Die Kombination der zu schließenden Schalter ist in Abhängigkeit von
der Drehrichtung und der Drehstellung des Schrittmotors weiter unten tabellarisch
angegeben. In der Zeichnung sind alle Schalter in der Ruhelage offen dargestellt.
Immer wenn der Schrittmotor eine bestimmte Stellung einnimmt, wird außerdem der
Impulsspeicher 35 über eine Befehlsleitung abgefragt. Wird dann aus dem Impulsspeicher
ein Impuls auf das Steuerwerk übertragen, so schließen sich zwei der Schalter
36 bis 39 entsprechend, der in dem Steuerwerk gebildeten Kombination,
und der Motor dreht einen Schritt weiter. Dem Steuerwerk 34 wird ferner aus dem
Impulsspeicher 35 gemeldet, wenn die letzten Antriebsimpulse einer Serie
ausgegeben werden. Der Steuervorgang läuft dann zur Vermeidung von Auslauffehlern
langsamer ab.
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In der folgenden Tabelle werden Durchflutungen der Polpaare
301, 302 in einem Sinne mit dem +-Zeichen und im anderen Sinne mit dem
- -Zeichen angegeben. Die geschlossenen Schalter sind mit x bezeichnet. Im
übrigen gelten die Voraussetzungen der Tabelle
(1).
| Tabelle 2 |
| Läuferstellung Schalter Polpaar |
| (Winkelgrade) 36 37 38 39 301 302 |
| A 0 x x + + |
| 90 x x |
| 180 x x |
| 270 x x + |
| B 360 x x |
| 270 x x + |
| 180 x x + + |
| 90 x x + - |
Aus der Tabelle 2 ist zu entnehmen, daß ein Schrittmotor mit zwei Polpaaren vier
Stellungen annehmen kann, wenn seine Wicklungen wahlweise in der einen oder der
anderen Richtung erregt werden (F i
g. 2). Der Schrittmotor nach F i
g. 1 ist insofern günstiger, als er dank der drei Polpaare mit drei Kontakten
umlaufen kann, wobei nur eine Spannungsquelle gebraucht wird, während der Schrittmotor
nach Fig.2 mit zwei Polpaaren vier Kontakte -und zwei Spannungsquellen benötigt.
In der Anordnung nach F i
g. 1. werden ferner die Kontakte 14 bis
16 zum Anschluß der Wicklungen an die Stromquelle unmittelbar von einer Steuerscheibe
auf der Motorwelle
betätigt, so daß in jeder Läuf erstellung selbsttätig
die richtigen Schaltstellungen vorbereitet werden. In der Anordnung nach F i
g. 2 werden die Schalter
36 bis
39
von einem Steuergerät betätigt,
dem die Drehlage des Läufers elektrisch übermittelt wird. Das Steuerwerk- kann mit
dem Impulsspeicher von dem Stellantrieb räumlich getrennt in einem Zentralgerät
untergebracht sein. Ferner können an Stelle der Schalter Gleichrichterelemente vorgesehen
sein, deren Leitfähigkeit durch Steuersignale aus dem Steuerwerk beeinflußt wird.
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- Mit den erläuterten Anordnungen werden also die eingangs
aufgezählten Forderungen erfüllt, die sich beim Zusammenwirken eines digitalen Mehrfachreglers
mit elektrischen Stellantrieben ergeben.