DE19602371A1 - Drehüberwachungsvorrichtung für Schrittmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehüberwachungsvorrichtung für Schrittmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Steuerungstechnik werden zur Positionierung von Werkstücken oder Werkzeugen vielfach elektrische Schritt­ motoren eingesetzt, deren Welle das Werkstück oder Werkzeug schrittweise weiterschaltet. Hierbei setzt sich eine volle Umdrehung der Motorwelle aus einer genau definierten Anzahl einzelner Winkelschritte zusammen. Die Größe dieser Winkelschritte hängt von der Anzahl der Läuferpole und der Anzahl der Ständerwicklungen des Elektromotors ab.

Die Anzahl der Winkelschritte, die zu der gewünschten Dre­ hung führt, wird mittels einer programmierbaren Steuerein­ heit ermittelt und als Folge von Steuerimpulsen einer End­ stufe zugeführt, die die entsprechenden Stromimpulse zur Erregung der einzelnen Ständerwicklungen liefert.

Durch elektronische Schaltmaßnahmen in den Endstufen können die Winkelschritte in Mini- oder Microschritte weiter unter­ teilt werden. Bei 2-Phasen-Schrittmotoren ist eine Unter­ teilung in 400, 800 und 1600 Winkelschritte bei einer Volldrehung von 360° üblich.

Bei Überlastung des Elektromotors oder Blockierung der Motorwelle besteht die Gefahr, daß nicht jeder Steuerimpuls zu einem entsprechenden Winkelschritt führt und somit die Stellung der Motorwelle von der gewünschten Position abweicht. Die Abweichung ist für die Genauigkeit des momen­ tanen Arbeitsschritts von großer Bedeutung. Zur Kontrolle, ob die Motorwelle die gewünschte Anzahl von Winkelschritten ausgeführt hat, dient eine Drehüberwachungsvorrichtung. Diese Drehüberwachungsvorrichtung besteht aus einer Aus­ werteelektronik und einem Inkremental-Winkelgeber, der mit der Motorwelle verbunden ist und pro Umdrehung der Motorwelle eine bestimmte Anzahl von Winkelgeberimpulsen liefert. Üblich sind induktive oder photoelektronische Winkelgeber, welche z. B. 50 Impulse pro Umdrehung liefern. In der Drehüberwachungsvorrichtung werden die Steuerimpulse der Steuereinheit und die Winkelgeberimpulse in einem Vorwärts-Rückwärtszähler registriert und verglichen. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß bei einer vollen Umdrehung der Motorwelle die Anzahl der Steuerimpulse und die Anzahl der Winkelgeberimpulse in der Regel unterschiedlich sind. Das Verhältnis der Anzahl der Steuerimpulse zur Anzahl der Winkelgeberimpulse ist als Faktor F definiert, der beim Vergleich mittels des Vorwärts- Rückwärtszählers berück­ sichtigt werden muß. Zeigt der Vorwärts-Rückwärtszähler als Ergebnis Null an, ist dies ein Indiz dafür, daß alle Winkelschritte von der Motorwelle durchgeführt worden sind.

Zeigt der Vorwärts-Rückwärtszähler ein von Null ver­ schiedenes Ergebnis, so ist dies ein Indiz dafür, daß nicht alle Winkelschritte von der Motorwelle ausgeführt sind und die momentane Position der Motorwelle von der gewünschten Position abweicht. Der Vorwärts-Rückwärtszähler liefert hierbei einen Wert W der ein Maß für die Differenz zwischen Sollposition und Istposition ist und den sogenannten Last­ winkel darstellt. Übersteigt der Wert W eine vorgegebene Grenze, so wird ein Fehlersignal generiert.

Üblicherweise sind die Drehüberwachungsvorrichtungen fest verdrahtet und nur für wenige bestimmte Werte von Schritt­ winkeln, Winkelgeberauflösungen und Fehlergrenzen ausgelegt. Es sind Anordnungen bekannt, bei welchen für jeden Satz von Werten spezielle Schaltungseinschübe vorgesehen sind, wobei nachteiligerweise nur eine oder zwei Schrittauflösungen pro Endstufe möglich sind.

Bei einem Wechsel der Schrittauflösung von z. B. 400 auf 800 Schritte pro Umdrehung muß der Faktor F entsprechend geändert werden, was einen Austausch des Einschubes erfor­ derlich macht. Zur Erzielung universeller Einsatzmöglich­ keiten müssen für einen Schrittmotor bis zu 10 verschiedene Einschübe verwendet werden. Das hat viele Nachteile. Einer­ seits kann der Austausch der Einschübe nur von Hand und somit nicht automatisch erfolgen, was zeitaufwendig ist und außerdem bei unsachgemäßer Handhabung zu Fehlern führen kann. Andererseits ist es notwendig, mehrere Einschübe vor­ rätig zu halten.

Ein weiterer Nachteil ist, daß beim Umrüsten mit Einschüben Rundungsfehler auftreten, da die Anzahl der Winkelgeber­ impulse stets durch den oben erwähnten Faktor F dividiert werden muß. Zusätzlich machen sich diese Rundungsfehler auch bei einer Drehrichtungsumkehr negativ bemerkbar. Da diese fest verdrahteten Drehüberwachungsvorrichtungen nach einem einfachen Vorwärts-Rückwärts-Zählprinzip arbeiten, sind sie für verschiedene Winkelschrittweiten nicht einsetzbar. Zudem besteht keine Möglichkeit, das Winkelgebersignal auf mögliche Fehler zu analysieren, so daß z. B. Drahtbrüche unbemerkbar bleiben können. Die Analyse von Drahtbrüchen oder Geberdefekten kann nur durch zusätzlichen Schaltungsaufwand realisiert werden. Da keine Plausibi­ litätsprüfung der Winkelgebersignale durchführbar ist, also die kontinuierliche Folge der Phasenlage der Winkel­ gebersignale nicht überprüft wird, können Winkelgeber­ schritte ohne entsprechende Steuerimpulse übersprungen werden, was zu Anzeigefehlern führt.

Vor der ersten Bestromung der Wicklungen des Schrittmotors nimmt die Motorwelle eine nicht definierte, zufällige Win­ kellage ein. Bei dem Anlegen des ersten Bestromungsmusters erfolgt ein beliebiger Winkelschritt, bis Stator und Rator des Elektromotors eine poldeckende Position einnehmen. Bei jedem weiteren Steuerimpuls erfolgt dann ein definierter Winkelschritt mit vorgegebener Weite. Aus den erläuterten Gründen entspricht der erste Winkelschritt nicht dieser vor­ gegebenen Weite, so daß sich eine Differenz zwischen Soll- und Istwert ergibt, obwohl keine Blockierung der Motorwelle vorliegt. Diese Anfangsdifferenz wird auch bei den folgenden Winkelschritten angezeigt, auch wenn die nachfolgenden Win­ kelschritte ordnungsgemäß durchgeführt wurden. Somit gibt der Wert W fälschlicherweise einen nicht vorhandenen Last­ winkel an.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Schrittmotoren besteht bei deren Einsatz im Vertikalbetrieb. Hierbei muß die Motor­ achse durch eine mechanische Stillstandsbremse gesichert sein. Beim Einschalten des Schrittmotors, d. h. bei dem er­ sten Bestromungsmuster kann der Rotor keine poldeckende Po­ sition einnehmen. Erst wenn die Stillstandsbremse gelöst wird, kann der oben beschriebene Einschwingvorgang erfolgen.

Auch dies hat zur Folge, daß ein falscher Lastwinkel ange­ zeigt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die die oben genannten Nachteile nicht auf­ weist, die insbesondere programmierbar ist, bei der eine Drahtbruchüberwachung der Winkelgebersignalleitungen möglich ist, die eine Vielzahl von Einstellmöglichkeiten der Schrittweite erlaubt und einfach und kostengünstig herstell­ bar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebe­ nen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, für die Drehüberwachungsvorrichtung einen mit wenigen Befehlen pro­ grammierbaren, leistungsstarken und schnellen Prozessor (RISC-Prozessor) vorzusehen. Mit Hilfe dieses Prozessors ist es möglich, die Winkelgebersignale während der Ein­ schaltphase des Schrittmotors ganz zu unterdrücken. Des wei­ teren erlaubt dieser Prozessor eine einfache Anpassung an unterschiedliche Schrittweiten, Winkelgeberauflösungen und Fehlergrenzen.

Auch läßt sich eine Drahtbruchüberwachung der beiden Leitun­ gen der einzelnen Kanäle des Winkelgebers leicht durchfüh­ ren.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein schematisiertes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Drehüberwachungsvorrichtung.

Bei dieser Anordnung ist ein Schrittmotor SM mit Motorwelle MW vorgesehen. Auf der Motorwelle MW sitzt eine Winkelgeber­ scheibe WGS, welche in eine u-förmige Ausnehmung eines Win­ kelgebers WG eingreift. In vorteilhafter Weise dient hierbei ein Teil des Rators des Schrittmotors selbst als Winkel­ geberscheibe WGS. Als Winkelgebersensoren sind Hall-Genera­ toren oder auch Lichtschrankenanordnungen vorgesehen. Der Winkelgeber WG weist zwei Ausgangskanäle A und B auf, die über zwei Winkelgeberleitungen WL1 und WL2 mit zwei Eingän­ gen D1 und D2 einer Drehüberwachungsvorrichtung DV verbunden sind. An den Ausgangskanälen A und B liegen während der Dre­ hung der Motorwelle MW jeweils um 90° gegeneinander versetz­ te Rechtecksignale R1 und R2 an. Mittels dieser beiden Rechtecksignale R1 und R2 läßt sich die Drehrichtung bestim­ men. Jedes Rechtecksignal entspricht hierbei einer Folge von logischen Zuständen 0 oder 1. Da eine kontinuierliche Ab­ frage der beiden Kanäle A, B in der Drehüberwachungsvor­ richtung DV erfolgt und zwischen jeder Änderung des logi­ schen Zustandes eines Kanales ein Änderung des anderen Kana­ les erfolgen muß, wird ein Drahtbruch stets festgestellt. Ein Ausgang D3 der Drehüberwachungsvorrichtung DV ist mit einem Eingang AE1 einer Lastwinkelanzeige AZ verbunden, wel­ che einen Leuchtbalken LB zur Anzeige aufweist. Ein Eingang D4 der Drehüber­ wachungsvorrichtung DV ist über eine Leitung ESL mit einem Eingang ES1 einer Einstelleinheit ES verbunden. Eine Steuer­ einheit SE ist mit ihren beiden Ausgängen S1 und S2 über zwei Steuerleitungen SL1 und SL2 mit den Eingängen E1 und E2 einer Endstufe E verbunden. Von den beiden Steuerleitungen SL1 und SL2 zweigen zwei Steuerleitungen SL3 und SL4 ab, die mit den Eingängen D4 und D5 der Drehüberwachungsvorrichtung DV verbunden sind. Der Ausgang D6 ist mit einer Stillstands­ bremse SB verbunden. Die Ausgänge E3 und E4 sind über zwei Steuerleitungen EL1 und EL2 mit den Eingängen SM1 und SM2 verbunden.

Die Steuereinheit SE ist ferner über eine Steuerleitung SL3 mit der Einstelleinheit ES verbunden.

Die Drehüberwachungsvorrichtung DV weist einen in der Zeich­ nung nicht dargestellten Prozessor P (RISC-Prozessor) auf.

Nachfolgend ist die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung im einzelnen beschrieben.

In der Initialisierungsphase wird das in der Einstelleinheit E abgelegte Programm mit den gewünschten Werten für Schritt­ weite, Geberauflösung, Fehlergrenze, Pulsfaktor, Geberfaktor etc. in die Drehüberwachungsvorrichtung geladen. In der Steuereinheit SE werden die für den gewünschten Drehwinkel erforderlichen Steuerimpulse berechnet und das Richtungs­ signal erzeugt. Die Steuerimpulse und das Richtungssignal gelangen über die Steuerleitungen SL1, SL2 zur Endstufe E. In der Endstufe E werden die Steuerimpulse in entsprechende Stromimpulse für den Schrittmotor umgewandelt, welche be­ wirken, daß die Motorwelle MW um einen vorbestimmten Winkel­ schritt weitergeschaltet wird. Da der Rotor vor dem ersten Winkelschritt eine beliebige Position einnehmen kann, ist die Schrittweite des ersten Winkelschritts nicht bestimmbar und somit rein zufällig. Der Steuerimpuls und das Richtungs­ signal werden über die beiden Leitungen SL3 und SL4 auch der Drehüberwachungsvorrichtung DV zugeführt und dort registriert.

Durch die Drehung der Winkelgeberscheibe WGS werden im Win­ kelgeber WG zwei um 90° gegeneinander versetzte Rechteck­ signale R1 und R2 erzeugt, die an den beiden Ausgängen A und B anliegen und den Eingängen D1 und D2 zugeführt werden. Die beiden Rechtecksignale R1 und R2 werden in der Drehüber­ wachungsvorrichtung DV registriert, welche Änderungen der Signale R1 und R2 detektiert. Bei jeder Änderung von R1 oder R2 wird der Zählerinhalt ZI im Prozessor P um einen Geber­ faktor GF erhöht. Während einer Einschaltzeit ESZ, die va­ riabel ist, wird der Zählerinhalt ZI mit einem Grenzwert G verglichen, bei dessen Übersteigen ein Fehlersignal erzeugt wird.

Nach Ablauf der Einschaltzeit ESZ wird der Zählerinhalt ZI gelöscht, wobei die Steuersignale im Prozessor P ausgewertet werden. Bei jedem Steuerimpuls wird der Zählerinhalt ZI um einen Pulsfaktor PF erhöht; bei jeder Änderung von R1 oder R2 wird der Zählerinhalt um den Geberfaktor GF verringert. Der Zählerinhalt ZI wird mit dem Grenzwert G wiederum derart verglichen, daß bei Übersteigen dieses Grenzwertes der Zäh­ lerinhalt ZI in einen entsprechenden Lastwinkel umgerechnet und in Form eines Leuchtbalkens LB mittels der Lastwinkel­ anzeige AZ dargestellt wird. Da die Steuerimpulse während der Einschaltzeit ESZ nicht bewertet werden, gibt der Zäh­ lerinhalt ZI nach Ablauf der Einschaltzeit ESZ den wahren Lastwinkel an. Bei einer Winkelauflösung von 500 und einer Geberauflösung von 50 wird der Geberfaktor GF = 20 und der Pulsfaktor PF = 8 gewählt. Nach einer vollen Umdrehung erhält man 500 × 8 = 50 × 4 × 20 Zählpulse, so daß der Zählerinhalt ZI zu Null wird, wenn alle Steuerimpulse und alle Geberim­ pulse registriert sind. Der zusätzliche Faktor 4 rührt da­ her, daß jede Flanke der Rechteckpulse R1 und R2 gezählt wird. Bei dieser Zählweise und Auswertmethode können Run­ dungsfehler nicht auftreten.

Soweit der Schrittmotor im Vertikalbetrieb, z. B. zum Anheben einer Last, eingesetzt wird, muß er mit einer Stillstands­ bremse ausgerüstet sein. Nach Lösen dieser Bremse muß ge­ währleistet sein, daß die Motorwelle MW des Schrittmotors SM in der Ausgangsposition gehalten wird, um ein unkontrollier­ tes Absinken der Last zu vermeiden. Mittels der erfindungs­ gemäßen Schaltungsanordnung würde ein Absinken der Last da­ durch detektiert werden, daß innerhalb der Einschaltzeit ESZ der Zählerinhalt ZI sehr rasch die vorgegebene Grenze G übersteigt. Das in diesem Fall generierte Fehlersignal kann zur Ansteuerung der Stillstandsbremsen ausgenutzt werden.

Zusätzlich wird eine Plausibilitätsprüfung der Gebersignale in der Drehüberwachungsvorrichtung durchgeführt. Nach einer bestimmten Anzahl von Steuerimpulsen muß eine Änderung des logischen Zustandes eines Geberkanals erfolgen. Zeigt bei­ spielsweise der Kanal A den Zustand 1 und der Kanal B den Zustand 0, so kann bei der nächsten Geberänderung sich nur der Zustand des Kanals B in 1 ändern. Jedem Zustand ent­ spricht ein Bitmuster 10, 11, 01 oder 00. Die Folge der mög­ lichen Bitmuster ist für die beiden Drehrichtungen in der Einstelleinheit E mit den anderen Werten abgespeichert. Er­ folgt eine unzulässige Änderung des Bitmusters z. B. von 10 nach 01, so wird ein Fehlersignal erzeugt.

Claims (6)

1. Drehüberwachungseinrichtung zur Überwachung eines Schrittmotors mit einer Winkelgeberscheibe, die auf der Motorwelle des Schrittmotors angeordnet ist, ei­ nem Winkelgeber, der mit einer Drehüberwachungsvor­ richtung verbunden ist, und mit einer Steuereinheit, die mit einer dem Schrittmotor vorgeschalteten End­ stufe und der Drehüberwachungsvorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreh­ überwachungsvorrichtung (DV) mit einer Einstellein­ heit (E), in der die gewünschten Werte wie Schritt­ weite, Geberauflösung, Fehlergrenze etc. gespeichert sind, und mit einer Lastwinkelanzeige (AZ) verbunden ist, wobei die Drehüberwachungsvorrichtung program­ mierbar ist.

2. Drehüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehüberwachungsvorrichtung einen Prozessor P (RISC-Prozessor) aufweist.

3. Drehüberwachungsvorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastwinkelanzeige (AZ) einen Leuchtbalken (LB) auf­ weist.

4. Verfahren zur Drehüberwachung, dadurch gekennzeich­ net, daß während einer Initialisierungsphase die in der Einstelleinheit gespeicherten Werte für Schritt­ weite, Geberauflösung, Fehlergrenze etc. in die Drehüberwachungsvorrichtung (DV) geladen werden, daß während einer Einschaltzeit (ESZ) nur die Gebersigna­ le in der Drehüberwachungsvorrichtung (DV) registriert und als Zählerinhalt (ZI) aufaddiert wer­ den und der Zählerinhalt (ZI) mit einem Grenzwert (G) verglichen wird und beim Überschreiten des Grenzwertes (G) ein Fehlersignal erzeugt wird.

5. Verfahren zur Drehüberwachung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß am Ende der Einschaltzeit (ESZ) der Zählerinhalt (ZI) gelöscht wird und danach die Steuerimpulse und die Geberimpulse in der Dreh­ überwachungsvorrichtung (DV) registriert und als Zäh­ lerinhalt (ZI) aufaddiert werden.

6. Verfahren zur Drehüberwachung nach einem der Ansprü­ che 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Drehüberwachungsvorrichtung (DV) jeder Steuerimpuls mit einem Pulsfaktor (PF) und jeder Geberimpuls mit einem Geberfaktor (GF) gewichtet wird.