DE2009558C - Verfahren und Anordnung zur Beeinflussung der Winkelstellung eines Schrittmotors - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung der Winkelstellung eines Schrittmotors, dessen Winkelstellung durch das Zusammenwirken mindestens zweier magnetischer Felder im Stator bestimmt ist und bei dem der Wicklungsstrom des Motors veränderbar ist, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Verwendung von Schrittmotoren auf dem Gebiete der Meß-, Steuer- und Regeltechnik ist bekannt. So wird beispielsweise bei einem Lichtzeichenkopf eine auswechselbare Objektschsibe mit bis zu 100 verschiedenen Objekten durch einen Schrittmotor gedreht und in die jeweils gewünschte Position gebracht (DT-Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb« 101. Jahrg. (1968), H. K), S. 597 bis 602).

Sdirittmotore haben einen Winkelfchler, der im wesentlichen durch Fertigungstoleranzen bedingt ist. Für höchste Anforderungen bei einer Positionierung, wie beispielsweise bei der vorstehend genannten Anwendung des Schrittmotors, ist der voihandene Winkelfchler zu groß. Um diesen zu verringern, wäre es prinzipiell möglich, Spezialtypen von Schrittmotoren zu schalten.

Bei einem Schrittm uor, dessen Winkelstellung durch das Zusammenwirken von zwti magnetischen F'Jik-iu im Stator bestimmt ist, ist es bekannt, diese Winkelstellung in einem begrenzten Bereich zu verändern, indem man die Ständerwicklungen mit unterschiedlichen Strömen erregt (USA.-Zeitschrift JEEE Transactions on automatic Control, August 1969, S. 394 bis 397).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, um den Winkelfehler der handelsüblichen Schrittmotore zu verringern, so daß diese auch zur Erfüllung genauer Positionieraufgaben eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus der Winkelstellung des Schrittmotors bei Abweichung von seiner Sollstellung ein elektrisches Signal abgeleitet wird, welches den Wicklungsstrom des Motors in den Winkelfehler beseitigendem Sinn korrigiert.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Unteranspriichen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schrittmotor in Anwendung bei einem Lichtzeichenkopf,

F i g. 2 einen Ausschnitt der vom Schrittmotor angetriebenen Objektscheibe mit zwei Steuerspuren,

F i g. 3 die für die Kompensation des Winkelfehlers verwendete elektrische Schaltung,

F i g. 4 eine genauere Ausbildung der verwendeten Verstärker,

F i g. 5 ein Signaldiagramm.

Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, ist auf der Welle 1 eines Schrittmotors 2 direkt eine Objektscheibe 3 aufgebracht. Die Scheibe 3 trägt im Bereich 4 nicht weiter dargestellte Symbole, wie Ziffern, Buchstaben und sonstige Zeichen aus den verschiedensten Gebieten. Im Bereich 5 trägt die Scheibe beispielsweise zwei Steuerspuren, wie diese in vergrößerter Form in der F i g. 2 dargestellt sind. Wie weiter aus der F i g. 1 ersichtlich, sind über der lichtdurchlässigen Objektscheibe 3 in den Bereichen 4 und 5 Beleuchtungseinrichtungen 6, 6' angeordnet. Unter der Scheibe 3 ist im Bereich 5 eine, aus einem Abtastspalt 7 und Fotodioden 8 bestehende Abtasteinrichtung 9 angeordnet, deren Ausgangsspannung eine Verstärkereinrichtung 10 ansteuert, die im einzelnen in der Fig. 3 beschrieben ist. Diese Verstärkereinrichtung 10 beeinflußt wiederum den Schrittmotor 2.

Wie aus der F i g. 2 ersichtlich, sind die Rasterteilungen der zur Kompensation des Winkelfehlers vorgesehenen Steuerspuren 11, 12 gegeneinander versetzt angeordnet. Die Spur 11 wird von einer durch einen Kreis angedeuteten Fotodiode 13 und die Spur 12 von einer ebenfalls durch einen Kreis angedeuteten Fotodiode 14 abgetastet. Die Spuren 11 und 12 bestehen aus lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Rasterteilungen 15 bzw. 16, die sehr genau aufgebracht sind. Die Zahl der Teilungen je Spur ist gleich der Zahl der Winkelschritte des Schrittmotors pro Umdrehung.

Wie aus der F i g. 3 ersichtlich, sind die Fotodioden 13, 14 an den Fiingatig eines Differenzenverstärkers 17 geschaltet. Dem Verstärker 17 ist ein Operationsverstärker 18 nachgeschaltet, welcher über Schaltverstärker 19, 20 zwei der beispielsweise vier Wicklungen A, A', B, B' des Schrittmotors beeinflußt. Die Schaltverstärker 19 bis 22 werden an ihren Eingän-

gen a, a', b, b' von Signalen einer digitalen Steuerung 23 angesteuert.

Bei der hier beschriebenen Steuerung für einen vierphasigen Schrittmotor mit Permanentmagnet-Anker ist es notwendig, daß nur jeweils die unter Strom stehende Wicklung durch das Kofrektursignal becintlußt wirf, da nur dann das Vorzeichen der Korrektur richtig ist, d. h. der Schrittmotor in die jeweils richtige Richtung nachgedreht wird. Eine Erhöhung des Stromes beispielsweise in einer Wicklung bewirkt je nach der Stellung des Motors innerhalb seiner Periode von vier Schritten einmal eine Drehung im Uhrzeigersinn und ein anderes Mal im Gegenuhrzeigersinn.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Anordnung gemäß der F i g. 3 näher erläutert.

Befindet sich der Schrittmotor in seiner Sollstellung, dann werden die Fotodioden 13, 14 (F i g. 2) flächengleich beleuchtet. Da die Fotodioden 13, 14 Zweige einer Brückenschaltung 24 sind, tritt an den Diagonalpunkten c, d kein Signal auf. Da am Eingang des Differenzenverstärkers 17 kein Signal ansieht, wird vom Ausgang 25 des Verstärkers 17 auch kein Signal ausgegeben.

Befindet sich nun der Schrittmotor nicht in seiner Sollstellung und tritt beispielsweise ein Versatz seiner Stellung in Pfeilrichtung auf, so wird die Fotodiode 13 mehr beleuchtet als die Fotodiode 14 (Fig. 2). Damit tritt an den Diagonalpunkten c, d der Brükkenschaltung 24 eine Differenzspannung auf, welche auch am Eingang des Differenzenverstärkers 17 wirkt. Am Ausgang 25 des Verstärkers tritt damit ein Korrektursignal auf, welches zwecks Nachdrehung der Motorwelle auf dessen Wicklungen A, A' gegeben wird.

Um eine Bewegung des Schrittmotors zu bewirken, werden die Schaltverstärker 19, 20 an ihren Eingängen a, d durch bejahte Digitalsignale angesteuert und die Schaltverstärker 21, 22 an den Eingängen b, b' durch negierte Digitalsignale, die gegenüber denen an den Eingängen a, a' um 90° phasenverschoben sind. Diese Signale liegen in Form von Impulsfolgen vor und werden von der digitalen Steuerung 23 ausgegeben. Die vier Verstärker 19 bis 22 schalten also die Wicklungsströme des Schrittmotors. Zur Kompensation des Winkelfehlers werden nun erfindungsgemäß zusätzlich die Schaltverstärker 19, 20 für die Motoi wicklungen A, A' mit dem analogen Korrektursignal beaufschlagt. Dieses Korrektursignal bewirkt eine analoge Veränderung des jeweiligen Wicklungsstromes, und zwar nur dann, wenn der entsprechende Schaltverstärker auch durch bejahte Digitalsignale angesteuert ist. Ist der Wicklungsstrom digital abgeschaltet, d. h. ist der Schaltverstärker über das Digitalsignal nicht eingeschaltet, dann wirkt auch das analoge Korrektursignal nicht.

Die Wicklungen des Motors werden also digital gesteuert, und bei Einschaltung der Wicklungen erfolgt bei Abweichung der Stellung des Schrittmotors vom Sollwert eine selbsttätige analoge Korrektur des Wicklungsstromes.

Die Fig. 4 zeigt eine genauere Ausbildung der Schaltverstärker 19 bis 22, z. B. der Schaltverstärker 19.

Der Verstärker beeinflußt die Wicklung A. Der Verstärker selbst besteht aus den Transistoren 26, 27 und 28. Zum Schutz des Transistors 28 ist parallel zur Wicklung A eine Freilaufdiode 29 mit einem Widerstand 30 geschaltet. Der Transistor 28 wird durch den Transistor 27 angesteuert, dem wiederum der Transistor 26 vorgeschaltet ist. Dieser Transistor wird von der digitalen Signalfolge angesteuert. Der Transistor 27 wird darüber hinaus über einen Eingang 31 und einen Widerstand 32 vom analogen Korrektursignal angesteuert. Am Eingang 33 wirkt ein digitales Signal der Steuereinrichtung 23, durch welches der Strom durch die Wicklung A ein- und

ίο ausgeschaltet wird.

Der Verstärker hat folgende Wirkungsweise:
Bei Auftreten eines Signals L am Eingang 33 wird am Ausgang 34 der Umkehrstufe 35 ein Signal 0 auftreten. Das Potential dieses Signals ist derart,

daß der Eingangstransistor 26 gesperrt wird (negatives Potential). Durch das hohe Kollektorpotential dieses Transistors 26 wird der nachgeschaltete Transistor 27 leitend und ebenso der Ausgangstransistor 28. Die Schaltung ist nun so bemessen, daß der

ao Transistor 27 sich auf einen mittleren Arbeitspunkt seiner Kennlinie einstellt, das durch die Spannungsteilerschaltung 36, 37, 38 erreicht wird. Zusätzlich

' zu der digitalen Ansteuerung durch den Transistor 26 wird der Transistor 27 linear über die am Eingang 31

as auftretende analoge Korrekturspannung ausgesteuert. Dadurch wird auch der durch die Wicklung A fließende Strom entsprechend geändert.

Tritt am Eingang 33 ein Signal 0 auf, so gibt die Umkehrstufe 35 ein Signal L aus. Der Eingangstransistor 26 wird dadurch leitend und der Transistor 27 gesperrt. Eine etwa am Eingang 31 anstehende analoge Korrekturspannung hat damit keinen Einfluß auf den Transistor 27. Durch den nicht leitenden Transistor 27 ist auch der Ausgangstransistor 28

gesperrt, und damit fließt durch die Wicklung A kein Strom.

Die Verstärkeranordnung nach der Fig. 4 erlaubt also, den Wicklungsstrom in Abhängigkeit von einem digitalen Eingangssignal ein- und auszuschal-

ten und im eingeschalteten Zustand zusätzlich eine analoge Korrektur aufzuschalten.

Im angegebenen Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 können die Schaltverstärker21, 22 an sich bekannte Schaltverstärker sein. Diese Verstärker können auch nach der F i g. 4 ausgebildet sein, wobei dann der Eingang 31 und der Widerstand 32 entfallen.

Das analoge Korrektursignal braucht nur den Schaltverstärkern 19, 20 (F i g. 3) zugeführt zu werden, wie nachstehend an Hand des Signaldiagrammes in der Fi g. 5 näher erläutert wird.

Im Signaldiagramm sind die von der digitalen Steuerung 23 (F i g. 3) ausgegebenen Signalfolgen für den Schrittmotor dargestellt. Diese Signalfolgen wir-

ken auf die Schaltverstärker 19 bis 22 (F i g. 3).

!n der Position Γ wirken nur an den Eingängen .'/, /; Signale entsprechend L. Damit sind auch nur die Wicklungen/1, B stromführend. Jc nach Vor/eichen eines etwa am Eingang 31 de,¹ Schaltverstärker 19

Go anstehenden Kcureklursignales ,vird allein der Strum in der Wicklung A erhöht ode- erniedrigt, wodurch eine Drehung im Uhrzeigersin 1 oder im Gegenuhr-/xigersinn verursacht wird. Das 'IcichcSigna' am Hingang 31 des Schaltverstärker!; 20 hat auf diesen

keinen Einfluß, da — wie aus dein Signaldiagramm in der Fig. 5 ersichtlich — in der Position Γ das digitale Signal am Eingang «' entsprechend 0 ist unü der Schaltverstärker 20 damit ausgeschaltet ist. Das

aloge Korrektursignal ist also wirkungslos. Durch : Ausschaltung des Schaltverstärkers 20 führt die icklung/4' auch keinen Strom.
In der Position 2' wirkt wiederum am Eingang a s Schaltverstärkers 19 ein Signal L und am Ein- ng b' des Schallverstärkers 22 auch ein Signal L. imit sind allein die Wicklungen A und B' stromhrend. Ein etwa wieder am Eingang 31 des Schaltrstärkers 19 anstehendes analoges Korrektursignal rd allein den Strom der Wicklung A entsprechend ;m vorhandenen Winkelfehler verändern. Wie dem gnaldiagramm zu entnehmen ist, ist der Schal t-■rstärker 20 wegen des Signals entsprechend 0 am ,ngang a' nach wie vor ausgeschaltet. In der Position 4' wirken allein an den Eingänma' und b der Schaltverstärker 20 und 22 Signals L. amit führen allein die Wicklungen A' und B Strom, in am Eingang 31 anstehendes analoges Korrekturgnal kann über den Schaltverstärker 20 den Strom lrch die Wicklung A' beeinflussen. Da am Eining α des Schaltverstärkers 19 ein Signal 0 ansteht, t dieser Schaltverstärker ausgeschaltet, und das an inem Eingang 31 anstehende analoge Korrekturgnal hat keinen Einfluß auf diesen. Der Erfindungsgegen&tand ist nicht beschränkt auf ;hrittmotoren mit vier Wicklungen, wobei jeweils zwei unter Strom sind. Ferner kann auch nur eine einzige Steuerspur (F i g. 2) mit einer einzigen Fotodiode als Abtaster verwendet werden. Der Vorteil der in der Fi g. 2 dargestellten Doppclabtastung besteht jedoch darin, daß durch die Diffcrcnzschaltung Schwankungen der Lampenhelligkeit oder der Temperatur der Fotodioden keinen Einfluß haben.

Es ist auch eine Doppclabtastung nach dem beschriebenen Prinzip möglich mit nur einer Steuerspur,

ίο wobei eine Fotodiode angeordnet ist wie die Fotodiode 13 in Steuerspur 11 (F i g. 2), während eine zweite Fotodiode 14' an irgendeiner anderen Stelle der Steuerspur 11 die rückwärtige Kante 40 eines dunklen Rasterfeldes 41 abtastet.

An Stelle der Fotodioden können auch Fototransistoren oder ähnlich wirkende fotoelektrische Halbleiter verwendet werden.

Durch die Erfindung ergibt sich der weitere Vor teil, daß die Kompensation des Winkelfehlers durch

ao analoge Steuerung der Wicklungsströme dem üblichen Auspendein des Schrittmotors entgegenwirkt, wenn er zum Stillstand kommt, d. h. sie dämpft den Motor. Mitunter ist dieses Auspendeln sehr unerwünscht, und der Schrittmotor muß mit sehr auf-

a5 wendigen mechanischen Dämpfungseinrichtungen versehen werden, die durch die Erfindung entfallen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beeinflussung der Winkelstellung eines Schrittmotors, dessen Winkelstellung durch das Zusammenwirken mindestens zweier magnetischer Felder im Stator bestimmt ist und bei dem der Wicklungsstrom des Motors veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Winkelstellung des Schrittmotors bei Abweichung von seiner Sollstellung ein elektrisches Signal abgeleitet wird, welches den Wicklungsstrom des Motors in den Winkelfeiiler beseitigendem Sinn korrigiert.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangssignal (33) eines mit der Schrittmotorwelle (1) gekuppelten Lagediskriminators (11 bis 14) den Strom in einzelnen Wicklungen (A, A') beeinflußt. ao

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagediskriminator aus zwei optischen Signalgebern (13, 14) besteht, die je eine der auf einer mit der Motorwelle (1) gekuppelten Scheibe (3) angebrachten, lichtdurch- as lässige und lichtundurchlässige Rasterteilungen (iS, 16) enthaltende Steuerspuren (11, 12) abtasten und daß die Signale der Geber (13, 14) einer Differenzschaltung (24) zugeführt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3 bei einem Schrittmotor, dessen Wicklungen über digital ansteuerbare Schaltverstärker erregt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Differenzschaltung (24) einem Differenzverstärker (17) zugeführt ist und daß dessen Ausgangsspannung den Schaltverstärkern (19 bis 22) zusätzlich als Korrekturstrom aufgeschaltet ist.