DE2042903A1

DE2042903A1 - Verfahren zur Vermeidung bzw Redu zierung des Uberschwmgens der Rotoren von Schrittmotoren nach dem letzten vor gewählten Impuls

Info

Publication number: DE2042903A1
Application number: DE19702042903
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Ing Heine Gunter 7630 Lahr Treusch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-08-29
Filing date: 1970-08-29
Publication date: 1972-03-02

Description

Verfahren zur Vermeidung bzw. Reduzierung des Überschwingens der Rotoren von Schrittmotoren nach dem letzten vorgewählten Impuls.
Wie bekannt, führt der Rotor eines Schrittmotors durch taktgerechte, mechanische oder elektronische Umschaltung von gleichstromgespeisten Feldwicklungen schrittweise Bewegungen (% ) aus.
Im allgemeinen wird von Schrittmotoren erwartet, daß die ausgeführte Gesamtbewegung ganz bestimmten Drehwinkeln (n 'Yb , entsprechen.
Diese Bedingung wird für das statische Verhalten der Motoren mit einer typenbedingten Genauigkeit immer erfüllt. Dynamisch betrachtet, führen jedoch im allgemeinen die Ausschwingvorgänge, nach dem letzten vorgegebenen Schritt, zu einem Pendeln um den Sollwert. Bei großen Genauigkeitsanforderungen an den vorgegebenen Drehwinkelbetrag kann dieses Überschwingen bereits zu einer Verfälschung des vorgewählten Drehwinkels, und damit zu einer Bearbeitungsungenauigkeit des Werkstückes, z.B. auf einer digital gesteuerten Schleifmaschine usw. führen.
Um das zu vermeiden, wurden verschiedene bekannte Maßnahmen ergriffen und in die Praxis eingeführt.
Dieselben bestehen jedoch fast ausschließlich aus mechanischen Dämpfungselementen, die auf die Motorwellen aufgebracht werden müssen. In ihnen wird ein Teil der Motorleistung vernichtet, so daß der Gesamtwirkungsgrad verschlechtert wird. AuBerdem muß jedes Dämpfungselement an jeden Motortyp besonders angepaßt werden und verlangt im allgemeinen eine sehr lange ungelagerte bzw. beidseitig herausgeführte Welle. Die entstehenden zusätzlichen Kosten sind zum Teil erheblich. Dies sind Nachteile, die den Einsatz von Schrittmotoren bei vielen Anwendungsgebieten, in denen hohe Anforderungen an Genauigkeit des Drehwinkels gestellt werden, erschweren und verteuern.
Das nachfolgende erfindungsgemäße vorgeschlagene und erprobte Verfahren besteht nun darin, daß die Maßnahmen zur Verhinderung des Überschwingens über den Sollwert hinaus in dem elektronischen Ansteuerteil vorgenommen werden. Dieses Verfahren führt zu einer erheblichen Verbilliqung der Anlage, und kann bei jedem beliebigen Schrittmotor, ohne eine Änderung an demselben vornehmen zu müssen, mit Erfolg angewandt werden. Eine Leistungseinbuße tritt bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag nicht ein, da alle zu treffenden Maßnahmen in dem praktisch leistungslosen elektronischen Ansteuerteil erfolgen.
Das der Erfindung zuqrunde liegende Verfahren soll zunächst anhand der Fig. 1 näher erläutert und beschrieben werden.
Jeder Schrittmotor besitzt, je nach seiner Phasenzahl, eine ganz bestimmte statische Momentenkennlinie. In Fig. 1 ist für einen Zweiphasenmotor eine solche Kennlinie a für z.B. den Schritt (n-l) und die Kennlinie b für den Schritt (n) gezeichnet.
Die Ruhestellung des Rotors befindet sich für den Schritt (n-l) in Punkt 1 und für den Schritt (n) in Punkt 2. Der Schrittwinkel 9 entspricht damit der Strecke 1 - 2. Wie man aus der Momentenkennlinie ersehen kann, besteht für den Rotor infolge seines Trägheitsmomentes die Möglichkeit, nach erfolgtem letzten Schritt um den Punkt 2 mit dem Winkelbetrag + (Pk zu pendeln, ohne dabei einen weiteren Schritt auszuführen. Da #k # #o sein kann, besteht immer die Möglichkeit, daß kurzzeitig die Verstellung des Arbeitsgerätes um den unerwünschten Betrag Stpk über den Sollwert hinaus erfolgen kann. Eine Schwingung dieser Art ist in Fig. 2 als Funktion #(t) für den Schritt (n .%) dargestellt.
Das neue erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß dieses Uberschwingen in einem bestimmten Sinne ausgenützt wird.
Beaufschlagt man z.B. einen Schrittmotor zunächst statt mit n-Steuerimpulsen, die einem gewollten Drehwinkel von n (fo entsprechen, nur mit (n - 1) Steuerimpulsen, so wird der Ausschwingvorgang sich nach Kurve a in Fig. 3 vollziehen, wobei die Höhe der ersten Überschwingamplitude, wenn nicht zufällig gleich 00 , durch äußere Maßnahme, z.B. Abgleich mit zusätzlichem äußeren Trägheitsmoment auf diesen Wert gebracht werden kann. Schaltet man in den Zeitpunkt tn, bei dem die erste Überschwingamplitude ihren höchsten Wert erreicht hat, den letzten Impuls n hinzu, dann wird der Ausschwingvorgang nach Kurve b in Fig. 3 praktisch ohne jegliches Überschwingen verlaufen und der Rotor sich auf den gewünschten Sollwert n ' % einstellen. Das normale ImpulszeitintervallA t ist zu diesem Zweck zwischen dem Schritt (n - 1) und (n), um den Faktor k größer oder kleiner zu machen. Der Faktor k ist abhängig von der Eigenfrequenz des Rotors.
Die physikalische Erklärung für diese neue Methode zur Verhinderung des Überschwingens bei Schrittmotoren beruht auf der Tatsache, daß 1. der Rotor im Umschaltzeitpunkt tn nach dem Schritt (n - 1) keine kinetische Energie mehr besitzt.
2. Die magnetische Spannung, die den Rotor in seine Ruhelage (n - 1) 0 zurückdrehen möchte, am größten und der vorgegebenen Drehrichtung entgegengesetzt gerichtet ist. Erfolgt im Zeitpunkt tn der Impuls (n), so versucht der Motor, den Rotor in vorgegebener Drehrichtung um einen Schritt weiter zu bewegen, gleichzeitig wirkt jedoch die magnetische Spannung dieser Bewegung in umgekehrter Drehrichtung entgegen, d.h., der Rotor wird abgebremst und bleibt praktisch in dieser Stellung stehen, die dem gewünschten Endwert n . ß entspricht. Somit wird das -der Erfindung zugrunde liegende gesteckte Ziel erreicht, indem der Motor praktisch ohne Überschwingen in seine vorgewählte statische Endlage einlaufen kann.
Die Vergrößerung des Impulsintervalles kann mit verhältnismäßig einfachen elektronischen Mitteln durchgeführt werden, indem z.B. die Impulsfrequenz des normalerweise zum Steuerteil gehörenden Impulsoszillators, nach dem Impuls (n - 1), für einen Schritt durch die Vorwahlzähleinrichtung umgeschaltet, d.h. geändert wird.
Bei Motoren für mehr als zwei Phasen kann die statische Momentenkennlinie nach Fig. 1 gleichzeitig mehrere Schrittwinkel ( 00) überdecken, d.h., in dem Kippwinkelt k können mehrere Schrittwinkel(p0 enthalten sein. In Fig. 4 ist z.B.
die Momentenkennlinie für einen fünfphasigen Schrittmotor dargestellt.
In diesem Fall muß die Frequenzumschaltung, entsprechend der Phasenzahl m, früher, z.B. beim Schritt t (n + 1 - m) erfolgen. In Fig. 5 ist der nicht ausgeglichene Ausschwingvorgang a (5) und das ausgeglichene Ausschwingen b (5) entsprechend der Momentenkennlinie von Fig. 4, für einen fünfphasigen Motor dargestellt. Bei diesen Schrittmotoren kann zur Verhinderung von Überschwingungen, durch Unterdrückung von (m - 2) Impulsen, wie oben verfahren werden.
Das Prinzipschaltbild für den Steuerteil zum erfindungsgemäßen Verfahren ist in Fig. 6 angegeben. Die richtige Einstellung der Frequenz für den letzten Schritt bzw. die letzten Schritte kann mit einem Oszillographen leicht überwacht werden.

Claims

Patentansprüche

O Verfahren zur Vermeidung bzw. Reduzierung des Überschwingens der Rotoren von Schrittmotoren beim Erreichen des durch Vorwahlzähler vorgewählten Drehwinkels n ' (Po,dadurch gekennzeichnet, daß je nach Phasenzahl m der Schrittmotoren bei einem oder mehreren Impulsen vor dem letzten Steuerimpuls eine Oszillatorfrequenz-Umschaltung durch einen Umschaltimpuls des Vorwahl zählers oder eines anderen Signals erfolgt und der Zeitpunkt der Frequenzumschaltung mit der ersten Uberschwingamplitude in engem Zusammenhang steht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei zweiphasigen Schrittmotoren die Oszillatorfrequenz-Umschaltung beim Impuls (n - 1) und bei mehrphasigen Motoren je nach Phasenzahl m der Motoren die Umschaltung beim Schritt bzw. Impuls = (n + 1 - m) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die umgeschaltete Oszillatorfrequenz so gewählt wird, daß beim zweiphasigen Schrittmotor die letzte Impulsgabe im Zeitpunkt oder in der Nähe des Maximums der ersten Überschwingung nach dem Schritt (n - 1) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die umgeschaltete Oszillatorfrequenz so gewählt wird, daß beim m-phasigen Schrittmotor die letzte Impulsgabe nach einem Schritt t (n + 1 - m) im oder in der Nähe des Maximums der ersten Uberschwingamplitude erfolgt und dabei - (m - 2) Schritte unterdrückt werden.
5. Verfahren nach Anspruch1 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Überschwingamplitude und -Frequenz durch zusätzliche MaBnahmen(z.B. äußere Trägheitsmomente) auf einen gewünschten Wert abgeglichen wird.

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