DE2257671A1

DE2257671A1 - Verfahren und anordnung zum ansteuern eines schrittmotors mittels eines frequenzvariablen oszillators

Info

Publication number: DE2257671A1
Application number: DE19722257671
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Phys Opitz; Eberhard Riessland; Frank Dipl Ing Trodler; Wolfgang Dipl Ing Wagner
Original assignee: Elektromat VEB
Current assignee: Elektromat VEB
Priority date: 1972-04-21
Filing date: 1972-11-24
Publication date: 1973-10-25
Also published as: FR2180731A1; FR2180731B3; HU167112B; DD95622A1; DE2257671C3; CS195002B1; DE2257671B2

Description

TEB Blektronat ■ Dresden, den 14.11.1972

"Verfahren und Anordnung zum Ansteuern eines Schrittmotors mittels eines frequenzvariablen Oszillators"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Ansteuern eines Schrittmotors mittels eines frequenzvariablen Oszillators, dessen den Schrittmotor über einen Verteiler beaufschlagende Rechteckimpulsfolge in einem Sollwertzähler gezählt und mit einem Sollwert verglichen wird*

Es sind Ansteuerungen für Schrittmotoren bekannt, die mittels eines frequenzvariablen Oszillators arbeiten, dessen frequenz spannungsabhängig ist und durch die Kondensatorspannung eines RÖ-G-liedes eingestellt wird«

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Die Hochlaufcharakteristik des Oszillator-Schrittmotor-Systems wird durch die physikalischen Besonderheiten des RC-Gliedes maßgebend bestimmt und entspricht etwa der Funktion F = f_Λ (1-e~" T), das Abbremsen verläuft demgegenüber nach der Funktion f = f e"* T. Ein spiegelbildliches Hochlaufen und Bremsen ist damit nicht gewährleistet, so daß der Frequenzgradient über den gesamten Frequenzbereich nicht optimal eingestellt werden kann.

Eine andere Ansteuerung kommt ohne einen frequenzvariablen Oszillator aus, indem ein Meßfühler die mechanische Stellung des Rotors abgreift. Die so gewonnenen Signale regeln beim Hochlauf und beim Abbremsen die Frequenz der Motorerregung, so daß der Betrag der Phasendifferenz von Rotorstellung und Erregerfeld einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Der Bremsvorgang muß bei diesem Verfahren zu einem Zeitpunkt eingeleitet werden_fder gewährleistet, daß die Impulsfolgefrequenz beim letzten programmbedingten Schritt die Frequenz erreicht hat, bei der der Motor ohne Positionierfehler abgeschaltet werden kann (Bremsfrequenz).

Alle bekannten Verfahren und Anordnungen haben den prinzipiellen Nachteil, daß bei Frequenzminderung zwischen Erreichen der Bremsfrequenz und des programmbedingten Stoppsignals aus Sicherheitsgründen immer noch mehrere Schritte bei der relativ niedrigen Bremsfrequenz ausau-

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führen sind* Diese Tatsache führt gerade bei Schrittantrieben, welche mit großem Aufwand auf eine hohe Grenzfrequenz gezüchtet werden, zu großen Positionierzeitverlusten·

Der Zweck der Erfindung besteht darin, mit einem Schrittmotor einen Positioniervorgang in kürzester Zeit auszuführen, dabei die Grenzfrequenz des Schrittmotors anzustreben und die Mangel der bekannten Verfahren und Anordnungen zu vermeiden»

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde» ein Verfahren zum Ansteuern von Schrittmotoren zu schaffen» dessen Verfahrensschritte Hochlaufen und Bremsen durch parallelver» laufende St euer operationen toleranzfrei und 3?©p^oduzierbar gestaltet werden, wobei die beim Bremsvorgang bei der Bremsfrequenz noch auszuführenden programmbedingten Schritte auf ein Minimum zu begrenzen sind und di© Mom@iit©n» kennlinien optimal ausgenutzt werden« Die Erfindung schließt die Schaffung einer Anordnung zur zweckmäßigen Durchführung des Verfahrens ein«.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ausgangsimpulsfolge des Oszillators sowohl einem Vorßückwärtszähler als auch einem bei Positionieraufgäben oft verwendeten Sollwert zähler zugeführt wird» Der Soll-

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wortzähler registriert die insgesamt zurückgelegte Schritt zahl und ermöglicht den Vergleich mit dem vorgewählten Sollwert a. Der Tor- Rückwärtszähler nimmt die Eihstellung diskreter Werte eines die Impulsdauer bestimmenden Netzwerkes des Oszillators vor· Hat dieser eine von einem Erogramm her vorbestimmte, für das Hochlaufen des Motors notwendige Impulszahl b registriert, so wird, sofern b^/2 ist, sein Eingang gesperrt, während der Sollwertzähler weiterläuft und beim Erreichen von ^a/2 auf Rückwärtsbetrieb umschaltet. Der Schrittmotor läuft nun mit der dem Zählerstand b entsprechenden höchsten Frequenz bis die Impulsanzahl a - b erreicht ist (Sollwertzählerstand b)· Damit wird der Eingang des Vor- Rückwärtszählers wieder freigegeben und er zählt von der eingespeicherten Impulszahl b rückwärts, bis gleichzeitig mit dem Sollwertzähler der Zählerstand Null erreicht wird· Gilt b ? ^a/2, so wird der Eingang des Vor- Rückwärtszählers während der Positionierung nicht gesperrt, sondern er schaltet bereits bei ^a/2 wie der Sollwertzähler auf Rückwärtsbetrieb, und beide Zähler erreichen nach der weiteren Impulszahl ^a/2 ihre Nullstellung· Der Schrittmotor erreicht also bei b*^a/2 seine maximale Drehzahl nicht· Beim Zählerstand Null wird ein Steuersignal ausgelöst, welches über ein an sich bekanntes Programmsteuergerät die Impulsfolge für den Schrittmotor abbricht. Damit wird für das Bremsen des Schrittmotors die gleiche Impuls-

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anzahl benötigt wie für das Hochlaufen₀ . Besonders vorteilhaft ist dabei, daß das Hochlaufen und das Bremsen des Schrittmotors mit einer den physikalischen Verhältnissen entsprechenden, spiegelbildlich verlaufenden Irequenz-Zeit-Charakteristik vorgenommen wird, die den Motorkennlinien optimal- angepaßt werden kann.

Des weiteren soll eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden,

Brfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ausgang des zur Ansteuerung benutzten frequenzvariablen Oszillators mit dem Takteingang eines bis X^- m^. ₀ c

K-O

(m-jj. = 0,1,2,0O₀C-I) zählenden Vor- Mickwärtszählers gekoppelt ist, der seinerseits wieder über ein frequenzbestimmendes Leitwertnetzwerk auf den Oszillator zurückwirkt. Dabei werden die parallelliegenden Leitwerte G^. des Hetzwerkes über Schalttransistoren jeweils mit einem Ausgang

k
HLj₅. , c des Vor- Hickwärtszählers verbunden» Die Abstufung der Leitwerte Gj₅. wird zweckmäßigerweise nach der Beziehung \ = rn^. ο c .G₀ (k=0,1,2,.,.n$m_k=1,2j._eec-1 $ G₀= konst») vorgenommen.

Die Oszillatorfrequenz f^, welche sich bei der Impuls-

zahl b einstellt, gehorcht dann der Beziehung ^ = S -§· T*

H I

Die Oszillator konstant en T, T werden im Hinblick auf

* 6 309843/0363

eine optimale Anpassung an die Motorkennlinien gewählt.

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch Vereinigung des Sollwertzählers mit dem Vor- Rückwärtszähler zu einem Zähler. Beim Anlauf des Schrittmotors wird die Oszillatorfrequenz wie bisher beschrieben erhöht, bis die gewünschte Maximalfrequenz bei der Schrittzahl b erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt schaltet die entsprechende Zählerausgangsinformation b einen Speicherbaustein, welcher die codierte Zahl b einspeichert und dem Oszillator als statische Information zuführt. Dadurch erhöht sich die Oszillatorfrequenz nicht weiter, obwohl der Zähler weiterhin in Betrieb ist.

a
Mit Erreichen der Schrittanzahl 2 schaltet der Zähler auf rückwärts um. Bei der Schrittanzahl b wird die Wirkung des Speicherbausteins aufgehoben und der Oszillator vermindert in bereits beschriebener Weise die Oszillatorfrequenz auf den zum Bremsen des Schrittmotors notwendigen Wert.

Durch das beschriebene Verfahren und durch die dargelegte Anordnung ist es möglich, die Motorkennlinien optimal auszunutzen, das Hochlaufen und das Bremsen des Schrittmotors mit einer spiegelbildlich verlaufenden Erequenz-Zeit-Charakteristik auszuführen und den Positioniervorgang mit dem letzten Schritt des Bremsvorganges toleranzfrei und reproduzierbar abzuschließen. Geringfügige An-

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derungen der Schrittfrequenz bzw_e des Momentes, die nie · auszuschließen sind, bedingen bei dieser wegabhängigen Steuerung im Gegensatz zur zeit- bzw, lastabhängigen Steuerung keine Schritte mit Bremsfrequenz.

Die Erfindung soll, nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In der zugehörigen Zeichnung ζeigens .

Fig« 1 j die Anordnung mit dualcodierter Schaltung Fig· 2 : die Frequenz - Impulsanzahl - Charakteristik*

Verfahrensgemäß wird zunächst von einem frequenzvariablen Oszillator 1 eine Rechteckimpulsfolge £^ erzeugt*. Diese wird einerseits über ein an sich bekanntes Steuergerät auf die gewünschte Schrittzahl a begrenzt und dem Schrittmotor 4 zugeführt· Andererseits wird f^ dem Takt eingang eines Vor- Rückwärt sdual Zählers 2 zugeleitet* Hier wird die eintreffende Impulsfolge gezählt und mit einer programmierten, für das Hochlaufen notwendigen Impulszahl b verglichen (Fig· 2). Ist diese erreicht, so wirdj, sofern

b< 2 ist, der Vor- Rückwärtsdualzähler 2 außer Betrieb gesetzt« Der Schrittmotor 4 läuft nunmehr mit der' höchsten vorgesehenen Frequenz weiter bis die Impulszahl (a - b) erreicht ist« Daraufhin wird der Vor- Rückwärtszähler 2 wieder eingeschaltet und zählt von der bisher eingespeicher-

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ten Impulszahl b rückwärts, bis der Wert Null erreicht ist.

Da der im Steuergerät 3 befindliche Sollwertzähler bei ^a/2 auf rückwärts umschaltet, ist in diesem Augenblick auch dieser Zähler bei dem Wert Null angelangt. Zähler und Schrittmotor 4 werden stillgesetzt und der gewünschte Positioniervorgang wird genau mit dem letzten programmbedingten Impuls abgeschlossen. Ist b = ^a/2, so entfällt die Stillsetzung des Vor- RückwärtsZählers 2 und dieser läuft ab ^a/2 mit dem Sollwertzähler zurück. Die Veränderung der Frequenz wird vom Vor- Bückwärtszähler 2 vorgenommen. Vom Ausgang desselben werden dem

k jeweiligen Zählerstand entsprechende Signale 2 (ksO,1,1,.,.n) abgegeben und über Schalttransistoren T^ einem Leitwertnetzwerk 5 zugeführt} welches nach dem Dualcode gestaffelt ist und impulszahlabhängige Leitwerte annimmt, die in ihrer Gesamtheit eine Zeitkonstante des Oszillators 1 und damit dessen Frequenz unmittelbar beeinflussen.

Die Schaltungsanordnung ist aus Fig« 1 ersichtlich. Sie besteht prinzipiell aus 2 parallelen Steuerketten, die beide ihren Ausgangspunkt in einem frequenzvariablen Oszillator 1 haben. Die erste besteht darin, daß der Ausgang des frequenzvariablen Oszillators 1 auf ein Steuergerät 3 arbeitet, welches seinerseits mit dem Schrittmotor 4 verbunden ist und ihn mit einer mehrphasigen Recht-

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eckimpulsfolge beaufschlagt. Das Steuergerät 3 vereinigt in sich einen Impulsformer; einen Sollwertzähler; eine Äquivalenzstufe, welche den Sollwert a und eine Koinzidenzstufe, welche die programmierte Hochlaufimpulszahl b mit dem Sollwertzählerstand vergleicht; einen Impulsverteiler und einen Impulsverstärker für die Wicklungsansteuerung des Schrittmotors 4«, Des weiteren ist eine Einrichtung zur Eingabe und Auswertung von Lochstreifen oder anderen Programmtragern vorhanden« <

Die andere Steuerkette besteht in einer Schleife, die auf den frequenzvariablen Oszillator 1 zurückwirkt* Sie enthält neben dem bereits erwähnten Oszillator 1 einen nachgeschalteten Vor- Mickwärtszähler 2 und ein Leitwertnetzwerk 5o Das letztere besteht aus einer definierten Anzahl parallelliegender Leitwerte, die nach der Beziehung Q,=s 2^k»Gr₀ (k=0,1,1,_e#n) gestuft sind und von (n+1) Schalttransistoren T-J^. dem Netzwerk 5 zu oder von ihm abgeschaltet werden· Dabei ist die Basis eines denen Schal ttransis-

k
tors QJj₅. jeweils mit dem Ausgang 2 des Vor- Rüokwärtszählers 2 verbunden« Liegt an diesem ein Signal an» so wird der betreffende !!Transistor durchgesteuert und durch den zugehörigen Leitwert G^ die Zeitkonstante eines Oszillatorzweiges und- mithin die Oszillatorfrequenz verändert« Damit ist die Brequenz zwangsläufig und in direkter Weise vom Zählerstand des Vor- Eückwärtszählers Z

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1 T^w ι

abhängig. Es besteht die Beziehung f, a b + T » wobei b die zum Hochlaufen bzw« Bremsen erforderliche Impuls-r zahl darstellt und T und T fest einstellbare Zeitkonstanten sind· T läßt sich dabei mittels R , C oder R

n ti

und T mittels G^und C einstellen (fig,1). Der Vor-Räckwärtszähler 2 ist weiterhin mit drei Eingängen S, V und R versehen, die mit dem Steuergerät verbunden sind» Durch den Eingang S (Start, Stopp) wird die Zähldauer und durch die Eingänge V (Vorwärts = Hochlauf) und R (Rückwärts = Bremsen) die Zählrichtung des Vor- Rückwärtszählers 2 festgelegt«

Eine andere Anordnungsmöglichkeit ergibt sich durch Vereinigung des Sollwertzählers mit dem Vor- Rückwärtszähler 2 zu einem Zähler. Beim Anlauf des Schrittmotors wird hierbei mit den Ausgängen des Zählers in der vorstehend beschriebenen Weise über Schalttransistoren T, und entsprechend codierten Leitwertnetzwerk 5 die Oszillatorfrequenz erhöht» Mit Erreichen der gewünschten Maximalfrequenz schaltet die entsprechende Zählerausgangsinformation b einen Speicherbaustein, welcher diese codierte Zahl b einspeichert und dem Oszillator 1 als statische Information zuführt. Die Oszillatorfrequenz erhöht sich dadurch nicht mehr, obwohl der Zähler weiterhin arbeitet. In früher beschriebener Weise schaltet der Zähler bei ^a/2 auf rückwärts um. Erreicht er wieder die Zahl b, so wird die Wirkung des Speicherbausteins beseitigt, und der Zähler vermin-

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dert, wie bereits beschrieben, die Oszillatorfrequenz auf den zum Bremsen des Schrittmotors notwendigen Wert«

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Claims

Patentansprüche ι

M, Verfahren zum Ansteuern eines Schrittmotors mittels eines frequenzvariablen Oszillators, dessen den Schritt» motor über einen Verteiler beaufschlagende Rechteckimpulsfolge in einem Sollwertzähler vom Start- bis zum Stoppimpuls bzw. während der Verfahrensschritte Hochlaufen, Weiterlaufen und Bremsen gezählt und mit einem Sollwert a verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß von einem mit dem bei der Schrittzahl ^a/2 auf Rückwärtsbetrieb umschaltenden Sollwertzähler synchronisierten Vor- Rückwärtszähler, die von einem Programm für das Hochlaufen vorgeschriebene Impulszahl b gezählt wird, die Oszillatorfrequenz entsprechend seinen Zählerstand verstellt und sofern b * | ist^ ab | ⁰^ dem Sollwertzähler rückwärtsgezählt oder wenn b<« ist, bei Erreichen von b außer Betrieb gesetzt und nach Ablauf der Impulsanzahl (a-b) vom bis dahin eingespeicherten Wert b rückwärts gezählt wird, so daß beim Zählerstand Null der Sollwert a erreicht ist und die Impulsfolge abgebrochen wird·
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbremsen des Schrittmotorsystems genau mit dem letzten programmbedingten Schritt abgeschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremsen des Schrittmotors mit einem gegenüber dem

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Hochlaufen spiegelbildlichen Frequenzgradienten durchgeführt wird.
4. Anordnung zur Ansteuerung eines Schrittmotors, bestehend aus einem frequenzvariablen Oszillator, einem mit ihm verbundenen und dessen Frequenz bestimmenden Leitwertnetzwerk 'und einem Steuergerät mit ,Sollwertzähler, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des frequenzvariablen Oszillators (1) mit dem Eingang eines an sich bekannten Speicherbausteins oder Vor- Rückwärtszählers (2) gekoppelt ist, dessen (n+1)«(c-1) Ausgänge m_v c ihrerseits wieder mit der Basis von (n+1)»(c-1) Schalttransistoren Φ·^ verbunden sind, welche mit ihrer Emmitter-Kollektor-Strecke im Strompfad von parallelgeschalteten und den Wertigkeiten der Ausgänge des Vor- Bückwärtszählers (2) adäquat gestuften Widerständen des frequenzbestimmenden Leitwertnetzwerkes (5) liegen·

5· Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

ν
zwischen den Ausgängen m_k c des Vor- Rückwärtszählers

(2) und der Stufung der Leitwerte G_fc die Beziehung

^Gk =

k — ϋ,Π,ο ο •η ^mk = 1,2,.. oC-1 ₀ =» konst. C = konst „

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6, Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet» daß zwischen der Oszillatorfrequenz f_fe und der Impulsanzahl b, die Beziehung

Il I

besteht, wobei T und T fest einstellbare Oszillatorkonstanten sind β

7· Anordnung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vor- ßückwartszähler (2) als Dualzähler ausgebildet ist.