DE2333129A1

DE2333129A1 - Stepping motor damping circuit prevents rotor oscillating - using positional feedback to one of two input phase shifters

Info

Publication number: DE2333129A1
Application number: DE19732333129
Authority: DE
Inventors: Karl Lang
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1975-01-16

Abstract

The damping circuit stabilises the motion of the rotor and, with 2-phase supplies, consists of two phase shifters -- one for each phase signal. The second phase shifter produces two 90 deg. shifted outputs -- one of which is passed to a first EXCLUSIVE-OR gate and the other to a second such gate. The first phase shifter output is passed to both gates. The gates outputs are coupled to the motor stator windings over LP filters and power amplifiers. An analog position generator is coupled to the rotor and its output fed back to the first phase shifter control input. A 4-phase system has two input phase shifters, two biflops and four power amplifiers.

Description

A 1935/B 2797 633 WetalarvAm. 27. Juni 1973·A 1935 / B 2797 633 WetalarvAm. June 27, 1973

Pat An/GGPat An / GG

Dämpfungsanordnung für elektrische SchrittmotorenDamping arrangement for electric stepper motors

Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsanordnung für elektrische Schrittmotoren.The invention relates to a damping arrangement for electrical Stepper motors.

Phasengesteuerte Motoren führen bei Annäherung der steuernden Frequenz an den Resonanzbereich des Motors unerwünschte Eigenschwingungen aus, die sich den Drehbewegungeiv&es Rotors überlagern. So kommt ein Pendeln oder "Resonanzzittern" zustande, weiches sich auf die vom Motor angetriebenen Teile überträgt, wodurch diese ihre ursprüngliche Aufgabe nicht mehr korrekt erfüllen können. Die Steuerung dieser Teile wird ungenau. When the controlling frequency approaches the resonance range of the motor, phase-controlled motors produce undesirable natural vibrations which are superimposed on the rotary motion of the rotor. This creates an oscillation or "resonance tremor", which is transferred to the parts driven by the motor, which means that they can no longer perform their original task correctly. The control of these parts becomes imprecise.

Man hat daher bereits bei elektrischen Schrittmotoren mechanische Einrichtungen zur Dämpfung dieser Resonanzschwingungen vorgesehen. So sind z.B. Lagerungen der Rotoren in Flüssigkeitsbädern vorgeschlagen worden. Jede mechanische Dämpfung bringt jedoch Nachteile mit sich. Einmal wird durch den aperiodischen Verlauf der Schwingung ein Nachlauf bedingt, zum anderen erhöhen Reibungsverluste den Energieverbrauch und die Eigenerwärmung. Diese Nachteile können nur mit großem Aufwand beseitigt werden, wobei jedoch andere Nachteile in Kauf genommen werden müssen, die dem Leistungsbereich solcher Motoren unüberwindbare Grenzen setzen; denn die mechanische Dämpfung verringert die mögliche Höchst-Drehzahl und das Beschleunigungsvermögen solcher Motoren.Mechanical devices for damping these resonance vibrations are therefore already available in electrical stepper motors intended. For example, bearings for the rotors in liquid baths have been proposed. Any mechanical However, damping has disadvantages. On the one hand, a lag is caused by the aperiodic course of the oscillation, on the other hand, friction losses increase energy consumption and self-heating. These disadvantages can only can be eliminated with great effort, but other disadvantages must be taken into account that set insurmountable limits to the performance range of such engines; because the mechanical damping reduces the maximum possible speed and the acceleration capacity of such motors.

Ferner sind für asynchron betriebene elektrische Motoren Dämpfungsanordnungen bekannt, bei denen das Signal eines Tacho-Generators, der direkt mit der Antriebswelle des Motors gekoppelt ist, so auf den Eingang eines dieseFurthermore, damping arrangements are known for asynchronously operated electric motors, in which the signal of a Speedometer generator, which is directly coupled to the drive shaft of the motor, so on the input of one of these

— 2 —- 2 -

409883/0713409883/0713

A 1935/B 2797A 1935 / B 2797

27.6.1973.June 27, 1973.

Motoren steuernden Verstärkers gegeben wird, daß die Bewegung stabilisiert wird. Solche Motoren sind jedoch nicht ohne weitere Hilfsmittel zum Positionieren geeignet wie z.B. Schrittmotoren.Motors controlling amplifier is given that the movement is stabilized. However, such engines are not Suitable for positioning without further aids such as stepper motors.

Elektrische Schrittmotoren werden jedoch nicht Last-proportional angesteuert. Es fehlt somit eine Eingriffsmöglichkeit, um die bei den oben beschriebenen Asynchronmotoren bekannte tachometrische Dämpfung anzubringen.However, electric stepper motors are not controlled proportionally to the load. There is therefore no possibility of intervention to apply the tachometric damping known from the asynchronous motors described above.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektronisch wirkende Dämpfungsanordnung für elektrische Schrittmotoren zu schaffen, bei der die obengenannten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere sollen die mit der neuen Dämpfungsanordnung versehenen Schrittmotoren in ihrer Leistungsfähigkeit nicht zusätzlich beschnitten sein. Sie sollen kleiner dimensionierbar sein.The invention is therefore based on the object of an electronically acting damping arrangement for electrical To create stepper motors in which the above-mentioned disadvantages do not occur. In particular, those with the stepper motors provided with new damping arrangement should not be additionally curtailed in their performance. she should be able to be dimensioned smaller.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Dämpfungsanordnung für elektrische Schrittmotoren, welche sich dadurch auszeichnet, daß außer der Phasenansteuerung zusätzliche Kegelkreise zur Stabilisierung der Rotorbewegung vorgesehen sind.The subject of the invention is therefore a damping arrangement for electric stepper motors, which is characterized by that in addition to the phase control, additional conical circles are provided to stabilize the rotor movement are.

Da die Schrittmotoren durch relative Phasenwinkel eines Signalpaares gesteuert werden können, greift die neue Dämpfungsanordnung zweckmäßigerweise so ein, daß das Ausgangssignal eines mitlaufenden Analoggebers nach Durchlaufen eines Netzwerkes spannungsproportional-phasenschiebend auf mindestens eine Komponente des Signalpaares einwirkt .Since the stepper motors can be controlled by the relative phase angle of a signal pair, the new one takes effect Attenuation arrangement expediently so that the output signal of a running analog transmitter after passing through of a network has a voltage-proportional phase-shifting effect on at least one component of the signal pair .

Da solche Motoren besonders während der Start-Stop-Vorgänge zu dem oben beschriebenen "Resonanzzittern" neigen, ist die neue Dämpfungseinrichtung mit Vorteil für diesen Teil der Motorbewegungen anzuwenden. Wenn die Steuerfrequenz sonstAs such engines especially during the start-stop processes tend to the "resonance jitter" described above, the new damping device is advantageous for this part of the To apply motor movements. If the control frequency is otherwise

409883/0713409883/0713

³³ A 1935/B 2797A 1935 / B 2797

27.6.1973-6/27/1973-

nicht in der Nähe der Resonanzfrequenz liegt, dann kann die Dämpfungseinrichtung speziell in die diese Vorgänge regelnden elektronischen Baugruppen mit einbezogen werden.is not in the vicinity of the resonance frequency, then the damping device can specifically deal with these processes regulating electronic assemblies are included.

Durch die neue elektronische Dämpfungsanordnung sind die bisherigen, mit erheblichen Nachteilen behafteten mechanisch gedämpften Schrittmotoren überflüssig geworden. Die elektrischen Schrittmotore mit der neuen Dämpfung können in Bereichen eingesetzt werden, die Schrittmotoren bisher aus den obengenannten Gründen verwehrt waren.Due to the new electronic damping arrangement, the previous ones, which have considerable disadvantages, are mechanical dampened stepper motors have become superfluous. The electric stepper motors with the new damping can are used in areas that stepper motors were previously prohibited for the reasons mentioned above.

Mit dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken ist ein Vorurteil in der Schrittmotorensteuerung überwunden worden, nach dem bisher keine analogen Eingriffsmöglichkeiten zum Zwecke der Dämpfung geschaffen wurden.With the idea on which the invention is based, a prejudice in stepper motor control has been overcome, according to the so far no analogous intervention possibilities to Purposes of cushioning were created.

In den Zeichnungen sind Schaltungsbeispiele der elektronischen Dämpfung für Schrittmotoren schematisch dargestellt und nachfolgend beschrieben. Ee zeigen:Circuit examples of the electronic damping for stepper motors are shown schematically in the drawings and described below. Ee show:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Dämpfüngsanordnung für stetig in zwei Phasen angesteuerte Schrittmotoren,Fig. 1 shows the block diagram of a damping arrangement for stepper motors controlled continuously in two phases,

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Dämpfungsanordnung für schrittweise in vier Phasen angesteuerte Schrittmotoren. 2 shows the block diagram of a damping arrangement for stepper motors controlled step by step in four phases.

Wie in Fig.1 gezeigt ist, werden von einer nicht mit dargestellten Quelle zwei Trägerfrequenzsignale 11, 12 geliefert. Das Signal 11 wird einer Rechteckverformer- und Phasenschieberstufe 13 zugeführt, die ihrerseits von einem Analoggeber ik gesteuert wird. Das Signal 12 dagegen wird einer Rechteckverformerstufe 17 zugeführt, die zwei um 90 phasenverschobene Signale 1Ö, 19 liefert. Diese Signale 18, 19 werden jeweils dem einen Eingang eines Exclusiv-ODER-Gatters 20 bzw. 21 zugeführt, deren zweite Eingänge mit dem Ausgang der Stufe 13 verbunden sind. Die Ausgänge dieser Gatter 20,As shown in FIG. 1, two carrier frequency signals 11, 12 are supplied by a source (not shown). The signal 11 is fed to a square-wave transformer and phase shifter stage 13, which in turn is controlled by an analog generator ik. The signal 12, on the other hand, is fed to a square-wave transformer stage 17 which supplies two signals 10, 19 which are phase-shifted by 90. These signals 18, 19 are each fed to one input of an exclusive OR gate 20 or 21, the second inputs of which are connected to the output of stage 13. The outputs of these gates 20,

A09883/U7 13A09883 / U7 13

* A 1935/B 2797 * A 1935 / B 2797

27.6.1973·June 27, 1973

21 sind über Tiefpässe zur Trägerfrequenzunterdrückung und Leistungsverstärker mit Signa!symmetrierung enthaltende Stufen 22, 23 mit den Statorspulen 2k eines Motors 25 verbunden, dessen Rotor 15 starr mit dem Analoggeber 14 gekoppelt ist. Wie dargestellt, wirkt der Rotor 15 auch auf die Relativlage eines zu bewegenden Objektes 16 ein.21 are connected via low-pass filters for carrier frequency suppression and power amplifiers with signal balancing containing stages 22, 23 to the stator coils 2k of a motor 25, the rotor 15 of which is rigidly coupled to the analog transmitter 14. As shown, the rotor 15 also acts on the relative position of an object 16 to be moved.

Die in Fig.2 dargestellte Schaltung für schrittweisen Betrieb von Schrittmotoren verwendet anstelle der Exclusiv-ODER-Gatter 20, 21 einflankengesteuerte Auffang-Biflops 20⁽, 21'. Die Funktionsweise dieser Dämpfungβschaltung ist ähnlich der oben beschriebenen. Wie weiter zu erkennen ist, kann zwischen Analoggeber ~\k und Schaltstufe 13 eine Stufe 26 eingefügt werden, welche zur Bemessung des Dämpfungsgrades dient. Das vom Analoggeber Ik zur Rückkopplung aufgenommene Signal wirkt proportional phasenschiebend auf eine Komponente des Steuersignalpaares ein.The circuit shown in FIG. 2 for step-by-step operation of stepper motors uses single-edge-controlled trapping biflops 20 ⁽ , 21 'instead of the exclusive OR gates 20, 21. The mode of operation of this damping circuit is similar to that described above A stage 26, which is used to measure the degree of damping, can be inserted between the analog transmitter ~ \ k and the switching stage 13. The signal picked up by the analog transmitter Ik for feedback acts proportionally in a phase-shifting manner on a component of the control signal pair.

Es ist möglich, für die Start-Stop-Vorgänge, die in bekannter Weise von einer Steuerstufe 27 aus gesondert angesteuert werden, dem Netzwerk 26 ein dem jeweiligen Steuerzustand proportionales Signal zuzuführen, um diese Vorgänge angepaßt stabilisieren zu können, falls die Dämpfung durch den Regelkreis nicht mehr ausiaohen sollte.It is possible for the start-stop processes, which are controlled separately in a known manner by a control stage 27, to supply a signal proportional to the respective control state to the network 26 in order to be able to stabilize these processes in an adapted manner if the damping occurs should no longer degrade through the control loop.

-5--5-

409883/0713409883/0713

Claims

A 1935 / B 2797 June 27, 1973.

Expectations

Dämpfungsanordnung für elektrische Schrittmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Mitteln zur Phasenansteuerung zusätzlich Mindestens ein Regelkreis (1^, 13) zur Stabilisierung der Rotorbewegung des Motors vorgesehen ist.Damping arrangement for electric stepper motors, characterized in that, in addition to the means for phase control, at least one control loop (1 ^, 13) for stabilizing the rotor movement of the engine is provided.

2. Dämpfungsanordnung nach Anspruch 1 für Schrittmotoren, die mit dem relativen Phasenwinkel eines Signalpaares gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein mitlaufender, spannungsproportional-phasenschiebend auf mindestens eine Komponente des Signalpaares einwirkender Analoggeber (14) vorgesehen ist.2. Damping arrangement according to claim 1 for stepper motors, which with the relative phase angle of a Signal pairs are controlled, characterized in that a concurrent, voltage-proportional-phase-shifting analog transmitter (14) acting on at least one component of the signal pair is provided.

3. Dämpfungsanordnung nach Anspruch 2, daduroh gekemw zeichnet, daß dem Analoggeber (i*0 ein Anpassungsnetzwerk (26) nachgeschaltet ist.3. Damping arrangement according to claim 2, daduroh gekemw shows that the analog transmitter (i * 0 is followed by a matching network (26).

k. Dämpfungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich elektronische Baugruppen (27) für die Start-Stop-Vorgänge vorgesehen sind und daß diese Baugruppen über das Netzwerk (26) in die Regelkreise zur Stabilisierung der Rotorbewegung einbezogen sind. k. Damping arrangement according to Claim 1, characterized in that electronic assemblies (27) are also provided for the start-stop processes and that these assemblies are included in the control loops for stabilizing the rotor movement via the network (26).

409883/0713

Blank page