DE2345416A1 - Verfahren und vorrichtung zur schlupffreien nachlaufsteuerung von schrittmotoren - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur schlupffreien nachlaufsteuerung von schrittmotoren

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DE2345416A1 DE19732345416 DE2345416A DE2345416A1 DE 2345416 A1 DE2345416 A1 DE 2345416A1 DE 19732345416 DE19732345416 DE 19732345416 DE 2345416 A DE2345416 A DE 2345416A DE 2345416 A1 DE2345416 A1 DE 2345416A1
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • G05B19/21—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device
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    • G05B19/231—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for point-to-point control the positional error is used to control continuously the servomotor according to its magnitude
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Description

EL 63 Düsseldorf, den 28.8.1973
Verfahren und Vorrichtung zur sch!upffreien Nachlaufsteuerung von Schrittmotoren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schlupffreien Nachlaufsteuerung von Schrittmotoren, bei denen die von einem Sollwertgeber erzeugten Signale über ein Ansteuergerät dem Schrittmotor zugeleitet werden und seine Geschwindigkeit bestimmen, bei denen die von einem Stellungsgeber, der die Bewegung und Stellung des Schrittmotors erfaßt, erzeugten elektrischen Signale ebenso wi e die ersten Signale einem Vergleicher zugeleitet werden und bei denen deren Differenz als Lagekorrekturwert für die Schri ttniotorbewegung herangezogen wird.
Bei einem bekannten Gerät dieser Art, das von der Firma Fujitsu angeboten wird, wird die Stellung des Schrittmotors durch analog arbeitende Stellungsgeber abgetastet, wobei die Phasenlagen der Ausgangswerte in einer verhältnismäßig aufwendigen Anordnung miteinander verglichen werden und zur Erzielung einer Korrekturimpulsreihe führen, die zusätzlich zu den Steuerimpulsen dem Schrittmotor zugeführt wird.
Abgesehen von dem großen Aufwand, der hier zur Korrektur der Schrittmotorabweichung aufgebracht werden muß, besteht auch noch der Machteil, daß die erreichbare absolute Genauigkeit durch die analogen Stellungsgeber bestimmt wird, d.h., die absolute Genauigkeit digitaler Geber nicht erreicht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur schlupffreien Nachlaufsteuerung von
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Schrittmotoren zu schaffen, bei dem eine direkte Kompatibilität sämtlicher Bauteile mit der digitalen Steuerung gegeben ist und bei dem die bei digitaler Steuerung mögliche hohe Genauigkeit an jeder Stelle der Steuerung gewährleistet ist, wobei gleichzeitig ein einfacher Aufbau der Steuerung erreicht werden soll.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß mittels des Sollwertgebers und des Stellungsgebers Impulsfolgen erzeugt werden und jeweils in einem Zähler gezählt werden, daß deren Beträge voneinander subtrahiert werden und daß der Di f ferenzv/ert als Korrekturwert für die Steuerung des Schrittmotors verwendet wird.
Um eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zu erreichen, daß bei der Eingabe des Differenzwertes als Korrekturwert in die Steuerung des Schrittmotors keine Frequenzsprünge in den Impulsfolgen zur Steuerung des Schrittmotors entstehen, denen dieser nicht folgen könnte, ist ferner vorgesehen, daß die vom Sollwertgeber erzeugten Impulse in eine ihrer Frequenz proportionale Spannung umgewandelt werden, daß der in einem Subtrahiergerät vorzeichenrichtig erzeugte Differenzwert in einen ihm proportionalen Spannungswert umgewandelt wird, daß die beiden Spannungswerte summiert werden und danach in eine Impulsfolge verwandelt werden ,· deren Frequenz der summierten Spannung entspricht, wonach die Impulsfolge über das Ansteuergerät dem Schrittmotor zugeleitet wird.
Durch dieses Verfahren ist gewährleistet, daß eine durch das Subtrahiergerät festgestellte Differenz zwischen dem vorgegebenen Sollwert für die Bewegung des Schrittmotors und der durch den Stellungsgeber festgestellten tatsächlichen Bewegung des Schrittmotors keine sprunghaften Veränderungen in der Steuerfrequenz des Schrittmotors verursacht, der dieser nicht zu folgen in der Lage wäre. Durch die Umwandlung des Differenzwertes in eine Korrekturspannung und Addition dieser Korrekturspannung zu einer Sollwertspannung, die aus der Frequenz der vom Sollwertgeber erzeugten Impulse gebildet wird, erreicht man nämlich eine stetige Veränderung dieser summierten
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Spannung, die sich dann wiederum in einer stetigen Änderung der aus dieser Spannung gebildeten Impulsfolge ausdrückt, die dem Ansteuergerät für den Schrittmotor zugeleitet wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß außerhalb der Start-Stop-Frequenz dem Schrittmotor keine Frequenzsprünge zugeleitet werden und es wird bei einer etwaigen Abweichung der Schrittmotorbewegung von den Werten des Sollwertgebers eine automatische Korrektur durchgeführt, bei der bei der Verwendung eines hydraulisch verstärkten Schrittmotors auch der hydraulische Schlupf ausgeregelt wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist eingerichtet als schlupffreie Nachlaufsteuerung für Schrittmotoren mit einem Sollwertgeber, dessen elektrische Signale über ein Ansteuergerät den Schrittmotor antreiben und eine Geschwindigkeit bestimmen, mit einem Stellungsgeber, der die Bewegung und Stellung des Schrittmotors erfaßt und in elektrische Signale umwandelt, mit einem Vergleicher für die ersten und zweiten Signale, deren Differenz als Lagekorrekturwert für die Schrittmotorbewegung herangezogen wird und ist dadurch gekennzeichnet, daß als Sollwertgeber und als Stellungsgeber digitale Geber verwendet werden, deren Impulsfolgen jeweils einem Zähler zugeführt werden, und daß ein Subtrahiergerät zur Differenzbildung der gezählten Impulsmengen vorgesehen ist, wobei dieser Differenzwert dem Ansteuergerät als Korrekturwert zugeführt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung der als besonders vorteilhaft bezeichneten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß eine Schaltung die vom Sollwertgeber erzeugten Impulse in eine ihrer Frequenz proportionale Spannung umwandelt, daß ein Digital-Analogwandler den im Subtrahiergerät vorzeichenrichtig erzeugten Differenz· wert in einen ihm proportionalen Spannungswert umwandelt, daß ein analoges Summierglied für die beiden Spannungswerte vorgesehen ist und ein Wandler zur Erzeugung einer Impulsfolge, deren Frequenz der summierten Spannung entspricht, die über das Ansteuergerät dem Schrittmotor zugeleitet wird.
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Eine besonders einfache Ausführungsform des Summiergliedes erreicht man, indem man dieses als Operationsverstärker ausbildet, wobei die Anstiegsgeschwindigkeit des Frequenzwertes, die durch eine etwaig auftretende Korrekturspannung bedingt ist, zusätzlich durch ein dem Operationsverstärker zugeschaltetes Integrierglied in Grenzen gehalten werden kann.
Ferner kann auf vorteilhafte Weise eine Optimierung des Regelverhaltens dadurch erzielt v/erden, daß eine Einstelleinrichtung für die Höhe der Korrekturspannung im Verhältnis zur Sollwertspannung vorgesehen wird.
Um ferner die Möglichkeit zu haben, ein Warnsignal auszulösen und/ oder gegebenenfalls den Schrittmotor zum Stillstand zu bringen falls eine vorbestimmte Abweichung des Istwertes vom Sollwert eintritt, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine elektrische Einstellvorrichtung für die maximal zulässige Sol 1-Ist-Wertabweichung vorgesehen, deren zugehöriger elektronischer Vergleicher mit dem Subtrahiergerät verbunden ist und bei überschreiten der eingestellten zulässigen Sol 1-Ist-Viertabweichung durch den im Subtrahiergerät errechneten Differenzwert ein Steuersignal erzeugt.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfürhungsform der Erfindung in Form eines schematischen Blockschaltbilds 'dargestel1t.
Wie man in der Zeichnung sieht, ist ein Schrittmotor 2 vorgesehen, der z.B. dazu dient, den Schlitten einer Werkzeugmaschine zu verstellen. Der Schrittmotor wird durch ein Ansteuergerät mit Impulsen beaufschlagt, die ihn in der gewünschten Drehrichtung mit der gewünschten Geschwindigkeit antreiben. Dieses Ansteuergerät 4 erhält seine Impulse von einem Sollwertgeber 6, z.B. in Form eines digitalen Steuergeräts numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine oder eines Stellungsgebers, einer Kopiervorrichtung, wobei der Stellungsgeber z.B. als digital-inkremental er Drehgeber oder als digitalabsoluter Drehgeber ausgebildet sein kann. Die vom Sollwertgeber
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erzeugten Impulse werden einerseits einem Frequenz-Spannungswandler 20 zugeleitet und hier in eine der Frequenz und damit der Geschwindigkeit proportionale ,Sollwertspannung umgewandelt. Andererseits wird die vom Sollwertgeber 6 erzeugte Impulsfolge einem ersten Zähler 14 zugeleitet, in dem somit der Lagesollwert festgehalten wird. Vom Zähler 14 gelangt der Lagesollwert in eine Subtrahiervorrichtung 18. Der Zähler 14 und die Subtrahiervorrichtung 18 sind konventionell aufgebaute Geräte.
Der Schrittmotor 2 ist über eine mechanische Verbindung 10 mit dem Stellungsgeber 8 gekoppelt, der ebenfalls ein digita!-inkrementaler oder digital-absoluter Drehgeber sein kann. Dieser Stellungsgeber 8 erfaßt die Bewegung und die Stellung des Schrittmotors 2, wandelt sie in eine Impulsfolge um, die dem Zähler 16 zugeleitet wird als Lage-Ist-Wert. Dieser Lage-Ist-Wert wird ebenfalls der Subtrahiervorrichtung 18 zugeleitet, die aus dem Lage-Sol1-Wert und dem Lage-Ist-Wert die Differenz bildet. Falls die Differenz zwischen Lage-Soll-Wert und Lage-Ist-Wert ungleich 0 ist, wird dieser Differenzwert vorzeichenrichtig einem Digital-Analog-Wandler 22 für den Differenzwert zugeleitet, der aus dem digitalen Differenzwert eine diesem proportionale Korrekturspannung erzeugt.
Die Sollwertspannung und die Korrekturspannung werden einem Summierglied 24 in Form eines Operationsverstärkers zugeleitet und addi ert.
Um das Regelverhalten der Vorrichtung zu optimieren, ist dem Summierglied 24 am Eingang für die Korrekturspannung eine Einstelleinrichtung 30 in Form eines Potentiometers vorgeschaltet, während der Sollwertspannung ein Festwiderstand 32 vorgeschaltet ist. Hierdurch kann die Höhe der Korrekturspannung an die Sollwertspannung angeglichen werden. Eine weitere Maßnahme zur Optimierrung des Regelverhaltens und damit zur Anpassung an das Verhalten des Schrittmotors 2 besteht darin, daß dem Summierglied 24 ein Kondensator 28 als Integrierglied 28 zugeordent ist, der im dargestellten
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Beispiel mit dem RUckfUhrungsv/iderstand 31 des Operationsverstärkers parallel geschaltet ist. Der Kondensator 28 kann zur Erleichterung der Optimierung veränderlich oder veränderbar gestaltet sein..
Die aus dem Summierglied 24 kommende Spannung wird einem Spannungsfrequenzwandler 26 zugeführt, der eine dieser Spannung proportionale Frequenz erzeugt, die im Bereich des Kennlinienfeldes des Schrittmotors 2 liegt und Impulse erzeugt, deren Frequenz zwischen 0 und der maximal zulässigen Schrittmotorfrequenz liegt. Diese Impulse werden dem Ansteuergerät 4 für den Schrittmotor 2 zugeleitet und bewirken dessen Drehung im gewünschten Sinne mit Einbeziehung der erfindungsgemäßen Korrektur.
Um die vom Sollwertgeber 6 vorgegebene Richtung sinngemäß dem Schrittmotor 2 aufzudrücken, wurde eine Ri chtungsl ogi i: 12 vorgesehen? welche den Zähler 14 und 16 mit der Subtrahiervorrichtung 13 in Verbindung steht und aus den drei Informationen das notwendige Richtungsignal bildet und dem Ansteuergerät 4 zuführt.
Es ist ferner eine Einstellvorrichtung 34 vorgesehen, an der die maximal zulässige Abweichung des Istwerts vom Sollwert eingestellt werden kann. Diese Einstellvorrichtung 34 weist einen Komparator 34a auf, der mit der Subtrahiervorrichtung 18 in Verbindung steht, und dazu dient, den in der Einstellvorrichtung 34 eingestellten Wert mit dem in der Subtrahiervorrichtung 18 auftretenden Differenzwert zu vergleichen. Erreicht der festgestellte Differenzwert den vorher eingestellten Wert der zulässigen Abweichung, so erzeugt der Komparator 34a ein Signal, das über einen Verstärker 34b, einem Relaisschalter 34c zugeleitet wird, der eine Stillsetzung des Schrittmotors 2 bewirkt.
Das Summierglied 24 verhindert, daß die am Sollwertgeber 6 eventuell auftretenden und die durch die Lagekorrektur bedingten Frequenz-Sprünge auf den Schrittmotor 2 gelangen. Zwar ist durch den Analogwandler die direkte digitale Signal verbindung zwischen dem Sollwert-
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geber 6 und dem Schrittmotor 2 verloren gegangen, jedoch ist dies kein Nachteil, da die Korrekturschaltung mit Eingabe des Differenzwertes aus der Subtrahiervorrichtung 18 in den Digital-Analogwandler 22 und mit Eingabe der hier entstehenden Korrekturspannung in das Summierglied 24 einen entsprechenden Ausgleich schafft. Da jeweils nur der Differenzwert in ein analoges Spannungssignal umgewandelt wird, bleiben die im Analogteil entstehenden Fehler klein und für die praktische Anwendung völlig vernachlässigbar.
Als weitere Anwendungsgebiete für das- erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur schlupffreien Nachlaufsteuerung von Schrittmotoren kann auf Positionierungssysteme bei Radioteleskopen, Navigationsrechner, Feineinstellung von Reaktorstäben in Kernreaktoren, Messung von Gewichtswerten in Dosiereinrichtungen, Fernübertragung von Winkel- oder Streckenwerten in digitaler Form zur Erzielung einer höheren übertragungssicherheit, Pegelmessung bei Flüssigkeiten hingewiesen werden.
Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale werden, soweit sie gegenüber dem Stand der Technik einzeln oder in Kombination neu sind, als erfindungswesentlich beansprucht.
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Claims (1)

  1. El 63 Düsseldorf, den 28.8.1973
    ANSPRÜCHE
    l.JVerfahren zur schlupffreien Nachlaufsteuerung von Schrittmotoren, bei denen die von einem Sollwertgeber erzeugten Signale über ein Ansteuergerät dem Schrittmotor zugeleitet werden und seine Geschwindigkeit bestimmen, bei dem die von einem Stellungsgeber. ap.r die Bewegung und Stellung des Schrittmotors erfaßt, erzeugten elektrischen Signale, ebenso wie die ersten Signale einem Vergleicher zugeleitet werden und bei dem deren Differenz als Lagekorrekturwert für die Schrittmotorbewegung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Sollwertgebers (6) und des Stellungsgebers (8) Impulsfolgen erzeugt werden und jeweils in einem Zähler (14 bis 16) gezählt werden, daß deren Beträge voneinander subtrahiert werden und der Differenzwert als Korrekturwert für die Steuerung des Schrittmotors (2) verwendet wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t, daß die vom Sollwertgeber (6) erzeugten Impulse in eine ihrer Frequenz proportionale Spannung umgewandelt werden, daß der in einem Subtrahiergerät (18) vorzeichenrichtig erzeugte Differenzwert in einen ihm proportionalen Spannungswert umgewandelt wird, daß die beiden Spannungswerte summiert werden und danach in eine Impulsfolge verwandelt werden, deren Frequenz der summierten Spannung entspricht, wonach die Impulsfolge über das Ansteuergerät (4) dem Schrittmotor (2) z~iigeleitet wird.
    (3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, eingerichtet als schlupffreie Nachlaufsteuerung für Schrittmotoren mit einem Sollwertgeber, dessen elektrische Signale über ein Ansteuergerät den Schrittmotor antreiben und seine Geschwindigkeit bestimmen, mit einem zweiten Stellungsgeber, der die Bewegung und
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    Stellung des Schrittmotors erfaßt und in elektrische Signale umwandelt, mit einem Vergleicher für die ersten und zweiten Signale, deren Differenz als Lagekorrektur für die Schrittmotorbewegung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Sollwertvorgabegerät und als Stellungsgeber digitale Geber (6, 8) verwendet werden, deren Impulsfolgen jeweils einem Zähler (14 bis 16) zugeführt werden, und daß ein Subtrahiergerät (18) zur Differenzbildung der gezählten Impulsmengen vorgesehen ist, wobei dieser Differenzwert dem Ansteuergerät (4) als Korrekturwert zugeführt wird.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (6) und der Stellungsgeber (8) als digital-inkrementale Stellungsgeber ausgebildet sind.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (6) und der Stellungsgeber (8) als digital-absolute Stellungsgeber ausgebildet sind.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schlatung (20), die die vom Sollwertgeber (6) erzeugten Impulse in eine ihrer Frequenz proportionale Spannung umwandelt, einen Digital-Analog-Wandler (22), der den im Subtrahiergerät (18) vorzeichenrichtig erzeugten Differenzwert in einen ihn proportionalen Spannungswert umwandelt, ein analoges Summierglied (24) für die beiden Spannungswerte und einen Wandler (26) zur Erzeugung einer Impulsfolge, deren Frequenz der summierten Spannung entspricht, die über das Ansteuergerät (4) dem Schrittmotor (2) zugeleitet wird.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennz ei c h net, daß das analoge Summierglied (24) aus einem Operationsverstärker besteht.
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    8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Summierglied (24) ein Integrierglied (28) zugeschaltet ist.
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Summierglied (24) am Eingang für die der Impulsfolgedifferenz proportionalen Spannung eine Einstelleinrichtung (30) für die Höhe dieser Spannung vorgeschaltet ist.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Einstellvorrichtung (34) für die maximal zulässige Sol I-Ist-Wertabweichung vorgesehen ist, deren zugehöriger elektronischer Vergleicher (34a) mit dem Subtrahiergerät (18) verbunden ist und bei Oberschreiten der eingestellten zulässigen Soll-Ist-Wertabweichung durch den im Subtrahiergerät (18) errechneten Differenzwert ein Steuersignal erzeugt.
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