DE2527297C3

DE2527297C3 - Elektrische Schrittsteuerungseinrichtung

Info

Publication number: DE2527297C3
Application number: DE19752527297
Authority: DE
Inventors: Leopold 6831 Reilingen Weinlich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-06-19
Filing date: 1975-06-19
Publication date: 1978-08-31
Also published as: DE2527297B2; DE2527297A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schrittsteuerungseinrichtung für geradlinige oder Drehbewegungen, insbesondere für numerische Steuerungen, mit einem die Schrittbewegungtn erzeugenden Stellantrieb, der mit einem induktiven Meßwertgeber mit wenigstens zwei räumlich gegeneinander versetzten Primärwicklungen gekuppelt ist, an dessen Primärwicklungen über einen eingangsseitig mit einem digitalen Eingangssignal gespeisten Digital-Analog-Umsetzer zwei glreichfrequente, gleich- oder gegenphasige Spannungen angelegt sind, welche ein im Betrag konstantes resultierendes magnetisches Wechselfeld erzeugen, dessen räumli che Lage ein Maß für die jeweilige Stellung des Stellantriebes ist, wobei aus einer an einer Sekundärwicklung des Meßwergebers auftretenden, das Ausgangssignal bildenden Sekundärspannung des Meßwertgebers ein Stellsignal für den Stellantrieb abgeleitet wird.

Numerische Steuerungen werden insbesondere ir,-Verbindung mit Werkzeugmaschinen eingesetzt, wo sie dazu dienen. Verschiebe- oder Drehbewegungen in

ίο Abhängigkeit von Maßzahlen zu steuern, welche in die numerische Steuerung eingegeben werden und die gewünschten Bewegungen eindeutig kennzeichnen.

Bei einer in Control-Engeneering, August 1966, S. 87, beschriebenen elektrischen Schrittsteuerungseinrich tung dieser Art ist die Anordnung derart getroffen, daß dem Digital-Analog-Umsetzer das digitale Eingangssignal aus einem Computer zugeführt wird, über dessen Eigenschaften nichts Besonders ausgesagt ist. Der Sekundärwicklung des induktiven Meßwertgebers ist ein Demodulator nachgeschaltet, der die Aufgabe hat, die Polarität des Ausgangssignals durch phasenempfindliche Demodulation zu bestimmen, wobei dann ein Gleichspannungsstellsignal zur Ansteuerung des Stellantriebs abgeleitet wird. Die mit der Gleichrichtung

erforderliche Glättung des Ausgangssignals bedingt eine beträchtliche Zeitkonstante, die zu einer entsprechenden Verzögerung in der Schrittsteuerungseinrichtung führt, wodurch die Genauigkeit beeinträchtigt wird.

Bei einer anderen in der Praxis bekannten elektrischen Schrittsteuerungseinrichtung für numerische Steuerungen werden die Primärwicklungen des als Drehmelder ausgebildeten Meßwertgebers mit zwei derart gegeneinander phasenverschobenen Primär- Wechselspannungen gespeist, daß im Luftspalt des Drehmelders ein magnetisches Drehfeld entsteht. Die Phasenlage der in der Sekundärwicklung induzierten Sekundärwchselspannung hängt dann von der Drehstellung des Rotors ab; sie wird mit einer festen Bezugswechselspannung verglichen. Aus einer zwischen den beiden Spannungen, abhängig von der Drehlage des Rotors, vorhandenen Phasenverschiebung wird ein elektrisches Stellsignal für den Stellantrieb abgeleitet, der solange eine Bewegung ausführt, bis die Phasenver-

Schiebung verschwunden ist.

Sowohl die Bezugsspannung als auch die Primärspannungen des Meßwertgebers werden unter Verwendung von Zählern mittels Frequenzteilern, die den gleichen Teilfaktor haben, durch Frequenzteilung aus einer

so Wechselspannung höherer Frequenz gebildet. Am Eingang der Frequenzteiler für die Primärspannungen können einzelne Schrittpulse zwischen die Spannungsperioden eingefügt werden. Jeder Puls führt zu einer Phasenverschiebung der Primärspannungen gegen die Bezugsspannung und somit zu einer Phasenverschiebung der Sekundärspannung gegen die Bezugsspannung, die ein entsprechendes Stellsignal ergibt, das eine solche Drehbewegung des Stellantriebes bewirkt, daß die Phasenverschiebung immer zum Verschwinden

bo gebracht wird. Ein gegensinniger Verstellbefehl wird dadurch gegeben, daß entweder am Eingang des die Bezugsspannung bildenden Frequenzteilers Pulse zwischen die Perioden der zu teilenden Frequenz eingefügt werden oder an den Eingängen der die Primärspannun-

hi gen bildenden Frequenzteiler einzelne Perioden unterdrückt werden.

Bezeichnet man den Teilfaktor der Frequenzteiler mit k und werden zu der zu teilenden Frequenz k Pulse

hinzugefügt oder werden entweder am Eingang des Frequenzteilers für die Bezugsspannung oder an den Eingängen der Frequenzteiler für die Primärspannungen k- Perioden unterdrückt, so verschieben sich die Primärspannungen gegen die Bezugsspannuag um eine Periode.

Wird nun der Stellantrieb derart gesteuert daß bei dieser Verschiebung der Primärspannungen gegen die Bezugsspannung um eine Periode die Phasenverschiebung zwischen der Sekundärspannung und der Bezugsspannung einen bestimmten Betrag, der in jedem Falle kleiner ist als eine Periode, nicht übersteigt und schließlich wieder verschwindet, so hat der Stellantrieb nach Abschluß seiner Bewegung den mit ihm verbundenen Drehmelder gerade um eine Polteilung verdreht, d. h. beispielsweise bei einem Drehmelder mit einem Polpaar pro Primärwicklung um eine Umdrehung. Soll beispielsweise mit einer Umdrehung des Drehmelders eine Strecke von 10 mm in 1000 Teile, also zu 0,01 mm aufgelöst werden, so muß ein Teilfakfor k der Frequenzteiler von 1000 vorgesehen werden. Bei der üblichen Betriebsfrequenz, d. h. der Frequenz der Primärspannungen, der Sekundärspannung und der Bezugsspannung des Drehmelders von 400 Hz, bedeutet dies, daß die zu teilende Frequenz 400 kHz sein muß.

Bei Verwendung eines linearen induktiven Meßwertgebers anstelle des Drehmelders mit einer Teilung von 2 mm, einer zweckmäßigen Getriebsfrequenz von 10 kHz und einer dann üblichen Auflösung auf 0,001 mm, also in 2000 Teile, müßte die zu teilende Frequenz 20 MHz betragen.

Derart hohe Frequenzen sind für den Bau und den Betrieb elektrischer Steuerungen von grundsätzlichem Nachteil.

Bei der bekannten, im vorstehenden erläuterten elektrischen Schrittsteuerungseinrichtung wird der Stellbefehl aus der Phasenverschiebung zwischen der Bezugsspannung und der Sekundärspannung des Meßwertgebers in der Weise abgleitet, daß eine Auswerteschaltung Pulse bildet, deren Länge der Phasenverschiebung entspricht und die sich mit der Betriebsfrequenz des Meßwertgebers wiederholen. Aus diesen Pulsen wird über ein Filter eine Gleichspannung gebildet, die zur mittelbaren Ansteuerung des Stellantriebs dient. Durch dieses Filter wird aber die mögliche Grenzfrequenz des Regelkreises, der aus den zu verstellenden Elementen, dem Stellantrieb, dem mit diesem gekuppelten Meßwertgeber, der Auswerteschaltung und dem Filter besteht, auf einen Bruchteil der Betriebsfrequenz des Meßwertgebers begrenzt Im Falle eines mit 400 Hz betriebenen Drehmelders ist dies in vielen Anwendungsfällen von Nachteil.

Bei einer aus der DEAS 12 49 977 bekannten Lageregeleinrichtung, die auf diesem Prinzip beruht, ist eine Abwandlung insoweit vorgesehen, als die Primärwicklungen des den induktiven Meßwertgeber bildenden Resolvers an zwei Schaltungen zur Erzeugung phasenverschobener Rechteckschwingungen angeschlossen sind, so daß der Meßwertgeber primärseitig unmittelbar mit Rechteckspannungen gespeist ist. Da der Meßwertgeber mit einem umlaufenden magnetischen Drehfeld arbeitet, ist: es erforderlich, auf der Sekundärseite mittels eines Oberwellenfilters die Grundfrequenz aus der Sekundärspannung zu filtern, die der mit Grundfrequenz rotierenden Komponente des Magnetfeldes entspricht. Dies bedeutet, daß anstelle der beiden vorstehend erwähnten primärseitigen Filter nunmehr ein sekundärseitiges Filter bei dem induktiven Meßwertgeber zum Einsarz kommen muß.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schrittsteuerungseinrichtung für geradlinige oder Drehbewegungen zu schaffen, die es gestattet exakte Schriubewegungen zu erzielen, ohne eine hohe Ausgangsfrequenz zu benötigen, die entsprechend der Auflösung der Polteilung des Meßwertgebers auf dessen Betriebsfrequenz geteilt werden muß, wobei auch kein Filter benötigt wird, das die mögliche Grenzfrequenz des Regelkreises auf einen niedrigeren Wert begrenzt als er sich aus der Betriebsfrequenz des Meßwertgebers oder den Erfordernissen des Regelkreises ergibt

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte elektrische Schrittsteuerungseinrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet daß ein elektrischer Pulszähler mit einem der Auflösung einer Pokeiiung des Meßwertgebers entsprechenden Zählbereich durch einzelne Schrittpulse auf- oder abwärts gezählt wird und

Μ der Pulszähler ausgangsseitig mit den Eingängen des Digital-Analog-Umsetzers verbunden ist und die räumliche Lage des magnetischen Wechselfeldes des Meßwertgebers eine Funktion des jeweiligen Zählerstandes des des Pulszählers ist und daß durch eine zugeordnete logische Schaltung die das Ausgangssignal bildende Sekundärspannung des Meßwertgebers in gleichen Zeitabständen während eines kleinen Bruchteiles einer Halbwelle abgetastet wird und jeder abgetastete Spannungswert in einem Speicher bis zur jeweils nächsten Abtastung gespeichert und aus ihm das Stellsignal für den Stellantrieb abgeleitet wird.

Hierbei ist es zweckmäßig, daß die Abtastung mit der Frequenz der Sekundärspannung erfolgt, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform die Anordnung derart getroffen ist daß die Abtastung jeweils bei den positiven oder negativen Scheitelwerten der Spannungshalbwellen geschieht

Die Sekundärwicklung des Meßwertgebers kann hierbei über eine Torschaltung mit einem den Speicher bildenden Kondensator gekoppelt sein, während die Torschaltung durch einen Torimpuls jeweils während die Abtastheit durchlässig gemacht wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Prinzipschaltbild einer elektrischen Schrittsteuerungseinrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 Diagramme zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufes einzelner Spannungen der Schrittschaltsteuerungseinrichtung nach F i g. 1 und

F i g. 3 Zeigerdiagramme zur Veranschaulichung der räumlichen Lage des magnetischen Wechselfeldes und der Achse der Sekundärwicklung des induktiven Meßwertgebers der Schrittsteuerungseinrichtung nach Fig. t.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Schrittsteuerungseinrichtung weist einen Pulszähler 1 auf, dem von außen her elektrische Schrittpulse zugeführt werden, wie dies bei 2 schematisch angedeutet ist. Die Eingabe

eil der Schrittimpulse geschieht je nach Bauart entweder über eine Leitung, wobei dann über eine oder mehrere Leitungen die Zähleinrichtung angegeben wird oder über zwei Leitungen, von denen über eine Pulse für die eine Zählrichtung und über die andere Pulse für die

hi andere Zählrichtung eingespeist werden. Der Pulszähler 1 wird durch die eingegebenen Schrittpulse 3 auf- oder abwärts gezählt. Die Ausgänge des Pulsxählers 1 sind über Leitungen 4 mit den Eingängen eines Digital/Ana-

mm·'

log-Umsetzers 5 verbunden. Dem Digital/Analog-Umsetzer 5 wird über eine Leitung 6 eine bei 70 angedeutete Bezugs-Wechselspannung zugeführt; er erzeugt abhängig von dem elektrischen Zustand an seinen Eingängen, d. h. abhängig von dem Zählerstand des Pulszählers 1 an seinen Ausgängen 7 zwei gleichfrequente gleichphasige elektrische Spannungen, welche 2 räumlich gegeneinander versetzten Primärwicklungen 8 eines bei 9 angedeuteten induktiven Meßwertgebers in Gestalt eines Drehmelders als Primärspannungen Upr\ und Upr2 zugeführt werden. Die beiden Primärwicklungen 8 des Drehmelders 9, die um 90° räumlich gegeneinander versetzt sind, erzeugen ein resultierendes magnetisches Wechselfeld im Luftspalt, dessen Betrag kosntant ist und dessen räumliche Lage eine Funktion des jeweiligen Zählerstandes des Pulszählers 1 ist, wie dies noch erläutert werden wird.

Der Drehmelder 9 weist einen Rotor auf, welcher eine Sekundärwicklung 10 trägt und mechanisch mit einem Stellmotor 11 gekoppelt ist, der die Schrittbewegung erzeugt und dessen Verbindung mit den zu steuernden Elementen, beispielsweise einem Schlitten auf seinem Bett, nicht dargestellt ist. Die Sekundärwicklung 10 ist über eine elektrische Torschaltung 12 mit einem Kondensator 13 gekoppelt, an den über Leitungen 14 der Eingang eines Verstärkers 15 angeschlossen wird, der ein über die Leitungen 14 zugeführtes Stellsignal verstärkt und bei 16 dem Stellmotor 11 zuführt. Mit dem Stellmotor 11 ist ein Tachogenerator 17 mechanisch gekoppelt, der bei 18 den Verstärker 15 speist.

Die Bezugsspannung 70 wird außerdem bei 19 einem Bezugspulsbildner 20 zugeführt, der aus der Bezugsspannung 70 elektrische Bezugspulse 210 ableitet, die mit der Frequenz der Bezugsspannung 70 jeweils etwa zum Zeitpunkt der positiven oder negativen Scheiteispannungen der Bezugsspannung auftreten und deren Länge wesentlich kleiner als eine Halbwelle der Bezugsspannung 70 ist. Die Bezugspulslänge beträgt beispielsweise etwa 1/20 der Periodenlänge.

Die Wirkungsweise der neuen Schrittsteuerungseinrichtung ergibt sich insbesondere im Zusammenhang mit den F i g. 2. 3. Dem Bezugspulsbildner 20 und dem Digital/Analog-Umsetzer 5 wird eine Bezugsspannung 70 zugeführt. Die an den Ausgängen 7 des Digital/Analog-Umsetzers von diesem abgegebenen Primärspannungen Upri, Upr2 für die Primärwicklungen 8 des Drehmelders 9 haben eine solche Größe, daß, wie aus den Darstellungen a), b), c) der F i g. 3 zu ersehen, von den um 90° räumlich gegeneinander versetzten Primärwicklungen 8 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, dessen Betrag konstant ist und dessen Zeiger bei 21 angedeutet ist. Die bei 22 durch einen Zeiger angedeutete Achse der Sekundärwicklung 10 stellt sich so ein, daß sie rechtwinklig zu dem Zeiger 21 des magnetischen Wechselfeldes verläuft, womit die in der Sekundärwicklung 8 von dem magnetischen Wechselfeld induzierte Sekundärspannung zu Null wird.

Zum Zeitpunkt ί = tO wird in den Pulszähler 1 ein Schrittpuls 3 eingegeben, der den Pulszähler 3 beispielsweise aufzählt. Somit verändert sich der elektrische Zustand am Eingang des Digital/Analog-Umsetzers 5 derart, daß die eine Primärspannung Upr2 in der bei d) in F i g. 2 ersichtlichen Weise um 180 in der Phase verschoben wird. Dies hat zur Folge, daß, wie aus der Darstellung b) in Fig. 3 zu ersehen, der Zeiger des magnetischen Wechselfeldes 21 eine räumliche Ver-Schwenkung erfährt. Damit wird der Zeiger 21 des magnetischen Wechselfeldes gegenüber der Achse 22 der Sekundärwicklung 10 des noch stillstehenden Rotors des Drehmelders 9 verschoben, was zur Folge hat, daß in der Sekundärwicklung 10 eine Sekundär-

ίο spannung Usek induziert wird.(Fig. 2e)).

Der Bezugsbildner 20 bildet aus der Bezugsspannung 70 elektrische Bezugspulse 210 (Fig. 2Q). die etwa gemeinsam mit den Scheitelwerten der Bezugsspannung 70 auftreten und deren Länge, wie bereits vermerkt, gegenüber der Halbwellenlänge der Bezugsspannung sehr klein ist. Die Bezugspulse 21 werden bei 23 der Torschaltung 12 zugeführt, die von den Bezugspulsen 210 derart gesteuert wird, daß sie beim Auftreten eines Bezugspulses jeweils kurzzeitig durch-

?n lässig gemacht wird. Dies bedeutet, daß der Kondensa tor 13 jeweils zur Zeit eines Bezugspulses 210 an die Sekundärwicklung 10 des Drehmelders 9 gelegt und je nach Phasenlage der Sekundärspannung mit dem positiven oder negativen Scheitelwert der Sekundär· spannung geladen wird, wie dies in F i g. 2g) veranschaulicht ist. DerKondensator 13 hält seine Ladung, bis zum Auftreten des nächsten Bezugspulses 210. Der Kondensator 13 wirkt deshalb als Speicher.
Die an dem Kondensator 13 liegende Spannung wird von dem Verstärker 15 verstärkt, an dessen Ausgang eir entsprechendes Stellsignal auftritt das bei 16 derr Stellmotor 11 zugeführt wird, der damit eine Schrittbewegung in dem Sinne auszuführen beginnt, daß die Achse 22 der Sekundärwicklung 10 wieder senkrecht zi dem Zeiger 21 des magnetischen Wechselfeldes ausgerichtet wird. Mit zunehmender Annäherung dei Achse der Sekundärwicklung 10 an diese Winkellage wird die in der Sekundärwicklung 10 von derr magnetischen Wechselfeld induzierte Spannung kleinei (vgl. F i g. 2e)), bis sie schließlich ganz verschwindet wenn der Rotor eine Schrittbewegung um eine Schritteilung ausgeführt hat.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklung 10 des Drehmelders 9 unmittelbai mit dem Stellmotor 11 mechanisch gekuppelt. Es ist abei auch denkbar, den Drehmelder 9 mit den von derr Stellmotor 11 zu verstellenden Elementen zu kuppelr oder zwischen dem Stellmotor 11 und dem Drehmeldei 9 mechanische Übertragungsglieder vorzusehen, die

so ganz oder z.T. Übertragungsglieder zwischen derr Motor und den zu verstellenden Elementen sein können Anstelle des Drehmelders kann auch ein andere; lineares oder rotatisches Meßsystem Verwendung finden. Eine etwa zwischen der Primär- und Sekundär· spannung des Drehmelders vorhandene Phasenverschiebung kann durch eine entsprechende Phasenverschiebung der Bezugspulse 210 gegen die gewählter Scheitelwerte der Bezugsspannung 70 berücksichtig werden.

M) Schließlich kann anstelle des elektrischen Stellmotor; 11 auch ein hydraulischer Motor mit einem vorgeschal teten Regelventil Verwendung finden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. -Elektrische Schrittsteuerungseinrichtung für geradlinige oder Drehbewegungen, insbesondere für numerische Steuerungen, mit einem die Schrittbewegungen erzeugenden Stellantrieb, der mit einem induktiven Meßwertgeber mit wenigstens zwei räumlich gegeneinander versetzten Primäwicklungen gekuppelt ist, an dessen Primärwicklungen über einen eingangsseitig mit einem digitalen Eingangssignal gespeisten Digital-Analog-Umsetzer zwei gleichfrequente, gleich- oder gegenühasige Spannungen angelegt sind, welche ein im Betrag konstantes resultierendes magnetisches Wechselfeld erzeugen, dessen räumliche Lage ein Maß für die jeweilige Stellung des Stellantriebes ist, wobei aus einer an einer Sekundärwicklung des Meßwertgebers auftretenden, das Auswgangssignal bildenden Seki'ndärspannung des Meßwertgebers ein Stellsignal für den Stellantrieb abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Pulszähler (1) mit einem der Auflösung einer Polteilung des Meßwertgebers (9) entsprechenden Zählbereich durch einzelne Schrittpulse (3) auf- oder abwärts gezählt wird und der Pulszähler (1) ausgangsseitig mit den Eingängen des Digital-Analog-Umsetzers (5) verbunden ist und die räumliche Lage des magnetischen Wechselfeldes des Meßwertgebers (9) eine Funktion des jeweiligen Zählerstandes des Pulszählers (1) ist und daß durch eine zugeordnete logische Schaltung (20, 21) die das Ausgangssignal bildende Skundärspannung des Meßwertgebers (9) in gleichen Zeitabständen während eines kleinen Bruchteiles einer Halbwelle abgetastet wird und jeder abgetastete Spannungswert in einem Speicher (13) bis zur jeweils nächsten Abtastung gespeichert und aus ihm das Stellsignal für den Stellantrieb (11) abgeleitet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung mit der Frequenz der Skundärspannung erfolgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung jeweils bei den positiven oder negativen Scheitelwerten der Sekundärspannung erfolgt

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (10) des Meßwertgebers (9) über eine Torschaltung (12) mit einem den Speicher bildenden Kondensator (13) gekoppelt ist und die Torschaltung (12) durch einen Bezugspuls (210) jeweils während der Abtastzeit durchlässig gemacht wird.