DE2634887A1 - Schrittmotor-lageregelkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrisch gesteuerte Drehpositioniersysteme und betrifft insbesondere einen Schrittmotor-Lageregelkreis.

Es gibt viele Anwendungsfälle, in welchen elektrische Signale die Positionierung von mechanischen Vorrichtungen, insbesondere von Drehvorrichtungen, bewirken. Ein Beispiel dafür ist die Betätigung von Drehschiebern in Kraftstoffregelsystemen, in welchen ein Kraftstoffsoll in eine erforderliche Schieberlage umgesetzt wird. Zwecks der Genauigkeit ist es in einem typischen bekannten

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Regelkreis üblich, von der mechanischen Vorrichtung eine Lageinformation abzunehmen und zurückzuführen, um sie mit dem Bedarfs- oder Sollsignal zu verknüpfen, damit die mechanische Vorrichtung mit einem Fehlersignal angetrieben wird. In einigen Fällen ist ein au sfalls icher er oder Failsafe-Betrieb erwünscht, d.h., bei einem Energieausfall soll die Lage der mechanischen Vorrichtung nicht verändert werden. Deshalb wird häufig ein bekannter Schrittmotor zum Drehen einer mechanischen Vorrichtung anstelle eines Drehmomentmotors oder anderer elektromechanischer Drehwandler benutzt. Zur Gewinnung eines Lagerückführsignals von einem Schrittmotor ist jedoch die Verwendung eines analogen Lagerückführfühlers oder das Verfolgen der durch den Schrittmotor eingestellten Lage erforderlich. Wenn die Lage verfolgt wird, muß irgendeine Art von Zähler, bei welchem es sich um einen Teil eines Digitalprozessors handeln kann, der die Lagebedarfjssignale erzeugt, sich an die Lage erinnern, die die mechanische Vorrichtung auf die dem Schrittmotor gegebenen Befehle hin erreicht haben sollte. Dabei handelt es sich aber um eine Verfolgung mit offenem Regelkreis, die mit Fehlern behaftet ist, welche sich ergeben, wenn aus dem einen oder dem anderen Grund kein Ansprechen erfolgt, und die im allgemeinen energieabhängig arbeitet, d.h., bei einem Energieausfall geht die im Speicher gespeicherte Verfolgungsinformation ebenfalls verloren. Diese Art der Verfolgung ist deshalb in Anwendungsfällen im Bereich der Luftfahrt nicht von Nutzen, da bei diesen verlangt wird, daß ein System in der Lage ist, Energieausfälle

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zu tolerieren, die sich über eine Dauer von Sekunden oder mehr erstrecken, und sie ist auch nicht in kritischen Fällen (wie beispielsweise der Steuerung des Kraftstoffschiebers des Triebwerkes) benutzbar, in welchen ein Ausfall der richtigen Verfolgung in einem Betrieb mit offenem Regelkreis katastrophal wäre. Andererseits sind Drehlagefühler, wie beispielsweise Potentiometer oder Drehverstelltranformatoren, Drehmelder und dgl. im allgemeinen ziemlich temperaturempfindlich und erzeugen große Fehler in mäßigen Temperaturbereichen. Wenn die Lageabfühlung in der Nähe einer sich stark ändernden Wärmequelle erfolgt, beispielsweise in der Nahe eines Triebwerkes, können die erzeugten Fehler viel zu groß sein oder sehr raffinierte Fühler mit oder ohne zusätzlicher Temperaturkompensation können die Kosten solcher Lagefühler in jedem Anwendungsfall zu stark in die Höhe treiben.

Ein besonderes Beispiel für die vorstehenden Darlegungen findet sich in Geschossen mit luftatmenden Triebwerken. In einigen Fällen können sie auf Meereshöhe und in anderen Fällen aus sehr großen Höhen (beispielsweise von einem Flugzeug aus) abgeschossen werden. Die Schwierigkeit beim Starten eines solchen Triebwerkes steht teilweise in Beziehung zur Genauigkeit der Kraftstoffzufuhr, die vom Umgebungsdruck abhängig ist. Das Starten erfolgt selbstverständlich bei relativ niedrigen Temperaturen in der Umgebung des Triebwerkes. Anschließend muß zum Leiten und Steuern des Geschosses aber die Kraftstoffzufuhr bei hohen Temperaturen ziemlich genau kontrolliert

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werden. Aufgrund der Tatsache, daß das Geschoß eine sich selbst zerstörende Waffe ist, wird das Kraftstoff regelsystem nur einmal benutzt und wird dann naturgemäß bei der Detonation des Geschosses zerstört. Deshalb sind sowohl niedrige Kosten als auch ein gewisser Grad an Genauigkeit erforderlich.

Ziel der Erfindung ist es, einen hohen Grad an Genauigkeit in einem Regelkreis zu erzielen, in welchem ein Schrittmotor zusammen mit einem analogen Lagefühler, der den Regelkreis speist, benutzt wird.

Gemäß der Erfindung werden Signale, die zum Antrieb eines Schrittmotors benutzt werden, in Binärbits umgesetzt, die als niederwertige Bits anstelle der niederwertigen Bits verwendet werden, die durch einen Analog/Digital(A/D)-Wandler aus einem analogen Lagefühler gewonnen werden, so daß ein digitales Lagerückführwort, dessen Genauigkeit bis zur Genauigkeit des Schrittmotors geht, für die genaue Erzeugung eines Lagefehlersignals geschaffen wird, das den Schrittmotor steuert.

Bei der Erfindung wird ein nicht teuerer analoger Lagefühler benutzt, der eine relativ geringe Genauigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur und der Lage hat, während eine viel höhere Genauigkeit erzielt wird, indem die niederwertigen Bits eines aus der analogabgefühlten Lage gewonnenen Digitalwortes durch niederwertige Bits ersetzt werden, die sich direkt auf die Istlage

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des Schrittmotors beziehen, der die mechanische Vorrichtung in Drehung versetzt. Somit sind Genauigkeit und niedrige Kosten in einem Schrittmotor-Lageregelkreis vereinigt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Ein Kraftstoffschieber 2 ist über eine Welle 3 mit einer 90 : 1-Räderuntersetzung 4 gekuppelt, die ihrerseits über eine Welle 5 mit einem Schrittmotor 6 gekuppelt ist, so daß der Kraftstoffschieber 2 bei 90 Umdrehungen des Schrittmotors 6 eine Umdrehung ausführt. In Abhängigkeit von der Benutzung kann der Kraftstoffschieber jedoch niemals eine volle Umdrehung

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erreichen und kann typischerweise Lagen zwischen 0 und 200 haben. Der Schrittmotor, der von bekannter Bauart ist, hat vier Wicklungen A-D, von denen zwei gleichzeitig erregt werden, so daß ein Dauermagnetläufer (nicht gezeigt) in eine Lage gebracht wird, in welcher er in einer Linie zwischen den beiden erregten Wicklungen liegt, wobei der Läufer mit der Welle 5 gekuppelt ist. Der Schrittmotor 6 wird durch eine Schrittmotor-Logikschaltung 8 gesteuert, die auf ein Schrittbefehlssignal auf einer Leitung 10, das gleichzeitig mit einem Vorzeichensignal auf einer Leitung 12 auftritt, anspricht und ein besonderes Wicklungspaar (beispielsweise die Wicklung A und die Wicklung B)

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in Abhängigkeit von der Istlage des Schrittmotors und der Sollrichtung erregt, in welcher ein Inkremental- oder Einzelschritt auszuführen ist. Diese Logikschaltung kann typischerweise mehrere elektronische Speicherschalter oder Flipflops enthalten, deren Ausgangssignale in Torschaltungen mit dem Vorzeichensignal auf der Leitung 12 verglichen werden, so daß, wenn die Wicklungen A und B gegenwärtig erregt sind und ein Schrittbefehl zusammen mit einem "positives Vorzeichen"-Signal empfangen wird, die Logikschaltung festlegt, daß die Wicklungen B und C zu erregen sind, so daß der Schrittmotor in einer positiven Richtung weitergedreht wird. Ebenso, wenn die Wicklungen C und D gegenwärtig erregt sind (was durch die elektronischen Schalter oder Flipflops in der Logikschaltung 8 aufgezeichnet ist) und wenn ein Schrittbefehl zusammen mit einem "negatives Vorzeichen"-Signal empfangen wird, wird die Wicklung D entregt und die Wicklung B erregt, so daß die Wicklungen C und B eine Drehung

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des Motors um einen Schritt (90 ) in der Rückwärtsrichtung verursachen. Alles das ist bekannt und bildet keinen Teil der Erfindung.

Die Soll-Lage des Kraftstoff Schiebers 2 wird typischerweise durch eine Art von Prozessor 14 bestimmt, der einen Kraftstoffschieber-Sollage-Generator 16 enthält, welcher ein 8-Bit— Digitalwort auf einem 8-Leitungs-Kanal 18 liefert welches den Soll-Kraftstoffdurchsatz, umgesetzt in die Lage des Kraftstoffschiebers, darstellt. Beispielsweise ist in der vorliegenden

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Ajsführungsform angenommen, daß der auf dem 8-Leitungs-Kanal 18 dargestellte Binärwert einfach in einen Grad pro äquivalentem Dezimalwert umgesetzt wird. Der 8-Leitungs-Kanal ist mit dem positiven Eingang einer digitalen Subtrahierschaltung 20 verbunden, deren negativem Eingang ein Digitalwort auf einem 8-Leitungs-Kanal 22 zugeführt wird, welches die Ist- Lage des Kraftstoffschiebers angibt, wie weiter unten ausführlicher beschrieben. Die digitale Subtrahierschaltung 20 liefert deshalb ein Ausgangssignal auf einem 8-Leitungs-Kanal 24, das den Fehler darstellt, d.h. die Differenz zwischen der Soll-Lage und der Ist-Lage des Kraftstoffschiebers in irgendeinem gegebenen Zeitpunkt. Dieses Digitalwort auf dem 8-Leitungs-Kanal 24 wird benutzt, um auf ein Taktsignal auf einer Leitung 28 hin, welches einem Voreinstellfreigabeeingang eines Fehlei— Zählers 26 zugeführt wird, den Fehlerzähler 26 vor einzustellen. Das Taktsignal auf der Leitung 28 kann beispielsweise in der Größenordnung von 50 Hz liegen und kann deshalb von einem im Verhältnis 1 : 10 teilenden Zähler 30 geliefert werden, der mit einem 500-Hz-Taktgeber 32 über eine Leitung 34 verbunden ist, der außerdem zur Steuerung der anderen Elemente des Prozessors 14 verwendet werden kann. Auf das Vorhandensein des Taktsignals an dem Vor einstell eingang hin kann der Fehlerzähler auf das Komplement der gewünschten Weiterdrehung des Schrittmotors voreingestellt werden, wodurch die Zufuhr von Schrittbefehlen auf der Leitung 10 zu dem Schrittmotor 8 gestattet wird, bis der Zähler festgestellt hat,

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daß genug Schrittbefehle zugeführt worden sind. Dann kann das Komplement des Endzählerstandes auf einer Leitung 36 benutzt werden, um eine Torschaltung 38 zu blockieren, damit Taktsignale auf der Leitung 34 daran gehindert werden, irgendwelche weiteren Befehlssignale auf der Leitung 10 zuzuführen. Taktsignale auf der Leitung 34 werden außerdem benutzt, um den Fehlerzähler weiterzuschalten, indem sie an seinen Takteingang angelegt werden. Somit legt in einem typischen 50-Hz-Prozessorzyklus (20 ms) der Prozessor eine Soll-Kraftstoffzuführ und deshalb eine Soll-Kraftstoffschieberlage fest und gibt diese Information als ein Digitalwort auf der Leitung 18 ab, und durch Abtastung des Fehlersignals auf der Leitung 24 wird der Zähler 26 voreingestellt. Während des nächsten Zyklusses des Prozessors 14 wird der Schrittmotor 6 zusammen mit dem Fehlerzähler weitergeschaltet, bis die SoUzahl von Schritten durch den Schrittmotor ausgeführt worden ist. Der Taktgeber 32 und die digitale Subtrahierschaltung 20 könnten bei Bedarf Teil eines Universalcomputers innerhalb eines Gesamtprozessors 14 sein oder diese Funktionen können getrennt vorgesehen sein, wie in der Zeichnung dargestellt. Alles das liegt im Rahmen des üblichen Fachwissens und bildet keinen Teil der Erfindung.

Zur Erzeugung des Rückfuhrsignals auf den Leitungen 22 ist die Welle 3, die den Kraftstoffschieber 2 antreibt, außerdem mit einem Rückfuhrpotentiometer 40 gekuppelt, das ein Analogsignal auf einer Leitung 42 liefert, welches die Lage der Welle und damit die Lage des Kraftstoffschiebers 2 angibt. Wie oben

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beschrieben, kann sich das Signal auf der Leitung 42 um bis zu zwei Prozent in Abhängigkeit von der Temperatur und der Lage, innei— halb der Temperaturumgebung des Kraftstoffschiebers 2 ändern. Auf die Beseitigung dieses Fehlers ist die Erfindung insbesondere gerichtet. Das Signal auf der Leitung 42 wird durch einen A/D-Wandler 44 in ein 8-Bit-Digitalwort umgesetzt. Der A/D-Wandler hat einen geeigneten Skalenfaktor, so daß in dieser Ausführungsform das 8-Bit-Digitalwort das dezimale Äquivalent der Gradzahl der Ist-Kraftstoffschieberdrehung darstellt. Dieses Digitalwort wird an einen 8-Leitungs-Kanal 46 abgegeben. Es werden jedoch nur die sechs höchstwertigen Bits des Digitalworts auf dem 8-Leitungs-Kanal 46 benutzt. Die beiden niederwertigan Bits bleiben außer Betracht. Anstelle derselben werden zwei niederwertige Bits über einen 2-Leitungs-Kanal 48 von einem Binärcodierer 50 geliefert, der auf die Ist-Steuersignale an den Wicklungen A-D des Schrittmotors 6 anspricht, mit denen er über einen 4-Leitungs-Kanal 52 verbunden ist. In dem Leitungskanal 52 können Pegelumsetzschaltungen vorhanden sein, so daß die Steuersignale, die zum Antrieb des Schrittmotors 6 dienen, in geeignete Transistorlogiksignale umgewandelt werden. Das ist ebenfalls bekannt und bildet keinen Teil der Erfindung.

Der Binärcodierer 50 setzt einfach die Steuersignale an dem Schrittmotor 6 in ein binäres Äquivalent um: beispielsweise kann die gleichzeitige Erregung der Wicklungen A und B zu einem Binärwort OO decodiert werden, die der Wicklungen B und C

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zu einem Binärwort 01 , die der Wicklungen C und D zu einem Binärwort 10 und die der Wicklungen D und A zu einem Binärwort 11 . Der Binärcodierer 50 gibt deshalb über den 2-Leitungs-Kanal 48 ein Binärwort ab, welches die Dezimalwerte 0-3 darstellt, die die Lagen des Schrittmotors 6 in den vier Quadranten angeben. Diese haben einen Digitalwert von EINS pro Viertelumdrehung des Schrittmotors, und der Schrittmotor führt pro Umdrehung des Kraftstoffschiebers neunzig Umdrehungen aus, so daß dadurch ebenfalls in einen Dezimalwert von EINS pro Grad Kraftstoffschieberlage übei— setzt wird.

Bei Beginn des Betriebes der Einrichtung ist es erforderlich, den Schrittmotor auf die Lage des Kraftstoffschiebers auszurichten, so daß der durch den Schrittmotor dargestellte Lagebruchteil dem System bekannt ist. Das kann einfach dadurch erfolgen, daß zwei beliebige Wicklungen (beispielsweise die Wicklungen A und B) erregt werden, was irgendeine bekannte Lage des Schrittmotors darstellt (beispielsweise eine Nulldrehung in "bezug auf den Kraftstoffschieber), woran anschließend der Kraftstoffschieber an den einen oder den anderen seiner Anschläge (an dem beispielsweise der Schieber vollständig geschlossen ist und der eine 0 -Lage darstellt) gedreht werden kann. Anschließend werden der Schrittmotor und der Kraftstoffschieber wiederholt nachgesteuert.

Die Lehre der Erfindung besagt, daß in dem digitalen Rückführwort auf den Leitungen 22 eine Genauigkeit bis auf ein Grad

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geschaffen wird, indem die beiden niederwertigsten Bits aus dem Potentiometer oder einem anderen Analogdrehlagefühler weggelassen und durch die diskreten Lagen des Schrittmotors ersetzt werden, die durch die Schrittmotorerregung zu allen Zeiten festgelegt sind. Dadurch wird eine Verfolgungs-"Körnigkeit" bis auf ein Grad Drehung des Kraftstoffschiebers geschaffen. Dadurch ergibt sich eine wiederholbare Genauigkeit bis zu demselben Grad wie bei der Anfangseinstellung, die in der Größenordnung von 1/10 Grad der Kraftstoffschieberpositionierung liegen kann.

Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Steuerung eines Kraftstoffschiebers in Abhängigkeit von Digitalsignalen unter Benutzung eines Schrittmotors beschrieben worden. Anstelle eines Schrittmotors kann jedoch bei Bedarf ein Magnet- oder Reluktanzmotor benutzt werden, obgleich das in einigen Anwendungsfällen aufgrund der Tatsache, daß er einen gewissen Grad an Schlupf erlaubt, nachteilig sein kann. Ebenso, obwohl eine 90 : 1-Räderuntersetzung beschrieben wird, können selbstverständlich andere Übersetzungsverhältnisse bei Bedarf benutzt wer den. Anstelle des Potentiometers 40 kann ein einstellbarer Drehdifferentialtranformator 8, ein Drehmelder oder ein anderer analoger, mechanisch-elektrischer Wandler zur Angabe der Drehlage der Welle in Verbindung mit dem A/D-Wandler 44 benutzt werden. Ferner können andere Schemata zur Vei— wendung des Fehlersignals, das von dem Prozessor 14 zur passenden Ansteuerung der Schrittmotor-Logikschaltung 8 geliefert

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wird, nach Bedarf benutzt werden. Beispielsweise können Impulsfolgefrequenzsysteme, bei welchen direkte Vergleiche von Frequenzeingangssignalen benutzt werden,zum Steuern des Schrittmotors 8 bei Bedarf in an sich bekannter Weise verwendet werden. Der Fehlerzähler 26 könnte selbstverständlich auf die SoUzahl von Schritten voreingestellt und rückwärtsgezählt werden und die einzelnen Stufen könnten bei Bedarf in ODER-Verknüpfung geschaltet sein, um ein Freigabesignal für die Torschaltung 38 zu erzeugen.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fabhmann über die oben beschriebenen Ajsführungsbeispiele hinaus eine Viel zahl weiterer Abwandlungs-und Vereinfachungsmöglichkeiten.

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ( 1 . JSchrittmotoi—Lageregelkreis, gekennzeichnet durch: eine mechanische Drehvorrichtung;

   einen Schrittmotor, der mit der mechanischen Vorrichtung mechanisch verbunden ist, um diese Vorrichtung auf an ihn angelegte Signale hin zu drehen;

   einen analogen Lagefühler, der mit der mechanischen Vorrichtung verbunden ist und ein elektrisches Lagesignal ei— zeugt, das die Lage der mechanischen Vorrichtung angibt; eine erste Einrichtung zum Umsetzen des analogen Lagesignals in ein erstes Digital wort, das mehrere höherwertige Datenbits und eine Anzahl von niederwertigen Datenbits enthält; eine zweite Einrichtung, die auf an die Wicklungen des Schrittmotors angelegte Signale anspricht und ein zweites Digitalwort erzeugt, das die Anzahl von Bits hat und die Lage des Schrittmotors angibt;

   eine dritte Einrichtung, die ein Digitalwort liefert, welches einen Positionsbefehl für die mechanische Vorrichtung darstellt;

   eine Einrichtung, die auf die erste, die zweite und die dritte Einrichtung anspricht und ein Digitalwort, das aus dem zweiten Digitalwort und den mehreren höherwertigen Bits des ersten Digitalworts besteht, von dem Lagebefehlsdigitalwort subtrahiert, um eine Lagefehlerangabe zu erzeugen; und eine Einrichtung, die auf die Lagefehlerangabe anspricht und

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   Signale erzeugt .und diese Signale an die zweite Einrichtung und an den Schrittmotor anlegt, um das schrittweise Weiterschalten desselben zu steuern.

   2. Lageregelkreis nach Anspruch. 1 ,gekennzeichnet durch eine zwischen dem Schrittmotor und der mechanischen Vorrichtung angeordnete Untersetzungseinheit, die so ausgebildet ist, daß viele Umdrehungen des Schrittmotors weniger als eine Umdrehung der mechanischen Vorrichtung ergeben, und daß die erste Einrichtung einen derartigen A/D-Umwandlungsskalenfaktor hat, daß das erste Digitalwort in derselben Größe-pro-Umdrehungseinheit der mechanischen Vorrichtung wie das zweite Digital wort erzeugt wird.

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