DE2845787A1

DE2845787A1 - Anordnung mit einem servomotor

Info

Publication number: DE2845787A1
Application number: DE19782845787
Authority: DE
Inventors: Ryuichi Kawa
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1977-10-21
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1979-04-26
Also published as: US4258301A; DE2845787C2

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWaBE UR. DR. SANDMAIR /

Patentanwälte

Ptstfach 860245 ■ 8000 München 86

Anwaltsakte; 29 560 20. Oktober 1978

Ricoh Company, Ltd.
Tokyo / Japan

Anordnung mit einem Servomotor

VII/XX/Ktz

909817/0927

r(0») 988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank Manchen 44101228S0

988273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

988274 TELEX: Bayer Vereinsbank München 453100(BLZ 70020270) 943310 ■ 0524560BERGd Posucheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

Anwaltsakte: 29 560

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Servomotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für einen Drucker, einen Faksimile-Sende-Empfanger u.a..

In einer derartigen Anordnung wird eine theoretisch optimale Umlaufgeschwindigkeit oder Drehzahl einer Motorwelle als Funk-' tion des Winkelabstandsder Motorwelle von der gegenwärtigen Stufe oder Stellung zu der neuen geforderten Befehlsstufe oder Stellung berechnet. Ein mit der Motorwelle verbundener Drehzahlfühler gibt Impulse ab, deren Dauer oder Breite der tatsächlichen Motorwellendrehzahl entspricht. Die theoretischen und tatsächlichen bzw. Istdrehzahlen werden verglichen, um ein Drehzahl-

differenzsignal zu erzeugen, das seinerseits dazu verwendet wird, eine Treiber- bzw. Steuerimpuls-Zeitdauer oder eine Impulsbreite zum Erregen des Motors für eine Bewegung von der gegenwärtigen in die nächste Stellung zu berechnen. Die theoretische Drehzahl wird fortlaufend verringert, wenn sich die Motorwelle der Befehlsstellung nähert. Der Motor kann in Vorwärts- oder Umkehrrichtung in Abhängigkeit davon erregt werden, ob die tatsächliche oder Istdrehzahl niedriger oder höher ist als die theoretische Drehzahl.

Bisher haben jedoch verschiedene Schwierigkeiten bestanden, welche eine fehlerhafte Arbeitsweise dieser Art einer Anordnung mit einem Servomotor bewirkt haben. Eine Schwierigkeit besteht darin,

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daß die Steuer- oder Treiberimpulsbreite nur als Funktion des Drehzahldifferenzsignals berechnet wird und nicht die tatsächliche Motorwellendrehzahl genauer wird. Das Drehzahldifferenzsignal kann denselben Wert über einen großen Bereich der Motorwellendrehzahlen haben. Da das Motordrehmoment bei hohen Drehzahlen niedriger ist als bei niedrigen Drehzahlen, hat ein Anlegen eines Steuerimpulses mit einer vorbestimmten Impulsbreite bei hoher Drehzahl eine geringere Wirkung als bei niedriger Drei;. zahl. Infolgedessen nimmt das Ansprechen des Motors auf die Drohzahldifferenz fortlaufend ab, wenn die Wellendrehzahl oder deren Umlaufgeschwindigkeit zunimmt. Dies hat ein unzureichend bzw. unzulässig schnelles Ansprechen auf hohe Wellendrehzahlen zur Folge, was wiederum zu einem Uberschwingen, Unterschwingen odev überhaupt zu einem Schwingen führt.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß in einem derartigen System die Motorwelle während der letzten Stufe in einem offenem Kreis angeordnet ist und danach keine Einrichtung vorgesehen ist, um eine Drehung der Welle aus der Befehlsstellung zu verhindern. Infolgedessen ist die Endstellung ungenau, und eine Bewegung einer Last, die mittels der Motorwelle angetrieben wird, führt zu einer Verstellung der Motorwelle aus der geforderten Stellung.

Die Erfindung soll daher eine Anordnung mit einem Servomotor schaffen, mit welcher eine Motorwelle genau eingestellt wird

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und deren Verstellung, nachdem sie in eine bestimmte Stellung
gebracht ist, verhindert wird. Darüber hinaus ist durch die Anordnung mit einem Servomotor ein überschwingen, Unterschwingen oder überhaupt ein Schwingen während der Arbeitsweise vermieden. Gemäß der Erfindung ist dies durch den Gegenstand des Anspruchs 1 erreicht.

Hierbei weist eine erfindungsgemäße Anordnung einen Servomotor mit einer Welle und eine Treiber- oder Steuerungseinrichtung zum Erregen und Ansteuern des Motors auf, um die Welle in eine Befehlsstellung zu drehen. Mit Fühlern wird eine Verstellung der Welle aus der Befehlsstellung über einen vorbestimmten Winkelabstand hinaus gefühlt. Steuereinrichtungen steuern die Treiber- bzw. Steuerungseinrichtung, um den Motor zu drehen, um dadurch die Welle in Richtung auf die Befehlsstellung zu drehen, bis
der entsprechende Fühler fühlt, daß die Welle sich in dem vorbestimmten Winkelabstand von der Befehlsstellung befindet. Die Steuerungseinrichtung ist entsprechend ausgelegt, um die Welle in Schritten, d.h. schrittweise von einer Anfangsstellung in die Befehlsstellung zu drehen; hierbei fühlt die Fühleranordnung,
wenn die Steuerungseinrichtung die Welle um einen Schritt in
die Befehlsstellung gedreht hat und betätigt dementsprechend
die Steuerungseinrichtung, wobei der vorbestimmte Winkelabstand kleiner als ein Schritt ist. Die Füllleranordnung fühlt ferner
eine Anzahl Schritte aus der gegenwärtigen in die Befehlsstellung und eine Umlaufgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl der Welle. Die Anordnung weist ferner eine erste Recheneinrichtung zum Be-

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rechnen einer berechneten Ansteuerungszeitdauer zum Erregen des Motors auf, um die Welle aus der gegenwärtigen Stellung in eine dem nächsten Schritt entsprechende Stellung als eine erste vorbestimmte Funktion der Schrittanzahl zu drehen; ferner weist sie eine zweite Recheneinrichtung zum Berechnen eines Ausgleichsfaktors als einer zweiten vorbestimmten Funktion der gefühlten Umlaufgeschwindigkeit bzw. Drehzahl und einer Drehmoment-Drehzahlkennlinie des Motors sowie eine dritte Recheneinheit auf, um die berechnete Ansteuerungszeitdauer mit dem Ausgleichsfaktor entsprechend einer dritten vorbestimmten Funktion zusammenzufassen.

Gemäß der Erfindung wird somit eine theoretisch optimale Motoransteuerungs-Zeitdauer oder eine Treiberimpulsbreite als Funktion der Anzahl Schritte aus der gegenwärtigen Motorwellenstellung in die geforderte Befehlsstellüng und der gegenwärtigen Motorwellenumlaufgeschwindigkeit bzw. -drehzahl berechnet. Ein Ausgleichsfaktor wird als Funktion der gegenwärtigen. Motorwellendrehzahl und der Drehmoment-Drehzahlkennlinie des Motors berechnet und mit der berechneten Ansteuerungszeitdauer multipliziert, um eine augenblickliche Ansteuerungszeitdauer zum Erregen des Motors zu erzeugen, um die Motorwelle aus der augenblicklichen Stellung in die dem nächsten Schritt entsprechende Stellung zu drehen. Nachdem die Motorwelle um einen Schritt zu der Befehlsstellung hin gedreht worden ist, wird mittels einer Fühlanordnung die Verstellung der Motorwelle über einen vorbestimmten kleinen Winkelabstand von der Befehlsstellung aus gefühlt, und dadurch wird dann der Motor erregt, um die Motorwelle in Richtung auf die

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Befehlssteilung hin zu drehen.

Gemäß der Erfindung ist dadurch eine insgesamt verbesserte Anordnung mit einem Servomotor geschaffen, welche wirksam und wirtschaftlich auf einer kommerziellen Produktionsbasis hergestellt werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einem Servomotor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Zeitsteuerdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise derAnordnung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer ersten Recheneinheit der Anordnung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Drehzahlumsetzers der Anordnung ;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Impulsgenerators der Anordnung ;

Fig. 6 ein schematisches elektrisches Schaltbild eines Servomotors und einer Ansteuerungseinheit der Anordnung; 909817/0927 " ⁶ "

Fig. 7 ein weiteres Zeitsteuerungsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung;

Fig.8 noch ein weiteres Zeitsteuerungsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausfuhrungsform gemäß der Erfindung;

Fig.10 ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform der Fig. 9r

Fig.11 ein schematisches elektrisches Schaltbild eines Teils ' einer Fühleinrichtung der Anordnung der Fig. 9;

Fig.12 ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Steuereinrichtung der Anordnung der Fig. 9;

Fig.13 ein Zeitsteuerungsdiagramm zur weiteren Erläuterung
der Arbeitsweise der Anordnung der Fig. 9;

Fig.14 eine Darstellung einer Drehmoment-Drehzahlkennlinie
eines derzeit verwendeten Servomotors;

Fig.15 eine Kurve, in welcher ein gemäß der Erfindung berechneter Ausgleichsfaktor dargestellt ist; und

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Fig. 16 ein Blockschaltbild noch einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung zum Berechnen und Anwenden des Ausgleichsfaktors.

In Fig. I hat eine in ihrer Gesamtheit mit 11 bezeichnete Anordnung, die ein Servomotorregelsystem mit einem geschlossenen Regelkreis darstellt, einen Servomotor 12. Ein elektrisches, vorzugsweise binäres Eingangssignal wird einer Recheneinheit zugeführt, die die Anzahl Schritte sowie die Drehrichtung von einer augenblicklichen Motorwellenstellung in eine geforderte Befehlsstellung anzeigt. Beispielsweise kann das Eingangssignal eine Drehbewegung einer Welle 14 des Motors 12 im Uhrzeigersinn über 12 Schritte anzeigen.

Die Recheneinheit 13 berechnet eine theoretisch optimale Befehlsdrehzahl, mit welcher die Motorwelle 14 gedreht werden sollte. Ein Fühler 16, der mit der Motorwelle 12 verbunden ist, gibt ein Signal ab, das die tatsächliche oder Istdrehzahl der Motorwelle 14 anzeigt, und welches über einen Verstärker 17 sowie eine eine Rechteckwelle erzeugende Anordnung 18 zu der Recheneinheit 13 gelangt. Die Recheneinheit 13 subtrahiert die tatsächliche oder Ist-Drehzahl von der Befehlsdrehzahl, um einDrehzahldifferenzsignal zu erzeugen, welches an einen Impulsgenerator 19 angelegt wird. Der Impulsgenerator 19 gibt für jeden Schritt einen Motoransteuerungsimpuls mit einer Zeitdauer ab, die der Größe des Differenzsignals entspricht. Da sich das Differenzsignal ständig ändert, ändern sich die Zeitspannen oder Impulsbreiten

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der Ansteuerimpulse ebenfalls ständig. Von der Recheneinheit 13 wird auch ein Richtungssignal erzeugt, welches zusammen mit den Ansteuerungsimpulsen einer Motoransteuerungs- und Treibereinheit 21 zugeführt wird. Das Richtungssignal zeigt an, ob der Motor 21 für eine Drehbewegung in der Vorwärtsrichtung (im Uhrzeigersinn) oder in umgekehrter Richtung (entgegen dem Uhrzeigersinn) zu erregen ist. Das Richtungssignal ist ein Binärsignal mit einem logisch hohen oder niedrigen Wert für eine Erregung in Vorwärtsrichtung bzw. in Umkehrrichtung.

Wenn die Motorwellendrehzahl niedriger als die Befehlsdrehzahl ist, wird durch das Richtungssignal der Motor 12 entsprechend erregt, io daß die Motorwe]Ie 14 sich fortlaufend in derselben Richtung dreht. Je größer der Unterschied zwischen der tatsächlichen oder Ist-Drehzahl und der Befehlsdrehzahl ist, umso größer wird die Treiberimpulsbreite und umso langer wird die Zeitdauer, während welcher der Motor 12 erregt wird.

Wenn die Motorwellendrehzahl höher als die Befehlsdrehzahl ist, wird der Motor 12 durch das Richtungssignal entsprechend erregt, so daß die Motorwelle 14 in der entgegengesetzten Richtung gedreht wird. Mit anderen Worten, es wird eine in umgekehrter Richtung wirkende Erregung an den Motor 12 angelegt, um dadurch die Motorwelle 14 abzubremsen oder zu verzögern.

Bei der Anordnung 11 der Fig. 1 ergeben sich ohne die erfindungsgemäßeVerbesserung Schwierigkeiten im Hinblick auf ein Überschwingen, Unterschwingen, Schwingen überhaupt und ein ungenaues Ein-

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„ (V _

stellen, wie oben bereits ausgeführt ist.

Der Fühler 16 kann ein photoelektronischer Generator oder irgendeine andere Form eines bekannten Drehzahlfühlers sein, welcher durch die Motorwelle 14 angetrieben wird, und einen sinusförmigen Ausgang mit einer Frequenz erzeugt, die der Motorwellendrehzahl proportional ist. Die Ausgänge des Fühlers 16 und der eine Rechteckwelle erzeugenden Anordnung 18 sind in Fig. 2 dargestellt.

Wie am besten aus Fig. 3 zu ersehen ist, weist die Recheneinheit 13 einen Zähler 22 auf, welcher anfangs durch das Eingangssig- · nal eingestellt wird und welcher durch die Ausgangssignale der die Rechtecksignale erzeugenden Einrichtung 18 schrittweise verringert wird. Vorzugsweise geben der Drehzahlfühler 16 und infolgedessen die Rechteckimpulse erzeugende Anordnung 18 jeweils einen Impuls für jeden Motorwellenschritt ab. Wenn beispielsweise das Eingangssignal anzeigt, daß die Motorwelle 14 aus der augenblicklichen Stellung um zwölf Schritte im Uhrzeigersinn in eine geforderte Befehlsstellung gedreht werden sollte, dann wird der Zähler 22 anfangs auf eine binäre Zwölf (1100) eingestellt.

Der Ausgang des Zählers 22 wird als ein Adresseneingang an einen Festwertspeicher (ROM)23 angelegt. Der Ausgang des Festwertspeichers 23 wird durch den Inhalt der adressierten Speichersteile gebildet. Die in dem Festwertspeicher 23 gespeicherten

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Daten entsprechen der theoretisch optimalen Drehzahl der Motorwelle 14 in der augenblicklichen Stellung, wobei angenommen wird, daß sich die Motorwelle 14 über die in dem Zähler 22 gespeicherte Anzahl Schritte drehen muß. Der Ausgang des Festwertspeichers 23 wird an den Eingang eines Subtrahiergliedes 24 angelegt.

Der Ausgang der Rechteckimpulse erzeugenden Anordnung 18 wird auch an einen Eingang eines Drehzahlumsetzers 26 angelegt, welcher ein Signal bei demselben Maßstab- oder Nomierungsfaktor erzeugt, wenn der Festwertspeicher 23 die tatsächliche Motorwellendrehzahl anzeigt. Selbstverständlich zeigt der Ausgang des Festwertspeichers 23 die ßefehlsdrehzahl an. Das Subtrahierglied 24 subtrahiert die tatsächliche oder Istdrehzahl von der Befehlsdrehzahl und gibt ein Signal ab, das an den Impulsgenerator 19 angelegt wird, der den Absolutwert oder die Größe des Drehzahlunterschieds anzeigt. Das Richtungssignal entspricht dem Vorzeichen des Differenzsignals und wird an die Treiber- bzw. Ansteuerungseinheit 21 angelegt. Der Impulsgenerator 19 gibt einen Impuls ab, der in der Dauer der Größe des Differenzsignals entspricht, welchesüber die Treibereinheit 21 an dem Motor angelegt wird, wodurch dann die Motorwelle 13 um den nächsten Schritt gedreht wird.

Der Drehzahlumsetzer 26 ist in Fig. 4 dargestellt und weist einen Zähler 28 auf, welcher anfangs auf null zurückgesetzt wird. Die Impulse von der Rechteckimpulse erzeugenden Anordnung 18 werden an den eine Zählung freigebenden Eingang des Zählers angelegt. - 11 -

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Taktimpulse von einem Oszillator 29 werden an den Zähleingang des Zählers 28 angelegt und dieser (28) dadurch schrittweise weitergeschaltet. Der Zähler 28 wird für die Dauer des positiven Teils jedes Ausgangsimpulses der Rechteckimpulse erzeugenden Anordnung 18 freigegeben, welcher einer Halbperiode des entsprechenden Ausgangssignals des Drehzahlfühlers 16 entspricht. Wenn beispielsweise der Drehzahlfühler 16 sinusförmige Signal^emit einer Wiederholungsperxode von 2ms erzeugt, wird der Zähler 28 für 1ms pro Signal freigegeben.

Der in dem Zähler 28 pro Halbperiode einer Ausgangsperiode des Fühlers 16 addierte und gespeicherte Zählerstand ist proportional der Dauer oder der Zeitspanne der Halbperiode und umgekehrt proportional der Frequenz der sinusförmigen Signale. Infolgedessen ist das Zählergebnis in dem Zähler 28 umgekehrt proportional zu der Umdrehungsgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl der Motorwelle 14. Dies Zählergebnis wird dann an eine Reziprokschaltung 31 angelegt, welche den reziproken oder umgekehrten Wert des Zählergebnisses abgibt. Dieses Reziproksignal stellt das der tatsächlichen oder Istdrehzahl entsprechende Signal dar.

Der Impulsgenerator 19 ist in Fig. 5 dargestellt und weist einen Zähler 32 auf, welcher anfangs auf einen Zählstand eingestellt wird, der gleich dem Differenzsignal von dem Subtrahierglied 24 ist. Taktimpulse von einem Oszillator 33 werden an den Zähleingang des Zählers 32 angelegt, wodurch dieser (32) schrittweise zurückzählt. Ein Nulldetektor 34 ist mit dem Ausgang des

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Zählers 32 verbunden und gibt einen einen Motortreiberimpuls darstellenden, hohen Ausgang ab, solange der Zählstand in dem Zähler 32 nicht null ist. Infolgedessen ist die Zeitdauer, während welcher der Ausgang des Nulldetektors 34 hoch bleibt, proportional der Größe des Differenzsignals.

Die Motorsteuerungs- oder Treibereinheit 21 ist in Fig. 6 dargestellt und weist einen PNP-Leistungschalttransistor 36 auf. Der Ausgang des Impulsgenerators 19 wird über einen Inverter an die Basis des Transistors 36 angelegt. Der Emitter desTransistors 36 ist mit dem positiven Pol +V einer Gleichspannungsquelle verbunden. Der Kollektor desTransistors 36 ist mit dem Emitter von PNP-Treibertransistoren 38 und 39 verbunden, deren Kollektoren jeweils mit einem der beiden Anschlüsse des Motors

12 verbunden sind.

Die Emitter von NPN-Treibertransistoren 41 und 42 sind geerdet und ihre Kollektoren sind mit den Kollektoren der Transistoren 38 bzw. 39 verbunden. Das Richtungssignal von der Recheneinheit

13 wird über Verstärker 43 und 44 an die Basen der Transistoren 38 und 41 und über invertierende Verstärker 46 und 47 an die Basen der Transistoren 39 bzw. 42 angelegt.

Der Transistor 36 wird angeschaltet, um dieSpannung +V der Spannungsquelle an die Transistoren 38 und 39 anzulegen, wenn der Ausgang des Impulsgenerators 19 infolge der Wirkung des Inverters 37 hoch ist. Wenn das Richtungssignal von dem Ausgang der Recheneinheit.13 hoch ist, werden die Transistoren 39 und

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angeschaltet, vim Strom über den Motor 12, wie durch einen Pfeil 48 angezeigt ist, in einer Richtung durchzulassen. Wenn das Richtungssignal niedrig ist, werden die Transistoren 38 und 42 angeschaltet, um Strom über den Motor 12 in der entgegengesetzten Richtung durchzulassen. Die Transistoren 38 bis 42 sind somit in einer Brückenschaltung angeordnet.

Anhand von Fig. 7 wird nunmehr die grundsätzliche Arbeitsweise der Anordnung 11 beschrieben. Die Befehlsdrehzahl ist durch eine ausgezogene Kurve in dem oberen Teil der Fig. 7 wiedergegeben. Die tatsächliche Motorwellendrehzahl ist durch eine gestrichelte Kurve dargestellt. Ferner sind unter dem die Drehzahlkurve wiedergebenden Teil der Zeichnung die entsprechenden Treiber- bzw. Steuerungsimpulse dargestellt, die an den Motor 12 von der Treibereinheit 21 aus angelegt werden; die Treiberimpulse liegen am Ausgang des Impulsgenerators 19 an und das entsprechende Richtungssignal erscheint am Ausgang der Recheneinheit 13.

Die die Istdrehzahl wiedergebende Kurve besteht aus drei Abschnitten. In dem ersten Abschnitt wird die Motorwelle 14 auf die befohlene Drehzahl beschleunigt. In dem zweiten Abschnitt wird die Motorwellendrehzahl auf der befohlenen Drehzahl konstant gehalten. In dem dritten Abschnitt wird die Motorwellendrehzahl auf null verzögert. Ein umgekehrter (in diesem Fall negativer ) Treiberimpuls 49 wird an den Motor 12 bei einem Schritt 51, einen Schritt vor dem End- oder Befehlsschritt angelegt, um die Welle bei einem Stop bei dem Befehlsschritt ab-

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zubremsen.

In Fig. 8 ist die Arbeitsweise der Anordnung 11 für eine Bewegung in drei Schritten dargestellt. Der Anfangszählstand von drei wird in den Zähler 22 eingegeben, welcher dann durch die Rückflanken der Ausgangsimpulse der Rechteckimpulse abgebenden Anordnung 18 schrittweise verringert wird. Die Treiberimpulse werden von dem Impulsgenerator 13 entsprechend den Vorderflanken der Impulse von der Anordnung 18 erzeugt. Eine Verzögerungszeit t ist zur Berechnung des Drehzahlunterschieds und zum Einstellen desAus"gangs des Subtrahiergeräts 24 in dem Zähler 32 des Impulsgenerators 19 erforderlich. Infolgedessen werden^:die Treiberimpulse nach einer Zeitverzögerung t erzeugt, welche auf die Vorderflanken der jeweiligen Impulse von der Rechteckimpulse erzeugenden Anordnung 18 folgt.

In Fig. 9 ist eine verbesserte Servosteueranordnung 11' gemäß der Erfindung mit einer Einrichtung dargestellt, um ein genaues Einstellen der Motorwelle 14 in dem Endschritt zu gewährleisten und um deren mechanische Verstellung aus der Befehlsstellung heraus zu verhindern. Hierbei sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und entsprechende, aber abgewandelte Teile sind mit demselben Bezugszeichen mit einem Strichindex bezeichnet.

Die Rechteckimpulsserzeugende Anordnung 18' kann in derselben vorbeschriebenen Weise ein Ausgangssignal 18'a abgeben, das

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der positiven Halbperiode des Ausgangssignals des Fühlers 16 entspricht. Die Anordnung 18' kann jedoch auch positive Signale 18'b und 18¹C abgeben, wenn die Motorwelle 14 bezüglich der Befehls stellung, die in Fig. 10 durch die strichpunktierte Linie 61 angezeigt ist, über Drehwinkel von -Θ bzw.+& hinaus verstellt

κ-

wird, wenn ]-θ| = \+θ\ ist. Die Drehwinkel -Θ und +Θ sind kleiner als der einem Motorwellenschritt entsprechende Winkelabstand. Die Signale 18'b und 18'c werden zusätzlich zu den Signalen von dem Subtrahierglied 24 der Recheneinheit 13 an eine Steuereinheit 62 angelegt, wodurch die Größe und Richtung des berechneten Drehzahldifferenzsignals angezeigt wird. Der Ausgang des Zählers 22 der Recheneinheit 13 wird auch an die Steuereinheit 62 angelegt.

Die in Fig. 11 dargestellte Rechteckimpulse abgebende Anordnung 18' weist drei Spannungsvergleicher 63, 64 und 66 auf. Das Ausgangssignal des Verstärkers 17 wird an die nichfinvertierenden Eingänge des Vergleichers 63 und 66 und an den invertierenden Eingang des Vergleichers 64 angelegt. Der Ausgang des Vergleichers 63 stellt das Signal 18'a dar, welches der Recheneinheit 13 zugeführt wird. DieAusgänge der Vergleicher 64 und 66 stellen die Signale 18'b und 18'c dar.

Eine Bezugsspannung Vo wird an den invertierenden Eingang des Vergleichers 63 angelegt. Die Spannung Vo entspricht dem Gleichspannungswert des sinusförmigen Ausgang des Verstärkers 17 und kann OV sein, wenn der Gleichspannungswert null ist. Positive

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und negative Bezugsspannungen V1 und V2 werden an den inver-■ tierenden Eingang des Vergleichers 66 bzw. an den nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers 64 angelegt.

Der Vergleicher 63 gibt einen hohen Ausgang ab, wenn der Pegel des Signals von dem Verstärker 17 positiver ist als Vo. Der Vergleicher 66 gibt einen hohen Ausgang ab, wenn der Pegel des Ausgangs nahe des Verstärkers 17 positiver als Vi ist. Der Vergleicher 64 gibt einen hohen Ausgang ab, wenn der Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 17 negativer als V2 ist. Die Bezugs spannungen v1'und V2 werden entsprechend den Winkelabständen +0 bzw. -Θ ausgewählt.

Die Steuereinheit 62 ist in Fig. 12 dargestellt und weist ein ODER-Glied 67 mit einem mit dem Ausgang des Impulsgenerators 19 verbundenen Eingang und einen mit der Treiber- und Steuereinheit 21 verbundenen Ausgang auf. Der Ausgang des ODER-Glieds 67 stellt die an die Steuereinheit 21 angelegten Treiber- und Steuerimpulse dar. Der Ausgang des Zählers 22 der Recheneinheit 13 ist mit einem Eingang eines Nulldetektors 68 verbunden, dessen Ausgang mit Eingängen von UND-Gliedern 69 und 71 verbunden ist. DieSignale 18 'b und 18¹C werden an andereEingänge der UND-Glieder 69 bzw. 71 angelegt. Die Ausgänge der UND-Glieder 69 und 71 werden an Eingänge eines ODER- Glieds 72 angelegt, dessen Ausgang mit einem Freigabeeingang eines Oszillators 73 verbunden ist. Der Ausgang des Oszillators 73 ist mit einem anderen Eingang eines ODER-Glieds 67 verbunden. Der Ausgang des UND-Glieds 69 und das

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Richtungssignal von dem Subtrahierglied 24 der Recheneinheit 13 werden an Eingänge eines ODER-Glieds 74 angelegt, dessenAusgang mit einem Eingang eines UND-Glieds 76 verbunden ist. Der Ausgang des UND-Glieds 76 stellt das Richtungssignal dar, welches der Treiber- und Steuereinheit 21 zugeführt wird. Der Ausgang des UND-Glieds 71 wird über einen Inverter 77 an den anderenEingang des UND-Glieds 76 angelegt.

Während des Betriebs gibt der Null-Detektor 68 einen hohen Ausgang ab, um die UND-Glieder 69 und 71 freizugeben, wenn der Zählstand in dem Zähler 22 null wird, wodurch angezeigt wird, daß die Motorwelle 14 im Bereich eines Schrittes der Befehlsstellung ist. Der Impuls 49 wird angelegt, um die Motorwelle 14 abzubremsen. Wenn die Welle 14 innerhalb eines Winkels θ der Befehlsstellung 61 stillsteht, kommt es zu keiner weiteren Wirkung, wenn nicht irgendeine äußere Kraft angelegt wird, um die Welle 14 zu drehen.

Wenn jedoch die Welle 14 kurz vor der Befehlsstellung 61 um mehr als den Winkel -Θ anhält, gibt der Vergleicher 64 ein hohes Signal 18'b und das UND-Glied 69 gibt ebenfalls einen hohen Ausgang ab. Dieser hohe Ausgang wird über das ODER-Glied 72 zu dem Oszillator 73durchgelassen, worauf dann der Oszillator 73 schwingt und Impulse mit einer fest vorgegebenen Dauer abgibt. Diese Impulse werden dann über das ODER-Glied 67 durchgelassen, wodurch dann der Motor 12 erregt und angeschaltet wird.

Der hohe Ausgang des UND-Glieds 69 wird über das ODER-Glied 74

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zu dem UND-Glied 76 durchgelassen, das einen hohen Ausgang abgibt, und zwar deswegen, da der niedrige Ausgang des Vergleiche rs 66 durch den Inverter 77 invertiert wird und das UND-Glied

76 freigibt. Der hohe Ausgang des UND-Glieds 76 wird an die Treiber- und Steuereinheit 21 als Riehtungssignal angelegt, wobei dann durch die Steuereinheit 21 der Motor 12 erregt und angeschaltet wird, um sich fortlaufend in derselben Richtung zu drehen. Nachdem die Motorwelle 14 in den Bereich -Θ der Befehlsstellung 61 gedreht worden ist, wird der 2lusgang des Vergleichers 64 sowie der des UND-Glieds 69 niedrig. Hierdurch wird dann der Oszillator 73 abgeschaltet, und der Ausgang des UND-Glieds 76 wird niedrig.

Wenn andererseits die Welle 14 um einen Winkel, der größer als det:Winkel +Θ ist, die Befehlsstellung überschwingen würde, gibt der Vergleicher 66 ein hohes Signal 18¹C ab, welches über das UND-Glied 71 läuft. Dieses Signal wird dann durch den Inverter

77 invertiert, um das UND-Glied 76 zu sperren, das dann ein niedrigesSignal abgibt, was zur Folge hat, daß die Welle 14 des Motors entgegen der Anfangsdre.hr ich tung oder zurück in Richtung auf die Befehlsstellung 61 gedreht wird. Der hohe Ausgang des UND-Glieds 71 gibt den Oszillator 73 frei, der Ansteuer- und Treiberimpulse abgibt, solangedie Welle 14 weiter als der Winkelabstand +& von der Befehlsstellung 61 entfernt ist, und der Ausgang des Vergleichers 66 bleibt hoch.

Während des Anfangsbetriebs der Anordnung 11', während welchem

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die Welle 14 im Bereich eines Schrittes der Befehlsstellung 61 angetrieben wird, sperrt der niedrige Ausgang des Nulldetektors 68 die UND-Glieder 69 und 71. Der niedrige Ausgang des UND-Glieds 71 wird durch den Inverter 77 invertiert, um das UND-Glied 76 freizugeben. Die Steuerimpulse von dem Steuerimpulsgenerator werden über das ODER-Glied 67 durchgelassen und das Richtungssignal wird von dem Subtrahierglied 24 über das ODER-Glied 74 und das UND-Glied 76 ohne eine Änderung durchgelassen. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Signalen ist in Fig. 13 dargestellt.

Eine mechanische Bewegung der Welle 14 durch irgendeine äußere Kraft aus dem Bereich -Θ bis +Θ heraus hat zur Folge, daß der Vergleicher 64 oder 66 ein hohes Ausgangssignal 18'b bzw. 18¹C abgibt, wodurch dann der Motor 12 erregt wird, und die Welle 14 zurück in Richtung auf die Befehlsstellung 61 in den Bereich -Θ bis +9 dreht. Hierdurch ist sichergestellt, daß die Welle 14 anfangs genau eingestellt ist, und daß die Befehlsstellung innerhalb eines kleinen Winkelsbereichs eingehalten wird, selbst wenn die Welle 14 durch eine äußere Kraft verstellt wird.

Wie oben ausgeführt, ist infolge der Tatsache, daß das Drehmoment des Motors 12 als Funktion der Wellendrehzahl nicht konstant ist, sondern mit zunehmender Drehzahl abnimmt, ein Treiber- oder Steuerimpuls einer vorbestimmten Dauer oder Breite weniger wirksam ., wenn die Motorwellendrehzahl zunimmt. In Fig. 14 ist das Motordrehmoment F als Funktion der Wellendrehzahl

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V dargestellt. Obwohl die Kurve zur Verdeutlichung der Darstellung etwas vereinfacht ist, ändert sich das Drehmoment F im allgemeinen als eine geradlinige Funktion der Wellendrehzahl V. Wenn die Punkte Fo und Vo die Schnittpunkte der Drehmoment-Drehzahlkennlinie des Motors 12 mit der vertikalen bzw. der horizontalen Achse sind, läßt sich das Drehmoment F als Funktion der Wellendrehzahl V folgendermaßen wiedergeben:

Wenn ein Treiber- oder Steuerimpuls mit einer Dauer To an den Motor 12 angelegt wird, ist der Impuls, welcher auf die Motorwelle 12 wirkt, um deren Drehzahl zu ändern, gleich FTo und ändert sich entsprechend der Gl. (1) als Funktion der Wellendrehzahl V. Selbstverständlich werden hierbei die Werte Fo und Vo sowie To als konstant angenommen.

Wenn jedoch die -Impulsbreite oder die Zeitdauer auf To¹ entsprechend in der folgenden Gleichung geändert wird:

To¹ = —?~ (2)

¹ " Vö

bleibt der Impuls bei allen Umlaufgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Welle 14 konstant, und jeder Steuerimpuls ruft dieselbe Wirkung bezüglich der Drehzahl bei allen Umlaufgeschwindigkeiten hervor. Der Impuls wird dann FTo¹ = FoTo, und ist damit konstant. _ 21 -

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Diese Wirkung kann durch Multiplizieren der am Ausgang der Subtrahiereinrichtung 24 geschaffenen Drehzahldifferenz mit einem Ausgleichsfaktor K erhalten werden, welcher als Funktion der Wellendrehzahl V folgendermaßen berechnet wird:

K = l-^r— (3).

¹ " Vö

Die ausgezogene Kurve in Fig. 14 gibt den Ausgleichsfaktor K als Funktion von V wieder.

In Fig. 16 ist eine abgewandelte Recheneinheit 13" dargestellt, mittels welcher das Drehzahldifferenzsignal und damit die Steueroder Treiberimpulsbreite als Funktion der Drehmoment-Drehzahlkennlinie des Motors 12 und der Wellendrehzahl V ausgeglichen werden kann. Die Recheneinheit 13' weist einen Festwertspeicher (ROM) 81 auf, welcher zum Berechnen des Ausgleichsfaktors K dient. Insbesondere wird die Drehzahl V an den Festwertspeicher

81 von dem Drehzahlumsetzer 26 aus als Adresseneingang angelegt. Der Inhalt der adressierten Speicherstelle schafft den Ausgleichsfaktor K, welcher an einen Eingang einer digitalen Multipliziereinheit 82 angelegt wird. Der Drehzahldiffereriausgang des Subtrahierglieds 24 wird an den anderen Eingang der Multipliziereinheit 82 angelegt. Die Multipliziereinheit

82 multipliziert das berechnete Drehzahldifferenzsignal von

dem Subtrahierglied 24 mit dem Ausgleichsfaktor K, um das augenblickliche Drehzahldifferenzsignal zu erzeugen, welches in

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den Zähler 32 des Impulsgenerators 19 eingegeben wird. Je höher der Ausgleichsfaktor K ist, umso länger wird die Impulsbreite oder Zeitdauer der Treiber- und Steuerimpulse und umso größer wird der Impuls, der auf die Motorwelle 14 wirkt. Entsprechend den Gl.'en (1 bis 3) ist dann selbstverständlich der an den Motor 12 angelegte Impuls bei irgendeiner Drehzahl V für einen vorgegebenen Drehzahlunterschied derselbe.

Der Festwertspeicher (ROM) 81 kann durch eine andere Recheneinrichtung ersetzt werden, welche die Gl. (3) lösen kann. Hierbei schafft der Festwertspeicher 81 eine schrittweise Annäherung der Lösung der Gl. (3), wie durch eine gestrichelte Linie in Fig. dargestellt ist. Die Anzahl der Schritte und damit die Anzahl der Speicherstellen in dem Festwertspeicher 81 werden entsprechend dem geforderten Genauigkeitswert beim Berechnen des Ausgleichsfaktors K ausgewählt. Im Falle einer solchen Näherung kann die Multipliziereinheit 81 durch ein Schieberegister und einen Addierer gebildet werden.

Es soll nochmals betont werden, daß eine Änderung des Drehzahldifferenzsignal äquivalent einer Änderung der Steuer- oder Treiberimpulsdauer ist, da der Drehzahlunterschied in den Zähler 32 des Impulsgenerators 19 eingegeben wird, um diesen schrittweise zu verringern bzw. damit dieser schrittweise zurückzählt, und die Zeitdauer des Treiberimpulses ist proportional dem anfänglichen Zählerstand in dem Zähler 32. Es liegt folglich im Rahmen der Erfindung, eine Ausgleichseinrichtung zwischen dem Impulszähler 19 und der Steuereinheit 21 vorzusehen, welche dieselben Ergeb-

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nisse schafft wie der Festwertspeicher 81 und die Multipliziereinheit 82, indem die Steuerimpulsperioden unmittelbar ausgeglichen werden. Äquivalente Ergebnisse können auch dadurch erhalten werden, daß der Impulsgenerator 19 eine Ausgleichseinrichtung zum Ändern des anfänglichen Zählerstands in dem Zähler 32 entsprechend dem Ausgleichsfaktor aufweist.

Mit der Erfindung ist somit eine verbesserte Anordnung mit einem Servomotor geschaffen, bei welcher ein überschwingen, ein Unterschwingen und überhaupt ein Schwingen vermieden ist, und welcher viel beständiger und genauer arbeitet als vergleichbare bisher bekannte Einrichtungen mit und für Servomotore. Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung auch verschiedene Abwandlungen möglich.

Ende der Beschreibung

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Claims

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWAEE DR. DR SANDMAIR PATENTANWÄLTE Postfach 860245 ■ 8000 München 86 * G *♦ 0 / Q / Anwaltsakte; 29 560 Patentansprüche

1. J Anordnung mit einem Servomotor mit einer Welle und mit einer Treiber- und Steuereinrichtung zum Erregen des Motors, um dessen Welle in eine Befehlsstellung zu drehen, gekennzeichnet durch eine Fühlanordnung (16) zum Fühlen einer Verstellung der Welle (14) aus der Befehlsstellung über eine vorbestimmte Winkelstrecke hinaus, und durch eine Steuereinrichtung (62) zum Steuern der Treibereinrichtung (21) zum Erregen des Motors (12^um dessen Welle (14) in Richtung der Befehlsstellung zu drehen, bis die Fühlanordnung (16) fühlt, daß die Welle in dem vorbestimmten Winkelabstand von der Befehlsstellung ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibereinrichtung (21) entsprechend ausgelegt ist, um die Welle (14) aus einer Anfangsstellung schrittweise in die Befehlsstellung zu drehen, wobei die Fühlanordnung (16) fühlt, wenn die Treibereinrichtung (21) die Welle (14) um einen Schritt in den Bereich der Befehlsstellung gedreht hat, und die Steuereinrichtung (62) dementsprechend betätigt, wobei der vorbestimmte Winkelabstand kleiner als ein Schritt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurc hgekennzeichnet,

daß die Steuereinrichtung (62) wenn sie betätigt wird, so ausge-

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9(089)988272 Tdefnmme: ' Bankkonten: Hypo-B*nk München 4410122850

988273 BERGSTAPFPATENT München ■ (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

988274 TELEX: Bayer Vereinsbanfc München 453100(BLZ 70020270) 983310 052456OBERGd Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

ORIGINAL INSPECTED

legt ist,um dieTreibereinrichtung (21) zu steuern, um Treiberimpulse an den Motor (14) anzulegen, um den Motor (14) zu erregen und um die Welle (14) in Richtung der Befehlsstellung zu drehen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (14) in jeder Richtung aus der Befehlsstellung heraus verstellbar ist, wobei die Steuereinrichtung (62) betätigt wird, um die Treibereinrichtung (21) zum Erregen des Motors (12) zu steuern, um die Welle (14) entgegen der Verstellrichtung in Richtung auf die Befehlsstellung zu drehen_u

5. Einrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlanordnung (16) entsprechend ausgelegt ist, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches sich in der Größe und Polarität entsprechend der Größe und Richtung der Verstellung aus der Befehlsstellung heraus ändert, wobei dann die Steuereinrichtung )62) betätigt wird, wenn die Größe des elektrischen Signals einen vorbestimmten Wert überschreitet, der dem vorbestimmten Winkelabstand entspricht.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibereinrichtung (21) entsprechend ausgelegt ist, um die Welle (14) aus einer augenblicklichen Stellung schrittweise in die Befehlsstellung zu drehen, wobei die Fühlanordnung (16) eine Anzahl Schritte von der augenblicklichen Stellung in die Befehlsstellung und eine Umlaufgeschwindigkeit

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bzw . Drehzahl der Welle (14) fühlt, und daß die Anordnung eine erste Recheneinheit zum Berechnen einer berechneten Treiberimpulsdauer zum Erregen des Motors (14) für eine Drehbewegung der Welle aus der augenblicklichen Stellung um den nächsten Schritt in eine Stellung als eine erste vorbestimmte Funktion der Anzahl Schritte, eine zweite Recheneinheit zum Berechnen eines Ausgleichsfaktors (K) als eine zweite vorbestimmte Funktion der gefühlten Drehzahl und einer Drehmomen i:~Drehzahlkennlinie des Motors (12) und eine dritte Recheneinheit aufweist, um die berechnete Treiberimpulszeitdauer mit dem Ausgleichsfaktor entsprechend einer dritten vorbestimmten Funktion viusammmenzufassen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte vorbestimmte Funktion eine Multiplikation aufweist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite vorbestimmte Funktion eine schrittweise Näherung aufweist.

9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorbestimmte Funktion ferner eine vorbestimmte Funktion der gefühlten Drehzahl aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte vorbestimmteFunktion eine Multiplikation ist, und die zweite vorbestimmte Funktion den Ausgleichsfaktor

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(K) im wesentlichen entsprechend der folgenden Gleichung schafft:

wobei K der Ausgleichsfaktor, V die gefühlte Drehzahl und Vo eine Konstante ist.

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