DE2950642A1 - Steuerung fuer einen schrittmotor - Google Patents

Description

10. Dezember 1979 S/Rud - 9536

The Monotype Corporation Limited, England Steuerung fUr einen Schrittmotor

Die Erfindung betrifft eine Steuerung fUr einen Schrittmotor zur sequentiellen Erregung der Wicklungen des Schrittmotors.

Bei Schrittmotoren mit einer Vielzahl von Wicklungen wird die Schrittbewegung durch Erregung der Wicklungen in einer bestimmten Folge hervorgerufen. Beispielsweise kann ein Schrittmotor fUr eine Umdrehung 200 Hauptschrittpositionen beinhalten, die durch selektives Erregen von Wicklungspaaren definiert sind. Eine sanftere Bewegung eines solchen Schrittmotors kann dadurch erhalten werden, daß jede Hauptschrittstellung in mehrere kleinere Schritte unterteilt wird, indem die Erregung der Wicklungen in einer entsprechenden Zahl von Stufen verringert und erhöht wird. Es ist wünschenswert, daß die Schritte eines Schrittmotors

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möglichst gleich sind, jedoch aufgrund der Nichlinearität eines Motors erzeugen gleiche Zuwächse bzw. Erhöhungen des Stromes in den Wicklungen des Motors keine entsprechenden gleichen Schritte.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Steuerung fUr einen Schrittmotor, die eingestellt werden kann, damit die Wicklungen des Schrittmotors auf solche Weise erregt werden, daß Schritte mit gleichem Zuwachs und einer sanften Bewegung erreichbar sind.

Die Erfindung schafft somit eine Steuerung für einen Schrittmotor, die zur sequentiellen Erregung der Wicklungen des Schrittmotors angeordnet ist. Die Steuerung weist wenigstens einen Generator zur Lieferung eines treppenförmigen Signals auf, der einen Multiplier enthält, welchem ein Bezugssignal und ein Ausgangssignal eines taktgesteuerten Binärzählers zugeführt wird; ein einstellbares Rückkopplungsnetzwerk ist vorgesehen, um einen Teil des Ausgangs des Multipliers mit dem Bezugssignal zu kombinieren, so daß der Ausgang des Multipliers ungleiche Schritte einer stufenförmigen Welle repräsentiert. Ferner ist ein Schaltnetzwerk vorgesehen, welches unter der Steuerung des Zählers Steuersignale an die Wicklungen entsprechend dem Ausgang des Multipliers anlegt.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Steuerung anhand der Zeichnung zur Beschreibung weiterer Merkmale erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Steuerung für einen Schrittmotor gemäß der Erfindung, und

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Fig. 2 fünf Signale, die an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 1 auftreten, wobei entlang der Ordinate die Spannung und entlang der Abszisse die Zeit aufgetragen ist.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, die geeignet ist zur Steuerung eines Vierphasen-Schrittmotors mit 200 Hauptschrittpositionen je Umdrehung, wobei die Ha^uptschritte jeweils in 32 kleinere Schritte aufgrund der Steuerung unterteilt sind. Die Merkmale des Schrittmotors sind nicht angegeben, jedoch sind seine vier Wicklungen 1, 2, 3, 4 und deren Verbindungen mit der Steuerung schematisch angedeutet. Un den Motor in Drehung zu versetzen, werden Wicklungspaare gegenphasig erregt, so daß der Strom in einer Wicklung allmählich zunimmt, während der Strom in der korrespondierenden Wicklung abnimmt. Der Zustand der Erregung dieses Wicklungspaares bleibt dann konstant, während eine ähliche Zunahme und Abnahme des Stromes in einem anderen Wicklungspaar stattfindet. Bei diesem Beispiel wird die Zunahme oder Abnahme des Stromes in einer Wicklung in 32 Schritten ausgeführt, die in eine allmählich ansteigende oder fallende Wellenform geglättet ist, wie aus Fig. 2E hervorgeht.

Der Motor wird mit einer Geschwindigkeit von einem Schritt je Impuls angesteuert, der von einem nicht dargestellten Taktgeber an einen binären Zweirichtungszähler 11 mit sieben Bit angelegt wird. Die ersten fünf weniger bedeutenden Ausgänge Q. bis Q₁- des Binärzählers 11 erzeugen die Teilung jedes Hauptschrittes in 32 kleinere Schritte, von welchen jeweils einer einem Taktimpuls entspricht; die übrigen zwei Ausgänge Q, und Q^ steuern die vier Phasen, die einen elektrischen Zyklus des Motors ergeben. (Somit gibt es 50 elektrische Zyklen pro Umdrehung und vier Hauptschritte je elektrischem Zyklus). Der Binärzähler 11 kann vorwärts oder

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rückwärts entsprechend dem an seinen Richtungseingang angelegten Signal zählen, der verwendet werden kann, um die Richtung zu 8ndern, in welcher sich der Motor dreht.

Das Binärsignal von den ersten fUnf Ausgängen (Q. bis Qc) wird an einen ersten Digital/Analog-Wandler 31 und Über einen Inverter 12 an einen zweiten Digital/Analog-Wandler 32 angelegt. Die beiden Digital/Analog-Wandler 31, 32 sind Multiplier, weshalb einer als Ausgang einen treppenförmig ansteigenden Strom liefert, während der andere als Ausgang einen treppenförmig fallenden Strom abgibt. Die Amplituden der treppenfbrmigen Signale hängen von den Bezugsströmen I ab, die jedem Zähler zugeführt werden. Die Stroweingänge zu jedem Wandler sind Über entsprechende Eingangswiderstände jeweils parallel geschaltet; diese Widerstände sind «it R. und Rq angegeben. Ein Anschluß jedes Konverters, der in Fig. 1 mit + I bezeichnet ist, ist Über seinen Eingangswiderstand R„, einen zweiten Widerstand 21 und eine Diode 22 an ein Potential mit dem Wert Null Volt angelegt; der andere Anschluß des Wandlers, der mit - V (entspricht - V_REp) bezeichnet ist, ist an den Schleifer eines Potentiometers RV, angeschlossen, welches zwischen dem Potential mit Null Volt (Massepotential) und einen negativen Potential liegt. Zwischen die Diode 22 und den Widerstand 21 ist ein weiterer Widerstand 23 geschaltet, der nut seinem anderen Ende an das negative Potential Ve geschaltet ist.

Das Potentiometer RV. stellt die Spannung Über den Eingangswiderständen ein und kann daher verwendet werden, die Amplitude der treppenfb'rmigen Signale entsprechend der Belastung und Geschwindigkeit des Motors zu ändern.

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Die Steuerschaltung kann auf die Eigenschaften des Motors abgestimmt sein, so daß ein schrittweises Schalten unabhängig von jeder Nichtlinearität im Motor erzeugt wird, durch welche gleiche Zuwächse des Stromes keinen Anstieg bzw. keine Erhöhung hinsichtlich der gleichen Schritte des Motors ergeben; damit gleiche Schritte hervorgerufen werden, führt die Steuerung den Wicklungen den Strom in Schritten einstellbarer Größe zu; die Einstellung der Schritte bzw. Stufen wird dadurch ermöglicht, daß die Schaltung ein analoges Rückkopplungsnetz 30 aufweist.

Die zwei treppenförmigen Stromsignale werden durch zugehörige Verstärker A« zugeführt,und die resultierenden treppenförmigen Spannungen werden einem Satz von Analogschaltern 13 zugeführt, deren Funktion nachfolgend beschrieben wird. Die Verstärker Ä£ sind invertierende Operationsverstärker mit einer Gegenkopplung, die dazu dienen, den Stromausgang der Digital/Analog-Wandler 31, 32 in einen Spannungsausgang umzuwandeln. Ein Ausgleichspotentiometer kann erforderlich sein, um die Ausgangsamplituden aufeinander abzustimmen bzw. gleichzumachen. Die treppenförmigen Spannungen werden zum positiven Eingang + I Über einen Eingangswiderstand R₃ jedes Wandlers 31, 32 zurückgekoppelt. Zur Ruckkopplung wird jede Spannungstreppe Ober einen zugehörigen Gleichrichter 19, 20 an einen gemeinsamen Stellwiderstand RV₃ geführt, der die Amplitude des Rückkopllungssignals steuert. Dieses Hauptrückkopplungssignal liegt bei der vierten Harmonischen,und eine Vorspannung (Gleichspannung), die über eine Diode D2 angelegt wird, bewirkt ein "Klemmen" bzw. Beschränken der vierten Harmonischen, so daß Harmonische höherer Ordnung erzeugt werden. Ein Potentiometer RV« steuert den Betrag der die Diode D_? vorspannenden Gleichspannung, welche zwischen die Dioden 19, 20 und das Potentiometer RV₃ des Haupt rUckkopplungsnetzwerkes geschaltet ist.

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Die Wirkung des RUckkopplungskreises besteht darin, eine Verforming der anderersetis linear zunehmenden und abfallenden treppenfömigen Signale V., V« dadurch zu erzeugen, daß der Wert des Bezugsstromes, der den beiden Wandlern 31, 32 zugeführt wird, eingestellt wird. Die beiden Potentiometer RV₂, RV₃ des RUckkopplungskreises erlauben eine Änderung der Form und Amplitude der Verformung, die den treppenförmigen Signalen V,, V₂ verliehen wird. Somit kann der Rückkopplungskreis so eingestellt werden, daß die durch ihn herbeigeführte Verformung bzw. Änderung der treppenförmigen Signale V. und V« so geändert wird, daß sich der Motor mit gleichen Schritten dreht. Die spezielle Ausbildung des ROckkopplungskreises ändert sich entsprechend den Eigenschaften des Schrittmotors, der gesteuert wird. Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung eignet sich fUr einen sogenannten SLO-SYN-Motor (langsam synchronisierender Motor). Die Analogschalter 13 erregen die Wicklungen 1 bis 4 des Motors in derjenigen Folge, die für eine schrittweise Drehung notwendig ist. Ein zwei auf vier Leitungen umsetzender Decoder 14, dem die letzten beiden Ausgänge

Q, und Q-, des Binärzähle^rs 11 zugeführt werden, liefert die ο /

Steuersignale für die Analogschalter 13. Die beiden treppenförnigen Signale V., V₂ , ein Nullspannungspegel und ein hoher Pegel, der durch ein Potentiometer RV, einstellbar ist, werden in den Analogschaltern 13 unter der Steuerung des Decoders 14 gemischt, so daß zwei Paare von gegenphasigen Signalen A, A und B, B abgegeben werden. Die gegenphasigen Signale sind infolge der Verzerrung bzw. Verformung, die durch das Rückkopplungsnetzwerk hervorgerufen wird, nicht symmetrisch.

In Fig. 2 sind - nicht maßstabsgetreu - fünf Wellenformen an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 1 gezeigt. Fig. 2A zeigt die Ausgänge der Verstärker A₂, Fig. 2B den Spannungswert

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an der Verbindung zwischen den Dioden D^, 19, 20 und dem Potentiometer RV«. Die Figuren 2C und 2D veranschaulichen die Ausgangsignale der Analogschalter 13,und Fig. 2E zeigt die Spannung an Widerstand Rg in Ausgangsverstärker der Motorwicklung Das Rückkopplungsnetzwerk 30 weist eine HauptrUckkopplung bei der vierten Harmonischen und bei höheren geradzahligen Vielfachen der vierten Harmonischen auf. Somit bestehen entsprechend Fig. 2A die treppenförmigen Signale V, und V₂ aus einem nichtlineraren Abschnitt X und einen lineraren Abschnitt Y. Der nichtlineare Abschnitt X ergibt sich aufgrund der Verzerrung, die durch das Rückkopplungsnetzwerk 30 hervorgerufen wird, welches die kombinierte Wellenform der Signale V, und V« begrenzt, wie aus Fig. 2B hervorgeht, die das Potential an der Kathode der Diode D₂ wiedergibt.

Jede Wicklung 1 bis 4 wird durch einen zugehörigen von vier identischen Verstärkern 15 bis 18 angesteuert, von denen nur der Verstärker 15 im einzelnen gezeigt ist. Ein Paar von gegenphasigen Signalen wird an ein zugehöriges Paar von Verstärkern angelegt.

Es ist erwünscht, daß die Zunahme des Stromes in einer Motorwicklung von einer entsprechenden symmetrischen Abnahme des Stromes in der anderen Motorwicklung eines Paares begleitet wird; aufgrund des Ruckkopplungsnetzwerkes sind jedoch die gegenphasigen Signale A, A und B, B asymmetrisch(Fig. 2C und 2D). Die Signale werden in den Verstärkern gemischt, um symmetrische Ausgänge zu liefern, die den Motor steuern. In jedem Paar von Verstärkern werden die Eingangssignale zu einem Verstärker an die entgegengesetzten Anschlüsse des anderen Verstärkers angelegt. Demzufolge werden in der dargestellten Schal-

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tung die Signale A, A jeweils Über den Widerstand R₁- bzw. R. an einen Verstärker 15 eines Verstärkerpaares angelegt, während die Signale vertauscht werden, wenn sie Über die Widerstände R, und R- an den anderen Verstärker 16 angelegt werden. Die Verstärker jedes Verstärkerpaares sind Über einen Kondensator CL miteinander verbunden, der eine bestimmte Integration der Schritte des Motors ergibt. In jedem Verstärker 15 bis 18 werden die Eingangssignale einem Stromverstärker A. zugeführt, der an einen Darlington-Transistor T. geschaltet ist, welcher seinerseits den Strom durch eine zugehörige Motorwicklung, die in Serie mit einen Widerstand R» geschaltet ist, steuert, wobei letzterer Widerstand benutzt wird, um den Strombetrag in der zugehörigen Motorwicklung zu Überwachen. Fig. 2E zeigt die symmetrische, geglättete Wellenform, die am Widerstand R- des Verstärkers 17 erzeugt wird, welche sich durch Kombination der Ausgangssignale B und B der Analogsehalter 13 ergibt.

Eine Gegenkopplung zum Verstärker A. erfolgt Über einen Widerstand R. und einen Kondensator C. von einem Ausgangswiderstand R₀ aus. Der Kondensator C₁ liefer eine zusätzliche Integration

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der Schritte.

Us die Wirkung einer vergrößerten Impedanz der Motorwicklungen bei höheren Frequenzen zu erfassen, die zu Schwingungen fuhren, enthalt jeder Verstärker einen eigenen Rückkopplungskreis für den Transistor, welcher aus dem Widerstand R„ und dee Kondensator Cn besteht. Der Kondensator soll eine größere Kapazität haben als notwendig sein würde, um nur die Schwingung zu verhindern, damit der Motor eine elektronische Dämpfung erhält. Außerdem kann die Welle des Motors auch mechanisch gedämpft werden, was die Genauigkeit beim Anhalten und Starten verbes-

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sern kann. Während eines kontinuierlichen Laufes trägt die mechanische Dämpfung dazu bei, eine Resonanz bei bestimmten Geschwindigkeiten zu verhindern; auf jeden Fall muß die mechanische Dämpfung nur schwach sein.

Die Position des Motors kann geändert werden, ohne daß die Taktzählung durch Anlegen eines Signals an die Eingänge der Verstärker A„ beeinträchtigt wird, welche die Analogschalter 13 speisen. Das angelegte Signal ändert die Position des Motors durch Erzeugung einer kleinen Phasenverschiebung in den treppenförmigen Signalen V₁, V₂.

Falls es gewünscht ist, jede Änderung der Geschwindigkeit des Motors weiter zu reduzieren, kann dies dadurch erreicht werden, daß eine Gegenkopplung von einem Geschwindigkeitswandler abgeleitet wird, der an der Welle des Motors befestigt ist. Der Wandler kann ein Signal zu den Verstärkern A, fuhren, welche die Analogschalter 13 speisen, wie vorstehend angegeben ist. Bei konstanter Motorgeschwindigkeit sollte der Wandler ein Null-Ausgangssignal abgeben, und, wenn der Motor gestartet und angehalten wird, sollte der Wandler entsprechend in Betrieb und außer Betrieb geschaltet werden.

Die Erfindung schafft somit eine Stuerung für einen Schrittmotor, die aufeinanderfolgend die Wicklungen 1, 2, 3, 4 des Schrittmotors erregt. Die Steuerung enthält einen Binärzähler 11, dem ein Taktsignal zugeführt wird, sowie zwei Multiplier 31, 32, deren Eingangssignale durch Ausgänge des Binärzählers 11 und ein Bezugssignal gebildet werden. Ein einstellbares RUckkopplungsnetzwerk 30 ist derart aufgebaut, daß es einen Bruchteil des Ausgangssignals Vw V₂ der Multiplier mit einem Bezugssignal kombiniert, so daß der Ausgang des Multipliers ungleiche Schritte bzw» Stufen

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einer treppenföraigen Wellenform darstellt. Ein schaltendes Netzwerk 13, welches durch den Zähler 11 gesteuert wird, legt Signale an die Wicklungssteuerung entsprechend dem Ausgang der Multiplier an.

Jede Wicklung hat einen eigenen Verstärker 15, 17, um ihren Strom zu steuern; Paare von gegenphasigen Signalen des Schaltnetzwerkes 13 werden in den Verstärkern kombiniert, um symmetrische Änderungen des Stromes in einem zugehSrigen Wicklungspaar 1, 2 oder 3, 4 zu erzeugen. Das Rückkopplungsnetzwerk 30 verzerrt die andererseits linearen Ausgangssignale der Multiplier 31, 32,und der Grad der Verzerrung kann eingestellt werden, damit die Nichtlinearität des Schrittmotors kompensiert wird.

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Claims (7)

Patentanwälte Reichel u. Reichel Frankfuri a. M. 1 Parksiraße 13 10.Dezember 1979 S/Rud - 9536 The Monotype Corporation Limited, England Patentansprüche

1. /Steuerung für einen Schrittmotor zur sequentiellen Erre-

gung der Wicklungen des Schrittmotors, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Generator (11, 31, 32) zur Erzeugung eines treppenförmigen Signals vorgesehen ist, welcher einen Multiplier (31, 32) aufweist, dem ein Bezugssignal und das Ausgangssignal eines taktgesteuerten Binärzählers (ll) zugeführt werden, daß ein einstellbares RUckkopplungsnetzwerk (30) vorgesehen ist, welches einen Bruchteil des Ausgangssignals des Multipliers mit dem Bezugssignal kombiniert, so daß der Ausgang des Multipliers ungleiche Schritte bzw. Stufen einer treppenförmigen Wellenform darstellt, und daß ein Schaltnetzwerk (13) angeordnet ist, welches unter der Steuerung des Binärzählers (ll) an die Wicklungen (l bis 4) Steuersignale entsprechend dem Ausgang der Multiplier (31, 32) anlegt.

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ORIGINAL INSPECTED

2. Steuerung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Multiplier(31, 32) Ausgangssignale liefern, die eine asymmetrisch fallende,treppenförmige Wellenform und eine asymmetrisch ansteigende, treppenförmige Wellenform darstellen, wobei der Verlauf dieser Wellenformen zumindest teilweise durch das Rückkopplungsnetzwerk (30) bestimmt wird, daß die Wellenformen Über das Schaltnetzwerk (13) an die Strom-Steuereinheit (15 bis 18) einer Motorwicklung angelegt werden, welche die Wellen formen derart kombiniert, daß eine symmetrische Wellenform an die betreffende Motorwicklung (l bis 4) angelegt wird.

3. Steuerung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die Wellenformen außerdem an die Strom-Steuereinheit (15 bis 18) einer entsprechenden Motorwicklung (l bis 4) angelegt werden, so daß bei Anlegen einer symmetrisch abfallenden Wellenform an eine Wicklung eine symmetrisch ansteigende Wellenform an die andere Wicklung angelegt wird.

4. Steuerung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet , daß den Multipliern (31, 32) ein gemeinsames Bezugssignal zugeführt wird und daß das Ruckkopplungsnetzwerk (30) den beiden Multipliern zugeordnet ist.

5. Steuerung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Rückkopplung durch das Rückkopplungsnetzwerk (30) bei der vierten Harmonischen und ganzzahligen Vielfachen

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der vierten Harmonischen jedes treppenförmigen Signales erfolgt.

6. Steuerung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Drehrichtung des Schrittmotors durch Umkehrung der Zählrichtung des Binärzählers (ll) reversibel ist.

7. Steuerung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Multiplier (31, 32) Digital/Analog-Wandler sind.

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