DE29820494U1 - Stepper motor control - Google Patents
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Description
1
Schrittmotoransteuerung1
Stepper motor control
Die Erfindung betrifft eine Schrittmotoransteuerung zur Abgabe mindestens eines treppenförmigen, je nach Schrittweite mehr oder weniger einem sinusförmigen Strom angenäherten Betriebsstromes an den Schrittmotor, wobei die Schrittmotoransteuerung einen Taktsignal-Eingang zum Festlegen vom Schrittmotor zu fahrenden Schrittzahl und einen Schrittweiten-Eingang zum Festlegen der pro Schritt zu fahrenden Schrittweite aufweist.The invention relates to a stepper motor control for supplying at least one step-shaped operating current, depending on the step size, more or less approximating a sinusoidal current to the stepper motor, wherein the stepper motor control has a clock signal input for determining the number of steps to be taken by the stepper motor and a step size input for determining the step size to be taken per step.
Es ist bereits bekannt, Schrittmotoren im Vollschrittbetrieb zu betreiben, wobei die Schrittmotoransteuerung ein Rechtecksignal abgibt. Die Schrittzahl entspricht dabei der Polzahl des Motors, bei bipolaren Schrittmotoren gibt die Steuerung 90° phasenverschobene Phasenströme ab.It is already known to operate stepper motors in full-step mode, with the stepper motor controller emitting a square-wave signal. The number of steps corresponds to the number of poles of the motor; with bipolar stepper motors, the controller emits phase currents that are 90° out of phase.
Es ist auch bereits bekannt, den Stromverlauf ausgehend vom Rechtecksignal im Vollschritt-Betrieb in feinere Schritte zu unterteilen (beispielsweise Halbschritt-Betrieb, Viertelschritt-Betrieb etc.), wobei die Schrittmotoransteuerung je nach Schrittweite (bzw. Schritteilung ausgehend vom Vollschritt) einen mehr oder weniger sinusförmigen stromangenäherten Betriebsstrom abgibt. Mit einer solchen gegenüber dem Vollschritt-Betrieb feiner abgestuften Feinschritt-Betrieb läßt sich eine höhere Auflösung erzielen (JP-A-09219995).It is also already known to divide the current curve starting from the square wave signal in full-step operation into finer steps (for example half-step operation, quarter-step operation, etc.), whereby the stepper motor control outputs a more or less sinusoidal operating current approximating the current depending on the step size (or step division starting from the full step). With such a fine-step operation, which is more finely graduated than in full-step operation, a higher resolution can be achieved (JP-A-09219995).
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Schrittmotoransteuerung zu schaffen.The object of the invention is to provide an improved stepper motor control.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Schrittmotoransteuerung eine Umschalteinheit zum Verändern der tatsächlich ausgegeben Schrittweite des Betriebsstromes gegenüber der am Schrittweiten-Eingang anstehenden Schrittweite bei entsprechender Anpassung der tatsächlich ausgegebenen Schrittzahl gegenüber der am Taktsignal-Eingang anstehenden Schrittzahl aufweist.According to the invention, this is achieved in that the stepper motor control has a switching unit for changing the actually output step size of the operating current compared to the step size present at the step size input with a corresponding adjustment of the actually output number of steps compared to the number of steps present at the clock signal input.
Damit ist die Schrittmotoransteuerung in der Lage selbständig oder aufgrund eines äußeren Signals die Schrittweite und entsprechend die Schrittzahl zu ändern, wobei der Schrittmotor selbstverständlich genau um den gleichen Betrag fährt, der dem Signal am Schrittweiten-Eingang und am Taktsignal-Eingang entspricht. Der Motor fährt diesen Weg allerdings in feineren oder gröberen Schritten als dies dem Signal am Schrittweiten-Eingang entspricht.This means that the stepper motor control is able to change the step size and the number of steps independently or based on an external signal, whereby the stepper motor naturally moves by exactly the same amount that corresponds to the signal at the step size input and the clock signal input. However, the motor moves this distance in finer or coarser steps than corresponds to the signal at the step size input.
Diese Funktionalität läßt sich zumindest in zweifacher Weise ausnutzen. Bei relativ niedrigen Taktfrequenzen kann die Schrittmotoransteuerung im nieder auflösenden Schrittbetrieb betrieben werden (nach außen hin z. B. im Vollschritt-Betrieb), wobei die Schrittmotoransteuerung selbst die Zwischenschritte im hochauflösenden Schrittbetrieb durchführt. DiesThis functionality can be used in at least two ways. At relatively low clock frequencies, the stepper motor control can be operated in low-resolution step mode (externally, for example, in full-step mode), with the stepper motor control itself carrying out the intermediate steps in high-resolution step mode. This
kann durch Messung der Taktschritte und entsprechende Teilung sowie Ausgabe der Feinschritte geschehen. Mit anderen Worten, reduziert die Schrittmotoransteuerung die Schrittweite selbst und simuliert somit am Ausgang einen Feinschritt-Betrieb. Diese Funktion erhöht zwar nicht die Auflösung der Schritteilung wie im echten Feinschritt-Betrieb, reduziert jedoch im Voll- oder Halbschritt-Betrieb die auftretenden Resonanzen wie im Feinschritt-Betrieb. Der Motor läuft „runder". Dennoch kann die eingangsseitige Taktfrequenz niedrig gehalten werden.can be done by measuring the clock steps and dividing them accordingly and outputting the fine steps. In other words, the stepper motor control reduces the step size itself and thus simulates fine step operation at the output. Although this function does not increase the resolution of the step division as in real fine step operation, it does reduce the resonances that occur in full or half step operation as in fine step operation. The motor runs "smoother". Nevertheless, the clock frequency on the input side can be kept low.
Umgekehrt ist es auch möglich, daß die Schrittmotoransteuerung selbständig oder aufgrund eines äußeren Steuersignals die Schrittweite gegenüber dem am Schrittweiten-Eingang anstehenden Signal vergrößert. Dies ist vor allem bei größeren Drehzahlen günstig, weil dort der Schrittmotor aufgrund der internen Induktivitäten den zugeführten Stromverlauf ohnehin integriert und daher ein allzu feingestuften Stromverlauf nichts bringt. Man kann daher den Motor ohne Nachteile mit gröberen Stromverläufen betreiben und damit die ausgangseitigen Stromregler entlasten. Der Grad der Schrittweitenvergrößerung kann von der Drehzahl bzw. von der Taktfrequenz abhängen und graduell, beispielsweise beim Hochlauf bzw. beim Herunterfahren des Motors verändert werden.Conversely, it is also possible for the stepper motor control to increase the step size compared to the signal at the step size input, either independently or due to an external control signal. This is particularly advantageous at higher speeds, because the stepper motor integrates the supplied current anyway due to the internal inductances and therefore an overly finely graduated current profile is of no use. The motor can therefore be operated with coarser current profiles without any disadvantages and thus relieve the load on the output-side current regulators. The degree of step size increase can depend on the speed or the clock frequency and can be changed gradually, for example when the motor is running up or running down.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß eine Einrichtung zur Erfassung einer vorbestimmten Phasenlage des Betriebsstromes, insbesondere eines Nulldurchganges desselben, wobei die Einrichtung bei Vorliegen dieser Phasenlage ein Synchronisations-Signal auf einem Synchronisations-Ausgang abgibt.A further aspect of the invention consists in a device for detecting a predetermined phase position of the operating current, in particular a zero crossing of the same, wherein the device emits a synchronization signal on a synchronization output when this phase position is present.
Eine solche Einrichtung zur Abgabe eines Synchronisations-Signals erlaubt es, die Schrittweite am Schrittweiten-Eingang während des Betriebes des Motors zu verändern, es ist beispielsweise möglich, von einem Vollschritt-Betrieb auf einen Halbschritt-Betrieb oder auf einen noch feineren Betrieb umzuschalten. Damit es bei dieser Umschaltung zu keinen Problemen kommt, ist es günstig, diese Umschaltung synchron mit dem Vollschritt durchzuführen, wozu das Synchronisations-Signal vorgesehen ist. Ein vorgeschaltetes Steuerinterface kann dieses Synchronisations-Signal empfangen und in diesem Moment die Schrittweite verändern.Such a device for issuing a synchronization signal allows the step size at the step size input to be changed during operation of the motor; for example, it is possible to switch from full-step operation to half-step operation or to an even finer operation. To avoid problems with this switchover, it is advisable to carry out this switchover synchronously with the full step, which is what the synchronization signal is intended for. An upstream control interface can receive this synchronization signal and change the step size at this moment.
Die Erfindung eignet sich insbesondere bei bipolaren Schrittmotoren, welche mit 90° phasenverschobenen Betriebsströmen gespeist werden, läßt sich aber grundsätzlich auch bei anderen Schrittmotoren anwenden.The invention is particularly suitable for bipolar stepper motors which are fed with 90° phase-shifted operating currents, but can in principle also be used for other stepper motors.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.Further advantages and details of the invention are explained in more detail with reference to the following description of the figures.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schrittmotoransteuerung, Fig. 1 shows a schematic representation of a stepper motor control according to the invention,
die Fig. 2 zeigt im Detail eine der beiden Stromreglereinheiten,Fig. 2 shows in detail one of the two current control units,
die Fig. 3a bis 3f zeigen mögliche Stromverläufe der beiden insgesamt um 90° phasenverschobenen Betriebsströme, welche von der Schrittmotoransteuerung an einen bipolaren Schrittmotor geliefert werden.Fig. 3a to 3f show possible current profiles of the two operating currents, which are phase-shifted by 90° and are supplied by the stepper motor control to a bipolar stepper motor.
In Fig. 1 ist mit 1 die Schrittmotorleistungskarte (Schrittmotoransteuerung) bezeichnet, welche beispielsweise für den Bereich 24 VDC bis 150 VDC/12A ausgelegt ist. Die im Blockschaltbild dargestellten Einheiten können entweder hardwaremäßig oder auch großteils softwaremäßig realisiert sein, beispielsweise auf der Basis eines „RISC Microcontrollers" AT 90 S 2313.In Fig. 1, 1 denotes the stepper motor power card (stepper motor control), which is designed for the range 24 VDC to 150 VDC/12A, for example. The units shown in the block diagram can be implemented either in hardware or largely in software, for example on the basis of a "RISC microcontroller" AT 90 S 2313.
Die erfindungsgemäße Schrittmotoransteuerung 1 weist steuerungsseitig drei Eingänge auf: einen Taktsignal-Eingang 2 zum Festlegen der vom Schrittmotor zu fahrenden Schrittzahl, einen Drehrichtungseingang 3 zum Festlegen der Drehrichtung und einen Schrittweiten-Eingang 4 zum Festlegen der pro Schritt zu fahrenden Schrittweite. Außerdem existiert noch ein Synchronisations-Signal-Ausgang 5 zur Abgabe eines Synchronisations-Signals bei Vervollständigung eines jeden Vollschrittes. Der Schrittmotoransteuerung 1 ist ein Steuerinterface 6 vorgeschaltet, das über Steuerleitungen 7 od. dgl. Signale von einer übergeordneten Steuerung oder durch Fernübertragung erhält. Das Steuerinterface gibt ausgangsseitig im wesentlichen vor, was der Schrittmotor M zu tun hat, die Schrittmotoransteuerung 1 setzt diese Befehle in einen entsprechenden Stromverlauf am Ausgang 8 und 9 für die beiden um 90° phasenverschobenen Betriebsstöme um. Mit 10 ist die zentrale Ablaufsteuerung des Systems bezeichnet, welche unter Zuhilfenahme einer vorgespeicherten Tabelle 11 (Sinusverlauf) für die einzelnen Phasenströme Signale an die Ausgabeeinheit 12 für die zwei Digitalanalogwandler 13 und 14 abgibt. Diese Digitalanalogwandler setzen die digitalen Stromwerte in analoge Werte um und geben sie an die 4-Quadrantenstromregler 15 bzw. 16 weiter, die einen vorgegebenen Stromverlauf genau einhalten können und eineThe stepper motor control 1 according to the invention has three inputs on the control side: a clock signal input 2 for setting the number of steps to be taken by the stepper motor, a direction of rotation input 3 for setting the direction of rotation and a step width input 4 for setting the step width to be taken per step. There is also a synchronization signal output 5 for issuing a synchronization signal when each full step is completed. The stepper motor control 1 is preceded by a control interface 6 which receives signals from a higher-level control via control lines 7 or similar or by remote transmission. The control interface essentially specifies on the output side what the stepper motor M has to do, the stepper motor control 1 converts these commands into a corresponding current curve at outputs 8 and 9 for the two operating currents which are phase-shifted by 90°. 10 designates the central sequence control of the system, which, with the aid of a pre-stored table 11 (sinusoidal waveform) for the individual phase currents, sends signals to the output unit 12 for the two digital-analog converters 13 and 14. These digital-analog converters convert the digital current values into analog values and pass them on to the 4-quadrant current controllers 15 and 16, which can precisely maintain a specified current waveform and provide a
Leistungsendstufe in Brückenschaltung für jede der beiden Motorphasen enthalten. Ein Beispiel für einen solchen Stromregler ist in Fig. 2 gezeigt.Power output stage in bridge circuit included for each of the two motor phases. An example of such a current regulator is shown in Fig. 2.
Der in Fig. 2 gezeigte Stromregler erhält am Eingang 17 die Sollwertvorgabe für den Phasenstrom. Diese gelangt in einen Pl-Regelverstärker 18 für bidirektionale Spannungen, der mit einem PWM-Kontroller 19 mit Fixfrequenz zur Ansteuerung der Endstufentransistoren 20 kommuniziert. Diese Endstufentransistoren sind in einer Brückenschaltung angeordnet und werden von einer Gleichspannungsquelle 21 gespeist. Mit einer solchen Schaltung ist es möglich, an die Wicklung 22 eines Schrittmotors treppenförmige Betriebsströme abzugeben, wie sie beispielsweise in den Fig. 3a bis 3f dargestellt sind.The current regulator shown in Fig. 2 receives the setpoint for the phase current at input 17. This is fed into a PI control amplifier 18 for bidirectional voltages, which communicates with a PWM controller 19 with a fixed frequency for controlling the output stage transistors 20. These output stage transistors are arranged in a bridge circuit and are fed by a DC voltage source 21. With such a circuit it is possible to deliver stepped operating currents to the winding 22 of a stepper motor, as shown for example in Figs. 3a to 3f.
Die Fig. 3a bis 3f zeigen jeweils einen treppenförmigen Stromverlauf, der je nach Schrittweite mehr oder weniger einen sinusförmigen Stromverlauf angenähert ist, wie er beispielsweise in Fig. 3 schematisch eingezeichnet ist.Fig. 3a to 3f each show a step-shaped current curve, which, depending on the step size, is more or less similar to a sinusoidal current curve, as shown schematically in Fig. 3, for example.
Die in Fig. 1 gezeigte Schrittmotoransteuerung erlaubt es nun die Schrittweite (mit anderen Worten die Feinheit bzw. Grobheit des Stromverlaufes) an die jeweiligen Verhältnisse optimal anzupassen.The stepper motor control shown in Fig. 1 now allows the step size (in other words, the fineness or coarseness of the current curve) to be optimally adapted to the respective conditions.
Dazu weist die Schrittmotoransteuerung eine Umschalteinheit 24 zum Verändern der tatsächlich ausgegebenen Schrittweite des Betriebsstromes gegenüber der am Schrittweiten-Eingang anstehenden Schrittweite auf, wobei natürlich die Schrittzahl automatisch entsprechend angepaßt wird, damit der insgesamt vom Motor zurückgelegte Weg durch die selbständige Schrittweiten-Umstellung in der Schrittmotoransteuerungskarte derselbe bleibt.For this purpose, the stepper motor control has a switching unit 24 for changing the actually output step size of the operating current compared to the step size present at the step size input, whereby the number of steps is of course automatically adjusted accordingly so that the total distance covered by the motor remains the same due to the independent step size change in the stepper motor control card.
Besonders günstig ist es, wenn die Schrittweitenveränderung in Abhängigkeit von der Frequenz des Taktsignals erfolgt. Dazu ist eine Einrichtung 25 zur Frequenzmessung (und „interrupf-Steuerung des Systems) vorgesehen. Das Frequenzsignal kann in eine Einrichtung 26 gelangen, die einen Faktor a ermittelt, um den die Schrittweite verändert wird. Dieser Faktor a wird an die Umschalteinheit 24 weitergegeben, die beispielsweise die Schrittweite w um den Faktor a reduziert und dafür den Takt um den Faktor a erhöht. Wenn der Faktor a größer wie 1 ist, entsteht ein feinstufigerer Stromverlauf, wenn der Faktor kleiner wie 1 ist, entsteht ein gröberer Stromverlauf. Über einen Eingang 27 ist es beispielsweise über DIP-Schalter möglich, festzulegen, bei welchen Frequenzen welche Schrittweitenänderung erfolgt. Wie bereits eingangs erwähnt wurde, können die einzelnen Kompo-It is particularly advantageous if the step size change is dependent on the frequency of the clock signal. For this purpose, a device 25 for frequency measurement (and "interrupt control of the system) is provided. The frequency signal can be fed into a device 26, which determines a factor a by which the step size is changed. This factor a is passed on to the switching unit 24, which, for example, reduces the step size w by a factor a and increases the clock by a factor a. If the factor a is greater than 1, a finer current profile is created, if the factor is less than 1, a coarser current profile is created. Via an input 27, for example, it is possible to specify which step size change occurs at which frequencies using DIP switches. As already mentioned at the beginning, the individual components can
nenten sowohl software- wie hardwaremäßg realisiert sein. Es ist daher durchaus möglich, daß die Einheiten 24 und 26 in die zentrale Mikroprozessorsteuerung integriert sind.components can be implemented in both software and hardware. It is therefore entirely possible that units 24 and 26 are integrated into the central microprocessor control.
Damit es beim Umschalten der Schrittweite über den Schrittweiten-Eingang 4 zu keinen Störungen kommt, ist es gemäß einer Variante der Erfindung günstig, diese Umschaltung vollschrittsynchronisiert durchzuführen, d. h. jeweils nach einem vollständigen Vollschritt. Dazu ist die Einrichtung 28 zur Erfassung einer vorbestimmten Phasenlage des Betriebsstromes, insbesondere eines Nulldurchganges desselben vorgesehen. Diese Einrichtung 28 gibt über den Ausgang 5 ein Synchronisationssignal an das vorgeschaltete Interface 6 ab, welches dann und nur dann die Schrittweite am Eingang 4 verändert.In order to avoid any interference when switching the step size via the step size input 4, it is advantageous according to a variant of the invention to carry out this switching in a fully step-synchronized manner, i.e. after each complete full step. For this purpose, the device 28 is provided for detecting a predetermined phase position of the operating current, in particular a zero crossing of the same. This device 28 emits a synchronization signal via the output 5 to the upstream interface 6, which then and only then changes the step size at the input 4.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die erfindungsgemäße Schrittmotoransteuerung in der Lage ist, während des Betriebes die Schrittweite, also die Feinstufigkeit des bzw. der ausgegebenen Betriebsströme an den Schritten zu verändern, einerseits über den Schrittweiten-Eingang 4 über das Interface 6 und andererseits innerhalb der Schrittmotorleistungskarte selbst über die Umschalteinrichtung 24. Diese Umschalteinrichtung 24 kann in Abhängigkeit von der Frequenz des Taktsignals arbeiten, es ist aber auch möglich, über einen zusätzliche nicht dargestellte Leitung eine externe Beeinflussung vorzunehmen.In summary, it can be stated that the stepper motor control according to the invention is able to change the step size, i.e. the fineness of the output operating current(s) at the steps, during operation, on the one hand via the step size input 4 via the interface 6 and on the other hand within the stepper motor power card itself via the switching device 24. This switching device 24 can work depending on the frequency of the clock signal, but it is also possible to exert an external influence via an additional line (not shown).
Claims (5)
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