DE3002501C2 - Steuereinrichtung für Stellmotore - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für Stellmotore, beispielsweise für das Positionieren eines der Herstellung von integrierten Halbleiterkreisen dienenden Schlittens, mit wenigstens einem Auf- und Abwärtszähler für die Festlegung einer im wesentlichen linearen Beschleunigungs- und Bremscharakteristik.

Es sind bereits Steuereinrichtungen bekannt (siehe DE-OS 28 10 722 und US-PS 38 38 325), bei welchen ein Impulsmotor unter Verwendung entsprechender Auf- und Abzähler entsprechend einer vorgegebenen Beschleunigungs- bzw. Bremscharakteristik hoch- bzw. heruntergefahren werden. Die in diesem Zusammenhang verwendeten Steuerkurven sind dabei entweder linearer oder exponentiell Natur.

Da mit derartigen Stellmotoren beispielsweise Positioniereinrichtungen betätigt werden, besteht naturgemäß der Wunsch, daß die gesuchte Zielposition möglichst rasch angefahren wird, was erforderlich macht, daß sowohl der Beschleunigungs- wie auch Abbremsvorgang möglichst rasch durchgeführt wird, so daß die Maximaldrehzahl des Stellmotors möglichst schnell erreicht bzw. möglichst lang aufrechterhalten werden kann. Wenn jedoch eine sehr steile Anstiegsbzw. Abfallcharakteristik gewählt wird, dann kann dies dazu führen, daß der verwendete Stellmotor im Bereich seiner Selbstanlaufdrehzahl unkontrollierte Start-Stop-Bewegungen ausführt, wobei die lineare Beziehung zwischen zugeführtem Steuersignal und abgegebenem Lastdrehmoment verlorengeht.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfin-' dung, eine Steuereinrichtung zu schaffen, mit welcher der Beschleunigungs- und Abbremsvorgang des vorgesehenen Stellmotors äußerst rasch durchgeführt werden kann, wobei jedoch keine Gefahr besteht, daß der Stellmotor im Bereich seiner Selbstanlaufdrehzahi unkontrollierte Start-Stop-Bewegungen durchführt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß im Steuerkreis ein zusätzlicher Lesespeicher vorgesehen ist, in welchem eine Steuercharakteristik derart eingespeichert ist, daß der Stellmotor mit einer relativ steil verlaufenden Steuerkurve hoch- bzw. heruntergefahren wird, wobei jedoch diese Steuerkurve im Bereich der Selbstanlaufdrehzahi des Motors einen relativ flach verlaufenden Bereich besitzt

Im Hinblick auf die Vermeidung von ungewünschten Vibrationen erweist es sich ferner als zweckmäßig, wenn die Einspeicherung in dem Lesespeicher derart vorgenommen ist, daß ebenfalls im Bereich der Erreichung der Maxiroaldrehzahl des Stellmotors die Steuerkurve abgeflacht ist.

Schließlich erweist es sich als vorteilhaft, wenn dem Lesespeicher über einen Digital-Analog-Wandler ein Spannungs/Frequenzwandler nachgeschaltet ist, von welchem aus über eine Impulstreiberstufe der als Impulsmotor ausgebildete Stellmotor gespeist ist

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Be-Schreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 tin Blockschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig.2 ein Wellenform-Diagramm zur Erläuterung von Signalwellenformen in verschiedenen Bereichen dieser Ausführungsform,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer anderen Ausführungsform der Erfindung und in F i g. 4 eine Charakteristik zur Erläuterung eines Beispiels für das Langsamanfahren der Schlittenbewegung.

In der nachstehenden Beschreibung zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform, während Fig.2 Signalwellenformen in verschiedenen Teilen dieser Anordnung zeigt. Wie sich diesen beiden Figuren entnehmen läßt, dient ein Taktsigna! 1 (Signalwellenform (a) in Fig. 2) zur Festlegung der Zeiten für das Langsamanfahren und Langsamabbremsen. Das Taktsignal 1 bildet ein Steuerbefehlssignal 2 (Signalwellenform (b) in Fig. 2) synchron mit einem Bewegungsbefehlssignal 12 (Signalwellenform (e) in F i g. 2) und liegt an einer Gatterschaltung 3 an.

Ein Motor 11 wird betätigt, wenn das Bewegungsbefehlsignal 12 eine logische »1« ist. Das Steuerbefehlsignal 2 bildet mittels der Gatterschaltung 3 und einer Maximalwert/Minimalwert-Abtastschaltung 5 ein Impulszugsignal, das einen Vorwärts/Rückwärts-Zähler 4 in der Vorwärts-Richtung beim Pegel einer logischen »1« und in Rückwärls-Richtung beim Pegel einer logischen »0« betätigt. Genauer gesagt ist es so, daß dann, wenn der Logikpegel des Steuerbefehlsignals 2 den Wert »1« hat, die Taktimpulse des Taktsignals 1 gezählt werden, um den Inhalt des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 4 linear anwachsen zu lassen, bis der Inhalt des Zählers 4 an allen Stellen »1« ist (Maximalwert). Bei Erreichen dieses Maximalwertes wird dieser Zustand so lange beibehalten, bis der Logikpegel des Steuerbefehlsignals 2 sich auf den Pegel »0« ändert. Wenn anschließend der Logikpegel des Steuerbefehlsignals 2 auf »0« gegangen ist, werden die Taktimpulse des Taktsignals 1 gezählt, bis der Inhalt des

Vorwärts/Rückwäris-Zählers 4 auf allen Stellen »0« wird (Minimalwert), wobei die Operation dann aufhört

Um eine Geschwindigkeitssteuerung mit einer willkürlichen Funktion vorzunehmen, wird das Ausgangssignal des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 4 einmal als Adresseninformation einem Festwertspeicher oder ROM 6 gegeben, und es werden der Adresse entsprechende Funktionsdaten abgerufen und mit einem Digital-Analog-Wandler 7 in Analogsignale umgewandelt (Signalwellenform (c) in Fig.2). Dieses Signal wird mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler 8 in ein Impulszugsignal (Signalwellenform (d) in F i g. 2) ausgezeichneter Linearität umgewandelt Das Impulszugsignal wird mit dem Bewegungsbefehlsignal 12 in einer Gatterschaltung 9 einer UN D-Verknüpfung unterworfen. Unter Verwendung des sich ergebenden Ausgangssignais (Signalwellenform (f) in Fig.2) wird der Impulsmotor 11 über den Impulsmotortreiber 10 angetrieben.

Fig.3 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform. Beim anfänglichen Stopp-Zustand ist das Steuerbefehlsignal auf »0«, und der Ausgang eines Inverters 13 hat dementsprechend den Wert »1«, so daß ein Gatter 3" angesteuert wird, um den Vorwärts/Rückwärts-Zähler 4 die Taktimpulse in Rückwärts-Richtung zählen zu lassen. Wenn das Ausgangssignal des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 4 auf allen Stellen »0« geworden ist, so geht das Ausgangssignal einer »(^-Abtastschaltung oder einer Minimalwert-Abtastschaltung 5" auf den Wert »1«, und der Ausgang eines Inverters 15 geht auf den Wert »0«, so daß das Gatte 7 3" abgeschaltet wird.

Wenn bei einem derartigen Stopp-Zustand ein Steuerbefehlsigna! 2, das um ein Zeitintervall, in dem die Maximalgeschwindigkeit bis auf den Stopp-Zustand absinkt, kürzer ist als das Bewegungsbefehlsignal 12 (der Motor arbeitet, wenn dieses Signal den Wert einer logischen »1« hat), erhalten wird, so wird ein Gatter 3' eingeschaltet (das Gatter 3" ist zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet), und beim Vorwärts/Rückwärts-Zähler 4 erhöht sich sein Inhalt linear in Vorwärts-Richtung durch Zählen der Taktimpulse. Wenn der Ausgang einer »!«-Abtastschaltung oder Maximalwert-Abtastschaltung 5' auf den Wert »1« gegangen ist, so geht der Ausgang eines Inverters 14 auf den Wert »0« und schaltet das Gatter 3' ab. Das heißt, die Operation des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 4 wird beendet, während sein Inhalt den Maximalwert anzeigt. Dieser Zustand, bei dem sich der Schlitten mit Maximalgeschwindigkeit bewegt, wird so lange fortgesetzt, bis das Steuerbefehsignal 2 auf den Pegel »0« geht.

Wenn anschließend der Schlitten in die Nähe eines vorgegebenen Punktes gelangt ist, wird das Steuerbefehlsignal 2, das vorher um das Abbremszeitintervall kürzer eingestellt worden ist, zurückgesetzt jnd geht auf den Pegel »0«, wobei zu diesem Zeitpunkt das Bewegungsbefehlsignal 12 immer noch den Zustand eines »1 «-Pegels hat. Infolgedessen geht der Ausgang des Inverters 13 auf den Pegel »1«, um dps Gatter 3" einzuschalten (in diesem Falle liegt der Ausgang des Inverters 15 auf dem Pegel »1«, bis der Ausgang der »(^-Abtastschaltung oder Minimalwert-Abtastschaltung 5" auf den Pegel »1« geht), und der Inhalt des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 4 nimmt linear in Abwärtsrichtung ab. Wenn der Ausgang der Minimalwert-Abtastschaltung 5" auf den Wert »1« gegangen ist, d. h. wenn der Ausgang des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 4 an allen Stellen »0« geworden ist, wird das Gatter 3" ebenfalls abgeschaltet

Um eine Geschwindigkeitssteuerung gemäß einer willkürlichen Funktion vorzunehmen, wird das Ausgangssignal des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 4 als Adresseninformation dem ROM 6 zugeführt und es werden der Adresse entsprechende Funktionsdaten abgerufen und einer Digital-Analog-Wandlung im Digital-Analog-Wandler 7 unterworfen. Den Adressen entsprechende Funktionsdaten werden vorher in den ROM 6 eingegeben und gespeichert Das nunmehr analoge Signal wird an den Spannungs-Frequenz-Wandler 8 ausgezeichneter Linearität angelegt, um das Impulszugsignal zu bilden, das an die eine Eingangsklemme der Gatterschaltung 9 angelegt wird. Wenn das Bewegungssteuersignal 12 an die andere Eingangsklemme der Gatterschaltung 9 angelegt wird, so wird ein Impulsmotor-Antriebssignal erhalten, wie es bei (f) in F i g. 2 dargestellt ist

F i g. 4 zeigt ein Beispiel einer Funktion willkürlicher Gestalt für das Langsamanfahren oder Langsamabbremsen bei den oben beschriebenen Ausführungsformen. Wie bereits erwähnt, verursacht der Impulsmotor im allgemeinen Ausfälle und startet nicht, bis die Antriebsfrequenz unterhalb der Selbstanlauffrequenz ist. Das Verhältnis einer Änderung gegenüber der Zeit, also eine Geschwindigkeitsänderung, zu dem Zeitpunkt, wo die Selbstanlauffrequenz gekreuzt wird, ist der Hauptfaktor für die Ausfälle und beherrscht den Geschwindigkeitsgradienten. In dieser Hinsicht hat man, wie oben erwähnt, bislang eine Linearfunktion verwendet, wie sie bei (a) in Fi g. 4 angedeutet ist, und hat somit experimentell einen Geschwindigkeitsgradienten ermittelt, der keine Ausfälle hervorruft, wobei die maximale Frequenz, also die Maximalgeschwindigkeit, mit dem Gradienten erreicht wird. Im Gegensatz dazu wird gemäß der Erfindung eine Funktion mit einer Gestalt, wie sie beispielsweise bei (b) in Fig.4 dargestellt ist, beim Langsamanfahren vorgegeben. Damit ist es möglich geworden, die Zeitspanne drastisch zu verkürzen, in der die Maximalgeschwindigkeit erreicht wird, wenn man dies mit dem Stande der Technik vergleicht.

Obwohl die Fig.4 eine Kurve beim Langsamanfahren zeigt, ist die Situation beim Langsamabbremsen ähnlich. Nachstehend soll der Vorgang beim Langsaniabbremsen beispielsweise erläutert werden.

Wie sich der Zeichnung entnehmen läßt, ist das Profil der Funktion so, daß bei einem Startbefehl die Antriebsfrequenz abrupt auf einen Wert angehoben wird, der um 20 bis 30% diesseits der Selbstanlauffrequenz von üblicherweise 2000 Impulsen pro Sekunde bei einem schnellen Impulsmotor liegt, daß anschließend ein sanfter Anstieg bis zu einem Zeitpunkt vorliegt, bei dem die Selbstanlauffrequenz gekreuzt und um 20 bis 30% überschritten ist, und daß anschließend wiederum ein abrupter Anstieg erfolgt, um die Maximalgeschwindigkeit rasch zu erreichen. Auch in der Nähe der Maximalfrequenz von beispielsweise 10 000 Impulsen pro Sekunde bei den oben beschriebenen Ausführungsformen erfolgt keine plötzliche Geschwindigkeitsänderung wie bei den herkömmlichen Anordnungen, sondern es liegt eine langsame Geschwinddigkeitsänderung vor, wie es in der Zeichnung angedeutet ist. Somit ist es möglich geworden, die Vibrationen des Schlittens zu verringern und ihn glatt und gleichmäßig zu bewegen. Bei diesem Beispiel hat bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Zeitspanne vom Start bis zum Erreichen der Maximalfrequenz einen Wert von 7] = 30 ms.

Geschwindigkeitsänderung Unter Berücksichtigung der entsprechenden Zeitspanne von Ti = 80 ms beim Stande der Technik ist es somit möglich geworden, die Zeitspanne drastisch zu verkürzen bzw. die Geschwindigkeit der Schlittenbewegung sehr stark zu erhöhen.

Selbstverständlich sind die Kurven und numerischen Werte beim Anfahren und Abbremsen bei den verschiedenen Ausführungsformen der oben beschriebenen Art nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt, sondern können entsprechend gewählt werden. Auf diese Weise hängen die optimalen Kurven für das Anfahren und Abbremsen und der Startpunkt für das Abbremsen sehr stark von dem Aufbau des Mechanismus auf der Antriebsseite, Belastungseigenschaften, den elektrischen Eigenschaften des Motors und des Treibers usw. ab. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann jedoch nur durch erneutes Einschreiben des Speicherinhalts im ROM mit Funktionen geeigneter Formen ein Impulsmotorantrieb realisiert werden, der selbstverständlich frei von Ausfällen ist, einen einfachen Aufbau hat und geringe Kosten erfordert, ohne daß dabei eine Zunahme der Lokalisierungszeit oder Bewegungszeit des Schlittens hervorgerufen wird. Darüber hinaus läßt sich die Antriebsvorrichtung nicht nur auf den Impulsmotor anwenden, sondern auch auf die verschiedensten anderen Arten von Motoren, so daß sich die oben beschriebene Anordnung für eine Vielzahl von praktischen Einsatzfällen eignet.

Zusammenfassend wird somit eine Antriebsvorrichtung für einen Motor angegeben, bei der ein eine Probe tragender Schlitten zu einer vorgegebenen Position bewegt wird, indem ein Langsamanfahren bzw. Langsamabbremsen der Geschwindigkeit beim Start bzw. Stopp des Motors erfolgt. Dabei ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die ein Steuerbefehlsignal, das um ein Abbrems-Zeitintervall kürzer ist als ein vorgegebenes Bewegungsbefehlsignal, und ein Taktsignal liefert, um die Zeitpunkte für das Anfahren bzw. Abbremsen vorzugeben. Eine Zähleinrichtung zählt in Vorwärtsrichtung bei einem logischen »!«-Pegel und in Rückwärtsrichtung bei einem logischen »0«-Pegel. Eine erste Gatterschaltung bildet auf der Basis des Steuerbefehlsignals und des Taktsignals ein Impulszugsignal, mit dem der Inhalt des Zählers an sämtlichen Stellen auf »1« gehalten wird, wenn das Steuerbefehlsignal eine logische »1« ist, während der Inhalt des Zählers an allen Stellen auf »0« gehalten wird, wenn das Steuerbefehlsignal eine logische »0« ist. Die Speichereinrichtung liefert, wenn sie ein Ausgangssignal von dem Zähler als Adresseninformation erhält, Funktionsdaten einer willkürlichen Gestalt, die in Abhängigkeit von den Adressen vorher gespeichert worden sind. Der Wandler unterwirft die Ausgangsfunktionsdaten einer Digital-Analog-Wandlung und liefert ein analoges Signal, während ein weiterer Wandler das analoge Signal einer Spannungs-Frequenz-Wandlung unterwirft, um ein Impulszugsignal zu erzeugen. Eine zweite Gatterschaltung führt eine logische UND-Verknüpfung zwischen diesem impulszugsignal und dem Bewegungsbefehlsignal für den Schlitten durch, während die Antriebseinrichtung dann den Motor mit dem Ausgangssignal antreibt, das aufgrund der logischen UND-Verknüpfung erhalten worden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Steuereinrichtung für Stellmotore, beispielsweise für das Positionieren eines der Herstellung von integrierten Halbleiterkreisen dienenden Schlittens, mit wenigstens einem Auf- und Abwärtszähler für die Festlegung einer im wesentlichen linearen Beschleunigungs- und Bremscharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerkreis (3 bis 10) ein zusätzlicher Lesespeicher (6) vorgesehen ist, in welchem eine Steuercharakteristik derart eingespeichert ist, daß der Stellmotor (11) mit einer relativ steil verlaufenden Steuerkurve hoch- bzw. heruntergefahren wird, wobei jedoch diese Steuerkurve im Bereich der Selbstanlaufdrehzahl des Motors einen relativ flach verlaufenden Bereich besitzt.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeicherung in dem Lesespeicher (6) derart vorgenommen ist, daß ebenfalls im Bereich der Erreichung der Maximaldrehzahl des Stellmotors (11) die Steuerkurve abgeflacht ist

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lesespeicher (6) über einen Digital-Analog-Wandler (7) ein Spannungs/Frequenzwandler (8) nachgeschaltet ist, von welchem aus über eine Impulstreiberstufe (10) der als Impulsmotor ausgebildete Stellmotor (11) gespeist ist.