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Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Lastwinkeln
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bei Schrittmotoren Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Schrittmotore werden heutzutage bei vielen Geräten verwendet, um Teile
in bestimmte Positionen zu bringen. So werden beispielsweise bei Schreib- und Druckwerken
Systeme, wie der Wagen, das Typenrad, die Schreibwalze und eine Reihe anderer Einrichtungen,
mit Hilfe von Schrittmotoren positioniert. Schrittmotore werden durch impulsförmige
Signale, dem sog. Schrittakt angesteuert, wobei mit jedem Schritttakt die Achse
des Schrittmotors um einen festen Wert, den sog. Schrittwinkel, gedreht wird. Die
Steuerung ist unproblematisch, solange der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Schrittakten so groß ist, daß das System, insbesondere der Schrittmotor seine Bewegung
beendet hat, bevor der nächste Schrittakt gegeben wird. Nun besteht aber der Wunsch
nach einer Betriebsfrequenz, die größer ist als diese sog. Start-Stop-Frequenz,
um die Positionierung schneller durchführen zu können. Bei Betriebsfrequenzen oberhalb
der StaR;Stop-Frequenz muß der Schrittmotr über mehr als einen Schrittakt beschleunigt
bzw. abgebremst werden, da er eine bestimmte Zeit benötigt, um seine höchste Drehgeschwindigkeit
zu erreichen bzw. zum Stillstand zu kommen. Diese Zeit ist zudem noch von dem System
abhängig, das von dem Schrittmotor bewegt werden muß.
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Für den Schrittmotor ist daher eine Folge von Schrittakten, eine sog.
Schrittfolge zu ermitteln, die ihn einerseits schnell beschleunigt bzw. abbremst,
und die andererseits die Sicherheit bietet, daß er nicht durch Störeinflüsse, wie
z.B. Schräglage oder Temperatureinflüsse aus dem Schritt fällt. Die Schrittfolge
kann empirisch optimiert werden.
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Eine optimale Schrittfolge ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor
schnell beschleunigt bzw. abgebremst wird, wobei die Betriebssicherheit gewährleistet
ist. Eine Schrittfolge zur Beschleunigung des Schrittmotors besteht aus einer Folge
von Schrittakten, deren Frequenz von der Start-Stop-Frequenz bis zu einer durch
die Konstruktion des Schrittmotors und des Systems bedingten Frequenz zunimmt. Eine
Schrittfolge zur Abbremsung besteht aus einer Folge von Schrittakten, deren Frequenz
bis zu der Frequenz abnimmt, bei der dann der Schrittmotor sicher angehalten.werden
kann.
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Zur Optimierung einer Schrittfolge ist eine Messeinrichtung bekannt,
die eine auf der Achse des Schrittmotors angeordnete Taktscheibe,mit in radialer
Richtung angebrachten Markierungen im Abstand des Schrittwinkels des Schrittmotors
aufweist. Mit einer Lichtschranke werden diese Markierungen abgetastet, und die
so erhaltenen Schrittsignale zeitgerecht, d.h. in der richtigen zeitlichen Beziehung
zu den Schrittakten mit diesem aufgezeichnet. Auf dem Schirm eines Oszillographen
oder auf einem Ausdruck können dann die Impulsfolgen kontrolliert werden. Die Zuordnung
eines Schritttaktes zu seinem dazugehörigen Schrittsignal ist hierbei aber umständlich,
und erfordert eine längere und konzentrierte Beobachtung. Daß dabei ein Schrittfehler
des Schrittmotors übersehen wird, ist nicht ausgeschlossen.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben,
mit dem es möglich ist, die Schrittfolge zur Beschleunigung bzw. Abbremsung eines
Schrittmotors schnell und sicher zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß Aussagen über die Betriebssicherheit der ermittelten Schrittfolge gemacht
werden könnten.
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Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß über eine Eingabeeinheit Zeitpunkte für
die Impulsflanken des Schrittaktes in einem zweiten Speicher abgespeichert werden,
daß eine Motorstuerung den Schrittmotor ansteuert, daß auf der Achse des Schrittmotors
eine Taktscheibe befestigt ist, daß auf der Taktscheibe Markierungen angebracht
sind, daß diese Markierungen von einem Abtaster abgetastet werden, daß die Taktscheibe
so positio-.
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niert ist, daß bei einer Bewegung über eine Rastposition des Schrittmotors
am Abtaster eine Impulsflanke abgegeben wird, daß von einem Zeitmesser die Zeiten
zwischen zwei gleichartigen aufeinanderfolgenden Impulsflanken gemessen werden,
daß die Zeiten in einem ersten Speicher abgespeichert werden, daß ein Mikroprozessor
vorgesehen ist, der zur Steuerung der Messeinrichtung und zur Berechnung des Lastwinkels
t dient, und daß eine Ausgabeeinheit zur Darstellung des Lastwinkels & vorgesehen
ist.
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Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung
zu dessen Durchführung anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Beispiel
für die zeitliche Folge eines impulsförmigen Schrittaktes TO bis T5 und eines impulsförmigen
Schrittsignales SO bis S5, Fig. 2 eine Kurve zur Ermittlung eines Lastwinkels ss,
Fig.
3 eine graphische Darstellung der Lastwinkel a , Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel
zur Durchführung des Verfahrens zur Messung des Lastwinkels CL Unter Bezugnahme
auf Fig. 1 bis Fig. 3 wird zunächst das Verfahren zur Optimierung einer Schrittfolge,
d.h. einer Folge von Schrittakten, zur Beschleunigung eines Schrittmotors SM, beschrieben.
Dazu wird davon ausgegangen, daß eine Folge von Schrittakten T (Fig. 1, Zeile 1)
und eine Folge von Schrittsignalen S (Fig. 1, Zeile 2) zeitgerecht, d.h. mit den
richtigen zeitlichen Abständen zwischen einem Schrittakt T und seinem dazugehörigen
Schrittsignal S aufgezeichnet werden. Dabei sind beispielsweise durch die ansteigenden
Impulsflanken die Zeitpunkte t10 bis t15 der Schrittakte TO bis T5 bzw. t20 bis
t25 der Schrittsignale SO bis S5 festgelegt. Die Zeitpunkte t20 bis t25 entsprechen
hierbei jeweils dem Zeitpunkt, bei dem die Achse des Schrittmotors SM über eine
Rastposition bewegt wird. Es können aber auch die Schrittakte T und die Schrittsignale
S in anderer Kurvenform vorliegen, nur muß der zeitlich richtige Zusammenhang zwischen
dem Beginn des die Drehbewegung startenden Schrittaktes TO und dem Schrittsignal
SO, das die Bewegung der Achse des Schrittmotors beschreibt, gewährleistet sein.
Aus diesen beiden Größen, dem Schrittakt T und dem Schrittsignal S wird eine anschauliche
Größe ermittelt, die als Lastwinkel t bezeichnet wird. Der Lastwinkel RC nimmt bei
der Beschleunigung des Schrittmotors SM von dem Wert O bis zu einem Wert zu, der
durch das zu bewegende System bestimmt wird. Der maximale Lastwinkel o(-max wird
so gewählt, daß bei der höchsten Geschwindigkeit keine zu großen Schwingungen, d.h.
Änderungen des Lastwinkels i, auftreten Die Ermittlung des Lastwinkels x wird im
folgenden anhand der Fig. 2 erläutert. Dort sind auf der Abszisse die Zeit t und
auf der Ordinate die seit dem ersten Schrittakt TO zurückgelegte Winkelstrecke W
als Vielfaches des Schrittwinkels SW
aufgetragen.
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Die Zeitpunkte t10 bis t25 der Schrittsignale SO bis S5 werden gegen
die zurückgelegte Winkelstrecke W aufgetragen.
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Durch die Wertepaare (SO,O bis S5,5) werden Messpunkte MO bis M5 gebildet.
Durch diese Messpunkte MO bis M5 wird eine interpolierende Kurve K gelegt, beispielsweise
eine Parabel. Durch die Zeitpunkte t10 bis t15 der Schrittakte TO bis T5 werden
Kurvenpunkte KO bis K5 auf der Kurve K bestimmt. Die Projektion dieser Kurvenpunkte
K1 bis K5 auf die Ordinate W stellt als Abstand zwischen der Projekt tion der Kurvenpunkte
K1 bis K5 und dem nächstfolgenden Punkt, der ein ganzzahliges Vielfaches des Schrittwinkels
SW ist, den zugehörigen Lastwinkel 1 bis &5 dar.
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Betrachtet man nun eine numerische oder besser eine graphische Darstellung
des Lastwinkels CC' (Fig. 3), so können durch Vergleich der Lastwinkel £ verschiedener
Schrittfolgen Aussagen über das Beschleunigungsverhalten des Systems, insbsondere
des Schrittmotors SM und über die Betriebssicherheit gemacht werden. Falls der Schrittmotor
SM aus dem Schritt gefallen ist, zeigt sich das in einer sprunghaften Änderung des
Schrittwinkels. Auf diese Weise kann man eine optimale Schrittfolge schnell, sicher
und auf einfache Weise ermitteln.
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Die Anzahl der Schrittakte T und der Schrittsignale S beträgt hier
beispielsweise sechs, TO bis T5 und SO bis S5.
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Im allgemeinen beträgt diese Anzahl n.
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In Fig. 4 ist eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Messung
des Lastwinkels £ dargestellt. Eine Motorsteuerung MS dient zur Steuerung des Schrittmotors
SM. Auf der Achse des Schrittmotors SM ist eine Taktscheibe TS befestigt.
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Diese Taktscheibe TS weist Markierungen auf, die von einem
Abtaster
A abgetastet werden. Die Markierungen können beispielsweise durch Schlitze oder
durch einen geteilten Rand realisiert sein. Die Taktscheibe TS ist dabei so justiert,
daß bei einer Auslenkung der Achse des Schrittmotors SM aus einer Rastposition der
Abtaster A eine Impulsflanke.
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abgibt. Von einem Zeitmesser Z werden die Zeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden
gleichartigen Impulsflanken gemessen, und in einem ersten Speicher SP1 abgespeichert.
In diesem ersten Speicher SP1 sind also die Zeitpunkte des Schrittsignals S gespeichert.
Über eine Eingabeeinheit EE werden die Zeitpunkte der Impulsflanken für die Schritttakte
T eingegeben und in einem zweiten Speicher SP2 abgespeichert. Ein Mikroprozessor
MP dient zur Steuerung der Meßeinrichtung und zur Ermittlung des Lastwinkels gemäß
dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Eine Ausgabeeinheit AE dient zur Darstellung
des Lastwinkels oC. Die Ausgabeeinheit AE ist beispielsweise ein Plotter, der in
äquidistanten Abständen die Lastwinkels daufzeichnet (Fig. 3).
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3 Patentansprüche 4 Figuren
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