DE3445412C1

DE3445412C1 - Method for improving the positioning accuracy of an element which is driven by a stepping motor

Info

Publication number: DE3445412C1
Application number: DE19843445412
Authority: DE
Inventors: Armin 8500 Nürnberg Weise
Original assignee: TA Triumph Adler AG
Current assignee: TA Triumph Adler AG
Priority date: 1984-12-13
Filing date: 1984-12-13
Publication date: 1986-08-21

Abstract

The subject of the invention is a method for improving the positioning accuracy of an element which is driven by a stepping motor (in a typewriter or similar office machine). The precondition here is that the stepping motor is operated in half step and the actuation takes place during a step with two different voltages. The invention is based on the fact that lengthening the energisation time during the last step of a step sequence whenever this step sequence ends in a half step position leads to considerably greater positioning accuracy.

Description

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine zeitabhängige Darstellung der Spannung, des Stromes und des Weges in der Endphase der Positionierung beim Ansteuern des Schrittmotors gemäß dem Stand der Technik; F i g. 2 eine zeitabhängige Darstellung der Spannung des Stromes und des Weges in der Endphase der Positio- nierung bei Ansteuerung des Schrittmotors nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. The method according to the invention is shown below using an example explained in more detail with the aid of the drawings. 1 shows a time-dependent one Representation of the voltage, the current and the path in the final phase of the positioning when driving the stepping motor according to the prior art; F i g. 2 a time-dependent Representation of the voltage of the current and the path in the final phase of the position renation when controlling the stepper motor according to the method according to the invention.

Bei der Festlegung der Zeit, während der die Wicklungen des Schrittmotors zur Ausführung des letzten Schrittes einer Sequenz mit der ersten hohen Spannung bestromt werden, ist gefordert, daß das zu positionierende Element durch die während der Bestromungszeit mit der ersten hohen Spannung dem Motor zugeführten Energie möglichst exakt in die Zielposition gebracht wird, ohne überzuschwingen. Da - wie bereits ausgeführt - dieser letzte Schritt einer Schrittsequenz in eine Vollschrittstellung oder in eine Halbschrittstellung führen kann, also im ersten Fall zwei Wicklungen und im zweiten Fall nur eine Wicklung bestromt werden, läßt sich diese Forderung aufgrund der unterschiedlichen Drehmomente, die daraus resultieren, nicht erfüllen. Geht man davon aus, daß - wie in der Praxis üblich - die Bestromungszeit mit der ersten hohen Spannung so gewählt ist, daß dann, wenn die Schrittsequenz in einer Vollschrittstellung endet, eine exakte Positionierung ohne unzulässige Überschwinger erreicht wird, ist in den Fällen, in denen die Schrittsequenz in einer Halbschrittstellung endet, der Schrittmotor aufgrund des kleineren Drehmomentes nicht in der Lage, das zu positionierende Element bis in die Zielposition zu bringen. Die fehlerhafte Positionierung des Elementes kann in der Regel durch die nach der Bestromungsphase mit der ersten hohen Spannung durchgeführten Bestromung mit der zweiten niedrigen Haltespannung nicht korrigiert werden, da die Haltespannung aus thermischen Gründen (Erwärmung des Motors) üblicherweise so bemessen ist, das das resultierende Haltemoment nicht ausreicht, die Haftreibung der Positionieranordnung zu überwinden. When determining the time during which the windings of the stepper motor to execute the last step of a sequence at the first high voltage are energized, it is required that the element to be positioned by the during The energy supplied to the motor during the energization time with the first high voltage is brought into the target position as precisely as possible without overshooting. There - how already carried out - this last step of a step sequence in a full step position or can lead to a half-step position, i.e. two windings in the first case and in the second case only one winding is energized, this requirement can be met due to the different torques that result. If one assumes that - as usual in practice - the energization time with the first high voltage is chosen so that when the sequence of steps in a Full step position ends, exact positioning without impermissible overshoots is achieved is in those cases where the step sequence is in a half step position ends, the stepper motor due to the lower torque is not able to to bring the element to be positioned into the target position. The incorrect positioning of the element can usually by after the energization phase with the first high voltage performed energization with the second low holding voltage cannot be corrected because the holding voltage for thermal reasons (heating of the motor) is usually dimensioned in such a way that the resulting holding torque is not sufficient to overcome the static friction of the positioning arrangement.

Den vorstehend beschriebenen Nachteilen kann dadurch abgeholfen werden, daß immer dann, wenn eine Bestromungssequenz in einer Halbschrittstellung endet, die Bestromungszeit der Wicklung mit der ersten hohen Spannung verlängert wird. Die Auswirkung des Verfahrens ist nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 verdeutlicht. The disadvantages described above can be remedied by that whenever an energization sequence ends in a half-step position, the energization time of the winding with the first high voltage is increased. The effect of the method is illustrated below with reference to FIGS. 1 and 2.

In der Fig. 1 ist gezeigt, wie sich eine Bestromung des Schrittmotors gemäß dem Stand der Technik auswirkt, wenn die Bestromungssequenz in einer Halb schrittstellung endet. Es ist dabei vorausgesetzt, daß die Bestromungszeiten so gewählt sind, daß ein Vollschritt als letzter Schritt einer Bestromungssequenz zu einer exakten Positionierung führen würde. In Fig. 1 it is shown how an energization of the stepping motor affects according to the prior art when the energization sequence in a half step position ends. It is assumed that the energization times so are chosen that a full step as the last step of an energization sequence would result in an exact positioning.

In einem ersten Diagramm ist die Spannung Uan den Wicklungen des Schrittmotors über die Zeit t für den vorletzten Schritt n-l und den letzten Schritt n einer Bestromungssequenz aufgetragen. Dabei ist Ux die erste hohe Spannung und UH die Haltespannung. Betrachtet man den Verlauf des Stromes I durch die Wicklungen des Schrittmotors, der im zweiten Diagramm über die Zeit t aufgetragen ist, wird sichtbar, daß beim letzten Schritt n (eine Wicklung bestromt) die Fläche unter der Stromkurve, die der der Wicklung zugeführten Energie proportional ist, kleiner ausfällt, als beim vorletzten Schritt n-1 (zwei Wicklungen bestromt), der in eine Vollschrittstellung führt. Dies hat zur Folge, daß, wie im dritten Diagramm, in dem der Weg S des zu positionierenden Elementes über der Zeit t aufgetragen ist, dargestellt, die Soll-Stellung Sn-l zwar erreicht wird, daß aber die Ist-Stellung nach der Durchführung des letzten Schrittes n um den Weg X vom Soll-Wert Sn abweicht. In a first diagram, the voltage U across the windings of the Stepper motor over the time t for the penultimate step n-l and the last step Plotted in a current flow sequence. Ux is the first high voltage and UH is the holding voltage. Looking at the course of the current I through the windings of the stepper motor, which is plotted against time t in the second diagram visible that in the last step n (a winding energized) the area under the The current curve, which is proportional to the energy supplied to the winding, is smaller, than in the penultimate step n-1 (two windings energized), which is in a full step position leads. As a result, as in the third diagram, in which the path S of the to Positioning element is plotted over time t, shown, the target position Sn-1 is reached, but the actual position after the execution of the last one Step n deviates by the distance X from the target value Sn.

Um den Effekt der Erfindung deutlich zu machen, sind die Diagramme aus Fig. 1 in Fig. 2 noch einmal wiedergegeben, lediglich mit dem Unterschied, daß, wie im Spannungs-Zeit-Diagramm zu sehen, die Zeit während des letzten Schrittes n, in der die Wicklung an der ersten hohen Spannung Ux liegt, verlängert wurde. To make the effect of the invention clear, the diagrams are from Fig. 1 in Fig. 2 again reproduced, with the only difference that, as can be seen in the voltage-time diagram, the time during the last step n, in which the winding is at the first high voltage Ux, has been extended.

Dies hat, wie im Spannungs-Zeit-Diagramm der Fig. 2 zu sehen, zur Folge, daß die Fläche unter der Stromkurve während des letzten Schrittes n deutlich größer wird, als im entsprechenden Diagramm in Fig. 1. Der Wicklung wird also wesentlich mehr Energie zugeführt.As can be seen in the voltage-time diagram in FIG. 2, this has to do with The result is that the area under the current curve is clear during the last step n becomes larger than in the corresponding diagram in Fig. 1. The winding is therefore essential more energy supplied.

Dies wiederum hat zur Folge, daß das zu positionierende Element, wie im Weg-Zeit-Diagramm der Fig. 2 gezeigt, nur um einen sehr kleinen Weg X' von der Sollposition Sn abweicht.This in turn has the consequence that the element to be positioned, such as shown in the path-time diagram of FIG. 2, only by a very small path X 'from the Target position Sn deviates.

Für die Zeit, um die die Bestromung der Wicklungen mit der Spannung Ux zu verlängern ist, wenn eine Bestromungssequenz in einer Halbschrittstellung endet, kann keine Gesetzmäßigkeit angegeben werden, da sich in technisch realisierten Positioniersystemen eine Vielzahl nicht exakt quantifizierbarer Parameter auswirkt. Es hat sich aber gezeigt, daß bei derartigen Positioniervorrichtungen unter Verwendung meßtechnischer Hilfsmittel empirisch ermittelte Werte bei hervorragender Reproduzierbarkeit auf in großer Serie gefertigte Positioniervorrichtungen der gleichen Art übertragen werden können. Die ermittelten Werte können in Abhängigkeit von der Positioniervorrichtung für alle Positioniervorgänge gleich sein. Es ist aber auch möglich, daß sich in Abhängigkeit von der Positionierentfernung verschiedene Werte ergeben. For the time around which the current is supplied to the windings with the voltage Ux is to be extended when an energization sequence is in a half-step position ends, no regularity can be specified, since in technically realized Positioning systems affects a large number of parameters that cannot be precisely quantified. But it has been shown that in such positioning devices using metrological aids, empirically determined values with excellent reproducibility transferred to positioning devices of the same type produced in large series can be. The values determined can depend on the positioning device be the same for all positioning processes. But it is also possible that in Depending on the positioning distance, different values result.

Ergänzend zur vorstehenden Beschreibung soll noch kurz in stark vereinfachter Form auf die steuerungstechnische Realisierung des Verfahrens eingegangen werden. In addition to the above description, it should be briefly simplified in a highly simplified manner Form on the control technology implementation of the process are discussed.

Wie bereits weiter oben ausgeführt, benötigt ein Schrittmotor, mit dem Positioniervorgänge durchgeführt werden können, sogenannte Beschleunigungs-Brems-Kurven. Die Ermittlung und Handhabung derartiger Beschleunigungs-Brems-Kurven ist allgemeiner Stand der Technik und bedarf keiner weiteren Erläuterung. Diese in einem Speicher der Steuereinrichtung, die üblicherweise einen Mikroprozessor enthält, in Form von Bestromungszeit-Tabellen gespeicherten Kurven sind aus speicherökonomischen Gründen so konzipiert, daß sie immer verwendet werden können, gleichgültig, ob der Positioniervorgang von einer Vollschrittstellung aus oder von einer Halbschrittstellung erfolgt. Neben den Bestromungszeit-Tabellen enthält die Steuereinrichtung üblicherweise in ihrem Speicher eine weitere Tabelle, in der die Information enthalten ist, welche Wicklungen des Schrittmotors nacheinander zu bestromen sind, damit sich dieser dreht. Während des Betriebs der Positioniervorrichtung wird vom Mikroprozessor der Steuereinrichtung gewissermaßen ein »Zeiger« an dieser Tabelle, die man als Bestromungsmuster-Tabelle bezeichnen kann, entlang geführt, wodurch der Steuereinrichtung bekannt ist, welche Wicklung bzw. welche Wicklungskombination augenblicklich an Spannung liegt. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der Steuereinrichtung kann deshalb so vorgegangen werden, daß vor der Ausführung eines Positioniervorganges mit Hilfe des »Zeigers« der Bestromungsmuster-Tabelle durch die Steuereinheit festgestellt wird, ob sich der Rotor des Schrittmotors augenblicklich in einer Vollschrittstellung oder in einer Halbschrittstellung befindet. Des weiteren kann die Anzahl der Schritte, die bis zur Zielposition zurückzulegen ist und die von der Steuereinheit ermittelt werden muß, um die entsprechende Beschleunigungs-Brems-Kurve zu ermitteln, durch die Steuereinheit daraufhin überprüft werden, ob sie gerade oder ungerade ist. Ist die Schrittzahl gerade, ergibt sich daraus, daß die Stellung des Rotors des Schrittmotors in der Zielposition von der gleichen Art wie in der Startposition sein muß. Eine ungerade Schrittzahl zeigt dagegen an, daß die Stellung des Rotors des Schrittmotors in der Zielposition von anderer Art ist, als in der Startposition. Die Steuereinrichtung ist somit in der Lage, anhand der Information über die augenblicklich bestromten Wicklungen des Schrittmotors und der Anzahl der zurückzulegenden Schritte von der Startposition zur Zielposition vor dem eigentlichen Positioniervorgang feststellen, ob die Zielposition eine Halbschrittstellung oder eine Vollschrittstellung ist. Handelt es sich um eine Halbschrittstellung, so addiert die Steuereinrichtung beim Abarbeiten der entsprechenden Bestromungszeit-Tabelle zum letzten Wert dieser Tabelle einen ebenfalls im Speicher der Steuereinrichtung gespeicherten Wert hinzu. Handelt es sich dagegen bei der Zielposition um eine Vollschrittstellung, so ist von der Steuereinrichtung selbstverständlich der letzte Wert der Bestromungszeit-Tabelle unverändert zu benutzen. Wie bereits weiter oben ausgeführt, besteht die Möglichkeit, daß mehrere Werte zur Verlängerung der Bestromungszeit im Speicher abgelegt sind, die in Abhängigkeit von der Positionierentfernung benutzt werden müssen. In diesem Fall entscheidet die Steuereinheit aufgrund der ihr bekannten Schrittanzahl, welcher Wert zu verwenden ist. As already stated above, a stepper motor requires with the positioning processes can be carried out, so-called acceleration-braking curves. The determination and handling of such acceleration-braking curves is more general State of the art and does not require any further explanation. These in a memory the control device, which usually contains a microprocessor, in the form of Curves stored in the current supply time tables are for reasons of storage economy designed so that they can always be used, regardless of whether the positioning process takes place from a full step position or from a half step position. Next to the control device usually contains the energization time tables in its Save another table that contains information about which windings of the stepper motor are to be energized one after the other so that it rotates. While the operation of the positioning device is controlled by the microprocessor of the control device to a certain extent a "pointer" to this table, which is known as the current flow pattern table can denote, guided along, whereby the control device is known which Winding or which winding combination is currently under voltage. at the implementation of the method according to the invention by means of the control device can therefore be proceeded in such a way that before the execution of a positioning process determined by the control unit with the help of the "pointer" of the current flow pattern table whether the rotor of the stepper motor is currently in a full step position or in a half-step position. Furthermore, the number of steps which is to be covered to the target position and which is determined by the control unit must be to the corresponding acceleration-braking curve determine to be checked by the control unit whether they are straight or is odd. If the number of steps is even, it follows that the position of the Rotor of the stepper motor in the target position of the same type as in the start position have to be. An odd number of steps, on the other hand, indicates that the position of the rotor of the stepper motor in the target position is different from that in the start position. The control device is thus able to use the information about the instantaneous energized windings of the stepper motor and the number of steps to be covered determine from the starting position to the target position before the actual positioning process, whether the target position is a half step position or a full step position. If it is a half-step position, the control device adds at Processing of the corresponding energization time table for the last value of this table a value also stored in the memory of the control device. Act if, on the other hand, the target position is a full step position, then the Control device, of course, the last value of the energization time table to use unchanged. As already mentioned above, there is the possibility of that several values are stored in the memory to extend the energization time, which must be used depending on the positioning distance. In this The control unit decides which case is based on the number of steps known to it Value is to be used.

Die vorstehende Beschreibung einer steuerungstechnischen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist als Beispiel zu verstehen und stellt nur eine von vielen Möglichkeiten dar. The above description of a control implementation of the method according to the invention is to be understood as an example and represents only one of many possibilities.

Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß eine generelle Verlängerung der Bestromungszeit beim Wechseln von einer Vollschrittstellung in eine Halbschrittstellung nicht sinnvoll ist, weil sich dadurch die thermische Belastung des Schrittmotors erheblich erhöht, ohne daß die bessere Positioniergenauigkeit in den Halbschrittstellungen - die Zielposition ausgenommen - genutzt werden kann. Finally, it should be pointed out that a general Extension of the energization time when changing from a full step position to a half-step position does not make sense because it reduces the thermal load of the stepper motor increased considerably without the better positioning accuracy can be used in the half-step positions - with the exception of the target position.

Claims

Claims: 1. Method for improving the positioning accuracy an element driven by a stepper motor in a writing or similar Office machine, where the stepper motor is operated in half-step mode, the windings of the stepper motor at a step first to a first high voltage and then are connected to a second lower voltage and the control of the windings of the stepping motor during a step sequence according to in a memory of a control device stored energization time table by the control device takes place, thereby characterized in that whenever a step sequence is in a half step position ends, the control device the energization time during which the windings of the Stepper motor at the last step of the step sequence with the first high voltage are energized, extended by a specifiable amount.

2. The method according to claim 1, characterized in that the predeterminable Amount by which the energization time is extended by the control device, is stored in the memory of the control device.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that that the specifiable amount is to extend the energization time by several different values and that the control device is dependent on the positioning distance selects one of the saved values.

The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

For positioning elements such as B. the print carriage one Typewriter or similar office machine, stepper motors are often used.

It is preferably a 2-phase stepper motor, each according to the design in connection with the corresponding control for unipolar operation and / or bipolar operation are suitable. To achieve a high angular resolution, i. H. a To achieve a small step angle, these stepper motors are especially useful operated in the above-mentioned devices in half-step mode. In this operating mode if the stepper motor runs through full step positions in a current supply sequence in constant alternation, in each of which two windings are energized and half-step positions in which each only one winding is energized. The control of the windings of the stepper motor when performing a step is usually divided into two parts. In the first In part, the windings are energized with a first high voltage, in the second Part with a second lower voltage (bi-level control). The above shown control principle is common and z. B. an essay in the magazine "Technische Rundschau" No. 15, 1984, pages 16 to 21, can be found.

When performing positioning runs that result from a sequence of individual steps, according to the state of the art, the procedure is as follows: that the energization times are varied with the first high voltage so that the sequence of movements in relation to the speed of the element to be positioned in an acceleration phase, possibly in a phase with constant Speed and divided into a braking phase.

The determination of the energization times for a specific positioning device and a certain number of steps is done empirically. The determined values that the so-called acceleration-braking curve are shown in the form of current supply time tables stored in a memory of the control device of the positioning device and reproduced when a corresponding positioning command occurs.

Practical experience in handling such positioning devices have shown that this method can be used when the positioning process is carried out with a Full step position ends, works satisfactorily, but in those cases where the last step of a positioning run leads to a half-step position, between Actual position and target position intolerable errors occur.

From DE-PS 3221561 it is known for the purpose of short-term exact Positioning of a type wheel driven by a stepper motor, the stepper motor, essentially simultaneously with the energization of the cut-off magnet, an actuating pulse to be supplied at increased voltage. This procedure requires that besides the operating voltage and the holding voltage, for the stepper motor a third, higher one Voltage must be made available. The associated circuitry Effort is obvious.

It is therefore the object of the invention to provide a method that it allows the positioning accuracy of one operated in half step To improve stepper motor of the aforementioned type of driven element, if the last step of a flow sequence leads to a half step position and the energization of the windings of the stepper motor during a step first with a first high voltage and then with a second lower voltage he follows.

The object is achieved according to the characterizing part of the patent claim 1 analogously in that the time in which the windings of the stepper motor with the first high voltage are energized, whenever an energization sequence ends in a half-step position, in the last step by a predetermined amount is extended.

The advantage of the method is that the positioning accuracy in a half-step position can be improved so that the positioning is accurate speed that occurs when the positioning process is in a full step position ends so that the positioning device is independent of full step or half step position always behaves the same as the end position. It does not matter whether the stepper motor is operated unipolar or bipolar.