DE3539259A1 - Arrangement for the rapid positioning of a stepping motor - Google Patents

Arrangement for the rapid positioning of a stepping motor

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DE3539259A1
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Manfred Dr.-Ing. DDR 5060 Erfurt Kuchenbecker
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Abstract

The invention relates to a position control loop for dynamically demanding positioning tasks, preferably using permanent-magnet stepping motors with a cyclic-absolute position transmitter (which is coupled to the rotor shaft) by means of which it is possible to multiply the resolution capability by dividing the structural stepping angle of the stepping motor by large divisor values. The position transmitter is connected on the input side to a first two-phase system. The actual position of the motor is reflected in the phase angle of the output voltage from said position transmitter. Furthermore, there is a second two-phase system whose phase angle is shifted with respect to the first two-phase system in accordance with the required rotation angle. The commutation signals for the motor windings are formed by comparing the phase of the transmitter output voltage with the first two-phase system, and the difference between the desired value and actual value is formed, in the form of a digital signal with a continuously variable duty ratio, by phase comparison with the second two-phase system. This digital signal is supplied directly, or after modification by a regulator, as a current or voltage control signal to the driver circuit of the stepping motor. This arrangement can be designed as an integrated circuit and can be used in printing and writing technology as well as in automation and robot technology. <IMAGE>

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Anordnung für die schnelle Positionierung eines Schrittmotors Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Lageregelkreis für dynamisch anspruchsvolle Positionieraufgaben, vorzugsweise mit Permanentmagnet-Schrittmotoren mit an der Rotorwelle angekoppelten Positionsgeber, mit dem eine Vervielfachung des Auflösungsvermögens durch Teilung das konstruktiven Schrittwinkels des Schrittmotors durch große Teilerwerte möglich ist. Solche Positionierprobleme treten in der Druck- und Schreibtechnik, besonders bei der Positionierung von-Typen-.Arrangement for the quick positioning of a stepper motor Area of application of the invention The invention relates to a position control loop for dynamically demanding Positioning tasks, preferably with permanent magnet stepper motors at the Rotor shaft coupled position encoder, with which a multiplication of the resolving power by dividing the constructive step angle of the stepper motor by large divider values is possible. Such positioning problems occur in printing and writing technology, especially when positioning types.

rädern und Druckwagen bzw. Druckköpfen, sowie in der Autonatisierungs- und Robotertechnik auf.wheels and print carts or print heads, as well as in the automation and robotics.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen In der DE-OS 30 08 239 wird eine Positioniereinerichtung für eine Typenscheibe mit einem Schrittmotor beschrieben, bei der der konstruktive Schrittwinkel des Schrittmotors mit 11i lfe eines Posit ionsgebers in mehrere Schritte unter teilt wird. Dies wird erreicht, indem von Positionsgeber ein zyklisch-absolutes Positions-Istwertsignal geliefert wird, welches in einem analogen Feinregelkreis mit der Sollposition verglichen wird und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs die Motorwicklungen so bestromt erden, daß Soll- und Istposition in Übereinstimmung gebracht werden.Characteristics of the known technical solutions In DE-OS 30 08 239 is a positioning device for a type disk with a stepper motor described in which the constructive step angle of the stepper motor with 11i lfe a position transmitter is divided into several steps. This is achieved by delivering a cyclical absolute position actual value signal from the position encoder which is compared with the target position in an analog fine control loop and depending on the result of the comparison, earth the motor windings with current so that that target and actual position are brought into agreement.

Es ist bei diesem beschriebenen Stand der Technik jedoch nur möglich, pro Teilung des zyklisch-absoluten Positionsgebers eine Position anzufahren. Dadurch ist die Zahl der pro Motorumdrehung zu realisierenden Positionen auf Werte begrenzt, die mit den Schrittzahlen pro Umdrehung von feingeteilten Schrittmotoren, im beschriebenen Ausführungsbeispiel 103, vergleichbar sind.With this prior art described, however, it is only possible to approach one position per division of the cyclic absolute position encoder. Through this the number of positions to be realized per motor revolution is limited to values, those with the number of steps per revolution of finely divided stepper motors, described in Embodiment 103, are comparable.

Weiterhin ist zur Realisierung des in der DE-OS 30 08 239 beschriebenen, Verfahrens ein hoher schaltungstechnischer Aufwand erforderlich, weil die Positionierung über größere Schrittzahlen zuerst über einen digitalen Grob regelkreis erfolgt und erst in der Nähe der Zielposition eine Umschaltung auf einen analogen Feinegelkeis vorgenommen wird.Furthermore, to realize the described in DE-OS 30 08 239, Method requires a high level of circuit complexity because of the positioning over larger numbers of steps is first carried out via a digital coarse control loop and a switchover to an analogue fine-grained circuit is only possible in the vicinity of the target position is made.

Dieser analoge Feinregelkreis muß ausschließlich mit Mitteln der Analogtechnik realisiert werden, wodurch eine Umsetzung der gesamten, für das Verfahren notwendigen, Schaltung in einen oder einige wenige integrierte Schaltkreise behindert, wenn nicht unmöglich, wird.This analog fine control loop must only be made using analog technology can be realized, whereby an implementation of the entire, necessary for the procedure, Circuit in one or a few integrated circuits hindered, if not impossible becomes.

In der DD-PS 211 263 wird eine Positioniereinrichtung mit einem Schrittmotor und eine Positionsgeber beschrieben, bei der der konstruktive Schrittwinkel des Motors vielstufig unterteilt erden kann. Nachteilig ist bei dieser Lösung jedoch, daß im Bereich der Zielposition keine analoge Ausregelung bis zum endgültigen Stillstand des Motors erfolgt, sodaß das Auftreten von Dauerschwingungen mit der Amplitude einer Digitalisierungsstufe der Positionsinformation nicht immer vermeidbar ist. Außerdem ist die Stellung des Motors innerhalb einer Digitalisierungsstufe der Positionsinformation unbestimmt. Weiterhin sind bei dieser Lösung der ebenfalls hohe schaltungstechnische Aufwand und die hohe Stromaufnahme des Schrittmotors, auch bei Stillstand, nachteilig.In the DD-PS 211 263 a positioning device with a stepper motor and a position encoder described in which the constructive step angle of the Motor can be grounded in multiple stages. This solution is disadvantageous However, that in the area of the target position there is no analog adjustment until the final standstill of the motor takes place, so that the occurrence of continuous oscillations with the amplitude a digitization level of the position information is not always avoidable. In addition, the position of the motor is within a digitization level of the position information indefinite. Furthermore, in this solution, the circuitry is also high Effort and the high power consumption of the stepper motor, even at standstill, are disadvantageous.

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, einen Lageregelkreis für dynamisch anspruchsvolle Positionieraufgaben, vorzugsweise mit Permanentmagnetschrittmotoren mit an der Rotorwelle angekoppeltem Positionsgeber, zu entwicfseln der bei vergleichbarem Aufwand und unter Vermeidung der Nachteile der bekannen Lösungen, durch eine Vervielfachung des Auflösungsvermögens hochwertigen Positionieraufgaben in der Druck-und Schreibtechnik, der Automatisierungs- und Robotertechnil; genügt. Der Positionsgeber soll sowohl die Schaltsignale für die Schrittmotorx^/iclslungen bereitstellen wie auch die für den Lageregelkreis notwendigen Informationen liefern. Dabei sollten der Lageregelkreis mit minimalen schaltungstechnischen Aufwand und der informationsverarbeitende Teil durch einen integrierten Schaltkreis mit geringer äußerer Beschaltung realisiert werden.OBJECT OF THE INVENTION The aim of the invention is to provide a position control loop for dynamically demanding positioning tasks, preferably with permanent magnet stepper motors with position encoder coupled to the rotor shaft, to be developed for a comparable one Effort and avoiding the disadvantages of the known solutions, through a multiplication the resolution of high-quality positioning tasks in printing and writing technology, automation and robotics; enough. The position encoder should both provide the switching signals for the stepper motor as well as those for provide the position control loop with the necessary information. The position control loop should with minimal circuitry and the information processing part realized by an integrated circuit with little external wiring will.

Darlegung des Wesens der Erfindung Die technische Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Positioniereinrichtung mit einem Schrittmotor mit an der Rotorwelle angekoppelten Positionsgeber, bei dem eine vielfache Unterteilung der konstruktiven Schrittzahl des Motors und der Teilungszahl des Positionsgebers möglich ist und die eine dynamisch hochwertige Positionierung erreicht. Die gestellte Aufgabe ist mit minimalen Schaltungsaufwand so zu lösen, daß der gesamte informationsverarbeitende Teil der Schaltung durch einen integrierten Schaltkreis mit geringer äußerer Beschaltung realisiert erden kann.Statement of the essence of the invention The technical problem of the invention consists in creating a positioning device with a stepper motor Position encoder coupled to the rotor shaft with multiple subdivisions the structural number of steps of the motor and the number of divisions of the position encoder is possible and which achieves a dynamic, high-quality positioning. The asked Task is to be solved with a minimum of circuitry so that the entire information processing Part of the circuit through an integrated circuit with little external wiring can be realized.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Schittmotor als elektronisch kommutierter Gleichstromrnotor betrieben und über einen Regler mit geeignetem Zeitverhalten eine Strom-oder Spannungsstellung in Abhängigkeit von der Abweichung von der Sollposition vorgenommen. Zur Erfassung der Motor-Ist-Position ist mit der Motorwelle ein Positionsgeber verbunden. Als Geber wird ein zyklisch-absoluter kapazitiver oder induktiver Geber (z. B. Induktosyn) verwendet, dessen Teilung identisch mit der Zahnteilung des Schrittmotors ist, sodaß dieser Geber sowohl für die Positionsmessung als auch für die Kommutierung des Motors verwendet werden kann. Der Geber wird mit vier um jeweils eine Viertelperiode negeneinander phasenverschobenen Rechteckspannungen gespeist, die Grundwelle des Geberausgangssignals UGeber bildet den Drehwinkel des Motors im Phasenwinkel ab gemäß Ugeber = U0sin (#0t+z#) (1) wobei U0 die Amplitude der Geberspannung z die Teilungszahl des Positionsgebers, die die Trägerfrequenz und #den Drehwinkel des Rotors des Gebers, der identisch mit dem Drehwinkel der Motorwelle ist, darstellen.In the solution according to the invention, the step motor is electronic Commutated DC motor operated and via a controller with suitable timing a current or voltage setting as a function of the deviation from the target position performed. A position encoder is attached to the motor shaft to record the actual position of the motor tied together. A cyclic absolute capacitive or inductive encoder is used as the encoder (e.g. Induktosyn) whose pitch is identical to the tooth pitch of the stepper motor so that this encoder is used both for position measurement and for commutation of the engine can be used. The giver is given four by a quarter period fed against each other phase-shifted square-wave voltages, the fundamental wave of the Encoder output signal UGeber maps the angle of rotation of the motor in the phase angle according to Ugeber = U0sin (# 0t + z #) (1) where U0 is the amplitude of the encoder voltage z the Number of division of the position encoder, which the carrier frequency and the angle of rotation of the Represent the rotor of the encoder, which is identical to the angle of rotation of the motor shaft.

Da die Positionsinformation allein im Phasenwinkel der Geberausgangsspannung liegt, kann die weitere Verarbeitung der Positionsinformation in digital abeitenden Baustufen erfolgen, was Voraussetzung für eine integrationsfähige Lösung ist.Since the position information is only in the phase angle of the encoder output voltage the further processing of the position information can be carried out in digital Construction stages take place, which is a prerequisite for an integrable solution.

Die Motorsollposition wird in der Weise vorgegeben, daß ein zweites Zweiphasensystem gegenüber dem Speisspannungssystem ;e ?ositionsgebers um den P'lasenwinkel verschoben wird, der der geforderten Motorbewegung entspricht. Damit kann die Soll-Ist-Differenz des Rotorpositionswinkels durch Phasenvergleich zwischen der Geberausgangsspannung und dem Sollpositionssystem festgestellt werden. Dieser Phasenvergleich kann ebenfalls mit Mitteln der Digitaltechnk vorgenommen werden (z. B. Exklusiv - ODER, D-FF).The target motor position is specified in such a way that a second Two-phase system compared to the supply voltage system; position transmitter around the phase angle is shifted, which corresponds to the required motor movement. This allows the target / actual difference of the rotor position angle by phase comparison between the encoder output voltage and the target position system can be determined. This phase comparison can also be carried out using digital technology (e.g. Exclusive - OR, D-FF).

Am Ausgang des Phasenvergleichers entsteht ein logisches Signal, in dessen Tastverhältnis die Soll-Ist-Differenz abgebildet ist. Erfindungsgemäß wird dieses logische Signal entweder unmittelbar als Spannungs- oder Stromsteuersignal für die Motortreiberstufen verwendet oder es wird zur Verbesserung der Dynamik über einen Regler mit PID-Verhalten und ein nachtriggerbares Monoflopoder eine äqulvalente Baustufe im Zeitverhalten beeinflußt, u(r nach dieser Beeinflussung in der gleichen Weise als Spannungs-oder Stromsteuersignal für die Motortreiberstufen genutzt zu werden.At the output of the phase comparator there is a logic signal, in whose duty cycle the target / actual difference is mapped. According to the invention this logic signal either directly as a voltage or current control signal used for the motor driver stages or it is used to improve the dynamics over a controller with PID behavior and a retriggerable monoflop or an equivalent Construction stage influenced in time behavior, u (r after this influence in the same Way used as a voltage or current control signal for the motor driver stages will.

Ausführungsbeispiel Die Zeichnungen 1 bis 6 stellen dar: Fig. 1 Gesamtschaltplan - Blockschaltbild Fig. 2 Soll-Ist-Positionsvergleich Fig. 3 Darstellung der Soll-Ist-Differenz für Positionsabweichungen, die eine Zahnteilung überschreiten Fig. 4 Modifizeirung des Gebersignals Fig. 5 Phasenfrequenzgang des Phasenschiebers Fig. 6 Schalttlng für die Justage der Symmetrie der Kommutierung und die Justage der Motor-Nullposition Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung soll nachstehend anhand des Clockschaltbildes Fig. 1, in seiner Wirkungsweise näher erläutert werden.Exemplary embodiment The drawings 1 to 6 show: FIG. 1 overall circuit diagram - Block diagram Fig. 2 target / actual position comparison Fig. 3 representation the target / actual difference for position deviations that exceed a tooth pitch Fig. 4 Modification of the encoder signal. Fig. 5 Phase frequency response of the phase shifter Fig. 6 Circuit for the adjustment of the symmetry of the commutation and the adjustment the motor zero position. An embodiment of the solution according to the invention is intended its mode of operation is explained in more detail below with reference to the clock circuit diagram of FIG. 1 will.

Durch einen Frequenzteiler wird zunächst die Taktfrequenz in einem Verhältnis geteilt, welches identisch mit de zu realisierenden Schrittunterteilung, im Beispiel 64 Schritte pro Zahnteilung, ist. Der heruntergeteilte Takt wird einem zweistufigen rückgekoppelten Schieberegister zugeführt, welces zwei um eie Viertelperiode, gegeneinander verschobene Ausgangsspannungen liefert (Zweiphasensystem I).The clock frequency is first divided by a frequency divider in a ratio which is identical to the step division to be implemented, in the example 64 steps per tooth division. The divided clock is fed to a two-stage feedback shift register, welces two by a quarter period, provides output voltages that are shifted against each other (two-phase system I).

Diese Spannungen erden einschließlich ihrer Negationen den zyklisch-absoluten Positionsgeber, z. 3. einem kapazitiven Geber, zugeführt.These tensions, including their negations, ground the cyclic-absolute Position sensor, e.g. 3. a capacitive encoder.

In der Kommutierungsschaltung wird mit einer festgelegten Flanke der Geberausgangsspannung der momentane Zustand des Zweiphasensystems I in die Kommutierungs-FF's übernommen.In the commutation circuit, the Encoder output voltage the current state of the two-phase system I in the commutation FFs accepted.

Der logische Zustand dieser Kommutierungs-FF's entspricht damit der Ist-Position des Motors innerhalb einer Zahnteilung. Die Kommunitierungs-FF's steuern den Leistungstreiber so, daß je nach dem logischen Zustand des vom Regel ausgegebenen Spannungssteuersignals jede Wicklung des Motors dann eingeschaltet wird, enn sic der Motor im Bereicil der ihr zugeordneten positiven oder negativen Halbwelle der M ( (#) - Kennlinie befindet. Damit ist gewährleistet, daß der Motor sein maximales Drehmoment in der durch das Spannungssteuersignal definierten Drehrichtung abgibt. Durch Umschaltung des Spaiinungssteuersignals mit einer Frequenz von ca. 20 KHz kann durch Verstellung des Tastverhältnisses die Motorspannung und damit das Drehmoment zwischen beiden Extremwerten beliebig geregelt werden.The logical state of these commutation FFs thus corresponds to Actual position of the motor within a tooth pitch. Control the communication FFs the performance driver in such a way that depending on the logical state of the output from the rule Voltage control signal each winding of the motor is then switched on if sic the motor in the Bereicil of the positive or negative half-wave assigned to it M ((#) characteristic curve is located. This ensures that the Motor its maximum torque in the defined by the voltage control signal Direction of rotation emits. By switching the relaxation control signal with a frequency of approx. 20 KHz, the motor voltage and so that the torque can be regulated as required between the two extreme values.

Auf diese Weise wird auch erreicht, daß der P.lotor im Stillstand nur noch einen sehr kleinen Strom aufnimmt.In this way it is also achieved that the P.lotor is at a standstill only consumes a very small current.

Ein weiteres Zweiphasensystem II wird von dem die Sollposition vorgebenden Mikrorechnersystem so gesteuert daß sei ne Phasenlage gegenüber dem Zweiphasensystem 1 um den P-hasenwinkel verschoben wird, der der geforderten Motorbewegung entspricht (Sollpositionsvorgabe). Der kleinstmögliche Wert der Phasenverschiebung ist identisch mit der Periodendauer der ungeteilten Taktfrequenz und bestimmt den kleinstmöglichen Motorschritt.Another two-phase system II is the one that specifies the target position Microcomputer system controlled so that its phase position compared to the two-phase system 1 is shifted by the phase angle that corresponds to the required motor movement (Target position specification). The smallest possible value of the phase shift is identical with the period of the undivided clock frequency and determines the smallest possible Motor step.

Das Zweiphasensystem II muß gegenüber dem Zweiphasensystem I eine Phasenverschiebung zulassen, die der im Positioniervorgang maximal auftretenden Differenz zwischen Soll- und Istwert der Motorposition entspricht.The two-phase system II must be compared to the two-phase system I. Allow phase shift that is the maximum that occurs in the positioning process The difference between the setpoint and the actual value corresponds to the motor position.

Zur eindeutigen Bestimmung des Phasenlage des Zweiphasensystems II müssen bei Vorgabe größerer momentaner Phasendifferenzen als # , bezogen auf die Periodendauer T der Ausgangsspannungen des Zweiphasensystems I mit #0T = die Überläufe über die Periodengrenzen vorzeichenrichtig mitgezählt erden. Die Anzahl der Überläufe entspricht dem digitalen Anteil der Soll-Ist-Difierenz. Im Bereich einer Periode des Zweiphasensystems II wird ein analoges Soll-Ist-Differenzsignal in Form eines Tastverhæltnisses eines logischen Signals in der in Fig. 2 dargestellten Weise gebildet.For the clear determination of the phase position of the two-phase system II must be specified when specifying greater momentary phase differences than #, based on the Period T of the output voltages of the two-phase system I with # 0T = the overflows Earth with the correct sign over the period limits. The number of overflows corresponds to the digital part of the target / actual difference. In the area of a period of the two-phase system II is an analog target / actual difference signal in the form of a Duty cycle of a logic signal formed in the manner shown in FIG.

Zu Beginn jeder Periode des Zweiphasensystems II wird durch den Setzimpuls ein D-FF gesetzt und mit der positiven Flanke des Gebersignals zurückgesetzt. Auf diese Art und Weise entsteht an dem genannten FF eine Ausgangsspannung, deren Tastverhältnis von der Phasenlage des Gebersignals abhängig ist. Eine Phasenverschiebung des Gebersignals von cinem Setzimpuls zum nächsten entspricht dabei der Drehung des Motors und des Gebers un eine Teilung. Innerhalb dieser Teilung steigt das Tastverhc:iltnis von Null beginnend lincar an. Bei Überschreitung einer Teilung, sowohl durch Drehung des Motors als auch durch Verschiebung der gegenseitigen Phasenlage der Zweiphasensysteme I und II, wird der digitale Teil der Soll-Ist-Differenz richtungsabhängig weitergezählt. Das FF wird dann in einer seiner beiden stabilen Phasen festgehalten, je nach'den, ob die Differenz positiv oder negativ ist. Insgesamt entsteht durch das Zusammenwirken von Differenzzähler und FF der in Fig. 3 dargestellte Verlauf des die Soll-Ist-Differenz abbildenden Tastverhältnisses.At the beginning of each period of the two-phase system II, the set pulse a D-FF set and reset with the positive edge of the encoder signal. on this kind and Way, an output voltage arises at the mentioned FF, whose duty cycle depends on the phase position of the encoder signal. A phase shift of the encoder signal from one set pulse to the next corresponds to the rotation of the motor and the encoder and a division. The duty cycle increases within this division starting from zero lincar. If a division is exceeded, both by rotation of the motor as well as by shifting the mutual phase position of the two-phase systems I and II, the digital part of the target / actual difference is incremented depending on the direction. The FF is then held in one of its two stable phases, depending on the whether the difference is positive or negative. Overall, it arises from the interaction of the difference counter and FF the curve of the target / actual difference shown in FIG. 3 imaging duty cycle.

Zur Anpassung an die jeweils gestellte Positionieraufgabe kann prinzipiell auch eine andere Aufteilung von digitalen und analogen Anteil der Positionsdifferenz vorgenommen werden.To adapt to the respective positioning task, in principle also a different division of digital and analog part of the position difference be made.

Bei geringen Ansprüchen an die Dynamik des Antriebes kann die Soll-Ist-Diffrenz direkt als Richtungssignal für die Ansteuerung der Leistungsverstärker verwendet werden.In the case of low demands on the dynamics of the drive, the target / actual difference used directly as a directional signal for controlling the power amplifier will.

Damit entsteht für den Antrieb eine statische M(#)-Kennlinie nach Fig. 3. Bei höheren Ansprüchen an die Dynamik ist noch eine Modifizierung des Tastverhaltn isses durc: einen Regel mit angepaßte Zeitverhalten notwendig. Dieser Regler wird im Ausführungsbeispiel durch einen nachtriggerbaren spannungsgesteuerten Univibrator und einen OPV nit entsprechender äußerer Beschaltung realisiert, siehe Gesatschaltplan Fig. 1. Es ist die Realisierung der Regelertypen PD und PID möglich.This creates a static M (#) characteristic for the drive Fig. 3. In the case of higher demands on the dynamics, there is still a modification of the tactile behavior isses durc: a rule with adapted time behavior is necessary. This regulator will in the exemplary embodiment by a retriggerable voltage-controlled univibrator and an OPV with corresponding external wiring, see general circuit diagram Fig. 1. It is possible to implement the PD and PID control types.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird das JeLerausgangssignal entsprechend 3ild 4 modifiziert.In a further embodiment of the invention, the output signal modified according to 3 picture 4.

Da sich die Frequenz des Geberausgangssignals nach der Gleichung z: Teilungszahl des Positionsgebers ergibt, wird durch den frequenzabhängigen Phasenschieber die Ausgangsspannung des VCO, deren Frequenz identisch mit der Frequenz der Geberausgangsspannung ist, vcrzögert. Durch Nachregelung der Phasendifferenz zur Geberspannung (PLL-Schleife) entsteht so am Ausgang des VCO eine Spannung, die gegenüber der Geberspannung voreilend ist. Diese Spannung kann einmal zur Übernahme der Zustände des Zweiphasensystems T in die Kommutierungs-FF's benutzt erden. Dadurch können die Anstiegszeiten der Wicklungsströme kompensiert werden und so die Drehzahl grenze des rotors nach wesentlich höheren Drehzahlen hin verschoben werden.Since the frequency of the encoder output signal is according to the equation z: division number of the position encoder, the frequency-dependent phase shifter delays the output voltage of the VCO, the frequency of which is identical to the frequency of the encoder output voltage. By readjusting the phase difference to the encoder voltage (PLL loop), a voltage is created at the output of the VCO that leads the encoder voltage. This voltage can be used once to take over the states of the two-phase system T in the commutation FFs. This allows the rise times of the winding currents to be compensated and the speed limit of the rotor to be shifted towards significantly higher speeds.

Zum anderen kann diese Spannung zur Bildung der Soll-Ist-Differenz benutzt werden.On the other hand, this voltage can be used to form the target / actual difference to be used.

Ihr Phasenwinkel ergibt sich zu: dabei bedeuten: #PLL : Phasenwinkel der Ausgangsspannung des VCO #rot : Phasenwinkel der Geberausgangsspannung, Drehwinkel des Rotors Phasenfrequenzgang des Phasenschiebers (Bild 5) In der Soll-Ist-Differenz #soll-#PLL ist damit ein geschwindigkeitsproportionaler Anteil enthalten, so daß bei Benutzung der so gebildeten Soll-Ist-Differenz als Spannungs- oder Stronsteuersignal für die Motorendstufen bereits ein PD-Verhalten realisiert wird, bohne daiD das Soll-Ist-Differenzsignal noch durch einen Regler modifiziert werden muß.Your phase angle results from: mean: #PLL: phase angle of the output voltage of the VCO #rot: phase angle of the encoder output voltage, angle of rotation of the rotor Phase frequency response of the phase shifter (Fig. 5) The target / actual difference # soll- # PLL thus contains a component proportional to the speed, so that when the target / actual difference formed in this way is used as a voltage or current control signal for the motor output stages, a PD- Behavior is realized without the fact that the target / actual difference signal still has to be modified by a controller.

Weiterhin kann durch Phasenvergleich von frost und ein geschwindigkeitsproportionales Signal in Form eines logischen Signals mit geschwindigkeitsabhängigem Testverhältnis gewonnen werden, welches in gleicher Weise wie das Soll-Ist-Differenzsignal als Eingangsgröße für den regler zur Verbesserung der Dynamik genutzt werden kann (unterlagerte Geschwindigkeitsregelung).Furthermore, a phase comparison of frost and a speed proportional Signal in the form of a logical signal with a speed-dependent test ratio are obtained, which in the same way as the target / actual difference signal as Input variable for the controller can be used to improve the dynamics (subordinate Speed control).

Weiter können gemäß Figur G einstellbare Verzögerungsglieder in die Zuleitungen zur Kommutierungschaltung und zur Soll-Ist-DiDferenzbildung eingefügt werden. Mit der einstellbaren Verzögerung I kann eine Justage der Symmetrie der Kommutierung erfolgen, d. h. Korrektur der mechanishen Zuordnung des Gebers zu den Motorwicklungen.Furthermore, according to Figure G adjustable delay elements in the Supply lines to the commutation circuit and to the target / actual difference formation added will. The adjustable delay I can be used to adjust the symmetry of the Commutation take place, d. H. Correction of the mechanical assignment of the encoder to the Motor windings.

Mit der einstellbaren Verzögerung II erfolgt die Justage der Motor-Nullposition. Auf diese Weise können aufwendige mechanische Justagen durch wesentl ich leichter auszuführende Einstellungen an den Verzögerungsgliedern ersetzt erden.The adjustment of the motor zero position takes place with the adjustable delay II. In this way, complex mechanical adjustments can be made much easier Replace the settings to be made on the delay elements.

- L e e r s e i t e -- L e r s e i t e -

Claims (8)

Patentansprüche 1. Anordnung für die schnelle Positionierung eines Schrittmotors, insbesondere zur Positionierung von Typenrädern und Druckwagen bzw. Druckköpfen in der Druck- und 3. Schreibtechnik, sowie in der Automatisierungs- und Robotertechnik unter Verwendung eines Permanentmagnet-Schrittmotors mit einem an der Rotorwelle angekoppelten zylindrisch-absoluten Positionsgeber, gekennzeichnet das durch, da3 der Schrittmotor über einen Lageregelkreis gesteuert wird, in dem ein zyklisch-absoluter Geber, bei den der Drehwinkel der Rotorwelle durch die Phasenlage der Geberausgangsspannung abgebildet wird, eingangsseitig an ein erstes Zweiphasensystem angeschlossen ist und dessen Ausgang an eine Kommutierungsschaltur0g für die Motorwicklungen führt, die aus der Ausgangsspannung des Positionsgebers und der des ersten Zwei phasensystems die Umschaltsignale für die Motorwicklungen bildet und in dem xYeiterSlin ein zweites Zweiphasensystems vorhanden ist, dessen Phasenlage entsprechend den geforderten Drehwinkel gegenüber dem ersten Zweiphasensystem verschoben ist und durch einen Phasenvergleicher, der aus der Phasenlage der Ausgangssignale des Positionsgebers und des zweiten Zweiphasensystems die Differenz zwischen Positions-Soll- und Istwert bildet und diese als digitales Signal mit stetig veränderbarem Tastverhältnis direkt oder nach Modifizierung des Tastverhältnisses durch einen Regler mit geeignetem Zeitverhalten als Strom- oder Spannungssteuersignal der Trei berschaltung des Schrittmotors zugeführt wird.Claims 1. Arrangement for the quick positioning of a Stepper motor, especially for positioning type wheels and print trolleys or Print heads in printing and 3rd writing technology, as well as in automation and robotics using a permanent magnet stepper motor with a Cylindrical absolute position encoder coupled to the rotor shaft, marked This is due to the fact that the stepper motor is controlled via a position control loop in which a cyclical absolute encoder in which the angle of rotation of the rotor shaft is determined by the phase position the encoder output voltage is mapped to a first two-phase system on the input side is connected and its output to a commutation circuit for the motor windings that results from the output voltage of the position encoder and that of the first two phase system forms the switching signals for the motor windings and in the xYeiterSlin a second two-phase system is present, the phase position of which corresponds to the required angle of rotation is shifted compared to the first two-phase system and by a phase comparator, which is based on the phase position of the output signals of the position transmitter and the second two-phase system, the difference between the position setpoint and actual value and this directly as a digital signal with a continuously variable duty cycle or after modifying the duty cycle by a controller with a suitable Time behavior as a current or voltage control signal of the driver circuit of the stepper motor is fed. 2. Positioniereinrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs Spannung des Gebers einem Eingang eines Phasenregelkreises zugefi:hrt wird an dessen anderem Eingang die durch einen Phasenschieber verzögerte Aus- gangspannung eines VCO liegt und dadurch ein modifiziertes Positionssignal UVCO gebildet wird, welches einen geschwindigkeitsabhängigen Vorhalt gegenüber dem ursprünglichen Positionssignal aufweist.2. Positioning device according to item 1, characterized in that the output voltage of the encoder is fed to an input of a phase-locked loop at its other input the output delayed by a phase shifter is gear voltage of a VCO and thereby a modified position signal UVCO is formed, which is a speed-dependent lead with respect to the original position signal having. 3. Positioniereinrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß das modifizierte Positionssignal zur Vorhaltbildung bei der Kommutierung der Motorwicklungen genutzt wird.3. Positioning device according to item 2, characterized in that the modified position signal for generating the lead when commutating the motor windings is being used. 4. Positioniereinrichtung nach Punkt 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß das modifizierte Positionssignal zur Bildung der Soll-Ist-Differenz genutzt wird um ein PD-Verhalten des Lageregelkreises zu erzielen.4. Positioning device according to point 2 or 3, characterized in that that the modified position signal is used to form the target / actual difference is used to achieve a PD behavior of the position control loop. 5. Positioniereinrichtung nach einen der Punkte 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß durch Phasenvergleich zwischen dem ursprünglichen Positionssignal und dem modifixierten Positionssignal ein geschwindigkeitsabhängiges Signal gebildet wird, welches als Eingangssignal für den Regel zur Realisierung einer unterlagerten Geschwindig-eitsregelung oder zur Bedämpfung des regelkrelses genutzt wird.5. Positioning device according to one of points 2 to 4, marked in that by phase comparison between the original position signal and a speed-dependent signal is formed from the modified position signal is used as the input signal for the rule to implement a subordinate Speed control or to dampen the control loop. 6. Positioniereinrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs signal des Positionsgebers einem frequenzabhängigen Phasenschieberglied zugeführt wi rd und daß durch Phasenverg leich zwischen den Ausgangesignal des Positionsgebers und dem Ausgangssignal des Phasenschiebers ein geschwindigkeitsabhängiges Signal gebildet wird, welches als Eingangssignal für den regel zur realisierung einer unterlagerten Geschwindigkeitsregelung oder zur Bedämpfung des Regelkreises genutzt wird.6. Positioning device according to item 1, characterized in that the output signal of the position transmitter to a frequency-dependent phase shifter element supplied wi rd and that by phase comparison between the output signal of the position encoder and the output signal of the phase shifter, a speed-dependent signal is formed, which is used as an input signal for the rule to implement a subordinate Speed control or to dampen the control loop is used. 7. Positioniereinrichtuny nach Punkt 1 oder nach einen. der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daD das der Kommutierungsschaltung zugeführte Positionssignal er ein einstellbares Verzögerungsglied geleitet und mit diesem eine Justage der Kommutierung vorgenommen wird.7. Positioning device according to point 1 or according to a. of claims 3 to 6, characterized in that the position signal fed to the commutation circuit he passed an adjustable delay element and with this an adjustment of the Commutation is made. 8. Positioniereinrichtung nach einem der Punkte 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Positionssignal zur Soll-Ist-Differenzbildung über ein einstellbares Verzögerungsglied geführt und mit diesem eine Justage der Nullposition vorgenommen wird.8. Positioning device according to one of points 1 to 7, characterized in that the position signal for the target / actual difference formation via an adjustable Delay element out and made with this an adjustment of the zero position will.
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