DE3620472A1 - Positioning drive - Google Patents

Positioning drive

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DE3620472A1
DE3620472A1 DE19863620472 DE3620472A DE3620472A1 DE 3620472 A1 DE3620472 A1 DE 3620472A1 DE 19863620472 DE19863620472 DE 19863620472 DE 3620472 A DE3620472 A DE 3620472A DE 3620472 A1 DE3620472 A1 DE 3620472A1
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DE
Germany
Prior art keywords
phase
frequency
screw thread
converter
steps
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19863620472
Other languages
German (de)
Inventor
Peter-Klaus Prof Dr Sc T Budig
Heinz Dr Sc Techn Timmel
Stefan Dr Ing Eberl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BUDIG, PETER-KLAUS, PROF. DR.SC.TECHN., O-9043 CHE
Original Assignee
Technische Hochschule Karl-Marx-Stadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of DE3620472A1 publication Critical patent/DE3620472A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • G05B19/40—Open loop systems, e.g. using stepping motor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

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  • Human Computer Interaction (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Control Of Stepping Motors (AREA)

Abstract

The invention of a positioning drive relates to a translational positioning drive which implements steps which are defined in a controlled manner. Field of application: electronic device construction, handling technology. Aim: to reduce the mechanical/technical complexity of translational positioning drives and to design them to be mechanically more robust. Object: to specify a mechanically simple, robust, translational direct drive, without a transmission, for positioning with an elementary step which is theoretically as small as is desired and a movement path length which is theoretically unlimited, whose desired movement path can be controlled directly by stating the number of steps. According to the invention, the object is achieved by means of a linear m-phase screw thread reluctance motor, a controlled converter (which produces a variable frequency m-phase voltage even at zero frequency), and a programmable digital control arrangement for producing an m-phase rotating-vector voltage at the output of a connected converter. It has been found that the screw thread reluctance motor (which was previously supplied with a rotating-vector current at a frequency greater than zero) can be used as a stepping motor if it is also supplied with an m-phase rotating-vector current at zero frequency. In consequence, direction reversal, elementary step lengths in the mu m range and unlimited movement path lengths can be implemented.

Description

Das Anwendungsgebiet der ErfindungThe field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen translatorischen Positionierantrieb, der gesteuert definierte Schritte realisiert. Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar im Feingerätebau und in der Handhabetechnik.The invention relates to a translatory positioning drive, who realizes controlled defined steps. The invention is advantageously applicable in the construction of fine devices and in the Handling technology.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es sind verschiedene translatorische Positionierantriebe bekannt. Diese erfordern meist einen hohen regelungstechnischen Aufwand. Deshalb ist man bestrebt, zur Aufwandverringerung Schrittmotore einzusetzen. Das sind Motore, die ungeregelt definierte Schritte realisieren.Various translatory positioning drives are known. These usually require a high level of control technology Expenditure. Therefore one strives to reduce expenses Use stepper motors. These are motors that are unregulated implement defined steps.

Auch sind Positionierantriebe mit sehr kleiner Elementarschrittlänge unter Anwendung des piezoelektrischen oder des magnetostriktiven Effekts bekannt. Nachteilig ist deren begrenzte Verschiebeweglänge.There are also positioning drives with a very small elementary step length using the piezoelectric or known magnetostrictive effect. Their limited is disadvantageous Displacement distance.

Bei den bekannten und sehr robusten translatorischen Positionierantrieben mit Schrittmotoren nach dem Reluktanzprinzip ist die Elementarschrittlänge durch die Geometrie des Motors bestimmt und auch begrenzt. Elementarschrittlängen im μm-Bereich sind selbst mit sehr aufwendigen Steuerungen nicht möglich.In the known and very robust translatory positioning drives with stepper motors based on the reluctance principle the elementary stride length is determined by the geometry of the motor and also limited. Elementary step lengths in the μm range are not possible even with very complex controls.

Das Ziel der ErfindungThe aim of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, den mechanisch-technischen Aufwand von translatorischen Positionierantrieben zu verringern und diese mechanisch robuster zu gestalten.The aim of the invention is the mechanical-technical Reduce the effort of translatory positioning drives and to make them mechanically more robust.

Das Wesen der ErfindungThe essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen mechanisch einfachen, robusten translatorischen getriebelosen Direktantrieb zur Positionierung mit theoretisch beliebig kleinem Elementarschritt und theoretisch unbegrenzter Verfahrweglänge anzugeben, dessen gewünschter Verfahrweg durch Angabe der Schrittzahl direkt mit einem einzigen digitalen Wort steuerbar ist.The object of the invention is therefore to provide a mechanically simple, robust translational gearless direct drive for positioning with a theoretically arbitrary small elementary step and to specify theoretically unlimited travel length, its desired travel path by specifying the number of steps can be controlled directly with a single digital word.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, einen solchen Positionierantrieb anzugeben, mit
einem linearen m-phasigen Schraubengewindereluktanzmotor,
einem gesteuerten Umrichter, der eine frequenzvariable m- phasige Spannung, auch mit der Frequenz Null erzeugt und
eine programmierbaren digitalen Steueranordnung für die Erzeugung einer m-phasigen Drehspannung am Ausgang eines angeschlossenen Umrichters dadurch gelöst,
daß der Ausgang einer programmierbaren digitalen Steueranordnung mit dem Steuereingang eines gesteuerten Umrichters, der eine frequenzvariable m-phasige Spannung, auch mit der Frequenz Null erzeugt, verbunden ist,
daß der Ausgang des Umrichters mit den Anschlüssen eines Schraubengewindereluktanzmotors verbunden ist,
daß die Steueranordnung so programmiert ist, daß die Ausgangsspannungen des Umrichters ein m-phasiges Drehspannungssystem bilden,
daß die Steuerung der Bewegung des Schraubengewindereluktanzmotors durch eine schrittweise phasenrichtige Änderung der m Phasenspannungen ohne Auslassung eines Schrittes des m-phasigen Drehspannungssystems erfolgt.According to the invention, the task of specifying such a positioning drive with
a linear m- phase screw thread reluctance motor,
a controlled converter which generates a frequency variable m - phase voltage, also with zero frequency and
solved a programmable digital control arrangement for the generation of an m- phase three-phase voltage at the output of a connected converter,
that the output of a programmable digital control arrangement is connected to the control input of a controlled converter which generates a frequency-variable m -phase voltage, also with the frequency zero,
that the output of the converter is connected to the connections of a screw thread reluctance motor,
that the control arrangement is programmed so that the output voltages of the converter form an m -phase three-phase voltage system,
that the control of the movement of the screw thread reluctance motor is carried out by a step-wise change in phase of the m phase voltages without omitting a step of the m- phase three-phase voltage system.

Es wurde gefunden, daß der bisher mit Drehstrom einer Frequenz größer als Null gespeiste Schraubengewindereluktanzmotor hervorragend als Schrittmotor anwendbar ist, wenn er erfindungsgemäß auch mit einem m-phasigen Drehstrom der Frequenz Null gespeist wird, da er dann seine Position mit einer stromabhängigen Haltekraft beibehält. Soll dessen Position geändert werden, sind die m Phasen des Drehstroms einzuspeisen, die gegenüber den Phasen der vorigen Position um einen kleinsten Phasenschritt verändert sind. Dieser Phasenschritt bestimmt die Elementarschrittlänge.
Die Bewegungsrichtung wird dadurch bestimmt, welche der zwei zu den m Phasenströmen der Ausgangsposition benachbarten je m Phasenströme eingespeist werden.It has been found that the screw thread reluctance motor previously fed with three-phase current of a frequency greater than zero can be used excellently as a stepping motor if, according to the invention, it is also fed with an m -phase three-phase current of zero frequency, since it then maintains its position with a current-dependent holding force. If its position is to be changed, the m phases of the three-phase current must be fed in, which are changed by a smallest phase step compared to the phases of the previous position. This phase step determines the elementary step length.
The direction of movement is determined, which are fed to the two to the m phase currents of the home position adjacent each m phase currents.

Die maximale Verschiebeweglänge wird nur durch die Läuferlänge begrenzt.The maximum displacement distance is only determined by the runner length limited.

Es ist zweckmäßig, daß in der programmierbaren Steueranordnung gespeicherte Schritte oder Schrittfolgen abarbeitbar sind oder daß Schritte oder Schrittfolgen von einer übergeordneten Anordnung gesteuert abarbeitbar sind und dadurch der Läufer des Schraubengewindereluktanzmotors, ausgehend von einer beliebigen Startposition, eine vorgebbare Endposition einnimmt.
Bei der Programmierung der Schritte oder Schrittfolgen sind die bekannten Bedingungen an Schrittmotorsteuerungen zu beachten, damit beispielsweise keine Schrittverluste auftreten. It is expedient that steps or sequences of steps stored in the programmable control arrangement can be processed or that steps or sequences of steps can be processed in a controlled manner by a higher-level arrangement and as a result the rotor of the screw thread reluctance motor assumes a predeterminable end position starting from any starting position.
When programming the steps or step sequences, the known conditions on stepper motor controls must be observed so that, for example, no step losses occur.

AusführungsbeispielEmbodiment

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail.

Dabei sind folgende Baugruppen zur erfindungsgemäßen Anordnung verknüpft:
Ein dreisträngiger Schraubengewindereluktanzmotor mit einer Kippkraft von etwa 65 N und einer Ganghöhe von 2,5 mm.
Ein dreiphasiger Transistorpulswechselrichter mit Spannungszwischenkreis, der ein dreiphasiges Drehspannungssystem nach dem Pulsbreitenmodulationsverfahren auch mit der Frequenz Null erzeugt.
Eine programmierbare digitale Steueranordnung mit einer einprogrammierten sinusförmigen Drehspannungssollwertquelle und einem Steuerprogramm für die Berechnung der Schrittzahlen zwischen zwei Positionen oder der Abarbeitung einer programmierten Schrittfolge.
Es wurde eine Wortbreite von 8 Bit gewählt. Weiterhin sind 240 Funktionswerte je Periode der Sinusschwingung gespeichert. Daraus resultieren eine Elementarschrittlänge von 20,83 μm und ein Phasenschritt von 1,5 Grad. Mit einer Drehspannungsfrequenz von 20 Hz erreicht man eine Vorschubgeschwindigkeit von 100 mm/s, wofür eine Speicherkapazität von weniger als 1 KByte ausreichend ist.
Durch eine reibungsarme Lagerung des Läufers wurde ein Fehler von weniger als 1 μm für den gesamten Verschiebweg ermittelt! Zur Änderung der Position des translatorisch bewegten Läufers werden die drei Stränge des Ständers so gespeist, daß die Ströme der neuen Position gegenüber den Strömen der Ausgangsposition um einen Phasenschritt verändert sind. Je nach dem Vorzeichen der Änderung erfolgt eine Vor- oder Rückwärtsbewegung des Läufers.
Problemlos wurden Verschiebeweglängen von 500 mm erreicht.The following modules are linked to the arrangement according to the invention:
A three-strand screw thread reluctance motor with a tipping force of approximately 65 N and a pitch of 2.5 mm.
A three-phase transistor pulse inverter with voltage intermediate circuit, which also generates a three-phase three-phase voltage system using the pulse width modulation method with zero frequency.
A programmable digital control arrangement with a programmed sinusoidal three-phase voltage setpoint source and a control program for the calculation of the number of steps between two positions or the execution of a programmed step sequence.
A word length of 8 bits was selected. Furthermore, 240 function values per period of the sine wave are stored. This results in an elementary step length of 20.83 μm and a phase step of 1.5 degrees. With a three-phase voltage frequency of 20 Hz, a feed rate of 100 mm / s can be achieved, for which a storage capacity of less than 1 Kbyte is sufficient.
Due to the low-friction bearing of the rotor, an error of less than 1 μm was determined for the entire displacement path! To change the position of the translationally moved rotor, the three strands of the stator are fed in such a way that the currents of the new position are changed by one phase step compared to the currents of the starting position. Depending on the sign of the change, the runner moves forwards or backwards.
Displacement lengths of 500 mm were easily achieved.

In der Steuerung werden die notwendigen Phasenschritte von einer Position zur anderen ermittelt und abgespeichert. Diese Phasenschrittfolgen sind auch von einer übergeordneten Steuerung vorgebbar, wodurch beliebige Weg-Zeit-Verläufe der Verschiebung des Läufers realisierbar sind. Die Steuerung übernimmt auch die Ansteuerung des Umrichters zur Realisierung der zu einem Phasenschritt gehörenden Phasenspannungen.The necessary phase steps of determined and stored from one position to another. These Phase step sequences are also from a higher-level control can be specified, whereby any path-time courses of the shift of the runner are realizable. Control takes over also the control of the converter to implement the phase voltages belonging to a phase step.

Claims (2)

1. Positionierantrieb, bestehend aus
einem linearen m-phasigen Schraubengewindereluktanzmotor,
einem gesteuerten Umrichter, der eine frequenzvariable m- phasige Spannung, auch mit der Frequenz Null erzeugt und
einer programmierbaren digitalen Steueranordnung für die Erzeugung einer m-phasigen Drehspannung am Ausgang eines angeschlossenen Umrichters, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ausgang einer programmierbaren digitalen Steueranordnung mit dem Steuereingang eines gesteuerten Umrichters, der eine frequenzvariable m-phasige Spannung, auch mit der Frequenz Null erzeugt, verbunden ist,
daß der Ausgang des Umrichters mit den Anschlüssen eines Schraubengewindereluktanzmotors verbunden ist,
daß die Steueranordnung so programmiert ist, daß die Ausgangsspannungen des Umrichters ein m-phasiges Drehspannungssystem bilden,
daß die Steuerung der Bewegung des Schraubengewindereluktanzmotors durch eine schrittweise phasenrichtige Änderung der m Phasenspannungen ohne Auslassung eines Schrittes des m-phasigen Drehspannungssystems erfolgt.1. Positioning drive consisting of
a linear m- phase screw thread reluctance motor,
a controlled converter which generates a frequency variable m - phase voltage, also with zero frequency and
a programmable digital control arrangement for generating an m -phase three-phase voltage at the output of a connected converter, characterized in that
the output of a programmable digital control arrangement is connected to the control input of a controlled converter, which is connected to a frequency-variable m -phase voltage, also generated with the frequency zero,
that the output of the converter is connected to the connections of a screw thread reluctance motor,
that the control arrangement is programmed so that the output voltages of the converter form an m -phase three-phase voltage system,
that the control of the movement of the screw thread reluctance motor is carried out by a step-wise change in phase of the m phase voltages without omitting a step of the m- phase three-phase voltage system. 2. Positionierantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in der programmierbaren Steueranordnung gespeicherte Schritte oder Schrittfolgen abarbeitbar sind oder
daß Schritte oder Schrittfolgen von einer übergeordneten Anordnung gesteuert abarbeitbar sind und dadurch der Läufer des Schraubengewindereluktanzmotors, ausgehend von einer beliebigen Startposition, eine vorgebbare Endposition einnimmt.2. Positioning drive according to claim 1, characterized in
that steps or sequences of steps stored in the programmable control arrangement can be processed or
that steps or sequences of steps can be processed in a controlled manner by a higher-level arrangement and, as a result, the rotor of the screw thread reluctance motor assumes a predeterminable end position, starting from any starting position.
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DD256782A1 (en) 1988-05-18

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