DE4230064A1 - Inkremental winkelmessender Positionierantrieb und Verfahren zur Winkelpositionierung - Google Patents
Inkremental winkelmessender Positionierantrieb und Verfahren zur WinkelpositionierungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen inkremental winkelmessenden
Positionierantrieb und ein Verfahren zur Winkelpositionie
rung nach Patent Nr. DE 41 09 970. In dem genannten Patent wurde
die Aufgabe gelöst, eine Anordnung zu schaffen und ein Verfah
ren anzugeben, bei der ein selbstanlaufender Synchronmotor eine
Strahlungssender-Empfänger-Kombination auf eine Zielmarke zu
bewegt. Während des Laufes des Synchronmotors wurden als Win
kelinkremente hochfrequente Rechteckimpulse eines Quarzgenera
tors in den Winkelzähler eingezählt. Aus den hochfrequenten
Rechteckimpulsen wurden durch Frequenzteilung niederfrequente
Rechteckimpulse gewonnen, aus diesen mit einem Tiefpaß die
Sinusgrundwelle herausgefiltert und mit der genannten Sinus
spannung, entsprechend verstärkt und transformiert, der Syn
chronmotor gespeist. Motorlauf und Winkelzählung wurden zeit
versetzt um einen Hochfrequenzimpuls gestartet und synchron
gestoppt. Für den Betrieb des Synchronmotors unter wechselnden
Lasten wurden Anordnung und Verfahren zur Korrektur des auf
tretenden Polradwinkels angegeben. Diese beruhen darauf, den
polradwinkelproportionalen Zählerstand eines Korrekturzählers
vom Zählerstand des Winkelzählers zu subtrahieren und die Dif
ferenz als Winkelwert auszugeben. Die Korrekturzählung erfolgt
für jede postive Halbwelle der Motorspannung und bleibt während
der Dauer der negativen Halbwelle gespeichert.
Anordnung und Verfahren des Hauptpatentes haben den Nachteil,
daß sie nicht zum Führen einer Baugruppe auf einen vorgegebenen
Zielpunkt im Raum ohne Zielmarke geeignet sind. Insbesondere im
Maschinenbau und Schwermaschinenbau besteht die Aufgabe, Bau
gruppen mittels Positionierantrieben auf gegebene Punkte zu
bewegen und Bewegungen nach elektronisch gespeicherten Program
men ausführen zu lassen. Auch in der Industrierobotertechnik
wird gefordert, elektronisch gespeicherte Koordinaten in zeit
lich ablaufende Bewegungsvorgänge umzusetzen. Die erfindungsge
mäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren vermeiden den
Nachteil des Hauptpatentes. Sie sind grundsätzlich geeignet für
Werkstück- und /oder Werkzeugzustellantriebe bei numerisch
gesteuerten Werkzeugmaschinen, für Positionierantriebe der
Textil- und Papierverarbeitungstechnik, für elektronisch ge
steuerte Positionierantriebe an Maschinen und Anlagen zu Her
stellung elektronischer Bauelemente, für Positionierantriebe
von Industrierobotern und Manipulatoren und ähnliche Positio
nieraufgaben.
Es ist bekannt, zur Positionierung Anordnungen anzuwenden, bei
denen mit dem Antrieb gekuppelte Stellungsmelder angewendet
werden. Als Stellungsmelder finden Inkrementalgeber, Absolutgeber
Drehmelder und ähnliche Anordnungen Anwendung, die sämtlich
materielle Winkelskalen sind. Als stetig positionierende An
triebe werden auf dem Stande der Technik insbesondere Wechsel
strom-Asynchronmotore und Gleichstrommotore mit oder ohne
leistungselektronischen Stellmitteln für Drehzahl und/oder
Drehmoment eingesetzt. Unstetig positionierende Antriebe werden
mit verschiedenen Arten von Schrittmotoren realisiert.
Allen bekannten Anordnungen gemeinsam ist der Nachteil, daß die
Stellungsmelder materielle Winkelskalen darstellen, die
mechanische Fehler aufweisen und daß Antrieb und Stellungsmel
der gesonderte Baugruppen darstellen, die in geeigneter Weise
erst miteinander gekuppelt werden müssen, wodurch kupplungsspe
zifische Fehler auftreten. So wurde bereits vorgeschlagen, mit
Hilfe eines Signalprozessors die momentane Lage × a des zu
positionierenden Gliedes mit der Ziellage × n zu vergleichen,
hieraus eine Sollwertkurve zu berechnen und mit dieser Soll
wertkurve den Strom für den Antrieb zu steuern, vgl. DE-OS 40 21 800 A1,
Int. Kl. G 05 D 3/12. Dieses Verfahren und seine
zugehörige Einrichtung hat neben den bereits genannten
Nachteilen die zusätzlichen Nachteile der Anfälligkeit gegen
Regelschwingungen und externe Störimpulse, die mit zusätzlichem
Aufwand eliminiert werden müssen. Die Anordnung der DE-OS 29 38 040 A1,
Int. Kl. G 05 D 3/20 verwendet die Elemente: 8-bit
Mikroprozessor, Dreipunktregler mit PLL und einen spannungsge
steuerter Oszillator mit nachgeschaltetem Komparator. Sie weist
als Merkmal eine Rückkopplungsschleife zwischen Komparator und
Steuereingang des Oszillators auf und verwendet als Antrieb
einen Kupplungsmotor. In der Zusatzanmeldung DE-OS 30 11 587 A1
wird im Anspruch 1 ein Programmträgerleser erwähnt und als
Antrieb ein GS-Motor genannt. Auch die DE-OS 41 03 666 A1, Int.
Kl. G 05 D 3/20 verwendet als Stellungsmelder ein inkremen
tales Wegemeßsystem und zur Auswertung einen Rechner.
In der DE-OS 36 20 472 A1, Int. Kl. G 05 D 3/20, wird als An
trieb ein Schraubengewindereluktanzmotor angewendet, der als
Schrittmotor wirkt. Schrittmotore als Antriebe werden auch in
der DE-OS 33 09 433 und der DE-OS 32 37 499 gleicher Klasse
angewendet. Schrittmotore haben den Nachteil, daß die Positio
nierauflösung auf einen Schritt oder den durch Teilschrittbe
trieb und/oder Getriebeübersetzung vorgegebenen Teil eines
Schrittes begrenzt ist. Als Positionierantriebe ohne angekup
pelte Stellungsmelder sind sie nur im unbelasteten Zustand oder
bei vernachlässigbar geringer Belastung anwendbar. Bei
belasteten Schrittmotoren stellt sich ein lastveränderlicher
Nachlaufwinkel zwischen Drehfeld und Rotorstellung ein (Polrad
winkel oder Lastwinkel), so daß die tatsächlich erreichte Posi
tion noch mit einem herkömmlichen Stellungsmelder überprüft
werden muß. Zum Polradwinkel von Schrittmotoren vgl.: "Funk-
Technik 41 (1986), Heft 6, Seite 257, Bild 9.7".
Es ist das Ziel der Erfindung, bei Anordnungen und Verfahren
zur Winkelpositionierung eine Kosten- und Gewichtseinsparung
durch Senkung des Aufwandes im feinmechanischen und optischen
Bereich und bei anordnungseigener Rechentechnik zu erzielen.
Gleichzeitig wird eine Erhöhung von Zuverlässigkeit, Meßgenau
igkeit und Auflösungsvermögen angestrebt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen inkremental
winkelmessenden Positionierantrieb zu schaffen und ein
Verfahren zur Winkelpositionierung anzugeben, bei dem ein
Elektromotor stetige vorgegebene reproduzierbare Winkelbewegun
gen ausführt. Diese Bewegungen sollen durch voreingestellte
elektronische Zähler vorgegeben sein und durch Ruckwärtsein
zählen von Impulsen in diese Zähler bis zur Nullstellung ausge
führt werden, ohne daß einer der bekannten Stellungsmelder mit
der Drehachse des Motors gekuppelt sein muß. Eine Anwendung von
einem oder mehreren Mikrorechnern ausschließlich zur Auswertung
der Signale von Stellungsmeldern und zur Umsetzung dieser Sig
nale in Nachführungsgrößen ist zur Anwendung dieser Erfindung
nicht erforderlich, hingegen ist die Gesamtanordnung für
Rechner- und Rechnernetzbetrieb vorzugsweise geeignet. Erfin
dungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Elektro
motor als Synchronmotor ausgebildet ist, der von einer Wechsel
spannung konstanter Frequenz gespeist wird. Diese Wechselspan
nung wird als Hochfrequenzspannung in einem Quarzgenerator
erzeugt, in eine Folge von Rechteckimpulsen umgewandelt und mit
einem Frequenzteiler auf die Motorfrequenz heruntergeteilt. Aus
der Rechteckspannung auf Motorfrequenz am Ausgang des Frequenz
teilers wird mit einem Tiefpaß die Sinusgrundwelle herausge
filtert. Diese Sinusspannung auf Motorfrequenz wird in einem
schmalbandigen NF-Verstärker verstärkt und über den Ausgangs
transformator des Verstärkers dem Synchronmotor zugeführt. Da
bei Stellmotoren häufig eine veränderliche Drehzahl gefordert
wird, kann diese bei Bedarf vorteilhaft durch Nachschaltung
eines PLL-Frequenzsynthesizers nach der Quarzstufe erreicht
werden. Es ist dann der Tiefpaß für den einstellbaren Frequenz
bereich auszulegen. Die hochfrequenten Rechteckimpulse werden
als Winkelinkremente dem Winkelzähler zugeführt. Der Winkelzäh
ler ist als Rückwärtszähler mit Voreinstelleingängen für den
Winkelsollwert ausgestaltet. Alle Stufenausgänge des Winkelzäh
lers sind mit den Eingängen eines Und-Gatters (Sammelgatter)
verbunden, das die UND-Bedingung: "Alle Stufenausgänge auf Tief-
Signal" realisiert. In den Stromkreisen der hochfrequenten und
der niederfrequenten Rechteckimpulse sind synchron schaltende
Torschaltungen angeordnet, die als UND-Gatter ausgebildet sind.
Das im NF-Stromkreis angeordnete Motorgatter startet und
stoppt den Motor. Das im HF-Stromkreis angeordnete Zählergatter
startet die Einzählung der als Winkelinkremente verwendeten HF-
Rechteckimpulse zu dem Zeitpunkt: "Ein Hochfrequenz-Rechteck
impuls nach dem Start des Motors" und stoppt die Einzählung
dann, wenn die geforderte Position erreicht ist (Ausgang
Sammelgatter Tief-Signal). Eine dritte Torschaltung, die eben
falls als UND-Gatter ausgebildet ist, das Startgatter, wirkt
sowohl auf das Motorgatter als auch auf das Zählergatter. Die
Schaltzustände der Anordnung werden in 4 Speichern festgehal
ten, dem Startspeicher, dem Motorlaufspeicher, dem Zählervor
speicher und dem Zählerhauptspeicher. Der Startspeicher ist als
RS-Flipflop, die anderen Speicher sind als D-Flipflops ausge
bildet. Da bei belasteten Synchronmotoren der Nachlaufwinkel
zwischen Drehfeld und Rotorstellung sich mit der Belastung
ändert (Polradwinkel), war eine Anordnung zu schaffen und ein
Verfahren anzugeben, das die erreichte Position bei nicht ver
nachlässigbaren Polradwinkel belastungsabhängig korrigiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vom
Synchronmotor ein auf der gleichen Achse angeordneter Syn
chrongenerator angetrieben wird. Motor- und Generatorspannung
werden in Form von Rechteckimpulsfolgen einem Phasenvergleicher
zugeführt, der als 4fach-UND-Gatter ausgebildet ist (Korrek
turgatter). Die Motor- und Generator-Rechteckimpulsfolgen
werden, zueinander negiert, zwei Gattereingängen zugeführt, am
dritten Eingang liegt die Hochfrequenzrechteckimpulsfolge vom
Quarzgenerator. Der vierte Gattereingang ist mit dem Ausgang
eines D-Flipflops (Stopspeicher) verbunden, der das Gatter je
weils während der positiven Halbwelle der Motorfrequenz-Recht
eckimpulsspannung öffnet und während der negativen Halbwelle
sperrt. Am Ausgang des Korrekturgatters ist der Korrekturzähler
angeordnet. Hat der Polradwinkel den Wert 0, dann ist das Kor
rekturgatter gesperrt, es erfolgt keine Einzählung in den Kor
rekturzähler. Bei Auftreten eines Polradwinkels sind Motor und
Generatorspannung zueinander phasenverschoben, dann werden in
den Korrekturzähler HF-Rechteckimpulse eingezählt, die ein Maß
für den Polradwinkel sind. Der Zählerstand des Korrekturzählers
wird in einem Korrekturspeicher gespeichert. Der Korrektur
speicher ist ebenfalls als voreinstellbarer Rückwärtszähler
ausgebildet. Die Einspeicherung erfolgt am Ende jeder Periode
der Motorwechselspannung. Die Stufenausgänge des Korrekturspei
chers sind wie die Stufenausgänge des Winkelzählers über ein
Dekodiergatter an das Sammelgatter angeschlossen, das Dekodier
gatter Stufe (n+1). Im Korrekturspeicher ist die Anzahl Winkel
inkremente gespeichert, die das Positionierobjekt noch von der
Sollposition entfernt ist. Da der Korrekturspeicher am Ende
jeder positiven Halbwelle der Motorwechselspannung neu geladen
wird, steht damit zu jedem möglichen Abschaltzeitpunkt ein
auswertbarer Polradwinkelmeßwert zur Verfügung.
Das erfindungsgemäße Positionierungsverfahren besteht aus fol
genden Verfahrensschritten:
- 1. Reset und Resetaufhebung der Gesamtanordnung.
- 2. Einlesen der Sollposition in die Stufen des Winkelzählers.
- 3. Kippen des Startspeichers, damit Vorbereiten des Startgat ters, des Motorgatters und des Zählergatters.
- 4. Öffnen des Startgatters mit dem ersten NF- und dem ersten HF-Impuls nach Kippen des Startspeichers, hiermit Kippen des Motorlaufspeichers.
- 5. Öffnen des mit den Ausgangssignalen von Startspeicher und Motorlaufspeicher vorbereiteten Motorgatters mit dem ersten nach Kippen des Motorlaufspeichers eintreffendem NF-Rechteckim puls - Motor beginnt zu laufen - Zählervorspeicher wird gekippt.
- 6. Der gekippte Zählervorspeicher bereitet mit seinem nicht negierten Ausgang den Zählerhauptspeicher zum Kippen vor. Dieser kippt einen HF-Rechteckimpuls nach Motorlaufbeginn und startet die Einzählung in den vorher voreingestellten Winkelzähler.
- 7. Bei Auftreten eines Polradwinkels wird das Korrekturgatter durch den Phasenwinkel zwischen Motor- und Generatorspannung geöffnet und damit HF-Rechteckimpulse in den Korrekturzähler eingezählt. Am Ende einer jeden Periode der Motorwechselspan nung wird der Zählerstand des Korrekturzählers in den Korrek turspeicher übernommen.
- 8. Der Winkelzähler zählt rückwärts bis zum Zustand: "Alle Stufenausgänge Tief-Signal". Es wird die Sollposition abzüglich des Polradwinkels erreicht.
- 9. Der Korrekturspeicher wird so lange rückwärts gezählt, bis alle seine Stufen Tief-Signal erreicht haben. Nun ist die Soll position erreicht. Mit dem Tief-Signal am Ausgang des Sammel gatters wird der Startspeicher rückgesetzt und damit Motorlauf und Einzählung in den Winkelzähler synchron gestoppt.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel nä
her erläutert werden. Beschrieben wird die Maximalausführung.
Es zeigt
Fig. 1 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Gesamtanordnung
Fig. 2 das Blockschaltbild der erfinderischen Anordnung zur
Drehzahländerung des Antriebs
Fig. 3 die erfindungsgemäße Anordnung der Digitalschaltkreise
D1 . . . D4 und D7 . . . D9 zum Starten und Stoppen außer Teilschaltung
D4/2
Fig. 4 den erfindungsgemäßen Winkelzähler 7
Fig. 5 die erfindungsgemäße Anordnung der Digitalschaltkreise
D5, D6, D10 . . . D13 und des Teilschaltkreises D4/2 zur Korrektur
variabeler Polradwinkel
Fig. 6 die erfindungsgemäße Anordnung zur Korrektur konstanter
Polradwinkel
Fig. 7 die erfindungsgemäße Anordnung von Tiefpaß 4 und Ver
stärker 5
Fig. 8 die erfindungsgemäßen Ausgangsanordnungen der Tiefpaß-
Verstärker-Anordnung.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild der erfinderischen Gesamt
anordnung. Der Quarzgenerator 1 gibt eine Hochfrequenz-Recht
eckimpulsspannung der Frequenz fq ab, die im Frequenzteiler 2
auf eine Motorfrequenz-Rechteckimpulsspannung der Frequenz fm
heruntergeteilt wird. Die Quarzfrequenz ist ein ganzzahliges
Vielfaches der Motorfrequenz. Beide Spannungen werden der Bau
gruppe der Schaltkreise D1 . . . D4, D7 . . . D9, zugeführt. Die für die
Gesamtanordnung angewandte Schaltkreisfamilie überträgt die
Rechteckimpulse der Quarzfrequenz steilflankig, Anstiegs- und
Abfallzeiten sind vernachlässigbar klein. Am Motorfrequenzaus
gang dieser Baugruppe ist der Tiefpaß 4 angeordnet, dessen
obere Grenzfrequenz zwischen der Motorfrequenz fm und ihrer
ersten Oberwelle liegt. Der Tiefpaß 4 wandelt die Motorfre
quenz-Rechteckimpulsspannung in eine Motorfrequenz-Sinusspan
nung um, die im NF-Leistungsverstärker 5 verstärkt wird. Am
Ausgang des NF-Leistungsverstärkers 5 ist (gegebenenfalls unter
Zwischenschaltung weiterer Baugruppen) der selbstanlaufende
Synchronmotor 6 angeordnet. Mit der Abtriebswelle des Synchron
motors 6 ist der Synchrongenerator 10 mechanisch starr gekup
pelt. Der Synchrongenerator 10 liefert eine Ausgangsspannung
der Frequenz fm, die, falls erforderlich, auf den Eingangspegel
der verwendeten Schaltkreisfamilie herabgesetzt wird. An Stel
le eines separaten Synchrongenerators 10 ist auch eine Genera
torwicklung gleicher Polpaarzahl wie der Synchronmotor 6 geeig
net, die mit im Gehäuse des Synchronmotors angeordnet sein
kann. Eine weitere vorteilhafte Lösung, falls der Generator 10
nicht zur Abbremsung der Anordnung benötigt wird, ist die Ab
tastung von außen sichtbarer Durchbrüche des Motorankers des
Synchronmotors 6 mit einer Gabellichtschranke. Am Ausgang des
Synchrongenerators 10 ist der Eingang des Schmitt-Triggers 9
angeordnet, der die sinusförmige Ausgangsspannung in eine
Rechteckimpulsspannung umwandelt. Gegebenenfalls ist ein Trans
formator zur Herabsetzung der Generatorspannung und zu ihrer
galvanischen Trennung vom Logiksystem vorzusehen. Als Schmitt-
Trigger wird die erste Elementarschaltung eines 6fach-Schmitt-
Trigger-Inverter-Schaltkreises D9/1, Pin 1 Eingang, Pin 2 Aus
gang, angewendet. Mit dem Gleichrichter 8 gleichgerichtet wird
diese Spannung einem Eingang der Anordnung der Digitalschalt
kreise D1 . . . D4, D7 . . . D9 zur Stoppung der Winkeleinzählung bei
Motorstillstand zugeführt. Diese Baugruppe besteht aus den
erfindungsgemäßen synchron wirkenden Torschaltungen und den
Speichern zu ihrer Steuerung. Am Hochfrequenzausgang dieser
Schaltung ist der Winkelzähler 7 angeordnet. Der Winkelzähler
7 ist als Rückwärtszähler mit Voreinstelleingängen an jeder
Zählerstufe ausgebildet und mit einem Vor-Rückwärtszähler rea
lisiert. Die niederfrequenten Rechteckimpulsspannungen von
Motor und Generator und die hochfrequente Rechteckimpulsspan
nung des Quarzgenerators werden der Anordnung der Digital
schaltkreise D5, D6, D10 . . . D13 zur Korrektur des Polradwinkels
zugeführt. In dieser Anordnung wird im Korrekturspeicher am
Ende jeder positiven Halbwelle der Motorwechselspannung dieje
nige Anzahl Winkelinkremente gespeichert, die durch die Wirkung
des Polradwinkels an der Sollposition noch fehlen. Die Korrek
tur erfolgt durch Rückwärtszählen des Korrekturspeichers nach 0.
Die erfindungsgemäße Gesamtanordnung wird durch die Gleich
spannungsquelle 11 mit einer einheitlichen Versorgungsgleich
spannung für alle Baugruppen versorgt. Die Gleichspannungsquel
le kann je nach Einsatzzweck der Anordnung sowohl als Batterie
als auch als Netzanschlußgerät realisiert werden.
In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung zur Drehzahlände
rung des Antriebs als Blockschaltbild dargestellt. Diese Anord
nung ist eine zusätzliche Option für Anwendungsfälle, bei denen
eine konstante Antriebsdrehzahl unzweckmäßig ist. Zusätzliches
Bauteil ist ein PLL-Frequenzsynthesizer, wie er aus der
Nachrichtentechnik und Unterhaltungselektronik bekannt ist.
Eine solche Schaltung ermöglicht es, eine vorliegende konstante
Quarzfrequenz in eine einstellbare andere Frequenz umzusetzen,
die (innerhalb des Einstellbereiches) die gleiche Frequenz
konstanz aufweist. Die PLL-Schaltung wird zwischen Quarzgenera
tor 1 und Frequenzteiler 2 angeordnet. Da eine geänderte
Inkrementenfrequenz zur Realisierung eines bestimmten Winkels
auch eines geänderten Voreinstellwertes am Winkelzähler bedarf,
muß mit einer geeigneten Schaltung sichergestellt werden, daß
beide Änderungen voneinander abhängig automatisch ausgeführt
werden. Im Ausführungsbeispiel wird vorteilhaft hierzu der
(meist vorhandene) externe Rechner eingesetzt, bei Fehlen eines
externen Rechners sind entsprechende Zählschaltungen vorzu
sehen. Die erfinderische Anordnung der Digitalschaltkreise
D1 . . . . D4 und D7 . . . D8 ist unverändert nutzbar. Tiefpaß 4 und Ver
stärker 5 müssen im sich ergebenden Niederfrequenzbereich für
die Umwandlung der Rechteckimpulsspannung in eine Sinusspannung
und eine lineare Verstärkung geeignet sein, gegebenenfalls ist
der Tiefpaß durch einen Bandpaß zu ersetzen.
In Fig. 3 ist die erfinderische Anordnung der Digitalschaltkreise
D1 . . . D4, D7 . . . D9 zum Starten und Stoppen außer der Teilschal
tung D4/2 dargestellt. Dieser Anordnungsteil umfaßt die
Gatterschaltungen Startgatter D1/3 und Motorgatter D1/1, die
als 3fach-UND-Gatter und Zählergatter D4/1, das als 4fach-
UND-Gatter ausgebildet ist. Weiterhin sind die Speicherschal
tungen Startspeicher D3/1, der als RS-Flipflop und Motorlauf
speicher D3/2, Zählervorspeicher D2/1, Zählerhauptspeicher
D2/2, die als D-Flipflops ausgebildet sind, Bestandteil dieser
Anordnung. Am Set-Eingang Pin 4 des Startspeichers D3/1 wird
das Startsignal der erfindungsgemäßen Anordnung angelegt. Am Q-
Ausgang Pin 5 des Startspeichers D3/1 sind die Reseteingänge
Pins 13 bzw. 1 von Motorlaufspeicher D3/2, Zählervorspeicher
D2/1 und Zählerhauptspeicher D2/2 angeordnet, ferner die Gat
tereingänge Motorgatter D1/1 Pin 13, Startgatter D1/3 Pin 10,
Zählergatter D4/1 Pin 4. Der Hochfrequenz-Rechteckimpulsaus
gang des Quarzgenerators 1 ist an den Gattereingängen Startgat
ter D1/3 Pin 11 und Zählergatter D4/1 Pin 2 und am Takteingang
des Zählerhauptspeichers D2/2 Pin 11 angeordnet. Der Ausgang
des Frequenzteilers 2 ist mit dem Startgatter D1/3 Pin 9 und
dem Motorgatter D1/1 Pin 1 verbunden. Im Ruhezustand sind alle
Speicher rückgesetzt und alle Gatter gesperrt. Durch Kippen des
Startspeichers D3/1 wird das Reset von Motorlaufspeicher D3/2,
Zählervorspeicher D2/1 und Zählerhauptspeicher D2/2 aufgehoben,
Startgatter D1/3 und Zählergatter D4/1 vorbereitet. Motorlauf
speicher D3/2 und Zählervorspeicher D2/1 sind durch Fest
signale an ihren Vorbereitungseingängen Pin 12 und Pin 2 zum
Kippen in Richtung Hochsignale an den Q-Ausgängen Pins 9 und 5
vorbereitet. Mit dem nächsten hierauf folgenden Zusammentreffen
der Hochsignale von Quarzfrequenz fq und Motorfrequenz fm öff
net das Startgatter D1/3 und der Motorlaufspeicher D3/2 kippt
in Richtung Hochsignal am Q-Ausgang Pin 9. Mit der nächsten
hierauf folgenden Hoch-Flanke der Motorfrequenz fm öffnet das
Motorgatter und der Motor beginnt zu laufen. Gleichzeitig wird
der Zählervorspeicher D2/1 in Richtung Hochsignal am Q-Ausgang
Pin 5 gekippt und Zählerhauptspeicher D2/2 am Vorbereitungsein
gang Pin 12 zum Kippen in Richtung Hochsignal am Q-Ausgang Pin
9 vorbereitet. Kippt der Zählerhauptspeicher D2/2, wird der
Eingang Zählergatter D4/1 Pin 1 hoch, weitere Hochsignale lie
gen an Pin 4 vom Startspeicher D3/1 und an Pin 5 vom Gleich
richter 8 (Motorlaufkontrolle). Für den Fall, daß zum Zeit
punkt: "Ein HF-Rechteckimpuls nach Motorlaufbeginn" durch Tole
ranzen ein sicheres Hochsignal am Zählergatter D4/1 Pin 5 nicht
erwartet werden kann, wird das Signal vom Gleichrichter 8 dem
Eingang des Motorlauf-Kontrollgatters D1/2, Pins 3+4
zugeführt. Am anderen Eingang Pin 6 ist der Monoflop D8 ange
ordnet. Da das Motorlauf-Kontrollgatter als UND-Gatter mit
Tiefsignalen realisiert ist, wird ihm als Negator eine Elemen
tarschaltung des Schmitt-Trigger-Inverters D9 an seinen Ausgang
Pin 6 nachgeschaltet (Elementarschaltung D9/2 mit Eingang Pin
3). Am Ausgang Pin 4 des Schmitt-Trigger-Inverters D9/2 ist
dann der Eingang Pin 5 des Zählergatters D4/1 angeordnet. Mono
flop D8 kippt, wenn Zählerhauptspeicher D2/2 kippt und läuft
für etwa 1 ms. Nun kann mit der nächsten eintreffenden Hoch-
Flanke vom Quarzgenerator 1 am Zählergatter D4/1, Pin 2, die
Einzählung der Winkelinkremente in den Winkelzähler 7 beginnen.
Nach Ablauf der 1 ms oder einer anderen geeigneten Zeit liegt
dann ein sicheres Hochsignal vom Gleichrichter 8 am Schmitt-
Trigger-Ausgang D9 Pin 2 bis zum irregulären Motorstop, z. B.
durch Blockieren des Antriebes. Motorlauf und Einzählung werden
regulär synchron gestoppt durch Reset des Startspeichers D3/1
über das ODER-Gatter D7/1, Pin 2. Bei Erreichung der Sollposi
tion wird der Ausgang Pin 3 des Sammelgatters tief, damit ist
gleichzeitig die Anordnung für die nächste Messung vorbereitet.
Der andere Eingang des Odergatters D7/1, Pin 1 ist mit dem
Reset-Eingang der erfinderischen Anordnung verbunden. Hiermit
ist ein Reset vor Laufbeginn oder ein Laufabbruch mit gleich
zeitigem Reset möglich.
In Fig. 4 ist der erfindungsgemäße Winkelzähler dargestellt. Da
seine Stufenzahl von der Vorgabe des jeweiligen Anwenders
abhängt, ist nur Stufe 1 und Stufe n mit ihren Dekodiergattern
dargestellt. Die dazwischenliegenden Stufen wirken gleich. Die
Winkelzählerstufen sind als 4-bit Binär-Vor-Rückwärtszähler
ausgestaltet, die durch Beschalten von Rückwärts-Zähleingang
Pin 4 und Rückwärts-Übertragsausgang Pin 13 und Neutralbeschal
tung der Vorwärts-Ein- und Ausgänge zum Rückwärtszähler
umgestaltet wurden. Alle Stufen sind in Kette geschaltet. An
Pin 4 der Stufe 1 ist der Ausgang des Zählergatters D4/1 Pin 6
von Fig. 2 angeordnet. Set- und Reset-Eingänge aller Stufen
sind auf Sammelleitungen geschaltet und mit dem Load- und dem
Reset-Eingang der erfinderischen Anordnung verbunden. Der
Übertragsausgang Pin 13 der Stufe n ist mit dem Eingang des
Korrekturspeichers D10 Pin 4 von Fig. 4 verbunden. Die
Voreinstelleingänge aller Winkelzählerstufen sind Eingänge der
erfinderischen Anordnung. An allen Stufenausgängen des Winkel
zählers sind Dekodiergatter angeordnet, dergestalt daß die
Dekodiergatter als 8fach-Odergatter ausgebildet sind. Die
Dekodiergatter sind jeweils an zwei Zählerstufen angeschaltet.
Die Ausgänge aller Dekodiergatter des Winkelzählers und der
Ausgang des Dekodiergatters des Korrekturspeichers D10 von
Fig. 4 sind an das (nicht dargestellte) Sammelgatter angeschal
tet. Das Sammelgatter ist ebenfalls als Oder-Gatter ausgebildet
und durch Zusammenschaltung expandierbarer 8fach-Multifunk
tionsgatter realisiert. Die Winkelzählung beginnt nach voraus
gegangenen Reset und Voreinstellung und endet mit erfolgter
Rückwärtszählung aller Stufen und des Korrekturspeichers durch
das Tief-Signal am Ausgang des Sammelgatters.
In Fig. 5 wird die erfindungsgemäße Anordnung der integrierten
Digitalschaltkreise D5, D6, D10 . . . D13 und des Teilschaltkreises
D4/2 zur Korrektur des veränderlichen Polradwinkels gezeigt.
An einem als Phasendiskriminator ausgebildeten 4fach-UND-
Gatter D4/2 (Korrekturgatter) sind eingangsseitig angeordnet:
An Pin 9 der Ausgang des Schmitt-Triggers 9, D9/1 Pin 2.
An Pin 10 der Ausgang des UND-Gatters D1/1, Pin 12, in Fig. 2.
An Pin 12 der Ausgang des Quarzgenerators 1.
An Pin 13 der Ausgang des Stopspeichers D11.
An Pin 9 der Ausgang des Schmitt-Triggers 9, D9/1 Pin 2.
An Pin 10 der Ausgang des UND-Gatters D1/1, Pin 12, in Fig. 2.
An Pin 12 der Ausgang des Quarzgenerators 1.
An Pin 13 der Ausgang des Stopspeichers D11.
Am Ausgang Pin 8 des UND-Gatters D4/2 ist der Eingang des
Korrekturzählers D6 über einen Negator D5/1 angeordnet. Der
Korrekturzähler ist als Beispiel 4-stufig gewählt worden. Bei
der Anwendung der Erfindung ist die Stufenzahl entsprechend der
höchsten zu erwartenden Polradwinkeländerung während einer
Halbperiode der Motorspannung zu bemessen. An den Stufenausgän
gen des Korrekturzählers ist der Korrekturspeicher D10 angeord
net. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektur des Polrad
winkels beruht auf der Öffnung eines UND-Gatters für hochfre
quente Rechteckimpulse durch gegenphasige niederfrequente
Rechteckimpulse. Ist der Polradwinkel Null, sind Motor- und
Generatorspannung gleichphasig und das Korrekturgatter D4/2 ist
durch die gleichlagig entgegengerichteten Rechteckimpulse
gesperrt. Tritt durch einen Polradwinkel größer Null eine Pha
senverschiebung zwischen Motor- und Generatorspannung auf,
überdecken die Hoch-Dächer der niederfrequenten Rechteckimpulse
sich teilweise, während dieses Zeitraumes werden Hochfrequenz
impulse in den Korrekturzähler eingezählt. Der Stopspeicher D11
öffnet das Korrekturgatter D4/2 für jeweils eine positive Halb
periode der Rechteckimpuls-Motorspannung und schließt es wäh
rend der negativen Halbperiode. Die am Takteingang Pin 3 von
D11 angeordnete Doppelimpulsverkürzung D13 wandelt Anstiegs
flanke und Abstiegsflanke des niederfrequenten Rechteckimpulses
in zwei Nadelimpulse an Beginn und Ende um, mit denen D11 ge
kippt wird. Der zurückkippende Stopspeicher D11 gibt am Ausgang
Pin 6 über den Load-Negator D5/3 ein unmittelbar wirkendes
Taktsignal zum Seteingang Pin 11 des Korrekturspeichers D10,
damit wird der Zählerstand des Korrekturzählers D6 in den Kor
rekturspeicher D10 übernommen. Dann wird über die Impulsverzö
gerungsschaltung D12 der Korrekturzähler D6 an den Pins 2 und 3
rückgesetzt. Der Zählerstand im Korrekturspeicher D10 wird erst
mit der H/L-Abstiegsflanke der darauffolgenden Halbperiode der
Motorfrequenz-Rechteckimpulsspannung geändert. Damit wird si
chergestellt, daß zu jedem Zeitpunkt der Messung ein auswert
barer Korrekturzählerstand im Korrekturspeicher D10 ansteht.
Die Stufenausgänge des Korrekturspeichers D10 sind an die
Eingänge des Dekodiergatters der Stufe (n+1) geführt, das wie
die Dekodiergatter der Stufen 1 . . . n an das Sammelgatter "Alle
Stufen Tief-Signal" angeschlossen ist. Sind alle Stufen des
Winkelzählers auf Null gezählt, wird der Korrekturspeicher D10
ebenfalls auf Null gezählt, erst dann ist die vorgegebene
Position einschließlich der aktuellen Polradwinkelkorrektur er
reicht.
In Fig. 6 ist die Polradwinkel-Korrekturanordnung für den Fall
eines nicht vernachlässigbaren, konstanten Polradwinkels
dargestellt. Die Anordnung besteht aus den Baugruppen Korrektur
speicher D10 und Festwiderstandsnetzwerk D14. Das Festwider
standsnetzwerk D14 ist mit beiden Polen der Versorgungsspannung
fest verbunden und bildet an seinen Ausgängen die Binärzahl der
Anzahl Winkelinkremente des konstanten Polradwinkels. Diese
Ausgänge sind mit den Voreinstelleingängen des Korrekturspei
chers D10 verbunden. Ausgangsseitige Beschaltung und Wirkung
des Korrekturspeichers D10 entsprechen der in Fig. 4 darge
stellten Anordnung und dem dort beschriebenen Verfahren. Wird
der konstante Polradwinkel außerhalb der erfinderischen Anord
nung, z. B. durch einen Programmschritt in einer nachgesetzten
Rechneranordnung korrigiert, kann die Anordnung gemäß Fig. 6
vollständig entfallen.
In Fig. 7 ist die erfindungsgemäße Anordnung von Tiefpaß 4 und
NF-Leistungsverstärker 5 dargestellt. Eingang der Anordnung
ist der Eingang des Tiefpasses 4, der direkt am Ausgang des
Motorgatters D1/1 Pin 12 in Fig. 2 angeordnet ist. An den Tief
paß wird nur die Anforderung gestellt, daß seine obere Grenz
frequenz zwischen der Motorfrequenz fm und ihrer ersten
Oberwelle liegt, eine Forderung, die mit einfachsten Mitteln
realisierbar ist (Ausnahme: Betrieb mit P11-Schaltung zur
Drehzahländerung). Im Ausführungsbeispiel wurde ein 4glied
riger LC-Tiefpaß in T-Form mit den Elementen L1, L2, C1 und
Abschlußwiderstand R1 gewählt. Am Ausgang des Tiefpasses sind
bereits Motoranordnungen mit geringem Leistungsbedarf anschalt
bar. Maßgeblich hierfür ist die Gatterbelastbarkeit von D1/1.
Dem Tiefpaß 4 ist der NF-Leistungsverstärker 5 nachgeschaltet.
Der Eingangsspannungsteiler R2 setzt die Spannung am Tiefpaß
ausgang auf den üblichen Eingangspegel eines integrierten NF-
Leistungsverstärkers herab. Der Verstärkerschaltkreis N1 wird
nach der geforderten Motorleistung oder nach der notwendigen
Eingangsleistung der nachgeschalteten Motoranordnung
ausgewählt. Seine Rückgängigkeitsglieder für die obere Grenz
frequenz sind so gewählt, daß diese Grenzfrequenz zwischen der
Motorfrequenz fm und ihrer ersten Oberwelle liegt. Die Außenbe
schaltung des Verstärkerschaltkreises N1 wurde so gewählt, daß
der gleiche Spannungswert der Versorgungsgleichspannung wie bei
den verwendeten Digitalschaltkreisen genutzt werden kann. Am
Ausgang des Verstärkerschaltkreises N1 sind weitere Motoran
ordnungen anschaltbar.
In Fig. 8 sind die erfindungsgemäßen Ausgangsanordnungen der
Tiefpaß-Verstärker-Anordnung dargestellt. Anordnung 1 umfaßt An
ordnungen für Synchronmotore im kW-Bereich bis zu den größten
bekannten Maschinen. Wesentliches technisches Mittel ist ein
am Starkstromnetz angeschlossener Frequenzumrichter, der von
der erfindungsgemäßen Motorwechselspannung gesteuert wird. Vor
richtungen zur Hochfahrt der Maschine in den synchronen Laufzu
stand und zum Einkuppeln bzw. zum Auskuppeln und Abbremsen bei
Erreichen der Sollposition sind nicht Gegenstand der
erfinderischen Anordnung. Es existieren zu diesem Zweck genügend
bekannte Mittel. Anordnung 2 umfaßt Anordnungen für Nieder
spannungssynchronmotoren im W-Bereich, die aus bekannten NF-
Leistungsverstärkerschaltkreisen oder Zusammenschaltungen sol
cher Schaltkreise gespeist werden können. Am Ausgang des Ver
stärkers ist stets ein Ausgangstransformator Tr1 angeordnet,
an dessen Sekundärwicklung der Synchronmotor 6 angeordnet ist.
Der Ausgangstransformator Tr1 transformiert die Ausgangsspan
nung des Verstärkerschaltkreises N1 auf den Wert einer übli
chen Netzniederspannung, da gegenwärtig nur Synchronmotoren für
Netzniederspannung hergestellt werden. Weiterhin wird der Aus
gangstransformator Tr1 zur Abbremsung des Synchronmotors 6 bei
Erreichen des Zieles angewendet. Bekanntlich wird ein Synchron
motor an einem vorgegebenen Punkt abgebremst durch gleichzeiti
ges Stromlosmachen und Kurzschließen der das Drehfeld erzeugen
den Spulen. Da bei Sperrung des Motorgatters D1/1 auch die
Ausgangsspannung des Verstärkerschaltkreises N1 praktisch nach
Null geht, liegt dann über dem Motor nur noch die Impedanz der
Sekundärwicklung von Tr1 als Kurzschluß. Für den bisher noch
nicht nachgewiesenen Fall, daß diese Anordnung zur Abbremsung
nicht ausreicht, kann vorteilhaft eine bekannte Anordnung ein
gesetzt werden, bei der eine schnell geöffnete Halbleiterstrec
ke (Transistor, Thyristor o. ä.) die Kurzschließung des Syn
chronmotors bewirkt. Dies wäre die Bremseinrichtung in der
Ausgangsanordnung 3. Eine solche Strecke stellt im nicht geöff
neten Zustand einen vernachlässigbaren Nebenschluß dar. Für den
Fall, daß zu Verstärkerschaltkreisen passende Kleinspannungs
synchronmotoren zur Verfügung stehen, können Anordnungen mit
zeitweilig kurzschließenden Halbleiterstrecken den Ausgangs
transformator vollständig ersetzen. Zur Abbremsung der erfin
dungsgemäßen Anordnung ist weiterhin die Kurzschließung des
Generators 10 durch eine im Abschaltfall öffnende Halbleiter
strecke möglich. Anordnung 3 ist die Ausgangsanordnung für
Kleinspannungssynchronmotoren im W-, mW- oder Mikrowatt-Bereich,
die (falls die Gatterbelastung von D1/1 dies zuläßt) auch am
Tiefpaßausgang anschaltbar ist.
Eine vorteilhafte Minimalausführung ergibt sich für den Fall,
daß die Positionierachsen nicht gleichzeitig bewegt werden
müssen. Dann müssen nur der Synchronmotor 6, der Winkelzähler 7
und gegebenenfalls der Synchrongenerator 10 für jede Achse
einmal angeordnet werden. Diese Baugruppen werden über einen
mehrpoligen Umschalter an die übrigen Baugruppen angeschlossen.
Umzuschalten sind: Der Ausgang von 5, der Eingang von 9 und der
Ausgang des Zählergatters D4/1 Pin 6.
Die bei Nichtvorliegen bestimmter Prämissen vorteilhaften
weiteren Minimalausführungen werden in Tabelle 1 dargestellt.
Claims (14)
1. Inkremental winkelmessender Positionierantrieb für eine
bewegte Achse mit an der Erzeugungsstelle der Winkelinkremente
angeordnetem elektronischen Winkelzähler,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb als Synchronmotor (6) mit einer sinusförmigen
Betriebsspannung der Frequenz fm ausgebildet ist, daß der
Synchronmotor (6) selbstanlaufend ist, daß ein Quarzgenerator
(1) mit einem am Ausgang angeordneten Frequenzteiler (2) für
mehrere Drehachsen einmal angeordnet ist, während die nachfol
gend beschriebenen Baugruppen für jede bewegte Achse angeordnet
sind, daß im Stromkreis eines jeden Synchronmotors (6) eine der
Eingangsleistung des Synchronmotors (6) entsprechende Ausgangs
anordnung angeordnet ist, daß vor dem Eingang jedes NF-Leis
tungsverstärkers (5) ein Tiefpaß (4) angeordnet ist, daß der
Tiefpaß (4) so dimensioniert ist, daß seine obere Grenzfrequenz
zwischen der Motorfrequenz fm und ihrer ersten Oberwelle liegt,
daß am Eingang des Tiefpasses (4) der Ausgang (Pin 12) eines
Motorgatters (D1/1) angeordnet ist, welches als 3fach-UND-
Gatter ausgebildet ist, daß an den Eingängen des Motorgatters
(D1/1) (Pin 1) und des Startgatters (D1/3) (Pin 9), welches
ebenfalls als 3fach-UND-Gatter ausgebildet ist, der Ausgang
des Frequenzteilers (2) angeordnet ist, daß am Eingang des
Frequenzteilers (2) der Ausgang des Quarzgenerators (1) ange
ordnet ist und daß Quarzfrequenz und Teilerverhältnis so ge
wählt sind, daß die Quarzfrequenz fq ein ganzzahliges Vielfach
es der Motorfrequenz fm ist und als rechteckförmige Spannung
am Ausgang des Quarzgenerators (1) ansteht, daß der Eingang
(Pin 13) des Motorgatters (D1/1) mit dem Q-Ausgang (Pin 5) des
Startspeichers (D3/1) verbunden ist und daß an dieser Leitung
auch die Gattereingänge des Startgatters (D1/3) (Pin 13) und
des Zählergatters (D4/1) (Pin 4) und die Reseteingänge der
Speicher Motorlaufspeicher (D3/2) (Pin 13), Zählervorspei
cher (D2/1) (Pin 1), Zählerhauptspeicher (D2/2) (Pin 13) und
Stopspeicher (D11) (Pin 1) angeordnet sind, daß die Speicher
Motorlaufspeicher (D3/2), Zählervorspeicher (D2/1), Zähler
hauptspeicher (D2/2) und Stopspeicher (D11) als D-Flipflops
ausgebildet sind, daß der Startspeicher (D3/1) als RS-Flipflop
ausgebildet ist, daß am Set-Eingang des Startspeichers (D3/1)
(Pin 4) der Starteingang der erfinderischen Anordnung angeordnet
ist und am Reset-Eingang der Ausgang (Pin 3) des Odergatters
(D7/1), daß am Eingang (Pin 1) des Odergatters (D7/1) der
Reseteingang der erfinderischen Anordnung angeordnet ist und am
Eingang (Pin 2) des selben Gatters der Ausgang des Sammelgat
ters des Winkelzählers (7) für die Bedingung "Alle Stufen Tief-
Signal", daß der Ausgang des Quarzgenerators (1) am Eingang des
Startgatters (D1/3) (Pin 11), am Eingang des Zählergatters
(D4/1) (Pin 2) und am Takteingang des Zählerhauptspeichers
(D2/2) (Pin 11) angeordnet ist, daß die Voreinstelleingänge von
Motorlaufspeicher und Zählervorspeicher (D3/2) (Pin 12) und
(D2/1) (Pin 2) durch feste Verbindung mit einem Pol der Versor
gungsspannung zum Kippen in Richtung Ausgangssignal "Hoch" an
den Q-Ausgängen (D3/2) (Pin 9) und (D2/1) (Pin 5) vorbereitet
sind, daß am Ausgang des Startgatters (D1/3) (Pin 8) der Takt
eingang des Notorlaufspeichers (D3/2) (Pin 11) angeordnet ist,
daß der Q-Ausgang des Motorlaufspeichers (D3/2) (Pin 9) mit dem
Eingang (Pin 2) des Motorgatters (D1/1) verbunden ist, daß am
Ausgang (Pin 12) des Motorgatters (D1/1) der Takteingang (Pin 3)
des Zählervorspeichers (D2/1) angeordnet ist, daß der Q-
Ausgang des Zählervorspeichers (D2/1) (Pin 5) mit dem Vorberei
tungseingang des Zählerhauptspeichers (D2/2) (Pin 12) verbunden
ist, daß der Q-Ausgang des Zählerhauptspeichers (D2/2) (Pin 9)
mit dem Eingang (Pin 1) des Zählergatters (D4/1) verbunden ist,
daß der Ausgang des Zählergatters (D4/1) (Pin 6) mit dem Winkel
zähler (7) verbunden ist, daß der Winkelzähler (7) als vorein
stellbarer Rückwärtszähler binärer Zählweise ausgebildet ist,
daß an seinen Stufenausgängen jeweils 4 Eingänge eines Deko
diergatters mit 8 Eingängen angeordnet sind, daß die Dekodier
gatter als Odergatter ausgebildet sind, daß die Ausgänge aller
Dekodiergatter aller Winkelzählerstufen und der Ausgang des
Dekodiergatters des Korrekturspeichers (D10) an den Eingängen
eines Sammelgatters angeordnet ist, das ebenfalls als Odergat
ter so ausgebildet ist, daß es an seinem Ausgang ein Tief-
Signal abgibt, wenn die logische Bedingung: "Alle angeschlosse
nen Stufen auf Tief-Signal" erfüllt ist, daß der Eingang des
Korrekturzählers (D6) (Pin 14) mit dem Ausgang des Negators
(D5/1) (Pin 2) verbunden ist, daß die Stufenausgänge (Pins 12;
9; 8 und 11) des Korrekturzählers (D6) mit den Voreinstellein
gängen des Korrekturspeichers (D 10) (Pins 3; 2; 6 und 7) ver
bunden sind, daß der Eingang des Negators (D5/1)(Pin 1) mit dem
Ausgang des Korrekturgatters (D4/2) (Pin 8) verbunden ist, das
als 4fach-UND-Gatter ausgebildet ist, daß der Eingang des
Korrekturgatters (D4/2) (Pin 12) mit dem Quarzgenerator (1)
verbunden ist, daß der Eingang des Korrekturgatters (D4/2) (Pin 10)
mit dem Ausgang des Motorgatters (D1/1) (Pin 12) verbunden
ist, daß der Eingang (Pin 9) des Korrekturgatters (D4/2) mit
dem Ausgang des Schmitt-Trigger-Inverters (9) (D9/1) (Pin 2)
verbunden ist, daß der Eingang dieses Schmitt-Trigger-Inverters
(D9/1) (Pin 1) mit dem Synchrongenerator (10) direkt oder indi
rekt verbunden ist, daß der Eingang des Korrekturgatters
(D4/2) (Pin 13) mit dem Q-Ausgang (Pin 5) des Stopspeichers
(D11) (Pin 5) verbunden ist, daß der -Ausgang (Pin 6) des Stop
speichers (D11) mit dem Eingang (Pin 5) des Loadnegators
(D5/3) direkt und mit den Reseteingängen (Pins 2 und 3) des
Korrekturzählers (D6) über die Impulsverzögerung (D12) verbun
den ist, daß der Ausgang des Loadnegators (D5/3) (Pin 6) mit
dem Load-Eingang (Pin 11) des Korrekturspeichers (D10) verbun
den ist, daß der Reseteingang des Korrekturspeichers (D 10) (Pin 14)
mit dem Ausgang (Pin 4) des Resetnegators (D5/2) verbunden
ist, daß der Eingang (Pin 3) des Resetnegators (D5/2) mit dem
Reset-Eingang der erfinderischen Anordnung verbunden ist, daß
der Vorbereitungseingang (Pin 2) auf den -Ausgang (Pin 6) des
Stopspeichers (D11) zurückgeführt ist, daß der Reseteingang des
Stopspeichers (D11) (Pin 1) mit dem Q-Ausgang des Startspei
chers (D3/1) (Pin 5) verbunden ist, daß der Takteingang (Pin 3)
des Stopspeichers (D1/1) auf den ODER-Gatter-Ausgang der Doppel
impulsverkürzungsschaltung (D13) geführt ist, deren Eingang mit
dem Ausgang des Motorgatters (D1/1) (Pin 12) verbunden ist, daß
am Ausgang des Schmitt-Triggers (9), (D9/1) (Pin 2) der Eingang
des Gleichrichters (8) angeordnet ist, daß am Ausgang
des Gleichrichters (8) der Eingang des Motorlauf-Kontrollgat
ters (D1/2) (Pins 3 und 4) angeordnet ist, dessen Eingang (Pin 5)
mit dem negierten Ausgang des monostabilen Multivibrators
(D8) (Pin 4) verbunden ist, dessen B-Eingang (Pin 2) mit dem Q-
Ausgang (Pin 9) des Zählerhauptspeichers verbunden ist, daß das
Motorlauf-Kontrollgatter (D1/2) durch ein UND-Gatter mit Tief
signalen am Eingang realisiert ist, daß am Ausgang deswegen ein
Schmitt-Trigger-Inverter (D9/2) mit Eingang (Pin 3) und Aus
gang (Pin 4) angeordnet werden muß, dessen Ausgang (Pin 4) mit
dem Eingang (Pin 5) des Zählergatters (D4/1) verbunden ist und
daß der Synchrongenerator (10) mit der Abtriebswelle (3) mecha
nisch gekuppelt ist.
2. Verfahren zur Winkelpositionierung mit der Anordnung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die sinusförmige Betriebsspannung des Synchronmotors (6)
mit der Frequenz fm in einem NF-Leistungsverstärker (5) ver
stärkt wird, daß die rechteckförmige Ausgangsspannung des
Motorgatters (D1/1) (Pin 12) durch den Tiefpaß (4) in eine
sinusförmige Spannung umgewandelt wird, daß die Spannung am
Eingang (Pin 1) des Motorgatters (D1/1) mit der Frequenz fm
durch Frequenzteilung mit dem Frequenzteiler (2) aus der
Rechteck-Ausgangsspannung des Quarzgenerators (1) mit der
Frequenz fq erzeugt wird, daß die Eingänge der UND-Gatter
(D1/1) (Pin 13), (D1/3) (Pin 10) und (D4/1) (Pin 4) Tief-Signale
führen, wenn der Startspeicher (D3/1) über seinen R-Eingang
(Pin 1) rückgesetzt ist und daß dann auch Motorlaufspeicher
(D3/2), Zählervorspeicher (D2/1), Zählerhauptspeicher (D2/2)
und Stopspeicher (D11) rückgesetzt sind, daß die Eingänge des
Motorgatters (D1/1) (Pin 13), Startgatters (D1/3) (Pin 10) und
Zählergatters (D4/1) (Pin 4) mit Hochsignalen vorbereitet sind,
wenn der Startspeicher (D3/1) über (Pin 4) gesetzt ist, daß das
Startgatter (D1/3) am Ausgang (Pin 8) Hochsignal führt, wenn
bei gesetztem Startspeicher (D3/1) die Hochzustände der Recht
eckspannungen von Eingang und Ausgang des Frequenzteilers (2)
zusammentreffen, daß dann der mit Festsignal am Vorbereitungs
eingang (Pin 12) zum Kippen in Richtung Hochsignal am Q-Ausgang
(Pin 9) vorbereitete Motorlaufspeicher (D3/2) kippt und das
Motorgatter (D1/1) mit Hochsignal an (Pin 2) auf das Öffnen mit
der nächsten hierauf folgenden Tief-Hoch-Flanke der Motorfre
quenz-Rechteckspannung an (Pin 1) vorbereitet, daß nach erfolg
ter Öffnung des Motorgatters (D1/1) der Motor zu laufen beginnt
und gleichzeitig der Zählervorspeicher (D2/1) in Richtung Hoch
signal am Q-Ausgang (Pin 5) kippt, daß der gekippte Zählervor
speicher (D2/1) mit dem Hochsignal am Q-Ausgang (Pin 5) den
Zählerhauptspeicher (D2/2) am Vorbereitungseingang (Pin 12) auf
das Kippen in Richtung Hochsignal am Q-Ausgang (Pin 9) vorbe
reitet, daß der Zählerhauptspeicher (D2/2) mit der nächsten
hierauf folgenden Tief-Hoch-Flanke der Rechteckimpuls-Ausgangs
spannung des Quarzgenerators (1) an seinem Takteingang (Pin 11)
kippt, daß das Zählergatter (D4/1) mit den Hoch-Ausgangssigna
len vom Startspeicher (D3/1) am Eingang (Pin 4) und vom Zähler
hauptspeicher (D2/2) am Eingang (Pin 1) und mit dem Ausgangssi
gnal des Schmitt-Trigger-Inverters (D9/2) (Pin 4) am Eingang
(Pin 5) vorbereitet ist, das daß Eingangssignal dieses Schmitt-
Trigger-Inverters durch ODER-Verknüpfung der negierten
Ausgangssignale des monostabilen Multivibrators (D8) (Pin 4) und
des Gleichrichters (8) gebildet wird, daß der monostabile Mul
tivibrator (D8) am Eingang (Pin 2) durch das Hoch-Signal vom Q-
Ausgang (Pin 9) des Zählerhauptspeichers (D2/2) gekippt wird
und so lange läuft, bis vom Gleichrichter (8) ein zuverlässiges
Hochsignal zur Öffnung des Zählergatters geliefert wird und mit
der ersten hierauf folgenden Tief-Hoch-Flanke des Rechteckim
puls-Ausgangssignals des Quarzgenerators (1) an (Pin 2) öffnet,
daß für die Dauer der Öffnung des Zählergatters (D4/1) die an
seinem Ausgang (Pin 6) auftretenden Rechteckimpulse der Fre
quenz fq als Winkelinkremente in den Winkelzähler (7) einge
zählt werden, daß der Winkelzähler (7) vor Beginn der Einzählung
rückgesetzt und voreingestellt ist, daß der Winkelzähler bis
zum Erreichen des Zustandes "Alle Stufen Tief-Signal"
rückwärtsgezählt wird, daß in den Korrekturzähler ebenfalls
Rechteckimpulse der Frequenz fq dann eingezählt werden, wenn
zwischen Rechteckimpulsspannungen der Frequenz fm vom Ausgang
des Motorgatters (D1/1) (Pin 12) und vom Ausgang des Schmitt-
Trigger-Inverters (9), Elementarschaltung (D9/1) (Pin 2), an
dessen Eingang die Ausgangsspannung des Synchrongenerators (10)
liegt, eine durch den Polradwinkel des Synchronmotors (6) her
vorgerufene Phasenverschiebung auftritt, daß die Einzählung der
Rechteckimpulse in den Korrekturzähler (D6) jeweils für die
Dauer der positiven Halbperiode der Motorfrequenz-Rechteckim
pulsspannung vorgenommen wird durch Öffnung des Korrekturgat
ters (D4/2) an (Pin 13) mit dem Q-Ausgangssignal des Stopspei
chers (D11) (Pin 5), daß die letzte vollständige Einzählung,
zwischengespeichert im Korrekturspeicher (D10), zur Auswertung
verwendet wird und daß der Korrekturspeicher (D10) dann ebenfalls
bis zum Erreichen des Zustandes "Alle Stufen Tief-Signal" rück
wärts gezählt wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Quarzgenerator (1) und Frequenz
teiler (2) eine PLL-Frequenzsynthesizerschaltung angeordnet
ist, daß am Ausgang der PLL-Frequenzsynthesizerschaltung der
HF-Eingang der Digitalanordnung zum Starten und Stoppen mit den
Schaltkreisen (D1 . . . D4 und D7 . . . D8) angeordnet ist, daß zwischen
den Voreinstelleingängen des Winkelzählers (7) und der Quelle
des voreinzustellenden Winkelwertes eine Anordnung, zum Bei
spiel ein externer Rechner, angeordnet ist, die bei Änderung
der Hochfrequenz die dem vorgegebenen Winkelwert entsprechende
Anzahl Hochfrequenzimpulse automatisch abändert und daß der
Tiefpaß (4) den der Hochfrequenzänderung entsprechenden Fre
quenzbereich der Niederfrequenz-Rechteckimpulse in entsprechen
de Sinusspannungen umwandelt, die von der nachgeschalteten Aus
gangsanordnung formgetreu auf den Synchronmotor (6) übertragen
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 mit der Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der PLL-
Frequenzsynthesizerschaltung von einem externen Rechner oder
einer anderen geeigneten Anordnung ein Frequenzänderungssignal
zugeführt wird, das die Drehzahl des Synchronmotors (6) ändert,
daß vor Beginn des Laufes des Synchronmotors mit der geänderten
Frequenz Motorlauf und Einzählung gestoppt werden, die geänder
te Anzahl Winkelinkremente der geforderten Position in die
Voreinstelleingänge des Winkelzählers eingelesen werden und
dann Motorlauf und Einzählung fortgesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4 mit der Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß Änderung von
Motorfrequenz- und Drehzahl und hiervon abhängig Winkelinkre
mentenanzahl stetig während des Motorlaufes erfolgt.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß an den Voreinstelleingängen des
Korrekturspeichers (D10) ein Festwiderstandsnetzwerk (D14)
angeordnet ist, das mit beiden Polen der Versorgungsgleichspan
nung ständig verbunden ist und das an den Voreinstelleingängen
des Korrekturspeichers (D10) eine feststehende Binärzahl bildet.
7. Verfahren nach Anspruch 2 mit der Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß ein konstanter
nicht vernachlässigbarer Polradwinkel durch ein Festwider
standsnetzwerk (D14) nachgebildet ist, welches eine Binärzahl
darstellt, daß diese Binärzahl im Korrekturspeicher (D10)
gespeichert wird und daß der Korrekturspeicher am Ende der
Messung rückwärts auf Null gezählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der konstante, nicht vernachlässigbare
Polradwinkel außerhalb der erfindungsgemäßen Anordnung zum
zu erreichenden Sollwinkelwert addiert wird.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 3, 6, dadurch
gekennzeichnet, daß ausschließlich die Baugruppen
(6) Synchronmotor, (7) Winkelzähler mit Sammel- und Dekodier
gattern und gegebenenfalls die Baugruppe (10) Synchrongenerator
für jede Achse einmal angeordnet sind und über einen mehrpoli
gen Umschalter mit den Ein- bzw. Ausgängen der Baugruppen
Verstärker (5), Schmitt-Trigger-Inverter (9) und mit dem Inkre
mentenausgang von (D4/1) (Pin 6) wahlweise verbunden werden kön
nen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4, 5, 7, 8, dadurch
gekennzeichnet, daß jeweils der Winkelwert einer
Achse positioniert wird, danach der mehrpolige Umschalter
betätigt und anschließend der Winkelwert der anderen Achse
positioniert wird.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 6, 9, dadurch
gekennzeichnet, daß am Tiefpaßausgang oder am
Verstärkerausgang der erfinderischen Anordnung ein Frequenzum
richter angeordnet ist, der mit dem Drehstrom-Starkstromnetz
verbunden ist und daß am Ausgang des Frequenzumrichters als
Synchronmotor (6) ein Drehstromsynchronmotor im Kilowatt-
Leistungsbereich mit zugehöriger Anwurfmaschine, Kupplung und
Bremseinrichtung angeordnet ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 6, 9, dadurch
gekennzeichnet, daß am Verstärkerausgang der
erfinderischen Anordnung ein Ausgangstransformator (Tr1) ange
ordnet ist, der die Ausgangsspannung des auf Logikspannungsebe
ne arbeitenden NF-Verstärkers (N1), eine Kleinspannung, auf
die Eingangsspannung handelsüblicher, auf Netzniederspannung
ausgelegter Synchronmotore hochtransformiert und daß am Ausgang
von (Tr1) ein einphasiger Niederspannungs-Synchronmotor im
Watt-Leistungsbereich als Synchronmotor (6) angeordnet ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 6, 9, dadurch
gekennzeichnet, daß am Verstärkerausgang oder am
Tiefpaßausgang ein Kleinspannungssynchronmotor im Watt-,
Milliwatt- oder Mikrowattleistungsbereich als Synchronmotor (6)
angeordnet ist und daß dem Ausgang eine an sich bekannte Brems
anordnung parallel geschaltet ist, bei der im Bremsfall eine
Halbleiterstrecke den leistungslosen Ausgang kurzschließt und
daß der Steuereingang der Bremseinrichtung mit dem Ausgang des
Startspeichers (D3/1) (Pin 5) verbunden ist.
14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß am Ausgang des Ausgangstransformators
(Tr1) eine Bremsanordnung nach Anspruch 13 angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924230064 DE4230064C2 (de) | 1991-03-22 | 1992-09-07 | Inkremental winkelmessender Positionierantrieb und Verfahren zur Winkelpositionierung |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914109970 DE4109970C1 (en) | 1991-03-22 | 1991-03-22 | Incremental angle measuring drive for transceiver - has quadruple input AND=gate supplying inverter assigned to correction counter |
DE19924230064 DE4230064C2 (de) | 1991-03-22 | 1992-09-07 | Inkremental winkelmessender Positionierantrieb und Verfahren zur Winkelpositionierung |
Publications (2)
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