DE69318973T2

DE69318973T2 - Vorrichtung zur korrektur des pendelns bei hysterese-synchronmotoren

Info

Publication number: DE69318973T2
Application number: DE69318973T
Authority: DE
Inventors: W. Thomas North Andover Ma 01845 Boston; James A. Littleton Ma 01460 Carl; John L. Iii Newton Nh 03858 Connolly
Original assignee: ECRM Inc
Current assignee: ECRM Inc
Priority date: 1992-03-02
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2013-02-19
Also published as: JPH07506956A; EP0629319B1; US5235263A; EP0629319A4; CA2130668C; CA2130668A1; EP0629319A1; DE69318973D1; WO1993018577A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Hysteresis-Synchronmotoren und insbesondere auf die Steuerung/Regelung von Hysteresis-Synchronmotoren, die in Anwendungen verwendet werden, die eine extrem konstante Drehgeschwindigkeit erfordern.
Hysteresis-Synchronmotoren können eine sehr konstante Drehgeschwindigkeit liefern, wenn sie von einer auf einem Kristalloszillator beruhenden Eingangsfrequenz angesteuert werden. Die Funktionsweise des Motors ist wie folgt. Ein Paar von Quadratur-Antriebssignalen, die entweder Rechteckwellen oder sinusförmig sein können, werden an einem Paar von Motorwicklungen angelegt, die den Stator des Motors bilden. Die alternierenden Statorantriebsströme erzeugen ein Magnetfeld, das sich mit der Frequenz der Statorantriebssignale dreht.
Der Rotor ist aus einem festen Eisenmaterialstück gebildet. Das Magnetfeld von den erregten Statorwicklungen induziert einen magnetischen Fluß im Rotor, wodurch entsprechende Magnetpole gebildet werden. Das drehende Magnetfeld und das Rotormagnetfeld wirken zusammen, um ein Drehmoment zu erzeugen, das bewirkt, daß sich der Rotor und die Motorwelle drehen. In Antwort hierauf beschleunigt der Rotor, bis die Winkelgeschwindigkeit des Rotors derjenigen des rotierenden Magnetfelds entspricht.
Jeder Winkelversatz zwischen dem rotierenden Feld und den Rotorpolen erzeugt ein Rückführdrehmoment in der entgegengesetzten Richtung. In Antwort hierauf ändert sich die Rotorgeschwindigkeit, um den Winkel hierdurch zu verkleinern, wodurch verursacht wird, daß die Drehfrequenz des Rotors der Frequenz des rotierenden Feldes entspricht. Es ist diese Funktionsweise, die den Hysteresis-Motor mit einer exzellenten Langzeitstabilität versieht.
Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines elektromechanischen Modells eines Hysteresis-Synchronmotors. Der Motor kann als ein System zweiter Ordnung modelliert werden. Genauer: Die gegenkopplungsfreie Verstärkung des Motors wird durch Gleichung 1 unten repräsentiert:
wobei Km eine Motorkonstante, J die Trägheit des Motors, B ein Dämpfungsfaktor und 5 eine Laplace-Variable ist. Für einen typischen Motor kann für diese Werte gelten: Km = 0,046 n x m/rad; J = 1 x 10&supmin;&sup4; kg x m²; und B = 5 x 10&supmin;&sup4; n x m x s/rad.
Die Motorübertragungsfunktion mit Gegenkopplung wird durch Gleichung 2 unten repräsentiert:
wobei P&sub1; eine Phaseneingabe und P&sub0; eine Phasenausgabe ist. In einer stärker standardisierten Form wird die Motortransferfunktion mit Gegenkopplung durch Gleichung 3 unten repräsentiert:
Unglücklicherweise ist das dynamische Antwortverhalten dieses Typs von Motor häufig unterdämpft aufgrund des geringen Dämpfungsfaktors B und der Größe der Trägheit J. Somit neigt die Rotorfrequenz dazu, nach oberhalb und unterhalb der gewünschten Frequenz (d.h. die Frequenz des Statorantriebssignals) zu driften, während der Rotor permanent versucht, die gewünschte Frequenz zu treffen. Zum Beispiel "pendelt" ein Rotor, der sich mit einer Nominalrate zwischen 150 bis 200 Umdrehungen pro Sekunde dreht, typischerweise mit einer sehr geringen Frequenz von etwa 3 bis 5 Hz um die nominale Geschwindigkeit. Auf diese Pendeirate wird als die "natürliche Frequenz" Fn des Motors Bezug genommen und sie ist durch Gleichung 4 unten repräsentiert:
Typischerweise wird eine Rückkopplungs-Servoregelvorrichtung verwendet, um das Pendeln zu reduzieren und eine extrem konstante Drehgeschwindigkeit zu erhalten. Hierzu ist ein Tachometer oder Wellendrehgeber angeschlossen, um die momentane Rotorfrequenz zu messen. Eine Rückkopplungs-Servoregeleinrichtung überwacht die gemessene Rotorfrequenz und stellt fortwährend die Frequenz der Statorantriebssignale ein in einer Bemühung, die Rotorfrequenz bei einer konstanten gewünschten Frequenz zu halten.
Bei einigen Anwendungen ist eine derartige Rückkopplungs-Servoregeleinrichtung unerschwinglich teuer. Dementsprechend wird, falls die Frequenzdrift toleriert werden kann, ein Hysteresis-Synchronmotor ohne Rückkopplungsregelung verwendet. Falls allerdings eine sehr hohe Auflösung erforderlich ist, muß ein Mechanismus verwendet werden, um die einem Hysteresis-Synchronmotor inhärente Frequenzdrift zu eliminieren oder zu reduzieren. Zum Beispiel erfordern in Druckvorrichtungen verwendete Laserscanner eine hohe Präzision. Das Pendeln des Motors erzeugt Artefakte, die dem Auge leicht sichtbar sind. Diese Artefakte beim Druck- (oder Abtast-) Prozeß lenken vom Bild ab und liefern ein klar weniger wünschenswertes Ergebnis.
Ein Steuer-/Regelsystem, das zur Verwendung mit einem Synchronmotor zur Vergrößerung der Motordämpfung durch elektronische Mittel vorgeschlagen wurde, ist im US-Patent Nr.3,829,747 beschrieben. Eine andere Vorrichtung zum Steuern/Regeln eines Motors in einem Laserdrucker ist in der EP 0443 612 Al gezeigt. Diese Vorrichtung weist einen Haibleiterlaser auf, der einen Polygonspiegel und eine Strahlerfassungsvorrichtung zum Erfassen eines reflektierten Strahls trifft.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen zuverlässigen präzisen Steuerungs-/Regelmechanismus mit geringen Kosten bereitzustellen, um das Niederfrequenzpendeln in einem Hysteresis-Synchronmotor zu eliminieren.

Übersicht der Erfindung

Eine Einrichtung der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 ist zum Steuern/Regeln der Drehgeschwindigkeit in einem Hysteresis-Synchronmotor bestimmt, der eine Pendelcharakteristik mit niedriger Frequenz aufweist. Die Einrichtung weist ein Eingabephase-Erzeugungsmittel auf, das einen Phasenzähler zum Erzeugen eines nominalen Eingabephasenwerts zum Steuern/Regeln eines Phasenstroms zum Motor enthält, wobei der Phasenstrom einen nominalen Phasenwert aufweist. Ein Drehmeßerzeugungsmittel erzeugt wiederholt eine Messung einer Drehzeit für eine einzelne Umdrehung des Motors, und ein Periodenzähler spricht auf das Rotationsmeßerzeugungsmittel an. Eine Taktquelle liefert ein Taktsignal zum Periodenzähler und zum Phasenzähler. Die Einrichtung weist ferner auf einen Mikroprozessor mit einem Ableitungsmittel, das auf das Drehmeßerzeugungsmittel zum Ableiten eines Ableitungsphasenwerts anspricht, ein Nominale-Eingabephase-Einstellmittel zum Einstellen des nominalen Eingabephasenwerts in Antwort auf den abgeleiteten Phasenwert, um einen gewählten Drehdämpfungsphasenwert zu erreichen, und ein Phasenstromeinsteilmittel enthaltend den Phasenzähler zum Einstellen des am Motor angelegten Phasenstroms in Antwort auf den eingestellten Eingabephasenwert, um das Pendeln mit niedriger Geschwindigkeit des Motors zu dämpfen.
Die Merkmale des Anspruchs 8 definieren eine andere Form der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den folgenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
Figur 1 ein Blockdiagramm eines elektromechanischen Modells für einen Hysteresis-Synchronmotor ist;
Figur 2 ein Blockdiagramm eines elektromechanischen Modells eines modifizierten Hysteresis-Synchronmotors ist; und
Figur 3 ein Blockdiagramm der Motorsteuerungs-/Regelungs-Schaltungsanordnung in Übereinstimmung mit der Erfindung ist.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Es wird auf Figur 3 Bezug genommen. Eine Schaltungsanordnung 10 steuert/regelt den Betrieb eines Hysteresis-Synchronmotors 32. Der Motor führt die Lichtausgabe einer Lichtquelle, zum Beispiel eine Laserdiode, in einer geraden Linie über eine Bildebene. Die Laserdiode wird unter Verwendung gut bekannter Steuertechniken an- und ausgeschaltet, während sie die Abtastlinie überstreicht. Um eine Folge von mit gleichem Abstand angeordneten Bildelementen (Pels) niederzulegen, sollte die Drehgeschwindigkeit des Synchronmotors konstant sein. Kleine Änderungen der Motorgeschwindigkeit ändern den Abstand zwischen den Peis und bewirken, daß im fertigen Bild unerwünschte Artefakte auftreten.
Die Steuerung/Regelung umfaßt die Verwendung einer Rückkoppelung, um die dynamische Antwort eines Hysteresis-Synchronmotors zu ändern, um das Pendeln zu eliminieren oder zu verringern.
Wie in den Gleichungen 2 und 3 angegeben ist, kann die dynamische Antwort eingestellt werden, indem der Dämpfungsfaktor B geändert wird. Allerdings ist der B-Term ein Charakteristikum des Motors selbst, und er kann nicht leicht vergrößert werden, ohne den Motorwirkungsgrad zu verschlechtern. Deshalb ist ein Modifizieren dieses Parameters zum Verbessern der dynamischen Antwort nicht praktikabel.
Ähnlich kann die dynamische Antwort verbessert werden, indem die Trägheit J des Motors vermindert wird. Dies ist allerdings nicht leicht zu erreichen, da der Großteil der Trägheit im Rotor liegt, und die gewünschten Eigenschaften des Rotors beschränken dessen Trägheit.
Die Lösung liegt deshalb darin, am Motor eine zusätzliche Rückkopplung vorzusehen, wobei die Rückkoppiungsübertragungsfunktion derart gewählt ist, daß nur der Dämpfungsterm der Regeikreisantwort betroffen ist. Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm eines eiektromechanischen Modells des Motors und eines hinzugefügten Rückkopplungsnetzwerks. Eine Analyse dieser Konfiguration ist wie folgt:
Durch Substituieren von 5 in 6 und Gleichsetzen des Ergebnisses mit 7 ergibt sich
Durch Umstellen erhalten wir
Dies ergibt die folgende Übertragungsfunktion
Nimmt man an, daß F(S) = S Kd gilt, wobei Kd die abgeleitete Verstärkung ist, ergibt dies
Dies in der Standardform ausgedrückt, ergibt
Die durch Gleichung 12 gegebene Übertragungsfunktion unterscheidet sich von derjenigen der Gleichung 3 nur in zwei Hinsichten. Als erstes weist sie einen anderen Koeffizienten im Dämpfungsterm auf. Als zweites weist sie eine zusätzliche "Null" aus dem S-Term im Zähler auf. Es ist wichtig zu vermerken, daß die natürliche Frequenz nicht geändert wurde. Die zusätzliche "Null" zeigt sich nur im Zähler und betrifft somit nicht die Stabilität des Motorbetriebs. Die "Null" betrifft nur die Regelkreisverstärkung und kann deshalb anderswo kompensiert werden, falls notwendig. Bei dieser veranschaulichten Ausführungsform ist es nicht notwendig, hinsichtlich der "Null" zu kompensieren, da die Phaseneingabe nicht moduliert wird.
Eine wichtige Änderung ist der Effekt auf den Dämpfungsterm. in dem Term ist nun ein Koeffizient, kd, der verwendet werden kann, um die Dämpfung des Motorsystems ohne Beeinflussung irgendwelcher anderen Parameter zu modifizieren.
Es gibt mehrere wichtige Punkte zu vermerken. Als erstes ist dieser Ansatz inhärent verschieden davon, eine Servoschleife um den Motor aufzubauen, was der herkömmliche Ansatz zum Lösen dieses Problems ist. Die Hauptvorteile dieses Ansatzes gegenüber dem Servoschleifenansatz sind: (i) Es wird keine Bandweite geopfert und (2) sind die Rückkopplungsanforderungen weniger anspruchsvoll, was zu einer weniger teuren Implementation führt. Eine Servoschleife um den Motor müßte entweder bei einer niedrigeren Frequenz als die Regelkreisbandbreite des Motors selbst geschlossen werden oder würde eine zusätzliche Kompensation erfordern, um stabil zu sein. Eine Servoschleife erfordert ferner eine genaue Rückkopplung über ihre gesamte Bandbreite. Der beschriebene Kompensationsansatz erfordert nur eine genaue Rückkopplung bis zur Pendelfrequenz, so daß sein Rückkoppelelement eine viel niedrigere Bandbreite aufweisen kann. Da die Pendelfrequenz im Vergleich zur nominalen Drehrate des Motors typischerweise sehr niedrig ist, ist es denkbar, die Rückkopplung auf der Basis einmal pro Umdrehung abzutasten. Wie vorstehend vermerkt, kann dies bei der veranschaulichten Ausführungsform stark die Kosten des Rückkopplungsmechanismus reduzieren.
Es wird nun auf Figur 3 Bezug genommen. Eine Laseraufzeichnungseinrichtung 30 verwendet einen Hysteresis-Synchronmotor 32 zum Drehen eines Pentaprismas 34, das einen Lichtstrahl über ein Stück Film oder ein anderes lichtsensitives Medium 38 ablenkt, das sich orthogonal zur Abtastung bewegt, so daß sich ein Raster bildet. Bei jeder Umdrehung überquert der Laserstrahl kurz vor dem Eintreten in den Bildbereich einen Linienstartdetektor (SOL) 40 und erzeugt hierdurch einen Puls, der zum Synchronisieren der Strahlmodulation für diese Abtastung verwendet wird. Durch Verwendung des SOL 40 als das Rückkoppelelement für die Motordämpfung ist es möglich, eine hohe Leistung zu einem Bruchteil der Kosten zu erreichen, die zum Servosteuern des Motors erforderlich sind. Bei dieser veranschaulichten Ausführungsform liegt die Pendelfrequenz näherungsweise bei 3 bis 5 Hz, und die SOL-Frequenz beträgt näherungsweise 175 Hz. Die Abtastrate (175 Hz) ist deshalb ausreichend, die Rückkopplungs erfordernisse zu erfüllen, wie hier beschrieben ist.
Ein von einem Hochfrequenzkristalloszillator hochgezählter Periodenzähler 44 zählt die Anzahl von Taktticks zwischen aufeinanderfolgenden SOL-Pulsen. Jeder SOL-Puls ist wirksam, den Periodenzählerwert in einem Ausgaberegister 48 zu speichern, setzt den Zähler 44 zurück und unterbricht einen Mikroprozessor 50. In Antwort auf den SOL-lnterrupt liest der Mikroprozessor den Ausgaberegisterwert des Zählers 44 und berechnet die Ableitung der Rückkopplung. Diese multipliziert er dann mit dem Ableitungsverstärkungsfaktor und speichert das Ergebnis als den Phasenkorrekturwert. Die Ableitung wird berechnet unter Verwendung eines Mittendifferenzalgorithmus, so daß die abgeleitete Verstärkung bei hohen Frequenzen abfällt. Dies minimiert die Verstärkung von Rauschen, die mit einem reinen Differenzierglied auftreten könnte, und gibt noch eine gute Ableitungsleistung bei den niedrigen Frequenzen, bei denen das Pendeln auftritt.
Dies Verfahren ist leicht verschieden vom in Figur 2 gezeigten Verfahren und dessen zugeordneten Gleichungen. Figur 2 gibt an, daß F(S), die Ableitungsfunktion, auf dem Phasenfehler, wie in Gleichung 5 definiert, durchgeführt werden sollte, was den folgenden Ausdruck ergeben würde.
Bei dieser Anwendung ist die Eingabephase konstant, so daß die Ableitung gleich null ist. Der Ausdruck reduziert sich dann zu:
Es ist deshalb ausreichend, nur die Ableitung der Rückkopplung zu nehmen. Ein Vergleich mit der Eingabephase ist nicht notwendig.
Der Phasenantrieb zum Motor wird durch einen Phasenzähler 60 erzeugt, der von der gleichen Quelle auf Kristallbasis wie der Periodenzähler 44 läuft. Die Ausgabe des Zählers 60 wird in ein Paar von Quadraturwellenformen umgewandelt, die dann in einen Leistungsstufenverstärker 64 gehen, der die Spannung verstärkt und den Rechteckswellenantrieb zum Motor liefert. Der Phasenzähler 60 weist auch ein zugeordnetes Eingaberegister 62 auf. Wenn der Zähler überläuft, wird er wieder vom Eingaberegister geladen, die Motorphasen werden geschaltet und ein lnterrupt wird erzeugt. In Antwort auf diesen lnterrupt erhöht der Mikroprozessor einen internen Zähler, was die Software verfolgen läßt, welche Phase gerade geschaltet wurde, und er lädt dann das Zählereingaberegister 62 mit dem nominalen Phasenwert. Wenn Phase Null erreicht ist (es gibt eine beliebige Zuordnung von Phasen 0 bis 3), wird die vorher berechnete Phasenkorrektur mit dem nominalen phasenmodulierten Motorantriebssignal summiert, das zum Aufheben des Geschwindigkeitspendels notwendig ist.
Das erreichbare Ausmaß an Steuerung wird zum Teil durch die Frequenz bestimmt, die zum Betreiben des Periodenzählers und des Phasenzählers verwendet wird. Eine typische Laserabtastanwendung erfordert, daß der Phasenfehler innerhalb von 30 Teilen pro Million (ppm) bleibt. Falls eine Taktrate von 32 MHz mit der SOL-Frequenz von 175 Hz verwendet wird, ergibt dies eine Auflösung von 5,4 ppm.

Claims

1. Einrichtung zum Steuern/Regeln einer Drehgeschwindigkeit in einem Hysteresis-Synchronmotor, der eine Niederfrequenz-Pendelcharakteristik aufweist, wobei die Einrichtung umfaßt:

ein Eingabephase-Erzeugungsmittel, das einen Phasenzähler (60) zum Erzeugen eines nominalen Eingabephasenwerts enthält, zum Steuern/Regeln eines Phasenstroms zum Motor, wobei der Phasenstrom einen nominalen Phasenwert aufweist;

ein Drehmeßerzeugungsmittel (40) zum wiederholten Erzeugen einer Messung einer Drehzeit für eine einzelne Umdrehung des Motors;

einen Periodenzähler (44), der auf das Drehmeßerzeugungsmittel anspricht;

eine Taktquelle (46) zum Liefern eines Taktsignals zum Periodenzähler und zum Phasenzähler; und

einen Mikroprozessor (50), der aufweist:

ein Ableitungsmittel, das auf das Drehmeßerzeugungsmittel anspricht, um einen Ableitungsphasenwert abzuleiten,

ein Nominelle-Eingabephase-Einstellmittel zum Einstellen des nominellen Eingabephasenwerts in Antwort auf den Ableitungsphasenwert, um einen gewählten Drehdämpfungsphasenwert zu erreichen, und

ein Phasenstromeinstellmittel, das den Phasenzähler (60) enthält, zum Einstellen des am Motor angelegten Phasenstroms in Antwort auf den eingestellten Eingabephasenwert, um das Niederfrequenzpendeln des Motors zu dämpfen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das Dreherzeugungsmeßmittel die Messung in Antwort daraufliefert, daß eine Energiequelle über einen Sensor fährt, während sich ein Spiegel an der Drehwelle dreht.

3. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Mikroprozessor unterbrochen wird, wenn der Phasenzähler überläuft.

4. Vorrichtung nach den vorangehenden Ansprüchen, bei der der Sensor eine elektrische Pulsausgabe liefert und der Mikroprozessor den Periodenzähler liest, wenn der Sensor einen Puls ausgibt.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Phasenstromeinstellmittel Quadratursignale vom Phasenzähler ableitet, wie von Zeit zu Zeit durch den Mikroprozessor geladen, um die Frequenz der Drehung des Synchronmotors zu steuern/regeln.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Periodenzähler auf ein Signal vom Drehmeßerzeugungsmittel anspricht, um den Inhalt des Periodenzählers zurückzusetzen.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Mikroprozessor auf Daten im Periodenzähler anspricht, um eine Ableitung der vom Periodenzähler empfangenen Daten abzuleiten.

8. Einrichtung zum Steuern der Drehgeschwindigkeit in einem Hysteresis-Synchronmotor mit einer Niederfrequenz-Pendelcharakteristik, umfassend:

einen Mikroprozessor (50);

einen an einer Drehwelle des Motors angebrachten Spiegel (34) zum Reflektieren der Energie von einer Energiequelle;

einen Sensor (40), der auf durch den Spiegel reflektierte Energie anspricht, um eine Messung einer Drehzeit für eine einzelne Umdrehung des Motors zu liefern;

einen Periodenzähler (44);

einen Phasenzähler (60);

eine Taktquelle (46);

ein Mittel zum Anlegen der Ausgabe des Periodenzählers am Mikroprozessor;

ein Mittel zum Ausgeben eines Mikroprozessor-Phasenzählwerts zum Phasenzähler;

ein Mittel zum Anlegen der Ausgabe der Taktquelle am Phasenzähler und am Periodenzähler;

ein Mittel zum Anlegen der Ausgabe des Sensors am Mikroprozessor und am Periodenzähler;

ein Mittel zum Unterbrechen des Mikroprozessors, wenn der Phasenzähler überläuft,

wobei der Mikroprozessor aufweist:

ein Mittel zum Lesen des Periodenzählers, wenn der Sensor eine Messung ausgibt,

ein Mittel zum Ableiten einer Ableitung der vom Periodenzähler empfangenen Daten zum Erzeugen einer Phasenkorrektur, um das Pendeln des Synchronmotors zu kompensieren,

ein Mittel zum Ausgeben der abgeleiteten Phasenkorrektur vom Mikroprozessor zum Phasenzähler, und ein Mittel zum Ableiten von Quadratursignalen vom Phasenzähler, wie von Zeit zu Zeit durch den Mikroprozessor geladen, um die Frequenz der Drehung des Synchronmotors zu steuern/regeln.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, umfassend eine Taktquelle (46) und ein Mittel zum Anlegen der Ausgabe der Taktquelle am Phasenzähler und am Periodenzähler.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, umfassend ein Mittel zum Unterbrechen des Mikroprozessors, wenn der Phasenzähler überläuft.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, bei der der Sensor einen Linienstartdetektor umfaßt zum Liefern einer elektrischen Pulsausgabe in Antwort darauf, daß die Energiequelle über den Detektor gefahren wird, während sich der Spiegel an der Motorwelle dreht.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der der Mikroprozessor ein Mittel zum Ableiten von Quadratursignalen vom Phasenzähler umfaßt, wie von Zeit zu Zeit durch den Mikroprozessor geladen, um die Drehfrequenz des Synchronmotors zu steuern/regeln.