FI98011C - Askelmoottorin ohjaus - Google Patents

Description

, 98011

Askelmoottorin ohjaus - Styrning av en stegmotor

Keksinnön kohteena on menetelmä ja piirijärjestely askelmoottorin ohjaamiseksi esimerkiksi panoraamaröntgenkuvauslaitteistossa.

Perinteisesti askelmoottoreita ohjataan muuntamalla prosessorin digitaalinen 5 ohjaustieto askelmoottorin ohjauspulsseiksi oskillaattorin ja ohjelmoitavan jakajan avulla. Tällöin askelmoottorin pyörimisnopeus on kääntäen verrannollinen lukuun, jonka prosessori siirtää ohjelmoitavaan jakajaan.

Tunnettujen piiriratkaisujen haittana on, että prosessorin muuttaessa askel-10 moottorin ohjaustaajuutta muutos tapahtuu hyppäyksittäin, jolloin ohjauksen seuraaminen aiheuttaa suuria hetkellisiä hitausvoimia moottorissa ja siihen liitetyissä laitteissa. Nämä voimat voivat edelleen aiheuttaa laitteiston mekaanisesta rakenteesta riippuen esim. mekaanista värähtelyä. Panoraamaröntgenlait-teessa askelmoottoreita käytetään mm. röntgenlähteen ja filmin liikuttamiseen 15 kuvauksen aikana, jolloin mekaaninen värähtely heikentää kuvaustuloksen laatua.

Suuret hitausvoimat edellyttävät askelmoottorilta suurta tehoa, jotta se pystyisi seuraamaan ohjausta. Siten sekä moottorin teho että moottoriin liittyvän me-20 kaniikan lujuus joudutaan ylimitoittamaan.

Tunnetuissa menetelmissä askelmoottorin kiihdytyksen aikana prosessori joutuu jatkuvasti päivittämään ohjaustietoa, mikä edellyttää prosessorilta suurta kapasiteettia, mutta vakionopeutta käytettäessä prosessoria ei kuormiteta. Li-25 säksi samalla prosessorilla usein ohjataan useita askelmoottoreita, joiden kiihdytys-ja vakionopeusjaksot voivat osua päällekkäin. Siten prosessorin kuormitus vaihtelee runsaasti ja sen kapasiteetti joudutaan mitoittamaan sellaisen hetkellisen kuormitustilanteen perusteella, jossa laitteiston useiden askelmoottori-en pyörimisnopeudet muuttuvat samanaikaisesti. Jos toisaalta prosessorin pie-30 nen kapasiteetin vuoksi ohjaustiedon päivitystaajuus on liian pieni, askelmoottorin nopeusmuutoshyppäykset voivat olla erityisen suuria.

Keksinnön tarkoituksena on luoda menetelmä ja piirijärjestely askelmoottorin ohjaamiseksi, jossa edellä mainitut epäkohdat on korjattu. Keksinnön mukai-35 selle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 2 58011 tunnusmerkkiosassa, ja keksinnön mukaiselle piirijärjestelylle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

5 Seuraavassa keksintöä selitetään piirustuksen avulla, jossa Fig. 1 esittää perinteistä tapaa ohjata askelmoottoria;

Fig. 2 esittää erästä keksinnön mukaista piirijärjestelyä askelmoottorin ohjaa-10 miseksi;

Fig. 3 esittää vaihtoehtoista keksinnön mukaista piirijärjestelyä, jossa integroiva piiri käsittää kaksi integraattoria.

15 Kuvio 1 esittää kaavallisesti tekniikan tason mukaisen piiriratkaisun, jossa askelmoottoria ohjataan prosessorilla ja jota jo alussa yleisesti selitettiin. Siinä oskillaattorista 4 saadaan vakiotaajuinen signaali, joka on kytketty ohjelmoitavan jakajan 2 tuloon. Jakajan lähdöstä saadaan askelmoottorille 3 (M) pulsseja, joiden taajuus on oskillaattorin taajuus jaettuna luvulla N, jossa luku N saadaan 20 prosessorilta 1 (CPU) digitaalisessa muodossa. Esimerkiksi panoraamaröntgen-laitteessa kuvausprosessin mukaiset askelmoottorien ohjaustiedot on tallennettu laitteiston muistiin (ei ole esitetty kuviossa). Askelmoottorin pyörimisnopeutta muutettaessa prosessori syöttää ohjelmoitavalle jakajalle muuttuvia lukuja. Tällöin askelmoottorin ohjaustaajuus muuttuu hyppäyksittäin, ja hetkellisten taa-25 juusmuutosten suuruus riippuu prosessorin ja ohjelmoitavan jakajan resoluutiosta sekä prosessorin kyvystä päivittää ohjaustietoa lyhyin väliajoin. Erityisen suuria hetkelliset muutokset ovat askelmoottorin suurilla pyörimisnopeuksilla, jolloin jakajan N arvon muuttuminen yhdellä yksiköllä aiheuttaa suuren ohjaus-taajuuden muutoksen. Kuten jo mainittiin, ohjaustaajuuden muuttaminen hyp-30 päyksittäin saattaa johtaa käytännön ongelmiin.

Kuviossa 2 on esitetty keksinnön mukainen piirijärjestely, jolla pyörimisnopeuden muutokset saadaan tapahtumaan portaattomasti. Prosessori 5 (CPU) antaa digitaalisen ohjaustiedon digitaali-analogiamuuntimelle 6 (D/A), joka 35 muuntaa tämän analogiasignaaliksi. Analogiasignaali integroidaan integraatto-rissa 7 ja johdetaan jännite-taajuusmuuntimeen 8 (V/F). Muuntimen lähdöstä saadaan askelmoottorille 9 (M) ohjauspulssit, joiden taajuus on suoraan ver-

II

3 98011 rannollinen integraattorista saadun analogiasignaalin amplitudiin. Näin askel-moottorin pyörimiskiihtyvyys on saatu suoraan verrannolliseksi prosessorin antamaan ohjaustietoon. Siten integroivan piirin ansiosta prosessorin antamat diskreetit ohjausmuutokset eivät aiheuta hyppäyksellisiä taajuusmuutoksia as-5 kelmoottorin ohjaussignaaliin.

Koska prosessorin ohjaustieto muunnetaan analogiseksi, signaalitiellä syntyy epätarkkuuksia. Jotta askelmoottoria voitaisiin ohjata riittävän täsmällisesti, on askelmoottorin ohjaussignaali takaisinkytketty prosessorille. Näin prosessori 10 voi seurata askelmoottorin todellista liikettä ja tehdä tarvittaessa koijauksia ohjaustietoihin. Toinen mahdollisuus on takaisinkytkeä prosessorille integraatto-rin lähtösignaali, joka muunnetaan ensin digitaaliseen muotoon analogia-digi-taalimuuntimella (ei ole esitetty kuviossa).

15 Kuviossa 3 on esitetty vaihtoehtoinen keksinnön mukainen piirijärjestely, jossa integroiva piiri 10 käsittää kaksi integraattoria 11, 12. Tällöin pyörimiskiihty-vyyden aikaderivaatta on suoraan verrannollinen prosessorin antamaan ohjaustietoon. Tämän järjestelyn ansiosta askelmoottorien kiihtyvyysmuutokset on saatu portaattomiksi eikä siten hitausvoimissa tapahdu askelherätteen tyyppisiä 20 muutoksia. Muilta osin piirijärjestely vastaa kuviossa 2 esitettyä piirijärjeste-lyä.

Keksinnön mukaisen piirijärjestely n ansiosta askelmoottoriin ja siihen liitettyyn laitteistoon kohdistuvien voimien huippuarvo saadaan pieneksi. Näin voidaan 25 käyttää pienempitehoisia askelmoottoreita sekä kevyempiä mekaanisia tukirakenteita tai vaihtoehtoisesti perinteisillä moottoritehoilla voidaan liikuttaa suurempia kuormia. Lisäksi vältetään askeltyyppisistä herätteistä aiheutuvat mekaaniset värähtelyt, minkä ansiosta esim. panoraamaröntgenkuvauslaitteella on mahdollista saavuttaa laadultaan parempi kuvaustulos.

30

Keksinnön mukaisella piirijärjestelyllä on myös mahdollista tasoittaa prosessorin kuormitusta oleellisesti, koska pyörimisnopeutta muutettaessa prosessorioh-jauksen päivitystarve on pienempi. Jos askelmoottoreiden nopeusmuutoksissa käytetään vakiokiihtyvyyksiä, päästään jo yhtä integraattoria käytettäessä hyvin 35 tasaiseen kuormitukseen. Jos kiihtyvyyden muutosnopeus vakioidaan, päästään tasaisempaan kuormitukseen kahta integraattoria käyttämällä.

4 98011

Edellä selostetuissa esimerkkisovelluksissa on käytetty analogiasignaalin integroimiseen yhtä tai kahta integraattoria. Keksinnön mukaisessa piirijärjestelyssä integraattoreita voi luonnollisesti olla enemmänkin. Käytännön toteutuksessa voidaan erillisten integraattoreiden asemesta suorittaa useamman kertaluvun 5 integrointi myös yhdellä piirikytkennällä.

Esitetyissä piirijärjestelyissä on käytetty digitaali-analogiamuuntimena tavanomaista lineaarista muunninta. Vastaavasti analogiasignaalin muuntaminen as-kelmoottoria ohjaaviksi pulsseiksi on suoritettu lineaarisella jännite-taajuus-10 muuntimella. Edellä mainittujen muunnosten suorittamiseksi on tarvittaessa kuitenkin mahdollista käyttää muunkinlaisia muuntimia.

Piirijärjestelyyn kuuluvat osat voidaan toteuttaa tavanomaista tekniikkaa käyttäen. Niiden yksityiskohtaista mitoitusta ei tässä selityksessä ole esitetty tar-15 kemmin, koska sellaisten katsotaan kuuluvan alan ammattilaisen normaaleihin taitoihin, joita hän voi soveltaa tämän selityksen luettuaan.

Edellä on esitetty eräitä keksinnön mukaisen piirijärjestelyn sovelluksia. Luonnollisesti keksinnön mukaista periaatetta voidaan muunnella patenttivaatimus-20 ten suoja-alan puitteissa esim. rakenteellisten yksityiskohtien ja käyttöalueiden osalta.

Il

Claims (11)

1. Förfarande för att styra en stegmotor med en processor, kännetecknat av att den digitala styrinformationen i processom omvandlas tili en analogsignal, som 25 integreras minst en gang och därefter omvandlas tili frekvensen för signalen som styr stegmotom.

1. Menetelmä askelmoottorin ohjaamiseksi prosessorilla, tunnettu siitä, että prosessorin digitaalinen ohjaustieto muunnetaan analogiasignaaliksi, joka in- 5 tegroidaan vähintään kerran ja tämän jälkeen muunnetaan askelmoottoria ohjaavan signaalin taajuudeksi.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att för analogsignalen utförs första ordningens integration för att ändra stegmotoms rotationshastighet steglöst. 30

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että analogia-signaalille suoritetaan ensimmäisen kertaluvun integrointi askelmoottorin pyö- 10 rimisnopeuden muuttamiseksi portaattomasti.

3. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att för analogsignalen utförs andra ordningens integration för att ändra stegmotoms rotationshastighet jämte rotationsacceleration steglöst. 35 4. Förfarande enligt nägot av föregäende patentkrav, kännetecknat av att ana logsignalen omvandlas tili frekvensen för de pulser som styr stegmotom med spännings-frekvensomvandling. Il 98011

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että analogia-signaalille suoritetaan toisen kertaluvun integrointi askelmoottorin pyörimisnopeuden sekä pyörimiskiihtyvyyden muuttamiseksi portaattomasti. 15

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että analogiasignaali muunnetaan askelmoottoria ohjaavien pulssien taajuudeksi jännite-taajuusmuunnoksella.

5. Förfarande enligt nägot av föregäende patentkrav, kännetecknat av att steg-motoms styrfel kompenseras genom att mätä de pulser som styr stegmotom eller pulser proportionerliga mot dessa och genom att korrigera stymingen tili digital-analogomvandlaren. 5

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että askelmoottorin ohjausvirheet kompensoidaan mittaamalla askelmoottoria ohjaavia pulsseja tai niihin verrannollisia pulsseja ja korjaamalla digitaali-ana-logiamuuntimelle annettavaa ohjausta.

5 98011

6. Förfarande enligt nägot av föregäende patentkrav, kännetecknat av att steg-motorema används för att förflytta röntgenkällan eller röntgenfilmen for en panoramaröntgenapparat under röntgentagning.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että askelmoottoreilla liikutetaan panoraamaröntgenkuvauslaitteen röntgenläh-dettä tai röntgenfilmiä kuvausprosessissa.

7. Kretsarrangemang för att styra en stegmotor (9) med en processor (5), känne tecknat av att arrangemanget omfattar - en digital-analogomvandlare (6), som omvandlar styrdata frän processom tili en analogsignal, och - en krets (7, 10) som integrerar analogsignalen och 15. en andra omvandlare (8), som omvandlar amplituden hos den integrerade ana logsignalen tili frekvensen för signalen som styr stegmotom.

7. Piirijärjestely askelmoottorin (9) ohjaamiseksi prosessorilla (5), tunnettu 30 siitä, että järjestely käsittää - digitaali-analogiamuuntimen (6), joka muuntaa prosessorilta saadun ohjaustiedon analogiasignaaliksi, ja - analogiasignaalia integroivan piirin (7, 10), ja - toisen muuntimen (8), joka muuntaa integroidun analogiasignaalin amplitudin 35 askelmoottoria ohjaavan signaalin taajuudeksi. 98011

8. Kretsarrangemang enligt patentkrav 7, kännetecknat av att nämnda integre-rande krets (7) omfattar en integrator för att ändra stegmotoms rotationshastighet 20 steglöst.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainittu integroiva piiri (7) käsittää yhden integraattorin askelmoottorin pyörimisnopeuden muuttamiseksi portaattomasti.

9. Kretsarrangemang enligt patentkrav 7, kännetecknat av att den integrerande kretsen (10) omfattar tva integratorer (11, 12) för att ändra axelmotoms rotationshastighet jämte rotationsacceleration steglöst. 25

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen piirijäijestely, tunnettu siitä, että integroi va piiri (10) käsittää kaksi integraattoria (11, 12) askelmoottorin pyörimisnopeuden sekä pyörimiskiihtyvyyden muuttamiseksi portaattomasti.

10. Kretsarrangemang enligt nägot av patentkraven 7-9, kännetecknat av att nämnda andra omvandlare (8) är en spännings-frekvensomvandlare.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, 10 että mainittu toinen muunnin (8) on jännite-taajuusmuunnin.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 7-10 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että toisen muuntimen jälkeinen signaali tai siihen verrannollinen signaali on takaisinkytketty prosessorille askelmoottorin ohjausvirheiden kompensoimi- 15 seksi.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 7-11 mukainen piirijäijestely, tunnettu siitä, että piirijärjestely on osa panoraamaröntgenkuvauslaitteistoa, jossa askelmoot-toreihin on liitetty röntgenlähde tai röntgenfilmikasetti niiden liikkeiden ohjaa- 20 miseksi.

11. Kretsarrangemang enligt nägot av patentkraven 7-10, kännetecknat av att en 30 signal efter den andra omvandlaren eller en signal proportionerlig mot denna är äterkopplad tili processom för att kompensera styrfel hos stegmotom. 1 Kretsarrangemang enligt nägot av patentkraven 7-11, kännetecknat av att kretsarrangemanget utgör en del av en panoramaröntgenanläggning, i vilken en 35 röntgenkälla eller en röntgeniilmkasett kopplats tili stegmotorer för att styra deras rörelser.