DD211263A3 - Verfahren und anordnung zur steuerung eines schrittmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors im Rueckmeldebetrieb, bei dem Rueckmeldesignale von einem starr am Rotor befestigtes Winkelmess-System in ihrer Phase m. Steuersignalen fuer d. Momenten-Winkel-Kennlinienverschiebung verglichen werden. Beliebige Sollgeschwindigkeitsverlaeufe ueber die Zeit bei unterkritischen Lastbedingungen werden sicher realisiert und dynamische oder statische Ueberlastungen bewirken keine mechanischen Instabilitaeten. Das Verfahren wird ausschliesslich mit Mitteln der digitalen Schaltungstechnik realisiert.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren und Anordnung zur Steuerung eines Schrittmotors

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors im Rück meldebetrieb , bei dem Rückmeldesigna-Ie von einem starr am Rotor be f e s ti gt en Wi nke lmeß sy s t em in ihrer Phase mit Steuersignalen für die Moment en-Winke1-Kennlinienverschiebung verglichen werden. Das Verfahren sichert unter allen Lastbedingungen und Geschwindigkeit«- vorgaben unkritische Phasenbeziehungen zwischen Momenten-Wi nke 1- Ke η nli nie η und Rotorwinkel des Schrittmotors. Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann in Verbindung mit entsprechenden Schrittmotoren als robuster und zuverlässiger Ge se hwi ndi gkei t s s t e Her sowie innerhalb von Lag er egelkr ei s en als präziser Positionierantrieb in mikroelektronisch gesteuerten Geräten der Schreibtechnik, Industrierobotertechnik, Datenverarbeitung, der Fertigungsautomatisierung u. ä .ei ngesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die ursprüngliche Konzeption der Steuerung von Schrittmotoren sieht vor, daß die Ströme der Phasenwicklungen zyklisch und impulsförmig mit einer durch die konstruktive Ausführungsform und die gewünschte Drehzahl bestimmten Frequenz umgeschaltet werden. Eine Rückmeldung der Rotorstellung in die Pha s en s troms t eue r un g ist dabei nicht vorgesehen, vielmehr wird der Vorteil des Schrittmotors gerade darin gesehen, daß mit ihm eine Geschwindigkeitssteuerung in offener Steuerkette möglich ist.

Die oft und ausführlich beschriebenen wesentlichen Nachteile dieses Verfahrens sind einerseits die Empfindlichkeit des Systems gegenüber L as t se hwank un gen und andererseits die durch den Impulsbetrieb verursachte Selbsterregung von- mechanischen Schwingungen.

Unter Beibehaltung des Prinzips der offenen Steuerkette wurden viele Verfahren und Anordnungen zur Verminderung der genannten Nachteile vorgeschlagen. Insbesondere werden zur Vermeidung unzulässiger, dynamischer L as t se hwank un gen Vorschläge zur zeitlich definierten Beschleunigung von Schrittmotoren gemacht. Stellvertretend für eine Fülle entsprechender Veröffentlichungen sollen die US-Patente 3766 462 und 3812 414 sowie DE-OS 2755 535 genannt wer-. den.

Die genannte mechanische Selbsterregung wird dadurch stark vermindert, daß statt im puls f ör mi ger Fortschaltung der Wicklun gs s t röme eine quasi kontinuierliche Verschiebung der Mome nt en- Wi nke 1- Ke η nli nie durch das sogenannte "microstep pi ng "-Ve r f ahr en realisiert wird. Als repräsentative Veröffentlichung dazu sei auf Gügg, H.; Sax, H. "Schrittmotoren - optimal angesteuert", Elektronik 1980, Heft 26,

S . 43 - 49 verwiesen.

Trotz der genannten Verbesserungen des Prinzips der offenen Steuerkette sind diese Maßnahmen für viele Anwendungen nicht ausreichend zum sicheren und optimalen Betrieb von Schrittmotoren. Vor al lern steigende Anforderungen an die Dynamik der Antriebe erzwingen die Einführung von Rückmeldeimpulsgebern.

In den dazu veröffentlichten Lösungsvorschlägen wird der Ruckme1deimpulsgeber generell dazu benutzt, die zyklische Fortschaltung der Phasenströme nur in Abhängigkeit definierter Winkellagen des Rotors zuzulassen, was als sogenannte "Selbststeuerung" bezeichnet wird.

Damit wird erreicht, daß dynamische Las t se hwank un gen infolge extremer Beschleunigungen nicht zu Instabilitäten der Ro t or bewe gun g infolge Überschreitung des sogenannten "Kippmomentes" der periodischen, nul lpunk tsymme t ri se hen Mome nt en-Wi nke 1-Ke η nli nie auftreten. 3e nach Zielstellung unterscheiden sich die einzelnen Vorschläge in der Auflösung und der Art der Verarbeitung der Rückmeldeinformation in den jeweiligen S teue r se hai t un gen . In der DE-AS 2421 z. B. wird pro konstruktivem Winkelschritt des Rotors ein Impuls erzeugt, der nach Rückführung in die Steuerschaltung zur Auslösung des nächsten Pha s ens t romf or t se hai t im pulses benutzt wird. Seine Verzögerung entscheidet über den zeitlichen Ge se hwi ndi gkei t s ve r la uf des Rotors. In den Patentschriften GB 1311 775 und GB 1319 797 wird dieser Effekt durch Ausblenden bzw. Einschieben einzelner Rückmeldeimpulse erreicht. Ähnliche Vorschläge sind aus der DE-AS 2119 352 und der DE-OS 2249 757 bekannt.

In der DD-WP 131 213 werden pro konstruktivem Winkelschritt des Rotors mehrere Rückmeldeimpulse erzeugt, aus denen je nach Geschwindigkeit ein Impuls zur momentenmäßig optimalen, schrittweisen Verschiebung der Momen-

t en-Wi nke 1-Ke η nli nie ausgewählt wird.

Allen dargestellten Verfahren zur "Selbststeuerung" von Schrittmotoren ist gemeinsam, daß sie eine schrittweise Verschiebung der Mome nt en-Wi nke 1-Ke η nli nie in Zahnteilun gspe r io de η vorsehen. Dies ist, wie schon für den Fall der offenen Steuerkette beschrieben, problematisch in bezug auf die mechanische Selbsterregung der Motoren. Insbesondere bei exakter Führung sehr niedriger Drehzahlen, wie dies unter bestimmten Bedingungen z. B. für einzelne Bewegungsachsen in Manipulatoren notwendig ist, ist dies besonders nachteilig und macht die zusätzliche Einführung des Micr os t ep pi ng notwendig.

Eine solche Kombination von Selbststeuerung und Microstepping ist nicht bekannt.

Auch in der weitreichenden DE-AS 1816 357 wird dazu keine Aussage getroffen. Die dort dargelegte Lösung hat außerdem wie ihre Bezugsquellen den Nachteil, daß für Hochlauf und stationären Betrieb zwei unterschiedliche Steueral gorithmen genutzt werden, welche zum Übe rgan gszei t punk t synchronisiert werden müssen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß als Stellgröße eine analoge Spannung zur Phasensteuerung eines Taktgenerators verwendet wird, eine konsequente D i gi t al i sie r un g der Steuerung also nicht möglich ist.

Unter dem Aspekt, daß S ehr i t tmo t or an t r iebe z. B. in der Robotertechnik zunehmend auch in solchen Systemen eingesetzt werden, in denen eine mechanische Verkopplung durch Tr ägh ei t s kr ä f t e unvermeidlich ist, muß weiterhin damit gerechnet werden, daß nicht nur dynamische Lastmomente durch Eigenbeschleunigungen, sondern auch beträchtliche, externe Störmomente auftreten können. Für den Fall, daß solche Störmomente das Kippmoment des S ehr i t t an t riebe s überschreiten, sind in den bekannten Verfahren bzw. Steuerun-

gen keine Vorkehrungen dagegen getroffen, daß der Rotor in den Teil der Momentenkennlinie gerät, in welchem sich das Vorzeichen des Antriebsmomentes umkehrt, dieses also die Wirkung der Störung durch Ins tabili täten - unt ers tützt . Trotz Rückmeldebetrieb vermeiden also diese'Steuerungen in solchen extremen Übe r la s t si t ua t io η en die Nachteile von Schrittantrieben nicht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die für Roboter- oder ähnliche Gerätesteuerungen beschriebenen Nachteile der bekannten Steuerungen von Schrittmotoren zu beseitigen. Es soll also erreicht werden, daß beliebige Sollgeschwindigkeitsverläufe über der Zeit bei unterkritischen Lastbedingungen sicher realisiert werden und daß dynamische oder statische Überlastungen keine mechanischen Instabilitäten bewirken. Weiterhin soll das Verfahren ausschließlich mit Mitteln der digitalen Schaltungstechnik realisierbar sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

- Technische Aufgabe der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors im Rückmeldebetrieb anzugeben, bei dem die Rückkopplungs- und Steuersignale so mittels eines einheitlichen Steuerungsalgorithmus phasenmäßig verarbeitet werden, daß einer- seits eine Geschwindigkeitsführung des S ehr i t tmo t or rotor s bei unterkritischer Belastung und andererseits bei überkritischer Belastung die Einhaltung eines mechanisch unkritischen Phasenwinkels zwischen S ehr i t tmo t or ro t or

und liome nt en- Wi nke 1- Ke η nli nie gewährleistet sind. Weiterhin soll eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens angegeben werden, die bis auf die Leistungsbaugruppen und das Winkelmeßsystem ausschließlich mit digitalen Mitteln aufgebaut ist.

- Merkmale der Erfindung

Die Aufgabe wird durch eine Steuerung gelöst, in der erfindungsgemäß aus einem mit dem Rotor des Schrittmotors fest verbundenen Winkelmeßsystem zyklisch absolute vPositio η si nf or ma tion en der Rotorstellung innerhalb von Zahnteilungsperioden des Rotors gewonnen werden, und in der aus einem rückmeldefähigen Microstep pinggenerat or ebensolche Positionsinformationen über die Stellung der Moment en-Wi nke 1-Ke η nli nie gewonnen werden und in der innerhalb einer digitalen Steuerschaltung aus dem damit möglichen Phasenvergleich zwischen Ro t or s tel lun g und Moment en-Wi nke 1-Ke η nli nie-S t ellun g Steuersignale für den in WinkeIinkrementen steuerbaren Microstep pinggenerat or erzeugt werden, welche je nach vorliegender Phasendifferenz im Micr os t ep pi ng- Ge ner at or bewirken:

- eine Freigabe der quasi kontinuierlichen Verschiebung der Moment en-Wi nke 1-Ke nnli nie mit der durch eine Impulsfrequenz vorgegebenen Sollgeschwindigkeit des Rotors um ein Wi nke Ii nkr ement durch quasi kontinuierIiehe Fortschaltung der Phasenströme bei NichtÜberschreitung des Kippmomentes zwecks Nachführung des Rotors hinter der Mome nt en- Wi nke 1-Ke η nli nie ;

- oder ein Stoppen der Verschiebung der Moment en-Wi nke 1-Ke η nli nie durch Konstanthalten der Phasenströme bei

3Q Erreichen des Kippmomentes durch dynamische Lastmomen-

te zwecks Abbau des wirkenden dynamischen Lastmomentes;

- oder eine diskontinuierliche Verschiebung in Richtung der Rotorablage der Mome nt en- Wi nke 1- Ke η nli nie ohne Momentensprung durch Vertauschen entsprechender Phasenströme bei Überschreitung des Kippmomentes durch statische Lastmomente zwecks Nachführung der Momenten-Wi nke 1-Ke η nli nie hinter dem überlasteten Rotor.

Damit wird gesichert, daß sich bei Normallast der Motor so verhält, als werde er in einer offenen Steuerkette im Microstepping betrieben. Im Überlastfall wird insbesondere durch die angegebene Vertauschung der Phasenströme zusätzlich erreicht, daß der Rotor nie den instabilen Punkt der Mome nt en-Wi nke 1-Ke η nli nie erreichen kann, was dem Ziel der Erfindung entspricht.

Ausf ührungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schrittmotor steuerung wird nachstehend anhand der vorteilhaften Ausf uhr un gs f or m einer entsprechenden Anordnung in Form von Schaltbildern, einer Wertetabelle und Impulsdiagrammen ausführlich beschrieben. Die Zeichnungen 1 bis 9 stellen dar:

Fig. 1 : ein Blockschaltbild der Schrit tmotorsteuerung

für einen vierphasigen R eluk tanz se hri t tmo t or ; Fig. 2 : das detaillierte Log ik se hai tb il d der digitalen Steuerschaltung und des steuerbaren und rückmelde f ähi gen Microstep pinggenerators innerhalb der Schrit tmotorsteuerung nach Fig. 1;

Fig. 3 : die Wertetabelle der Ausgan gs si gnal e der digitalen Steuerschaltung in Fig. 2;

Fig. 4 : das von den Zuständen der digitalen Steuerschaltung gesteuerte Ausgangsverhaiten des Micros teppinggenerators in Fig. 2 mit Trapezerre

gung der Phasenströme sowie acht ausgewählte Stellungen der durch diesen Microsteppinggenerator verschiebbaren Mome nt en-Wi nke 1-Kennli nie des Schrittmotors;

Fig. 5 : das zu Fig. 4 phasenrichtig gezeichnete Ausgangsverhalt en des zyklisch absoluten Winkelmeßsystem an der S chri t tmo t or we I le ;

Fig. 6.1 : das sich bei positiver Drehrichtung des Rotors und bei: Lastmomenten < Kippmoment einstellende Impulsdiagramm der S chri t tmo t or s teuer ung nach

Fig. 1 bis 5;

Fig. 6.2 : das sich bei negativer Drehrichtung des Rotors und bei : Lastmoment s. Kippmoment einstellende Impulsdiagramm der S ehrittmotorsteuerung nach Fig. 1 bis 5;

Fig. 7 : das sich bei positiver Drehrichtung des Rotors und: dynamisches Lastmoment "} Kippmoment einstellende Impulsdiagramm der S ehrittmotorsteuerung nach Fig. 1 bis 5;

Fig. 8 : das sich bei positiver Drehrichtung des Rotors und positivem, das Kippmoment kurzzeitig übersteigende, statische Lastmoment einstellende Impulsdiagramm der Schrittmotorsteuerung nach Fig. 1 bis 5;

Fig. 9 : das sich bei positiver Drehrichtung des Rotors und negativem, das Kippmoment kurzzeitig übersteigende, statische Lastmoment einstellende Impulsdiagramm der S ehr i t tmo t or s teue r un g nach Fig. 1 bis 5;

Figur 1 gibt den Gesamtüberblick über eine vorteilhafte, das erfindungsgemäße Verfahren realisierende Anordnung zur S c hr i t tmo t or s t eue r un g . Dabei gilt die Voraussetzung, daß ein vierphasiger Reluktanzschrittmotor 11 eingesetzt ist, die Blöcke Leistungsverstärker 12, D/A-Wandler 13 und zyklisch absolutes Meßsystem 14 selbst nicht Gegenstand der Erfindung sind und in einer der vielfältigen, dem Fachmann bekannten Formen ausgeführt sein können. Das Winkelmeßsystem 14 löse eine Zahnperiode der Rotordrehung in acht Inkremente auf , welche durch die drei binären Signale A, B, C absolut kodiert werden. Der digitalen Steuerschaltung wird ein Richtungsbit R zur Steuerung der Rotordrehrichtung zu geführt. Dem Wert 1 des R-SignaIs sei der positive Drehsinn zugeordnet. Die Steuerschaltung 15 steuer.t über die binären Signale y, y , y de η Microstep pi nggener a t or 16, welcher seinerseits über die vier Vie r bi tvek t or en Sl bis S4 die binär kodierten Steuerwerte für die Phasenströme erzeugt und außerdem über die zwei Bitleitungen χ und y Rü ckme lde si gnal e an die digitale Steuerschaltung 15 liefert. Über die Zählfrequenz ZF wird die S öl 1 gesc hwi ndi gkei t des Rotors gesteuert, indem damit durch den Micros t ep pi ng gener at or 16 die Rotationsgeschwindigkeit des Drehfeldes im Stator des Schrittmotors 11 und damit die Ve r se hiebe gesc hwi ndi gkei t der Moment en-Winke1-Kennlinie festgelegt wird.

In Figur 2 sind die digitale Steuerschaltung und der Micros t ep pi nggener at or in einer vorteilhaften Ausführungsform detailliert dargestellt. Die digitale Steuerschaltung ist hier sequentiell und besteht aus einer Eingangslogik 21 und einem 5-b it-D-Flipf 1 ο p-Block 22, welcher synchron aus den dem Fachmann bekannten Gründen durch einen Automatentakt AT, welcher in einen Taktgenerator TG 20 erzeugt wir d , ge tak t e t wird. Wesentlich entsprechend der

darzulegenden Erfindung ist das Speicherein- und -ausgangsverhalten der digitalen Steuerschaltung. Im Ausführungsbeispiel realisiert diese digitale Steuerschaltung acht Zustände. Von diesen acht Zuständen Zl bis Z8 und dem Ric ht un gs si gnal R werden die binären Ausgangssignale y. bis y entsprechend der Wertetabelle in Figur 3 gesteuert. Diese Ausgangssignale wirken entsprechend Figur 2 zum Teil zur Erzeugung des Spe ic herve r hai t ens auf die digitale Steuerschaltung selbst rückkoppelnd ein (y , y , Y_x), zum Teil steuern sie den Ablauf im Micros teppinggenerator (y , y ., y ) . Dieser besteht entsprechend Figur 2 in seinem Kern aus zwei 4-bit-Vor-Rückwärtszählern 27 und 28, welche durch y bzw. "y . und y bzw. y"₅ über die Gatter 23, 24. 25 und 26 in der ZäVilrichtung gesteuert werden. Die Zä hl gesc hwi ndigkei t wird durch die ZF-Frequenz vorgegeben. Die Gatter 29, 210, und 212 verhindern mit ihrer Rückkopplung auf die Zählereingänge das Unter- bzw. Ober se hr ei t en des Zählerstandes bzw. 15. In Abhängigkeit von y werden die oberen bzw.

unteren Grenzwerte der Zähler 27, 28 anzeigenden Signale χ, χ bzw. y, y über den Multiplexer 213 in die Rückmeldesignale χ bzw. y transformiert. Zusammenfassend ist das Verhalten des Micros tep pi nggener at or s 16 in Abhängigkeit von den Zuständen Zl bis Z8 der digitalen Steuerschaltung 15 in Figur 4 über den Rotorwinkeiy dargestellt. Es ergibt sich also eine übery trapezförmige Erregung der Phasenströme durch die Vektoren S , S , S , S des Micros t ep pi nggener a t or s . Auf eine detaillierte Darstellung der 16 Stufen einer Rampe wurde verziehtet.

In Figur 4 wurden außerdem die acht möglichen Momenten-Wi nke 1-Kennli nie η für Vollerregung einer bzw. zweier benachbarter Phasen bei Trapezerregung eingezeichnet. Inner-

: halb der \p -Achseneinteilung entspricht ζ der Zähnezahl

des Rotors. Die Kurve 1 kennzeichnet Vollerregung der PhQ-se 1, die Kurve 1/2 Vollerregung der Phasen 1 und 2 usw. Das Erreichen einer dieser Grenzkurven wird durch χ bzw. y in der in Figur 4 ebenfalls dargestellten Weise angezeigt. Damit wird also eine inkrementale Information über die Lage der Mome nt en- Wi nke 1-Ke η nli nie durch den Microsteppinggenerator 16 geliefert, welche in der digitalen Steuerschaltung durch Speicherung der X- bzw. y-Folge zu einer zyklisch absoluten Information über die Stellung der Moment en-Wi nke 1-Ken nli nie in Form von acht Zuständen umgewandelt wird. Zusammen mit der in Figur 5 phasenrichtig zu Figur 4 dargestellten, durch das Meßsystem 14 erzeugten zyklisch absoluten Lageinformation gleicher Auflösung über die Ro t or s tellun g innerhalb einer Zahnperiode kann man also einen Phasenvergleich zwischen Winkeln der Momenten-Wi nke 1-Ke nnli nie und der Rotorlage durchführen. Dieser Phasenvergleich wird ebenfalls in der digitalen Steuerschaltung 15 realisiert, was anhand der Figuren 3, 4 und 5 beschrieben werden soll. Betrachtet werden nur der Zustand Zl, da die Betrachtung der anderen Zustände sich aus Symmetriegründen erübrigt.

Aus Figur 4 geht hervor, daß sich in diesem Zustand die Moment en-Wi nke 1-Ke η nli nie im Intervall zwischen ·?· · -= und -ψ bewegt. Es soll eine positive Solldrehrichtung angenommen werden, d. h. der Wert von R sei 1 j die Momenten-Wi nke 1-Kennli nie geht also, ausgehend von Kurve 1 in Figur 4 in 16 Schritten über in Kurve 1/2. Bei Erreichen der Grenzkurve 1/2 nimmt χ entsprechend Figur 4 den Wert 1 an.

Die Betrachtung der negativen Drehrichtung erübrigt sich ebenfalls aus S ymme t rie gr ünde η

Wenn bei Erreichen dieser Grenzkurve die Phasenlage des

f2 ΊΤ -Bereiches von -r- ·— bis

"Σ~ ' ηζτ~ befindet, der Winkelkodierer nach Figur 5 also ABC oder ABC oder ABC oder ABC meldet, wird das Kippmoment der Mome nt en-Wi nke 1-Ke η hü nie nach Figur 4 offensichtlich nicht überschritten. Die Moment en-Wi nke 1-Ke η nli nie kann dann in der geforderten Richtung mit S öl 1 ge se hwi ndi gke i t weiter verschoben werden, eine Führung des Rotors durch die Mome nt en-Wi nke 1-Ke η nli nie ist gesichert. Die digitale Steuerschaltung 15 muß also genau bei den diskutierten Bedingungen in den Zustand Z2 übergehen, da diesem Zustand, wie in Figur 4 gezeigt und wegen Gültigkeit der Wertetabelle nach Figur 3 das nachfolgende WinkeIinkrement f ür die Bewegung der Mome nt en-Wi nke 1-Ken nli nie zugeodnet ist.

Wenn bei Erreichen der Grenzkurve 1/2 in Figur 4 durch die Moment en- Wi nke 1-Ken nli nie die Phasenlage des Rotors sich infolge eines zu hohen dynamischen Lastmomentes, z.B.

/ 'S"

durch Beschleunigung im ψ -Bereich von «rf-·-=- bis

ο IP

~ψ · η=τ befindet, der Winkelkodierer nach Figur 5 also ABC meldet, wird der Zustand Zl nicht verlassen. Aus der Wertetabelle in Figur 3 folgt in Verbindung mit der Schaltung des Microstep pinggenerators 16 in Figur 2, daß dann in der schon beschriebenen Weise die Vor-Rü ckwär t sz ähl er 27 und 28 in ihren oberen Grenzwerten festgehalten werden. Damit wird aber auch entsprechend Figur 4 die Bewegung der Mome nt en-Wi nke 1-Ke η nli nie gestoppt.. Dies dauert solange, bis der Rotor, beschleunigt durch das in diesem Bereich

2 *ΪΓ

immer noch positiv wirkende Motormoment den Winkel -ψ · -ψ-in positiver Richtung überschreitet, dann gelten wieder die zuerst beschriebenen Bedingungen.

Wenn unabhängig vom Erreichen der Grenzkurve 1/2 in Figur 4 durch die Mome nt en-Wi nke 1-Ke η nli nie die Phasenlage des Rotors infolge eines das Kippmoment überschreitenden

statischen Lastmomentes den Wert -^- · -ψ- über- oder den Wert "jr -ψ- unterschreitet, kann der Rotor nicht mehr von der Mome nt en- Wi nke 1- Ke η nli nie geführt werden, sondern muß umgekehrt der Rotor zur Vermeidung mechanischer Instabilitäten die Moment en- Wi nke 1-Kennli nie unabhängig von vorgegebener Richtung und Sollgeschwindigkeit führen. Zur Vermeidung von Momentensprüngen muß beim Überschreiten des Winkels V * "z" durch den Rotor die momentane Momen-

t en-Wi nke 1-Ke η nli nie in die zum Winkel -ψ spie gels ymme trisehe Moment en-Wi nke 1-Ke η nli nie möglichst sehnel1 überfuhrt werden. Bei U nt er se hr ei t un g des Winkels von ~ · -=r~ durch den Rotor hat diese Überführung relativ zum Winkel — · — zu erfolgen. Nach Figur 4 kann dies nur durch Vertauschen der Sl- und S 2- Wer te im ersten Falle und der S 2- und S 4-Werte im zweiten Falle realisiert werden. Dies bedeutet also, daß die digitale Steuerschaltung 15 bei Überschreitung des Winkels von -g- · -ψ- durch den Rotor, d. h. bei Meldung von ABC durch den Wi nke Ik odie r er von Zl in Z2 und bei Unterschreitung des Winkels von ^-· -g- durch den Ro-

tor, d. h. bei Meldung ABC durch den Wi nke Ik odierer von Zl in Z8 übergehen muß, ohne daß dabei die Signale x, y oder R einen Einfluß haben können. Damit sind alle Fälle der Ro t or be la s t un g und damit des Verhaltens der digitalen Steuerschaltung diskutiert, da sich die Betrachtung aus S ymme trie gr ünde η bei allen der acht Zustände und auch bei negativer Drehrichtung wiederholt.

Zur weiteren Veranschaulichung sind in den Figuren 6 bis die Zei t-Impulsd i agr amme für verschiedene charakteristische Betriebsfälle der das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft realisierenden S ehr i t tmo t or s teue r un g gemäß Figur 1 dargestellt.

Figur 6.1 zeigt das Zeitverhait en für den Fall positiver

Drehrichtung und einer Belastung, welche immer kleiner als das Kippmoment ist. Dies ist der gewünschte Fall der exakten Geschwindigkeitsführung des Schrittmotors.

Figur 6.2 unterscheidet sich von Figur.6.1 nur durch negative statt positiver Drehrichtung. In beiden Fällen erkennt man am Verlauf der Steuervektoren Sl bis S4, daß die Mome nt en- Wi nke 1- Ke η nli nie kontinuierlich verschoben wird.

Figur 7 zeigt das Zeitverhalten bei Überschreitung des Kippmomentes durch ein konstantes dynamisches Lastmoment (z . B . Rei bung) .

Man erkennt am Verlauf der Steuervektoren Sl bis S4, daß es Phasen konstanter Vektorwerte gibt, die Moment en-Wi nke 1-Ke η nli nie also zeitweise gestoppt wird.

Figur 8 zeigt das Zeitverhait en bei einer ruckartigen Überschreitung des Kippmomentes durch ein statisches Lastmoment in Soll-Drehrichtung des Rotors. Dieser Ruck bewirke eine momentane Verschiebung des Rotors in Soll-Drehrichtung.welche de η Jp -Wert -rr ' ~=r überschreitet, was in Figur 8 unter den eigentlichen Impulsdiagrammen in einer Darstellung von y> (t) veranschaulicht wird. Je nachdem, ob dieser Ruck wie - im Zeitpunkt t. dargestellt - in einer abfallenden Trapez flanke oder - wie im Zeitpunkt t. dargestellt - in einer ansteigenden Trapezflanke der S-Vektoren erfolgt, ergeben sich die dargestellten unterschiedlichen Impulsdiagramme.

Man erkennt, daß durch diesen Ruck der ansonsten normale Ablauf wie in Figur 6.1 im Sinne einer Verkürzung des Signalablaufes gestört wird.

Figur 9 zeigt das Zeitverhaiten bei einer ruckartigen Überschreitung des Kippmomentes durch ein statisches Lastmoment entgegen der Sollrichtung des Rotors. Es gelten also sinngemäß die Bemerkungen zu Figur 8.

Man erkennt, daß durch diesen Ruck der ansonsten normale Ablauf wie in Figur 6.1 im Sinne einer Verlängerung des Signalablaufes gestört wird.

Im konkreten Einsatzfall überlagern sich die verschiedenen Be lastungsfälle, so daß die hier isoliert dargestellten E r se hei dun gsb il de r sich ebenfalls überlagern .

Der Micros tep pi ng-Generator kann auch vor t ei lha f t erwe i s e so gestaltet werden, daß statt Trapezfunk tion en für die S-Vektoren sin- bzw. cos-Funk tion en generiert werden.

Claims (8)

1. E r f i η d υ η g s a η spr uch

   1. Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors im Rückmeldebetrieb mit quasikontinuierlicher Verschiebung der Mom e nt e n-Wi nke 1-Ke η η Ii nie , bei dem Rü c!< kopplun gs si gnal e von einem starr am Rotor befestigten Wi nke lmeß sy s t em , die die ta t sächl ic he. Ro tor s t ellun g innerhalb von Zahnteilungsperioden des Schrittmotors zyklisch absolut abbilden, in ihrer Phase mit ebenso zyklisch absoluten Steuersignalen für die Moment en-Wi nke 1-Kennli nie nver-/
   Schiebung verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleich während der Hochlauf-, Konstantlauf- und ßremsphase des Motors erfolgt, wobei je nach ermittelter Phasendifferenz folgender einheitlicher Steueralgorithmus ausgeführt wird:

   - eine quasikontinuierliche Verschiebung der Momenten-Wi nl< el-Kennlinie mit der Sollgeschwindigkeit des Rotors bei N ic ht ü be r se hr ei t un g des Kippmomentes;

   - ein Stoppen der Verschiebung der Moment en-Winke1-Kennlinie bei Erreichen des Kippmomentes durch dynami se he L as tmome nt e ;

   - eine diskontinuierliche Verschiebung in Richtung der Rotorablage der Mome nt en-Wi nke 1-Ke η nli nie ohne Momen-

   . tenspr ung unabhängig von der vorgegebenen Sollgeschwindigkeit bei Überschreiten des Kippmomentes durch statische Lastmomente.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die quasikontinuierliche Verschiebung der Momenten-Wi nke 1-Ke η nli nie durch qua<sil< ont i nuie r lic he Fortschaltung der Phasenströme des Schrittmotors(ll), das Stoppen der Verschiebung durch Konstanthaltung der Phasenströme und die diskontinuierliche Verschiebung der Moment en-Wi nke 1-Ken nli nie durch Vertauschen entsprechender Phasenströme erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der quasikontinuierlichen Verschiebung der Moment en-Wi nke 1-Ke η nli nie über eine Impulsfrequenz frei wählbar ist.
4. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge einer digitalen Steuerschaltung mit ersten Eingängen eines steuerbaren Microsteppinggenerat ors (16) verbunden sind, ein zweiter Eingang des Microsteppi ng generat or s (16) mit einer extern wählbaren Impulsfrequenz beaufschlagt ist, erste Ausgänge des Microsteppinggenerators (16) mit den Eingängen eines Leistungsverstärkers

   (12) für die Phasenströme verbunden sind, wobei dem Leistungsverstärker (12) der Schrittmotor (11) nachgeschaltet ist, an dessen Rotorwelle sich das starr befestigte Wi nke lmeß sy s t em (14) befindet und zweite Ausgänge des Micr os tep pi nggener at or s (16) , welche zur Rückmeldung der Stellung der Mome nt en- Wi nke 1-Ke nnli nie dienen, mit zweiten Eingängen der digitalen Steuerschaltung (15) verbunden sind, wobei deren erste Eingänge mit den. Ausgängen des Winkelmeßsystems (14) verbunden sind.
5. 5. Anordnung nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Steuerschaltung (15) als mikr ο pr ogr ammierbare Struktur ausgebildet ist.
6. 6. Anordnung nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß

   der Micr os t ep pi ng gener a t or (16) Trapez- oder sin- bzw. cos-Funk tion en erzeugt.
7. 7. Anordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß dem Impulsfrequenzeingang des Micr os t ep pi nggener at or s (16) ein digital in seiner Frequenz einstellbarer Impulsgenerator vorgeschaltet ist.
8. 8. Anordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß sich zwischen den Ausgängen des WinkeIkodierers und den ersten Eingängen der digitalen Steuerschaltung (15' eine Korrek turschaltung befindet, welche additiv statisehe und dynamische S t örun gen der Wi nke lme ssun g de s WinkeIkodierers kompensiert.

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