DD235534A1

DD235534A1 - Anordnung fuer die schnelle positionierung eines schrittmotors

Info

Publication number: DD235534A1
Application number: DD27410885A
Authority: DD
Inventors: Manfred Kuchenbecker
Original assignee: Robotron Bueromasch
Priority date: 1985-03-14
Filing date: 1985-03-14
Publication date: 1986-05-07
Also published as: DE3539259A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lageregelkreis fuer dynamisch anspruchsvolle Positionieraufgaben, vorzugsweise mit Permanentmagnet-Schrittmotoren mit an der Rotorwelle angekoppeltem zyklisch-absolutem Positionsgeber, mit dem eine Vervielfachung des Aufloesungsvermoegens durch Teilung des konstruktiven Schrittwinkels des Schrittmotors durch grosse Teilerwerte moeglich ist. Der Positionsgeber wird eingangsseitig an ein erstes Zweiphasensystem angeschlossen. In der Phasenlage seiner Ausgangsspannung wird die Istposition des Motors abgebildet. Weiter ist ein zweites Zweiphasensystem vorhanden, dessen Phasenlage entsprechend dem geforderten Drehwinkel gegenueber dem ersten Zweiphasensystem verschoben ist. Durch Phasenvergleich der Geberausgangsspannung mit dem ersten Zweiphasensystem werden die Kommutierungssignale fuer die Motorwicklungen und durch Phasenvergleich mit dem zweiten Zweiphasensystem wird die Soll-Ist-Differenz in Form eines digitalen Signals mit stetig veraenderbarem Tastverhaeltnis gebildet. Dieses digitale Signal wird direkt oder nach Modifizierung durch einen Regler als Strom- oder Spannungssteuersignal der Treiberschaltung des Schrittmotors zugefuehrt. Diese Anordnung kann als integrierter Schaltkreis ausgefuehrt und in der Druck- und Schreibtechnik sowie in der Automatisierungs- und Robotertechnik angewendet werden. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Lageregelkreis für dynamisch anspruchsvolle Positionieraufgaben, vorzugsweise mit Permanentmagnet-Schrittmotoren mit an der Rotorwelle angekoppelten Positionsgeber, mit dem eine Vervielfachung des Auflösungsvermögens durch Teilung des konstruktiven Schrittwinkels des Schrittmotors durch große Teilerwerte möglich ist. Solche Positionierprobleme treten in der Druck- und Schreibtechnik, besonders bei der Positionierung von Typenrädern und Druckwagen bzw. Druckköpfen, sowie in der Automatisierungs- und Robotertechnik auf.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der DE-OS 3008289 wird eine Positioniereinrichtung für die Typenscheibe mit einem Schrittmotor beschrieben, bei der der konstruktive Schrittwinkel des Schrittmotors mit Hilfe eines Positionsgebers in mehrere Schritte unterteilt wird. Dies wird erreicht, indem vom Positionsgeber ein zyklisch-absolutes Positions-Istwertsignal geliefert wird, welches in einem analogen Feinregelkreis mit der Sollposition verglichen wird und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs die Motorwicklungen so bestromt werden, daß Soll- und Istposition in Übereinstimmung gebracht werden. Es ist bei diesem beschriebenen Stand der Technik jedoch nur möglich, pro Teilung des zyklisch-absoluten Positionsgebers eine Position anzufahren. Dadurch ist die Zahl der pro Motorumdrehung zu realisierenden Positionen aufwerte begrenzt, die mit den Schrittzahlen pro Umdrehung von feingeteilten Schrittmotoren, im beschriebenen Ausführungsbeispiel 108, vergleichbar sind.

Weiterhin ist zur Realisierung des in der DE-OS 3008289 beschriebenen Verfahrens ein hoher schaltungstechnischer Aufwand erforderlich, weil die Positionierung über größere Schrittzahlen zuerst über einen digitalen Grobregelkreis erfolgt und erst in der Nähe der Zielposition eine Umschaltung auf einen analogen Feinregelkreis vorgenommen wird. Dieser analoge Feinregelkreis muß ausschließlich mit Mitteln der Analogtechnik realisiert werden, wodurch eine Umsetzung der gesamten, für das Verfahren notwendigen, Schaltung in einen oder einige wenige integrierte Schaltkreise behindert, wenn nicht unmöglich, wird.

In der DD-PS 211263 wird eine Positioniereinrichtung mit einem Schrittmotor und einem Positionsgeber beschrieben, bei der der konstruktive Schrittwinkel des Motors vielstufig unterteilt werden kann. Nachteilig ist bei dieser Lösung jedoch, daß im Bereich der Zielposition keine analoge Ausregelung bis zum endgültigen Stillstand des Motors erfolgt, so daß das Auftreten von Dauerschwingungen mit der Amplitude einer Digitalisierungsstufe der Positionsinformation nicht immer vermeidbar ist. Außerdem ist die Stellung des Motors innerhalb einer Digitalisierungsstufe der Positionsinformation unbestimmt. Weiterhin sind bei dieser Lösung der ebenfalls hohe schaltungstechnische Aufwand und die hohe Stromaufnahme des Schrittmotors, auch bei Stillstand, nachteilig.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Lageregelkreis für dynamisch anspruchsvolle Positionieraufgaben, vorzugsweise mit Permanentmagnetschrittmotoren mit an der Rotorwelle angekoppeltem Positionsgeber, zu entwickeln, der bei vergleichbarem Aufwand und unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Lösungen, durch eine Vervielfältigung des Auflösungsvermögens hochwertigen Positionieraufgaben in der Druck- und Schreibtechnik, der Automatisierungs- und Robotertechnik genügt. Der Positionsgeber soll sowohl die Schaltsignale für die Schrittmotorwicklungen bereitstellen wie auch die für den Lageregelkreis notwendigen Informationen liefern. Dabei sollten der Lageregelkreis mit minimalen schaltungstechnischen Aufwand und der informationsverarbeitende Teil durch einen integrierten Schaltkreis mit geringer äußerer Beschaltung realisiert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Positioniereinrichtung mit einem Schrittmotor mit an der Rotorwelle angekoppelten Positionsgeber, bei dem eine vielfache Unterteilung der konstruktiven Schrittzahl des Motors und der Teilungszahl des Positionsgebers möglich ist und die eine dynamisch hochwertige Positionierung erreicht. Die gestellte Aufgabe ist mit minimalen Schaltungsäufwand so zu lösen, daß der gesamte informationsverarbeitende Teil der Schaltung durch einen integrierten Schaltkreis mit geringer äußerer Beschaltung realisiert werden kann. -

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Schrittmotor als elektronisch kommutierter Gleichstrommotor betrieben und über einen Regler mit geeignetem Zeitverhalten eine Strom- oder Spannungsstellung in Abhängigkeit von der Abweichung von der Sollposition vorgenommen. Zur Erfassung der Motor-Ist-Position ist mit der Motorwelle ein Positionsgeber verbunden. Als Geber wird ein zyklisch-absoluter kapazitiver oder induktiver Geber (z.B. Induktosyn) verwendet, dessen Teilung identisch mit der Zahnteilung des Schrittmotors ist, so daß dieser Geber sowohl für die Positionsmessung als auch für die Kommutierung des Motors verwendet werden kann. Der Geber wird mit vier um jeweils eine Viertelperiode gegeneinander phasenverschobenen Rechteckspannungen gespeist, die Grundwelle des Geberausgangssignals Uc^er bildet den Drehwinkel des Motors im Phasenwinkel ab gemäß

Uceber = U_osin(w_ot + ζφ) (1)

wobei U₀ die Amplitude der Geberspannung

ζ die Teilungszahl des Positionsgebers,

ω₀ die Trägerfrequenz und φ den Drehwinkel des Rotors des Gebers, der identisch mit dem Drehwinkel der Motorwelle ist, darstellen.

Da die Positionsinformation allein im Phasenwinkel der Geberausgangsspannung liegt, kann die weitere Verarbeitung der Positionsinformation in digital arbeitenden Baustufen erfolgen, was Voraussetzung für eine integrationsfähige Lösung ist.

Die Motorsollposition wird in der Weise vorgegeben, daß ein zweites Zweiphasensystem gegenüber dem Speisespannungssystem des Positionsgebers um den Phasenwinkel verschoben wird, der der geforderten Motorbewegung entspricht. Damit kann die Soll-Ist-Differenz des Rotorpositionswinkels durch Phasenvergleich zwischen der Geberausgangsspannung und dem Sollpositionssystem festgestellt werden. Dieser Phasenvergleich kann ebenfalls mit Mitteln der Digitaltechnik vorgenommen werden (z.B. Exklusiv — ODER, D-FF).

Am Ausgang des Phasenvergleichers entsteht ein logisches Signal, in dessen Tastverhältnis die Soll-Ist-Differenz abgebildet ist.

Erfindungsgemäß wird dieses logische Signal entweder unmittelbar als Spannungs- oder Stromsteuersignal für die Motortreiberstufen verwendet oder es wird zur Verbesserung der Dynamik über einen Regler mit PID-Verhalten und ein nichtriggerbares Monoflop oder eine äquivalente Baustufe im Zeitverhalten beeinflußt, um nach dieser Beeinflussung in der gleichen Weise als Spannungs- oder Stromsteuersignal für die Motortreiberstufen genutzt zu werden.

Ausführungsbeispiel

Die Zeichnungen 1 bis 6 stellen dar:

Fig. 1: Gesamtschaltplan — Blockschaltbild

Fig.2: Soll-Ist-Positionsvergleich

Fig.3: Darstellung der Soll-Ist-Differenz für Positionsabweichungen, die eine Zahnteilung überschreiten

Fig.4: Modifizierung des Gebersignals

Fig. 5: Phasenfrequenzgang des Phasenschiebers

Fig.6: Schaltung für die Justage der Symmetrie der Kommutierung und die Justage der Motor-Nullposition

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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung soll nachstehend anhand des Blockschaltbildes Fig. 1, in seiner Wirkungsweise näher erläutert werden.

Durch einen Frequenzteiler wird zunächst die Taktfrequenz in einem Verhältnis geteilt, welches identisch mit der zu realisierenden Schrittunterteilung, im Beispiel 64 Schritte pro Zahnteilung ist. Der heruntergeteilte Takt wird einem zweistufigen

rückgekoppelten Schieberegister zugeführt, welches zwei um eine Viertelperiode,— ,gegeneinander verschobene

Ausgangsspannungen liefert (Zweiphasensystem I).

Diese Spannungen werden einschließlich ihrer Negationen dem zyklisch-absoluten Positionsgeber, z. B. einem kapazitiven Geber, zugeführt.

In der Kommutierungsschaltung wird mit einer festgelegten Flanke der Geberausgangsspannung der momentane Zustand des Zweiphasensystems I in die Kommutierungs-FF's übernommen. Der logische Zustand dieser Kommutierungs-FF's entspricht damit der Ist-Position des Motors innerhalb einer Zahnteilung. Die Kommutierungs-FF's steuern den Leistungstreiber so, daß je nach dem logischen Zustand des vom Regler ausgegebenen Spannungssteuersignals jede Wicklung des Motors dann eingeschaltet wird, wenn sich der Motor im Bereich der ihr zugeordneten positiven oder negativen Halbwelle der M (φ) — Kennlinie befindet. Damit ist gewährleistet, daß der Motor sein maximales Drehmoment in der durch das Spannungssignal definierten Drehrichtung abgibt. Durch Umschaltung des Spannungssteuersignals mit einer Frequenz von ca. 20 KHz kann durch Verstellung des Tastverhältnisses die Motorspannung und damit das Drehmoment zwischen beiden Extremwerten beliebig

geregelt werden^ . - "

Auf diese Weise wird auch erreicht, daß der Motor im Stillstand nur noch einen sehr kleinen Strom aufnimmt.

Ein weiteres Zweiphasensystem Il wird von dem die Sollposition vorgebenden Mikrorechnersystem so gesteuert, daß seine Phasenlage gegenüber dem Zweiphasensystem I um den Phasenwinkel verschoben wird, der der geforderten Motorbewegung entspricht (Sollpositionsvorgabe). Der kleinstmögliche Wert der Phasenverschiebung ist identisch mit der Periodendauer der ungeteilten Taktfrequenz und bestimmt den kleinstmöglichen Motorschritt.

Das Zweiphasensystem Il muß gegenüber dem Zweiphasensystem I eine Phasenverschiebung zulassen, die der im Positioniervorgang maximal auftretenden Differenz zwischen Soll- und Istwert der Motorposition entspricht.

Zur eindeutigen Bestimmung der Phasenlage des Zweiphasensystems Il müssen bei Vorgabe größerer momentaner Phasendifferenzen als ±it, bezogen auf die Periodendauer T der Ausgangsspannungen des Zweiphasensystems I τη\Χμ_ο1 = 2π die Überläufe über die Periodengrenzen vorzeichenrichtig mitgezählt werden. Die Anzahl der Überläufe entspricht dem digitalen Anteil der Soli-Ist-Differenz. Im Bereich einer Periode des Zweiphasensystems Il wird ein analoges Soli-Ist-Differenzsignal in Form eines Tastverhältnisses eines logischen Signals in der in Fig. 2 dargestellten Weise gebildet.

Zu Beginn jeder Periode des Zweiphasensystems Il wird durch den Setzimpuls ein D-FF gesetzt und mit der positiven Flanke des Gebersignals zurückgesetzt. Auf diese Art und Weise entsteht an dem genannten FF eine Ausgangsspannung, deren Tastverhältnis von der Phasenlage des Gebersignals abhängig ist. Eine Phasenverschiebung des Gebersignals von einem Setzimpuls zum nächsten entspricht dabei der Drehung des Motors und des Gebers um eine Teilung. Innerhalb dieser Teilung steigt das Tastverhältnis von Null beginnend linear an. Bei Überschreitung einer Teilung, sowohl durch Drehung des Motors als auch durch Verschiebung der gegenseitigen Phasenlage der Zweiphasensysteme I und II, wird der digitale Teil der Soll-Ist-Differenz richtungsabhängig weitergezählt. Das FF wird dann in einerseiner beiden stabilen Phasen festgehalten, je nachdem, ob die Differenz positiv oder negativ ist. Insgesamt entsteht durch das Zusammenwirken von Differenzzähler und FF der in Fig.3 dargestellte Verlauf des die Soli-Ist-Differenz abbildenden Tastverhältnisses.

Zur Anpassung an die jeweils gestellte Positionieraufgabe kann prinzipiell auch eine andere Aufteilung von digitalen und analogen Anteil der Positionsdifferenz vorgenommen werden.

Bei geringen Ansprüchen an die Dynamikdes Antriebes kann die Soll-Ist-Differenz direkt als Richtungssignal für die Ansteuerung der Leistungsverstärker verwendet werden.

Damit entsteht für den Antrieb eine statische M(cp)-Kennlinie nach Fig. 3. Bei höheren Ansprüchen an die Dynamik ist noch eine Modifizierung des Tastverhältnisses durch einen Regler mit angepaßtem Zeitverhalten notwendig. Dieser Regler wird im Ausführungsbeispiel durch einen nachtriggerbaren spannungsgesteuerten Univibrator und einen OPV mit entsprechender äußerer Beschaltung realisiert, siehe Gesamtschaltplan Fig. 1. Es ist die Rationalisierung der Reglertypen PD und PID möglich.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird das Geberausgangssignal entsprechend Bild 4 modifiziert.

Da sich die Frequenz des Geberausgangssignals nach der Gleichung

(cü_ot + φ) = / (ω_ρ + Ζφ) dt (2)

WQeber = ω_ο + Z (j) (3)

z: Teilungszahl des Positionsgebers ergibt, wird durch den frequenzabhängigen Phasenschieber die Ausgangsspannung des VCO, deren Frequenz identisch mit der Frequenz der Geberausgangsspannung ist, verzögert. Durch Nachregelung der Phasendifferenz zur Geberspannung (PLL-Schleife) entsteht so am Ausgang des VCO eine Spannung, die gegenüber der Geberspannung voreilend ist. Diese Spannung kann einmal zur Übernahme der Zustände des Zweiphasensystems I in die Kommutierungs-FF's benutzt werden. Dadurch können die Anstiegszeiten der Wicklungsströme kompensiert werden und so die Drehzahlgrenze des Motors nach wesentlich höheren Drehzahlen hin verschoben werden. Zum anderen kann diese Spannung zur Bildung der Soll-Ist-Differenz benutzt werden. Ihr Phasenwinkel ergibt sich zu:

'. ^^Lj^iilv^nt-ii^^^i^JijttS-*

dabei bedeuten:

cp_PU_: Phasenwinkel der Ausgangsspannung des VCO

(p_rot: Phasenwinkel der Geberausgangsspannung, Drehwinkel des Rotors

f (φ): Phasenfrequenzgang des Phasenschiebers (Bild 5)

In der Soll-Ist-Differenz

cpsoll — cpPLL

ist damit ein geschwindigkeitsproportionaler Anteil enthalten, so daß bei Benutzung der so gebildeten Soli-Ist-Differenz als Spannungs- oder Stromsteuersignal für die Motorendstufen bereits ein PD-Verhalten realisiert wird, ohne daß dem Soll-Ist-Differenzsignal noch durch eine Regler modifiziert werden muß.

Weiterhin kann durch Phasenvergleich von cp_rot und cppu. ein geschwindigkeitsproportionales Signal in Form eines logischen Signals mit geschwindigkeitsabhängigem Tastverhältnis gewonnen werden, welches in gleicherweise wie das Soll-Ist-Differenzsignal als Eingangsgröße für den Regler zur Verbesserung der Dynamik genutzt werden kann (unterlagerte Geschwindigkeitsregelung).

Weiter können gemäß Figur 6 einstellbare Verzögerungsglieder in die Zuleitungen zur Kommutierungsschaltung und zur Soll-Ist-Differenzbildung eingefügt werden. Mit der einstellbaren Verzögerung I kann eine Justage der Symmetrie der Kommutierung erfolgen, d. h. Korrektur der mechanischen Zuordnung des Gebers zu den Motorwicklungen. Mit der einstellbaren Verzögerung Il erfolgt die Justage der Motor-Nullposition. Auf diese Weise können aufwendige mechanische Justagen durch wesentlich leichter auszuführende Einstellungen an den Verzögerungsgliedern ersetzt werden.

Claims

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Erfindungsanspruch:

1. Anordnung für die schnelle Positionierung eines Schrittmotors, insbesondere zur Positionierung von Typenrädern und Druckwagen bzw. Druckköpfen in der Druck- und Schreibtechnik, sowie in der Automatisierungs- und Robotertechnik unter Verwendung eines Permanentmagnet-Schrittmotors mit einem an der Rotorwelle angekoppelten zyklisch-absoluten Positionsgeber, gekennzeichnet dadurch, daß der Schrittmotor über einen Lageregelkreis gesteuert wird, in dem ein zyklischabsoluter Geber, bei dem der Drehwinkel der Rotorwelle durch die Phasenlage der Geberausgangsspannung abgebildet wird, eingangsseitig an ein erstes Zweiphasensystem angeschlossen ist und dessen Ausgang an eine Kommutierungsschaltung für die Motorwicklungen führt, die aus der Ausgangsspannung des Positionsgebers und der des ersten Zweiphasensystems die Umschaltsignale für die Motorwicklungen bildet und in dem weiterhin ein zweites Zweiphasensystem vorhanden ist, dessen Phasenlage entsprechend dem geforderten Drehwinkel gegenüber dem ersten Zweiphasensystem verschoben ist und durch einen Phasenvergleicher, der aus der Phasenlage der Ausgangssignale des Positionsgebers und des zweiten Zweiphasensystems die Differenz zwischen Positions-Sollwert und -Istwert bildet und diese als digitales Signal mit stetig veränderbarem Tastverhältnis direkt oder nach Modifizierung des Tastverhältnisses durch einen Regler mit geeignetem Zeitverhalten als Strom- oder Spannungssteuersignal der Treiberschaltung des Schrittmotors zugeführt wird.
2. Positioniereinrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Gebers einem Eingang eines Phasenregelkreises zugeführt wird an dessen anderem Eingang die durch einen Phasenschieber verzögerte Ausgangsspannung eines VCO liegt und dadurch ein modifiziertes Positionssignal Uvco gebildet wird, welches einen geschwindigkeitsabhängigen Vorhalt gegenüber dem ursprünglichen Positionssignal aufweist.
3. Positioniereinrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß das modifizierte Positionssignal zur Vorhaltbildung bei der Kommutierung der Motorwicklungen genutzt wird.
4. Positioniereinrichtung nach Punkt 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß das modifizierte Positionssignal zur Bildung der Soll-Ist-Differenz genutzt wird um ein PD-Verhalten des Lagerregelkreises zu erzielen.
5. Positioniereinrichtung nach einem der Punkte 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß durch Phasenvergleich zwischen dem ursprünglichen Positionssignal und dem modifizierten Positionssignal ein geschwindigkeitsabhängiges Signal gebildet wird, welches als Eingangssignal für den Regler zur Realisierung einer unterlagerten Geschwindigkeitsregelung oder zur Bekämpfung des Regelkreises genutzt wird.
6. Positioniereinrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Positionsgebers einem frequenzabhängigen Phasenschieberglied zugeführt wird und daß durch Phasenvergleich zwischen dem Ausgangssignal des Positionsgebers und dem Ausgangssignal des Phasenschiebers ein geschwindigkeitsabhängiges Signal gebildet wird, welches als Eingangssignal für den Regler zur Realisierung einer unterlagerten Geschwindigkeitsregelung oder zur Bekämpfung des Regelkreises genutzt wird.
7. Positioniereinrichtung nach Punkt 1 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das der Kommutierungsschaltung zugeführte Positionssignal über ein einstellbares Verzögerungsglied geleitet und mit diesem eine Justage der Kommutierung vorgenommen wird.
8. Positioniereinrichtung nach einem der Punkte 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Positionssignal zur Soll-Ist-Differenzbildung über ein einstellbares Verzögerungsglied geführt und mit diesem eine Justage der Nullposition vorgenommen wird.