DE2811449C3 - Digitales Servo-Winkelstellglied - Google Patents

Digitales Servo-Winkelstellglied

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Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein digitales Servowinkelstellgl:ed gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches digitales Winkelstellglied ist aus der Siemens-Zeitschrift 44 (1970) Heft 4, Seiten 246-248 bekannt (die in dieser Fundstelle angegebenen Übersetzungsgetriebeteile Spindel, Zahnstange und Ritzel dienen nur zur Erzielung einer hohen Einstellgenauigkeit und sind für die grundsätzliche Funktionsweise unerheblich).
Elektrisch angesteuerte Winkelstellglieder sind für mechanische Betätigungen und Datenanzeigen in der Prozeßtechnik erforderlich. to
Es ist bekannt (Fundstelle wie vorstehend), daß für Winkelstellglieder eingesetzte digital-absolute Winkelkodierer — gleichgültig, ob mit mechanischer, optischer oder magnetischer Abtastung — zur Minimierung der Anzahl der Abtastsensoren in redundanzfreier oder redundanzarmer binärer Abtastkodierung ausgeführt sind, beispielsweise im natürlichen Binärcode, im BCD-Code oder im Gray-Code. Für jedes Datenbit ist dabei üblicherweise eine separate konzentrische Abtastspur vorhanden, so daß für einen solchen digital-absoluten Winkelkodierer ein großer Baudurchmesser resultiert.
Weiter ist bekannt (Siemens-Zeitschrift 45 (1971), Heft 4, Seiten 259 und 260), daß - neben diesen nicht oder wenig redundanten Abtastkodierungen — für Sonderanwendungen auch stärker redundante Abtastkodierungen für digital-absolute Winkelkodierer anzutreffen sind, insbesondere der Linearcode, der unter Einführung von zusätzlichen Abtastsensoren je Abtastspur mehr als nur ein binäres Abtastdatenbit je Abtastspur trägt und somit bei gegebener Meßauflösung gegenüber binären Abtastcodes mit einer geringeren Anzahl von Abtastspuren und folglich geringerem Baudurchmesser auskommt.
Die Verwendung digital-absoluter Winkelkodierer mit binärer Abtastkodierung für digitale Servo-Winkelstellglieder hat den Nachteil, daß als Folge der großen Anzahl von konzentrischen Abtastspuren große Baudurchmesser der Winkekodierer und damit der Winkelstellglieder selbst resultieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein digitales Servo-Winkelstellglied der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es einen geringen Baudurchmesser aufweist, so daß eine gestreckt-zylindrische Bauform entsprechend den seit langem als analoge Winkelstellglieder in der Prozeßtechnik gebräuchlichen Wechselstrom-Drehmeldern möglich wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst
Die mit der Erfindung nach dem Anspruch 1 erzielten Vorteile sind insbesondere:
1. Durch die Verwendung des linear-kodierten Winkelkodierers ist ein geringerer Baudurchmesser des digitalen Servo-Winkelstellgliedes möglich.
2. Der Aufwand der elektronischen Dekoderlogik und der Stellungsreglerschaltung des Servo-Winkelstellgliedes ist als Folge des erzwungenen einfachen Zusammenhanges zwischen Schrittmotor-Stellungsteilung und Winkelkodierer-Meßteilung gering, so daß eine Unterbringung der gesamten Elektronik, hergestellt aus technisch üblichen Standard-Bauteilen, im gestreckt-zylindrischen Gehäuse des Winkelstellgliedes möglich wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
F i g. 1 zeigt eine mögliche Anordnung der Bauglieder des digitalen Schrittmotor-Servo-Winkelstellgliedes am Beispiel eines Schrittmotors mit N = 50 Schrittzyklen je Umdrehung und mit optischer Abtastung der Ist-Stellung in einem linear-kodierten Winkelkodierer.
Fig. 2 zeigt das Abtastmuster der optischen Codescheibe des Winkelkodierers, passend zum Schrittmotor mit N = 50 Schrittzyklen je Umdrehung.
F i g. 3 zeigt die geometrische Anordnung der photoelektrischen Abiastsensoren auf dem Abtastsensorträger.
Der Rotor 11 des Schrittmotors 1 ist koaxial fest verbunden mit der optischen Codescheibe 22 des Winkelkodierers 2 und der Ausgangswelle 4. Der Schrittmotor 1 ist am Gehäuse des Winkelstellgliedes 8 befestigt.
Der Schrittmotor wird von der Stellungsreglerschaltung 6 durch das Motorstellsignal 61 in der Weise angesteuert, daß drei Stellzustände des Schrittmotor-Rotors 11 möglich sind: Vorwärtslauf, Rückwärtslauf oder Stillstand.
Ebenfalls fest am Gehäuse 8 angeordnet ist der Winkelkodierer 2, insbesondere dessen Bauteile Lichtquelle 21 und Abtastsensorträger 23. Die optische Codescheibe 22 trägt ein optisches Schwärzungsmuster, welches das von der Lichtquelle 21 zu den Abtastsensoren 231 auf dem Abtastsensorträger 23 strömende Licht örtlich intensitätsmoduliert. Die Gesamtheit der resultierenden digitalen Hell- bzw. Dunkelsignale 24 aller Abtastsensoren 231 und des digitalen Motorstellsignals 61 ist eindeutig der momentanen Winkelstellung der Ausgangswelle 4 zugeordnet; durch die »l-aus-50«-Dekoderlogikschaltung 5, bestehend aus UND-, ODER- und NICHT-Gattern oder funktionsäquivalenten Festwertspeichern, wird die Gesamtheit der Signale 24 und
61 in die Meßangabe des Ist-Wertes 51 desjenigen der N= 50 möglichen Schrittzyklen umgesetzt, dem die momentane Stellung angehört Dabei hat das Motorstellsignal 61 die Rolle, Doppeldeutigkeiten infolge gleichzeitiger Meldung benachbarter Abiastsensoren 231 an der Grenze zweier Schrittzyklen aufzulösen. Die Stellungsreglerschaltung 6 vergleicht die mit Hilfe des Winkelkodierers 2 gemessene Ist-Stellung 51 der Ausgangswelle 4 mit dem digitalen Eingangsdatenwort 3, das den Sollwert der Stellung der Ausgangswelle 4 angibt, und «jibt das digitale Motorstellsignal 61 in der Weise ab, daß in der bei Regelvorgängen üblichen Weise schnellstmöglich die Differenz zwischen Istwert 51 und Sollwert 3 zu Null wird.
Der linear-kodierte Winkelkodierer 2, der den momentan vorliegenden Schrittzyklus aus der Gesamtzahl von N = 50 Schrittzyklen des Schrittmotors 1 identifizieren soll, ist dreispurig (K = 3) mit folgenden Abiastspuren ausgeführt (F i g. 2 und 3):
1. Eine Spur Nr. 1 (innen) mit M\ =5 Abtastsensoren im Abstand von je 360/5° auf dem Abtastsensorträger 23, zur Messung der Zehner-Gruppe (eine aus 5 Zehnergruppen) des momentanen Schrittzyklus,
2. eine Spur Nr. 2 (mitte) mit Ma=5 Abtastsensoren im Abstand von je 360/25° auf dem Abtastsensorträger 23, zur Messung der Zweier-Gruppe (eine aus 5 Zweiergruppen) des momentanen Schrittzyklus,
3. eine Spur Nr. 3 (außen) mit M3 =2 Abtastsensoren auf dem Abtastsensorträger 23, zur Messung, ob innerhalb der momentanen Schrittzyklus-Zweier-Gruppe ein geradzahliger oder ein ungeradzahliger Schrittzyklus vorliegt
Die optische Codescheibe 22 (F i g. 2) ist ebenso wie der Abtastsensorträger 23 (Fig.3) dreispurig ausgeführt, mit
1. einer Markierung auf der Spur Nr. 1
2. 5 äquidistanten Markierungen auf der Spur Nr. 2
3. 25 äquidistanten Markierungen auf der Spur Nr. 3
Erfindungsgemäß gilt
N = M =
M2 ■ M3
Diese Stufung in 3 Spuren (M\ =5, M2=S, M3 = 2) für die Schrittzyklen-Gesamtanzahl N= 50 ist jeder der drei weiteren erfindungsgemäß mathematisch denkbaren Stufungen ((Mi = IO, M2 = S); (M, = 25, M2 = 2); Mi=SO)) vorzuziehen, da die Anzahl der 12 (=Mi + M2-I- M3) photoelektrischen Abtastsensoren minimal ist und weiterhin die Dekoderlogik-Schaltung 5, die insgesamt eine Dekodierung »1 aus 50« vornimmt, in 3 separate Teiidekoder zu je (1 aus 5), (1 aus 5) und (1 aus
2) gestuft werden kann, wobei jeder der Teildekoder in einfachster Weise beispielsweise durch eine technisch gebräuchliche Standard-Festwertspeicher-Schaltung realisierbar ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Digitales Servo-Winkelsteilglied für einen anschlagfreien Stellbereich von 0° bis 360° mit einem getriebefrei direkt antreibenden und in einem geschlossenen, einen Soll-Istwert-Vergleich enthaltenden Kreis betriebenen Schrittmotor, dessen augenblickliche Iststellung durch einen Abtastspuren aufweisenden, digital-absoluten Winkelkodierer erfaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Linear-Kodierung für den Winkelkodierer und eines Schrittmotors mit N Schrittzyklen je Umdrehung bei einer Anzahl von k > 1 Abtastspuren jeder Abtastspur j eine Anzahl von Mj Abtastsensoren mit der Bedingung zugeordnet sind, daß N = M\ χ Mi... χ Mk bei j = 1 .. k beträgt
2. Digitales Servo-Winkelstellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Schrittmotor mit 50 Schrittzyklen je Umdrehung der digital-absolute, linear-kodierte Winkelkodierer drei Abtastspuren aufweist, denen fünf und fünf und zwei Abtastsensoren zugeordnet sind.
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