DE2009558B2 - Verfahren und anordnung zur beeinflussung der winkelstellung eines schrittmotors - Google Patents

Description

gen ti, α', b, W von Signalen einer digitalen Steuerung 13 angesteuert.

Bei der hier beschriebenen Steuerung für einen vierphiisigen Schrittmotor mit Permanentmagnet-Anker ist es notwendig, daß nur jeweils die unter Strom stehende Wicklung durch das Korrektursignal beeinflußt wird, da nur dann das Vorzeichen der Korrektur richtig ist, d. h. der Schrittmotor in die jeweils richtige Richtung nachgedreht wird. Eine Erhöhung des Stromes beispielsweise in einer Wicklung bewirkt je nach der Stellung des Motors innerhalb seiner Periode von vier Schritten einmal eine Drehung im Uhrzeigersinn und ein anderes Mal im Gegenuhrzeigersinn.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Anordnung gemäß der Fig. 3 näher erläutert.

Befindet sich der Schrittmotor in seiner Sollstel-Iiiiig, dann werden die Fotodioden 13, 14 (F i g. 2) iliichengleich beleuchtet. Da die Fotodioden 13, 14 Zweige einer Brückenschaltung 24 sind, tritt an den Diagonalpunkten c, d kein Signal auf. Da am Eingang des Differenzenverstärkers 17 kein Signal anseht, wird vom Ausgang 25 des Verstärkers 17 auch kein Signal ausgegeben.

Befindet sich nun der Schrittmotor nicht in seiner Sollstellung und tritt beispielsweise ein Versatz seiner Stellung in Pfeilrichtung auf, so wird die Fotodiode 13 mehr beleuchtet als die Fotodiode 14 (Fig. 2). Damit tritt an den Diagonalpunkten c, d der Brükkenschaltung 24 eine DifTerenzspannung auf, welche auch am Eingang des Differenzenverstärkers 17 wirkt. Am Ausgang 25 des Verstärkers tritt damit ein Korrektursignal auf, welches zwecks Nachdrehung der Motorwcllc auf dessen Wicklungen A, A' gegeben wird.

Um eine Bewegung des Schrittmotors zu bewirken, »erden die Schaltverstärker 19, 20 an ihren Eingängen a, a' durch bejahte Digitalsignale angesteuert und die Schaltverstärker 21, 22 an den Eingängen b, b' durch negierte Digitalsignale, die gegenüber denen an den Eingängen a, a' um 90° phasenverschoben lind. Diese Signale liegen in Form von Impulsfolgen vor und werden von der digitalen Steuerung 23 ausgegeben. Die vier Verstärker 19 bis 22 schalten also dio Wickhingsströmc de» Schrittmotors. Zur Kompensation des Winkelfchlers werden nun erfindungsgemäß zusätzlich die Schaltverstärker 19, 20 für die Motorwicklungen A, A' mit dem analogen Korrekturlignal beaufschlagt. Dieses Korrektursignal bewirkt eine analoge Veränderung des jeweiligen WicklungsiLomes, und zwar nur dann, wenn der entsprechende Schaltverstärker auch durch bejahte Digitalsi^na!^ •ngesteuert ist. Ist der Wicklungsstrom digital abgelchaltet, d. h. ist der Schaltverstärker über das Digitalsignal nicht eingeschaltet, dann wirkt auch das •naloge Korrcktursignai nicht.

Die Wicklungen des Motors werden also digital gesteuert und bei Einschaltung der Wicklungen erfolgt bei Abweichung der Stellung des Schrittmotors vom Sollwert eine selbsttätige analoge Korrektur des Wicklungsstromes.

Die F i g. 4 zeigt eine genauere Ausbildung der Schaltverstärker 19 bis 22, z. B, der Schaltverstärker 19.

Der Verstärker beeinflußt die Wicklung A. Der Verstärker selbst besteht aus den Transistoren 26, 27 und 28. Zum Schutz des Transistors 28 ist parallel zur Wicklung A eine Freilaufdiode 29 mit einem Widerstand 30 geschaltet. Der Transistor 28 wird durch den Transistor 27 angesteuert, dem wiederum der Transistor 26 vorgeschaltet ist. Dieser Transistor wird von der digitalen Signalfolge angesteuert, Der

a Transistor 27 wird darüber hinaus über einen Eingang 31 und einen Widerstand 32 vom analogen Korrektursignal angesteuert. Am Eingang 33 wirkt ein digitales Signal der Steuereinrichtung 23, durch welches der Strom durch die Wicklung A ein- und

ίο ausgeschaltet wird.

Der Verstärker hat folgende Wirkungsweise:
Bei Auftreten eines Signals L am Eingang 33 wird am Ausgang 34 der Umkehrstufe 35 ein Signal 0 auftreten. Das Potential dieses Signals ist derart, daß der Eingangstransistor 26 gesperrt wird (negatives Potential). Durch das hohe Kollektorpotential dieses Transistors 26 wird der nachgeschaltete Transistor 27 leitend und ebenso der Ausgangstransistor 28. Die Schaltung ist nun so bemessen, daß der

ap Transistor 27 sich auf einen mittleren Arheitspunkt seiner Kennlinie einst^-.t, das durch die Spannungsteilerschaltung 36, 37, 32 erreicht wird. Zusätzlich zu der digitalen Ansteuerung durch den Transistor 26 wird der Transistor 27 linear über die am Eingang 31 auftretende analoge Korrekturspannung ausgesteuert. Dadurch wird auch der durch die Wicklung A fließende Strom entsprechend geändert.

Tritt am Eingang 33 ein Signal 0 auf, so gibt die Umkehrstufe 35 ein Signal L aus. Der Eingangstransistor26 wird dadurch leitend und der Transistor 27 gesperrt. Eine etwa am Eingang 31 anstehende analoge Korrekturspannung hat damit keinen Einfluß auf den Transistor 27. Durch den nicht leitenden Transistor 27 ist auch der Ausgangstransistor 28 gesperrt, und damit fließt durch die Wicklung A kein Strom.

Die Verstärkeranordnung nach der Fig. 4 erlaubt also, den Wicklungsstrom iü Abhängigkeit von einem digitalen Eingangssignal ein- und auszuschalten und im eingeschalteten Zustand zusätzlich eine analoge Korrektur aufzuschalten.

Im angegebenen Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 kennen die Schaltverstärker 21, 22 an sich bekannte Schaltverstärker sein. Diese Verstärker können auch nach der F i g. 4 ausgebildet sein, wobei dann der Eingang 31 und der Widerstand 32 entfallen.

Das analoge Korrektursignal braucht nur den Schaltverstärkern 19, 20 (F i g. 3) zugeführt zu werden, wie nachstehend an Hand des Signaldiagrammcs in der F i g. 5 näher erläutert wird.

Im Signaldiagramm sind die von der digitalen Steuerung23 (Fig. 3) ausgegebenen Signalfolgen für den Schrittmotor dargestellt. Diese Signalfolgen wirken auf die Schaltverstärker 19 bis 22 (Fig. 3).

In der Position 1' wirken nur an den Eingängen a, b Signale entsprechend L. Damit sind auch nur die Wicklungen A, B stromführend. Je nach Vorzeichen eines etwa am Eingang 31 des Schaltverstärkers 19 anstehenden Korrektursignaleo wird allein der Strom in der Wicklung A erhöht oder erniedrigt, wodurch eine Drehung im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersißn verursacht wird. Das gleiche Signal am Eingang 31 des Schaltverstärkers 20 hat auf diesen

keinen Einfluß, da — wie aus dem Signaldiagramm in der F i g. 5 ersichtlich — in der Position 1' das digitale Signal am Eingang a' entsprechend 0 ist und der Schaltverstärker 20 damit ausgeschaltet ist. Das

5θ 5,

analoge Korrektursignal ist also wirkungslos. Durch die Ausschaltung des Schaltverstärkers 20 führt die Wicklung A' auch keinen Strom.

In der Position 2' wirkt wiederum am Eingang a des Schaltverstärkers 19 ein Signal L und am Eingang V des Schaltverstärkers 22 auch ein Signal L. Damit sind allein die Wicklungen A und 3' stromführend. Ein etwa wieder am Eingang 31 des Schaltverstärker 19 anstehendes analoges Korrektursignal wird allein den Strom der Wicklung A entsprechend clem vorhandenen Winkelfehler verändern. Wie dem Signaldiagramm zu entnehmen ist, ist der Schaltverstärker 20 wegen des Signals entsprechend 0 am Eingang tf nach wie vor ausgeschaltet.

In der Position 4' wirken allein an den Eingängen a' und b der Schaltverstärker 20 und 22 Signale L. Damit führen allein die Wicklungen A' und B Strom. Ein am Eingang 31 anstehendes analoges Korrektursignal kann über den Schaltverstärker 20 den Strom durch die Wicklung A' beeinflussen. Da am Eingang α des Schaltverstärkers 19 ein Signal 0 ansteht, ist dieser Schaltverstärker ausgeschaltet, und das an seinem Eingang 31 anstehende analoge Korrektursignal hat keinen Einfluß auf diesen.

Der Erflndungsgegenstand ist nicht beschränkt auf Schrittmotoren mit vier Wicklungen, wobei jeweils zwei unter Strom sind. Ferner kann auch nur eine einzige Steuerspur (Fig. 2) mit einer einzigen Fotodiode als Abtaster verwendet werden. Der Vorteil der in der Fig. 2 dargestellten Doppelabtastung besteht jedoch darin, daß durch die Differenzschalti /ig Schwankungen der Lampcnhelligkeit oder der Temperatur der Fotodioden keinen Einfluß haben.

Es ist auch eine Doppelabtastung nach dem beschriebenen Prinzip möglich mit nur einer Steuerspur,

ίο wobei eine Fotodiode angeordnet ist wie die Fotodiode 13 in Steuerspur 11 (Fig. 2), während eine zweite Fotodiode 14' an irgendeiner anderen Stelle der Steuerspur 11 die rückwärtige Kante 40 eines dunklen Rasten'eldes 41 abtastet.

An Stelle der Fotodioden können auch Fototransistoren oder ähnlich wirkende fotoelektrische Halb leiter verwendet werden.

Durch die Erfindung ergibt sich der weitere Vor teil, daß die Kompensation des Winkelfehlers durch

»o analoge Steuerung der Wicklungsströme dem üblichen Auspendeln des Schrittmotors entgegenwirkt, wenn er zum Stillstand kommt, d. h. sie dämpft den Motor. Mitunter ist dieses Auspendeln sehr unerwünscht, und der Schrittmotor muß mit sehr auf-

«5 wendigen mechanischen Dämpfungseinrichtungen verseher werden, die durch die Erfindung entfallen

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Winkelstellung in einem begrenzten Bereich zu verPatentansprüche: ändern, indem man die Ständerwicklungen mit unterschiedlichen Strömen erregt (USA.-Zeitschrift JEEE

1. Verfahren zur Beeinflussung der Winkelstel- Transactions on automatic Control, August 1969, lung eines Schrittmotors, dessen Winkelstellung 5 S. 394 bis 397).

durch das Zusammenwirken mindestens zweier Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

magnetischer Felder im Stator bestimmt ist und Verfahren anzugeben, um den Winkelfehler der

bei dem der Wicklungsstrom des Motors verän- handelsüblichen Schrittmotore zu verringern, so daß

derbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese auch zur Erfüllung genauer Positionieraufgaben

»us der Winkelstellung des Schrittmotors bei Ab- io eingesetzt werden können,

weichung von seiner Sollstellung ein elektrisches Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren

Signal abgeleitet wird, welches den Wicklungs- der eingangs genannten Art erfindungsgemäß da-

Itrom des Motors in den Winkelfehler beseitigen- durch gelöst, daß aus der Winkelstellung des Schritt-

dem Sinn korrigiert. motors bei Abweichung von seiner SoHstellung ein

2. Anordnung zur Durchführung des Verfah- i₅ elektrisches Signal abgeleitet wird, welches den Wickrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, lungsstrom des Motors in den Winkelfehler beseiitidaß ein Ausgangssignal (33) eines mit der Schritt- gendem Sinn korrigiert.

motorwelle (1) gekuppelten Lagediskriminators Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungs-

(11 bis 14) den Strom in einzelnen Wicklungen gemäßen Verfahrens ist in den Unteranspriichen (A, A') beeinflußt. _ao angegeben.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge- Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines kennzeichnet, daß der Lagediskriminator aus in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausfilhzwei optischen Signalgebern (13, 14) besteht, die rungsbeispieles näher erläutert Es zeigt

je eine der auf einer mit der Motonvelle (1) ge- Fig. 1 einen Schrittmotor in Anwendung bei einem

kuppelten Scheibe (3) angebrachten, lichtdurch- _a5 Lichtzeichenkopf,

lässige und lichtundurchlässige Rasterteilungen F i g. 2 einen Ausschnitt der vom Schrittmotor ao-

(15, 16) enthaltende Steuerspuren (11, 12) ab- getriebenen Objektscheibe mit zwei Steuerspuren,

tasten und daß die Signale der Geber (13, 14) F i g. 3 die für die Kompensation des Winkelfehlers

einer Differenzschaltung (24) zugeführt sind. verwendete elektrische Schaltung,

4. Anordnung nach Anspruch 3 bei einem ₃₀ F i g. 4 eini¹ genauere Ausbildung der verwendeten Schrittmot_/, dessen Wicklungen über digital an- Verstärker,

steuerbare Schaltverstärker erregt sind, dadurch F ι g. 5 ein Signaldiagramm,

gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der wie aus der F i g. 1 ersichtlich, ist auf der Welle 1

Diffcrenzschaltung (24) ein m Differenzverstär- eines Schrittmotors 2 direkt eine Objektscheibe 3 ker (17) zugeführt ist und daß dessen Ausgangs - ₃₅ aufgebracht. Die Scheibe 3 trägt im Bereich 4 nicht spannung den Schaltverstärkern (19 bis 22) zu- weiter dargestellte Symbole, wie Ziffern, Buchstaben sätzlich als Korrekturstrom aufgeschaltet ist. und sonstige Zeichen aus den verschiedensten Gebie

ten. Im Bereich 5 trägt dip Scheibe beispielsweise zwei Steuerspuren, wie diese in vergrößerter Form in

40 der F i g. 2 dargestellt sind. Wie weiter aus der F i g. 1

ersichtlich, sind über der lichtdurchlässigen Objektscheibe 3 in den Bereichen 4 und 5 Beleuchtungs-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur einrichtungen 6, 6' angeordnet. Unter der Scheibe 3 Beeinflussung der Winkelstellung eines Schrittmotors, ist im Bereich 5 eine, aus einem Abtastspalt 7 und dessen Winkelstellung durch das Zusammenwirken 45 Fotodioden 8 bestehende Abtasteinrichtung 9 angemindcstcns zweier magnetischer Felder im Stator ordnet, deren Ausgangsspannung eine Verstärkereinbestimmt ist und bei dem der Wicklungsstrom des richtung 10 ansteuert, die im einzelnen in der Fi g. 3 Motors veränderbar ist, sowie auf eine Anordnung beschrieben ist. Diese Verstärkereinrichtung 10 hzzur Durchführung des Verfahrens. einflußt wiederum den Schrittmotor 2.

Die Verwendung von Schrittmotoren auf dem Ge- 50 Wie aus der F i g. 2 ersichtlich, sind die Rasterbietc der Meß-, Steuer- und Regeltechnik ist bekannt. teilungen der zur Kompensation des Winkelfehlers So wird beispielsweise bei einem Lichtzeichenkopf vorgesehenen Stcuerspurcn 11, 12 gegeneinander eine auswechselbare Objektscheibe mit bis zu 100 versetzt angeordnet. Die Spur 11 wird von einer verschiedenen Objekten durch einen Schrittmotor durch einen Kreis angedeuteten Fotodiode 13 und gedreht und in die jeweils gewünschte Position ge- 55 die Spur 12 von einer ebenfalls durch einen Kreis bracht (DT-Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb« angedeuteten Fotodiode 14 abgetastet. Die Spuren 11 101. Jahrg. (1968), H. 10, S. 597 bis 602). und 12 bestehen aus lichtundurchlässigen und licht-

Schrittmotore haben einen Winkelfehler, der im durchlässigen Rasterteilungen 15 bzw. 16, die sehr wesentlichen dutch Fertigungstoleranzen bedingt ist. genau aufgebracht sind. Die Zahl der Teilungen je Für höchste Anforderungen bei einer Positionierung, 60 Spur ist gleich der Zahl der Winkelschritte diss wie beispielsweise bei der vorstehend genannten An- Schrittmotors pro Umdrehung.
Wendung des Schrittmotors, ist der vorhandene Wie aus der F i g. 3 ersichtlich, sind die Fotodioden

Winkelfehler zu groß. Um diesen zu verringern, wäre 13, 14 an den Eingang eines Differenzenverstärkers es prinzipiell möglich, Spezialtypen von Schritt- 17 geschaltet. Dem Verstärker 17 ist ein Operationsmotoren zu schaffen. 65 verstärker 18 nachgeschaltet, welcher über Schalt-Bei einem Schrittmotor, dessen Winkelstellung verstärker 19, 20 zwei der beispielsweise vier Wiclidurch das Zusammenwirken von zwei magnetischen lungen/Ι,/Γ, B, B' des Schrittmotors beeinflußt. Die Feldern im Stator bestimmt ist, ist es bekannt, diese Schaltverstärker 19 bis 22 werden an ihren Eineän-