DE3138554C2

DE3138554C2 - Verfahren zur Ermittlung der Schrittfolge zur Beschleunigung bzw. Abbremsung eines Schrittmotors und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3138554C2
Application number: DE19813138554
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. 8000 München Steinmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-09-28
Filing date: 1981-09-28
Publication date: 1983-10-20
Also published as: DE3138554A1

Abstract

Zur schnellen Optimierung der Schrittfolge zur Ansteuerung eines Schrittmotors wird der Lastwinkel ermittelt. Durch die Schrittakte (TO bis T5) und die zurückgelegte Winkelstrecke sind die Meßpunkte (MO bis M5) bestimmt, durch die eine interpolierende Kurve (K) gelegt wird. Durch die Schrittsignale (SO bis S5) sind Kurvenpunkte (KO bis K5) bestimmt. Durch die Abstände zwischen den Kurvenpunkten (K1 bis K5) und dem nächsten erreichten Schrittwinkel (SW=1 bis SW=5) sind die Lastwinkel ( α1 bis α5) bestimmt.

Description

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Schrittmotor werden heutzutage bei vielen Geräten verwendet, um Teile in bestimmte Positionen zu bringen. So werden beispielsweise bei Schreib- und Druckwerken Systeme, wie der Wagen, das Typenrad, die Schreibwalze und eine Reihe anderer Einrichtungen, mit Hilfe von Schrittmotoren positioniert. Schrittmotore werden durch impulsförmige Signale, dem sog. Schrittakt angesteuert, wobei mit jedem Schrittakt die Achse des Schrittmotors um einen festen Wert, den sog. Schrittwinkel, gedreht wird. Die Steuerung ist unproblematisch, solange der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schrittakten so groß ist, daß das System, insbesondere der Schrittmotor seine Bewegung beendet hat, bevor der nächste Schrittakt gegeben wird. Nun besteht aber der Wunsch nach einer Betriebsfrequenz, die größer ist als diese sog. Start-Stop-Frequenz, um die Positionierung schneller durchführen zu können. Bei Betriebsfrequenzen oberhalb der Start-Stop-Frequenz muß der Schrittmotor über mehr als einen Schrittakt beschleunigt bzw. abgebremst werden, da er eine bestimmte Zeit benötigt, um seine höchste Drehgeschwindigkeit zu erreichen bzw. zum Stillstand zu kommen. Diese Zeit ist zudem noch von dem System abhängig, das von dem Schrittmotor bewegt werden muß.

Für den Schrittmotor ist daher eine Folge von Schrittakten, eine sog. Schrittfolge zu ermitteln, die ihn einerseits schnell beschleunigt bzw. abbremst, und die andererseits die Sicherheit bietet, daß er nicht durch Störeinflüsse, wie z. B. Schräglage oder Temperatureinflüsse aus dem Schritt fällt. Die Schrittfolge ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor schnell beschleunigt bzw. abgebremst wird, wobei die Betriebssicherheit gewährleistet ist. Eine Schrittfolge zur Beschleunigung des Schrittmotors besteht aus einer Folge von Schrittakten, deren Frequenz von der Start-Stop-Frequenz bis zu einer durch die Konstruktion des Schrittmotors und des Systems bedingten Frequenz zunimmt. Eine Schrittfolge zur Abbremsung besteht aus einer Folge von Schrittakten, deren Frequenz bis zu der Frequenz abnimmt, bei der dann der Schrittmotor sicher angehalten werden kann.

Der Druckschrift Elektrie 25, Heft 10 ist auf der Seite 392 das Prinzip der Selbststeuerung von Schrittmotoren durch Rückführung der Läuferlage entnehmbar. Hierbei erzeugt ein auf der Motorwelle anzubringender Läuferlagegeber die Fortschaltsignale für den Impulsverteiler und liefert somit die Ein- und Ausschaltsignale für die einzelnen Wicklungsstränge in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Läufers.

Bei diesem Steuerungsprinzip wird der folgende Strang stets erst dann ein- und ausgeschaltet, wenn sich der Läufer innerhalb des stabilen Bereiches der Drehmomentkurve befindet. Durch Verschieben der Stellungen, in denen der Läuferlagegeber Fortschaltsignale an den Impulsverteiler abgibt, oder durch Ändern der Zuordnung der geschalteten Stränge zu den Stellungen des Läufers können Vorzeichen und Betrag des mittleren Drehmomentes beeinflußt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung anzugeben, mit dem es möglich ist, die Schrittfolge zur Beschleunigung bzw. Abbremsung eines Schrittmotors schnell und sicher zu optimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 3 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß Aussagen über die Betriebssicherheit der ermittelten Schrittfolge gemacht werden können.

Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß über eine Eingabeeinheit Zeitpunkte für die Impulsflanken des Schrittaktes in einem zweiten Speicher abgespeichert werden, daß eine Motorsteuerung den Schrittmotor ansteuert, daß auf der Achse des Schrittmotors eine Taktscheibe befestigt ist, daß auf der Taktscheibe Markierungen angebracht

sind, daß diese Markierungen von einem Abtaster abgetastet werden, daß die Taktscheibe so positioniert ist, daß bei einer Bewegung über eine Rastposition des Schrittmotors am Abtaster eine Impulsflanke abgegeben wird, daß von einem Zeitmesser die Zeiten zwischen zwei gleichartigen aufeinanderfolgenden Impulsflanken gemessen werden, daß die Zeiten in einem ersten Speicher abgespeichert werden, daß ein Mikroprozessor vorgesehen ist, der zur Steuerung der Meßeinrichtung und zur Berechnung des Lastwinkels α dient, und daß eine Ausgabeeinheit zur Darstellung des Lastwinkels α vorgesehen ist.

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu dessen Durchführung anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 ein Beispiel für die zeitliche Folge eines impulsförmigen Schrittaktes TO bis TS und eines impulsförmigen Schrittsignales 50 bis 55,

F j g. 2 eine Kurve zur Ermittlung eines Lastwinkels tx, F i g. 3 eine graphische Darstellung der Lastwinkel cc,

F j g. 4 ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung der Schrittfolge.

Unter Bezugnahme auf F i g. 1 bis F i g. 3 wird zunächst das Verfahren zur Optimierung einer Schrittfolge, d. h. einer Folge von Schrittakten zur Beschleunigung eines Schrittmotors SM, beschrieben. Dazu wird davon ausgegangen, daß eine Folge von Schrittakten T (Fig. 1, Zeile 1) und eine Folge von Schrittsignalen 5 (Fig. 1, Zeile 2) zeitgerecht, d.h. mit den richtigen zeitlichen Abständen zwischen einem Schrittakt Γ und seinem dazugehörigen Schrittsignal 5 aufgezeichnet werden. Dabei sind beispielsweise durch die ansteigenden Impulsflanken die Zeitpunkte 110 bis 115 der Schrittakte TO bis TS bzw. r20 bis f25 der Schrittsignale 50 bis 55 festgelegt. Die Zeitpunkte ;20 bis f 25 entsprechen hierbei jeweils dem Zeitpunkt, bei dem die Achse des Schrittmotors SM über eine Rastposition bewegt wird. Es können aber auch die Schrittakte T und die Schrittsignale 5 in anderer Kurvenform vorliegen, nur muß der zeitlich richtige Zusammenhang zwischen dem Beginn des die Drehbewegung startenden Schrittaktes 7"0 und dem Schrittsignal 50, daß die Bewegung der Achse des Schrittmotors beschreibt, gewährleistet sein. Aus diesen beiden Größen, dem Schrittakt Tund dem Schrittsignal 5 wird eine anschauliche Größe ermittelt, die als Lastwinkel λ bezeichnet wird. Der Lastwinkel χ nimmt bei der Beschleunigung des Schrittmotors SM von dem Wert 0 bis zu einem Wert, zu, der durch das zu bewegende System bestimmt wird. Der maximale Lastwinkel amax wird so gewählt, daß bei der höchsten Geschwindigkeit keine zu großen Schwingungen, d. h. Änderungen des Lastwinkels <x, auftreten.

Die Ermittlung des Lastwinkels λ wird im folgenden anhand der F i g. 2 erläutert. Dort sind auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die seit dem ersten Schrittakt TO zurückgelegte Winkelstrecke W als Vielfaches des Schrittwinkels SWaufgetragen.

Die Zeitpunkte 120 bis 125 der Schrittsignale 50 bis 55 werden gegen die zurückgelegte Winkelstrecke W aufgetragen. Durch die Wertepaare (SO, i20 bis 55, f25) werden Meßpunkte MO bis MS gebildet. Durch diese Meßpunkte AiO bis M5 wird eine interpolierende Kurve K gelegt, beispielsweise eine Parabel. Durch die Zeitpunkte HO bis fl5 der Schrittakte TO bis 7"5 werden Kurvenpunkte KO bis K 5 auf der Kurve K bestimmt Die Projektion dieser Kurvenpunkte K 1 bis K 5 auf die Ordinate W stellt als Abstand zwischen der Projektion der Kurvenpunkte K1 bis K 5 und dem nächstfolgenden Punkt, der ein ganzzahliges Vielfaches des Schrittwinkels 5lVist, den zugehörigen Lastwinkel λ 1 bis λ 5 dar.

Betrachtet man nun eine numerische oder besser eine graphische Darstellung des Lastwinkels α (Fig. 3) so können durch Vergleich der Lastwinkel λ verschiedener Schrittfolgen Aussagen über das Beschleunigungsverhalten des Systems, insbesondere des Schrittmotors SM und über die Betriebssicherheit gemacht werden. Falls der Schrittmotor SM aus dem Schritt gefallen ist, zeigt sich das in einer sprunghaften Änderung des Lastwinkels. Auf diese Weise kann man eine optimale Schrittfolge schnell, sicher und auf einfache Weise ermitteln.

Die Anzahl der Schrittakte fund der Schrittsignale 5 beträgt hier beispielsweise sechs, TO bis 75 und 50 bis 55. Im allgemeinen beträgt diese Anzahl n.

In F i g. 4 ist eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Ermittlung der Schrittfolge dargestellt. Eine Motorsteuerung Ai5dient zur Steuerung des Schrittmotors SM. Auf der Achse des Schrittmotors SM ist eine Taktscheibe TS befestigt. Diese Taktscheibe TS weist Markierungen auf, die von einem Abtaster A abgetastet werden. Die Markierungen können beispielsweise durch Schlitze oder durch einen geteilten Rand realisiert sein. Die Taktscheibe 75 ist dabei so justiert, daß bei einer Auslenkung der Achse des Schrittmotors 5/V/aus einer Rastposition der Abtaster A eine Impulsflanke abgibt. Von einem Zeitmesser Z werden die Zeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden gleichartigen Impulsflanken gemessen, und in einem ersten Speicher SP1 abgespeichert. In diesem ersten Speicher 5Pl sind also die Zeitpunkte des Schrittsignals 5 gespeichert. Über eine Eingabeeinheit EE werden die Zeitpunkte der Impulsflanken für die Schrittakte /"eingegeben und in einem zweiten Speicher SP2 abgespeichert. Ein Mikroprozessor MPdient zur Steuerung der Meßeinrichtung und zur Ermittlung des Lastwinkels λ gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Eine Ausgabeeinheit AE dient zur Darstellung des Lastwinkels α. Die Ausgabeeinheit AE ist beispielsweise ein Plotter, der in äquidistanten Abständen die Lastwinkel <x aufzeichnet (F ig-3).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung der Schrittfolge zur Beschleunigung bzw. Abbremsung eines Schrittmotors unter Verwendung von zeitgerecht aufgezeichneten Impulsflanken von Schrittakten und Schrittsignalen, wobei der Schrittakt die Drehbewegung des Schrittmotors auslöst und das Schrittsignal durch die Bewegung der Achse des Schrittmotors über eine Rastposition bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch Impulsflanken des Schritttaktes (T) und des Schrittsignals ßij Zeitpunkte (t 10 bis t in) des Schrittaktes (T) und Zeitpunkte (f2O bis t2n) des Schrittsignals (S) bestimmt sind, daß durch Wertepaare aus den Zeitpunkten (t 20 bis /2π,) des Schrittsignals (S) und der zurückgelegten Winkelstrecke (W), die in Einheiten des Schrittwinkels (SW)angegeben wird, Meßpunkte (MO bis Mn) bestimmt sind, daß diese Meßpunkte (MO bis Mn) eine Kurve (K) bilden, daß durch die Zeitpunkte (t 10 bis t in)des Schrittaktes (T) Kurvenpunkte (K 1 bis Kn) auf der Kurve (K) bestimmt sind und daß der Abstand in Richtung der zurückgelegten Winkelstrecke (W) zwischen den Kurvenpunkten (K 1 bis Kn) und dem nächstfolgenden Punkt, der durch ein ganzzahliges Vielfaches des Schrittwinkels (SW) bestimmt ist, der zugehörige Lastwinkel (λ 1 bis ocn) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve (K) durch Interpolation aus den Meßpunkten (MO bis Abgebildet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Eingabeeinheit (EE) Zeitpunkte für die Impulsflanken des Schrittaktes (T) m einem zweiten Speicher (SP 2) abgespeichert werden, daß eine Motorsteuerung (MS) den Schrittmotor (SM) ansteuert, daß auf der Achse des Schrittmotors (SM) eine Taktscheibe (TS) befes'igt ist, daß auf der Taktscheibe (TS) Markierungen angebracht sind, daß diese Markierungen von einem Abtaster (A) abgetastet werden, daß die Taktscheibe (TS) so positioniert ist, daß bei einer Bewegung über eine Rastposition des Schrittmotors am Abtaster (A) eine Impulsflanke abgegeben wird, daß von einem Zeitmesser (Z) die Zeiten zwischen zwei gleichartigen aufeinanderfolgenden Impulsflanken gemessen werden, daß die Zeiten in einem ersten Speicher (SPi) abgespeichert werden, daß ein Mikroprozessor (MP) vorgesehen ist, der zur Steuerung der Meßeinrichtung und zur Berechnung des Lastwinkels κ dient, und daß eine Ausgabeeinheit (AE) ζην Darstellung des Lastwinkels λ vorgesehen ist.