DE2447673A1

DE2447673A1 - Verfahren und anordnung zur schrittmotorsteuerung

Info

Publication number: DE2447673A1
Application number: DE19742447673
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl Ing Ulland; Volker Dipl Ing Zimmermann; Rainer Dr Ing Zuehlke
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1974-10-05
Filing date: 1974-10-05
Publication date: 1976-04-08
Also published as: FR2287132B1; FR2287132A1; US4065708A; JPS5159315A; GB1513044A

Description

2U7673

r-öblingen, den 9. August 1974 tl-fe

Anmelderin: IBM Deutschland GmbH

70QÜ Stuttgart 80

Pascalstraße 100

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: GE 974 Uli

Verfahren und Anordnung zur Schrittmotorsteuerung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Geschwindigkeits- und Positionswerten eines Schrittmotors für eine Steuerung oder Regelung desselben.

Charakteristisch für den Schrittmotor ist die Eigenschaft, daß er auf einen Ansteuerimpuls hin eine Fortbewegung seiner Motorachse um einen bestimmten Winkel ausführt. Als problemloses Antriebselement bietet er sich überall dort an, wo die Folge der Ansteuerungsimpulse so langsm ist, daß der Motor jeweils zwischen zwei Schritten zur Ruhe kommt (Bang-Bang-Betrieb). Wegen seiner relativ einfachen digitalen Ansteuerungsmöglichkeit erobert sich der Schrittmotor jedoch in zunehmendem Maße Anwendungsgebiete, in denen der Motor quasi-kontinuierlich betrieben wird, d.h. die Ansteuerimpulse folgen so schnell aufeinander, daß die Eigenschaft der schrittweisen Fortbewegung verlorengeht.

Im Falle der quasi-kontinuierlichen Anwendung des Schrittmotors kennt man im wesentlichen zwei Betriebsarten:

1, den gesteuerten Betrieb

2, den rückgekoppelten Betrieb.

Ohne näher darauf eingehen zu wollen, sei hier erwähnt, daß der Motor im gesteuerten Betrieb sehr schwingungsanfällig ist. Von daher verbietet sich oftmals die Anwendung dieser Betriebsart.

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Der rückgekoppelte Betrieb benötigt ein Rückmeldesignal über den jeweiligen Bewegungszustand der Motorwelle. Zu diesem Zwecke werden überwiegend optisch codierte Scheiben an der Motorwelle angebracht, die pro Motorschritt einen Puls abgeben. Damit dieser Puls innerhalb weniger Prozent der Schrittweite genau ist, sind hohe Anforderungen an das Scheibenmuster und an die Justierung auf der Achse zu stellen (etwa auf 100 /tun genaue Teilung des Scheibenumfangs). Große Scheiben erfordern zwar weniger absolute Genauigkeit, erhöhen aber die Drehmasse des Motors beträchtlich. Der notwendige Schutz vor Verschmutzung, die Lichtquelle sowie der Lichtdetektor bedeuten sehr hohe Kosten dieses Verfahrens.

Dine solche Codierscheibe liefert unmittelbar mit jedem Impuls Information über den Ort der Motorwelle; Information über die Geschwindigkeit läßt sich nur gewinnen, indem man die Zeitdifferenz zwischen zwei Rückmeldeimpulsen auswertet. Mit hilfe dieses Verfahrens läßt sich also prinzipiell immer nur nachträglich die Geschwindigkeit während des gerade zurückgelegten Schrittes bestimmen; man erhält keine Information über die Augenblicksgeschwindigkeit. Das ist immer dann ein gravierender Nachteil, wenn sich der Motor langsam bewegt- insbesondere z.B. kurz bevor der Motor seine Stillstandsposition erreicht.

Üblicherweise ist das exakte Erreichen der Endposition das größte Problem bei der Verwendung eines Schrittmotors zur Kontrolle eines Bewegungsablaufes,

Zur Vermeidung der zuvor angegebenen Nachteile ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung von Geschwindigkeits- und Positionswerten eines Schrittmotors anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Geschwindigkeits- und Positionswerte aus der im Motorbetrieb unmittelbar nicht meßbaren Polradspannung über - mit dieser über eine Differentialgleichung zusammenhängende. - meßbare Strom- und Spannungsgrößen unter Beachtung feststehender Motorparameter dadurch bestimmt werden, daß aus der Amplitude der Polradspannung

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die Geschwinidigkeitswerte und aus den Nulldurchgängen der Polradspannung die Positionswerte abgeleitet werden.

In vorteilhafter Anwendung dieses Verfahrens auf Schrittmotoren mit bifilarer Stäriderwicklung werden folgende Strom- und Spannungsverläufe meßtechnisch erfaßt:

a) die Spannung über das bifilare Wicklungspaar,

b) der Strom durch jeden Zweig des bifilaren Wicklungspaares.

In weiterer erfindungsgemäßer vorteilhafter Ausgestaltung des
Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Polradspannung nach der
Beziehung

_d
uPl = uxl + Kl (ill + il2) + K2 dt (ill + il2)

wobei uPl die Polradspannung, uxl die Spannung über dem bifilaren Wicklungspaar, ill bzw, il2 der Strom durch jeweils einen Zweig des bifilaren Wicklungspaares und Kl und K2 feststehende Motorparameter sind.

Aus der nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Polradspannung können in vorteilhafter Weise die Geschwindigkeitswerte durch Spitzenwertgleichrichtung dieser Polradspannung und die Positionswerte durch einen Nullvergleich mit der Polradspannung gebildet werden.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker für die über dem bifilaren V/icklungspaar liegende Spannung, ein Verstärker für die die beiden Zweige des bifilaren Wicklungspaares durchfließenden Ströme vorgesehen sind,

daß die Ausgangssignale beider Verstärker einem die Verknüpfungsgleichung zwischen Polradspannung und den gemessenen Spannungsund Stromgrößen nachbildenden Operationsverstärker unter Berücksichtigung der feststehenden Motorparameter zuführbar sind,

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und daß an den Ausgang dieses Operationsverstärkers ein den Geschwindigkeitswerten proportionales Ausgangssignal liefernder Spitzenwertgleichrichter sowie ein die Positionswerte durch Bestimmung der Nulldurchgänge der P ο Ir ad spannung liefernder !Null-Detektor angeschlossen ist.

In vorteilhafter Weise können die Verstärker als Differenzverstärker ausgebildet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig, 1 eine schematische Darstellung eines Schrittmo

tors mit zwei bifilaren Ständerwicklungspaaren,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der schrittweisen

Portbewegung anhand der Bewegungsphasen a, b und c.

Pig, 3 eine schematische Darstellung zum schrittweisen

Portschalten des Schrittmotors,

Pig, 4 ein Diagramm mit dem Verlauf der Ansteuerspan

nungen für die Schalter A (Al und A2) des Polpaares Pl und B (Bl und B2) des Polpaares P2,

Pig, 5 ein Diagramm zur Darstellung der in den Ständer

wicklungspaaren induzierten Spannungen in zeitlicher Zuordnung zu den Schritten,

Pig. 6 ein Diagramm n/sec = f(t) zur kontinuierlichen

Steuerung des Schrittmotors in eine Endlage in zeitlicher Zuordnung zu einem Diagramm uPl = f(t) zur Darstellung der in einem Ständerwicklungspaar induzierten Spannung,

Pig, 7 Diagramm zur Darstellung der in den Ständer-

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wicklungspaaren induzierten Spannungen in zeitlicher Zuordnung zum Ausschwingen des Schrittmotors in angesteuerter Endlage,

Fig. 8 eine Prinzipschaltung eines bifilaren Ständer

wicklungspaares ,

Fig. 9 ein Ersatzschaltbild eines Schrittmotors mit

bifilarem Ständerwicklungspaar und

Fig. 10 eine Prinzipschaltung zur Ermittlung der Ge-

schwindigkeits- und Positionswerte eines Schrittmotors.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Schrittmotors mit zwei bifilaren Ständerwicklungspaaren gezeigt. Der Rotor R besteht aus einem Dauermagneten mit Weicheisenpolschuhen. Der Stator besteht ebenfalls aus Polen aus Weicheisen, die von Wicklungen erregt werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Schrittmotor, dessen Stator aus zwei räumlich versetzten bifilaren Spulenpaaren aufgebaut ist. Durch wechselseitiges Anschalten dieser Spulen mittels des Schalters A (bestehend aus den Unterschaltern Al und A2) und die damit verbundene Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Stators und dem des Rotors wird die Fortbewegung ausgelöst. In Fig, 1 ist das erste Polpaar mit Pl, das zweite mit P2 bezeichnet. Die Pole Pll und P12 des Polpaares Pl tragen die Wicklung LIl und die dazu bifilar ausgerichtete Wicklung L12, Die oberen Enden der Wicklungen LIl und L12 sind im Punkt Z zusammengelegt. Dieser Punkt Z liegt an der Speisespannung Us, Die Wicklungen und Leitungen und der entsprechende Schalter für das zweite Polpaar P2 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 1 nicht dargestellt, da sie prinzipiell die gleiche Anordnung aufweisen wie die entsprechenden Elemente des Polpaares Pl,

In Fig, 2 ist eine schematische Darstellung zum schrittweisen

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Fortschalten für 2 Polpaare Pl und P2 gezeigt. Die Pole sind mit n (für Hordpol), mit S (für Südpol) gekennzeichnet. Es sei angenommen, daß die Ständerpole so erregt sind wie in Fig. 2a gezeigt; dann stellt sich der Rotor in die eingezeichnete Position. Wird nun die Stromrichtung des Polpaares Pl umgepolt - was dadurch geschieht, daß die andere Teilwicklung des bifilaren Wicklungspaares auf dem Polpaar Pl erregt wird -,so stellt sich der Rotor in eine neue stabile Stellung ein, wie Fig. 2b zeigt. Der Motor hat also einen Schritt ausgeführt. Als nächstes wird nun das Polpaar P2 umgepolt und der Rotor bewegt sich in eine neue stabile Stellung (Fig. 2c).

Diese prinzipielle Betrachtung ist stark vereinfacht. In einer praktischen Ausführung ist z.B. die Anzahl der Ständerpolpaare viel großer, außerdem sind häufig der Rotor und Stator "polgezahnt" (Fig, 3), Dadurch erreicht man eine feinere Abstufung des Schrittwinkels, Für eine Zähnezahl von 36 auf dem Rotor und für 4 Ständerpolpaare ergibt sich z.B. eine Schrittanzahl von 36 χ 4 = 144 pro Umdrehung,

Wie schon erwähnt, wird ein Fortschalten des Rotors durch eine Umpolung eines Polpaares erreicht; dann wird die jeweils andere Wicklung des bifilaren V/ickungspaares mit Hilfe eines der Teilschalter Al oder A2 erregt (Kommutierung). Nehmen wir an, daß die Schalter als Halbleiterschalter ausgeführt sind, und daß ein Schalter jeweils auf ein positives Eingangsspannungssignal hin durchschaltet, dann zeigt Fig. 4, in welcher Reihenfolge die Schalter angesteuert werden müssen, um eine Fortbewegung des Rotors zu erreichen. Die drei Zustände a bis c in Fig. 2 lassen sich zum Beispiel identifizieren mit den in Fig. 4 eingezeichneten Zeitpunkten ti bis t3« Für die Spannungsverläufe in Fig, 4 stellt die Abzisse die Zeitachse, die Ordinate den Spannungswert dar, UAl und UA2 sind die Steuerspannungen für die Unterschalter Al und A2 (Fig. 1) des Polpaares Pl; UBl und UB2 die für die nicht dargestellten Unterschalter Bl und B2 des Polpaares P2,

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Das Zustandekommen des Fortscnaltens urn einen Schritt sei nun ge- ■ nauer iia "Zusammenhang mit dem Diagramm zur Beaufschlagung des Schrittmotors mit Senrittpulsen nach Fig. 4 erklärt. Die Lrregung der Polwioklungen L11 bzw. L12 etc. des Stators erfolgt impuiüuidßig. Die impuls foraiige Lrregung des Schrittmotors für die :

Polpaare P1 und P2 erfolgt nach dein in Fig. 4 angegebenen Schema

,einer Darstellung der Ansteuerspannungen für die Schalter A1 und :

:'k2 für das Polpaar P1 bzw. B1 und B2 für das Polpaar P2. beide ;

Imv-ulsfolgen UAl und UB1 bzw. üA2 und Ua2 sind gegeneinander um j

■£— zeitlich versetzt. Angenommen, zu einer Zeit ti wäre UA1 =0 j

w - j

: und jw1 = ü. Zu diesem Zeitpunkt sollen sich die lolteilungen des j ; Rotors R und des Ständerj:^oles P21 in etv/a gegenüberstehen; während

die des Rotors R im Vergleich zum Stclnderpol P11 in ihrer gegen- :seitigen Lage um ein Viertel des Teilungcnaßes gegeneinander setzt siiiu.

, zum Zeitpuiikt t2 würden jetzt UA1 > 0 und TjB 1 =0 sein j Dadurcn würde nunmehr, bedingt durcli die entsprachende Urfipolung : (Konaautierung) am Polpaar P1 die dort zui.i Zeitpunkt ti noch versetzt gegenüberstehenden Polausbildungen des Rotors und des Stators in eine unversetzte Stellung in gegenüberliegender Ausrichtung "gezogen" werden. Dadurch bewegt sich der Rotor um einen hali ben "Zahn" vveiter entsprechend der Unterteilung des Rotors in 36 j Pol"zähne", was einem Viertel des Teilungsmaßes entspricht.

j
i
j Diesen Vorgang des oei einem Pol-Wechsel auftretenden Ilineinzie-I hens des Rotors um eine halbe Zahnbreite in Richtung eines Stänj. derpoles nennt iaan einen Schritt, Bei der nach Fig. 1 vorgegebenen' Anordnung- treten erst nach viermaliger Umpolung wieder Ver- ; hältnisse auf, unter denen sich wieder die Pol"zähne" von dem

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Rotor und dem Ständerpol P21 in gleicher Ausrichtung gegenüberstellen; nur mit uem Unterscuied, daß sich der Rotor im Vergleich zum Zeitpunkt ¹Uu jetzt um insgesamt viermal eine halbe ücumbreite (yleicii einer , olteilung) weiterbewegt hat.

iir. Vorbeijjev.'ogen des permanent magnetischen Rotors R an den ütünderv/icKlungen L11 und L12 v/erden in diesen Spannungen induziart. In den .beiden I'eilwicklungen L11 una L12 bzw. L21 und L 2 2 werden v/egen der Bifilarität Teilspannungen gleichen Betrages induziert, die sich wegen der in Fig. 1 gezeigten Wicklungsanordnung jeweils addieren. Die Summe der beiuen 'feilspannungen des Polpaares P1 v?erden als uP1, die des Polpaares i^j2 als uP2 bezeichnet. Die Polradspannung für das Polpaar -?1 tritt - iia liotorbetrieb niciit unmittelbar iae&oar - zwischen con is.ler.uaen a uüu b (Ilj. 1) auf. in Fig. 4 ist der Spannung3verlauf über vier Schritte (iv._f Ä+1, K+2_f K+3) für das Polpaar P1 und das Polpaar P2 gezeigt. Die iii! Polp-aar P1 induzierte Spannung ist rat uP1, die xio Polpaar P2 rait uP2 bezeichnet. Aufgrund dur Einordnung der Polpaa-, re P1 una P2 sind auch die Spannvuigsverläufe von uP1 und uP2 entsprechend gegeneinander phasenverschoben, in diesem speziellen ;Fall um -ψ- . Die Spannungen uP1 und uP2 sollen hier als Polrad-

¹ spannungeii bezeichnet werden. Für den stationären betriebszustand des Schrittmotors induziert dessen Rotor in den v.'iGelungen L11 :und L12 des Polpaares P1 die Polradspannung

uP1 = u(v) . sin χ

und in den Wicklungen L21 und L22 des Polpaares P2 die Polrad- !spannung

! uP2 = u(v) . cos x.

Die ortsabhc'.ngige liodulation sin χ bzw. cos χ ermöglicht es, aus '. den IJulldurchg-'uigen der Spannung bei einer Motor drehung die . Schrittstellungen exaxt zu erfassen. Dal)ei sind alle Motortoleranizen (z.B. in der Schritteilung) mit berücksichtigt. Die Spannung _t u(v) ist direkt der Momentangeschwindigiieit proportional. Insbeson-i-' dere für sin χ = 1 bzw. cos χ = 1 ist sie einfach zu messen:

^{fIC y74 ü11} 6098 1 5/030B

BAD ORiGINAL

IT M ■■

dann, v/enn die Polradspannung uP1 genau in ciei.i iaigcnulick
gemessen wird, in dem die Polradspannung uP2 durch null geht und

uii-vy tikenrt.

Fig. 6 zeigt den Verlauf der Scnrittfrequenz see oeiiri ;,bbre?.isen des Motors als Funktion der Zeit t in zeitlicher Zuordnung
zu der in dem Polpaar P1 auftretenden induzierten Spannung uP1.

In Analogie zu Fig. 5 kann gesagt v/erden, daij der Iiotor zwischen
zwei wulldurchgängen der Spannung uP1 zwei Schritte zurückgelegt
hat.

,Besondere Vorteile bietet dieses Verfahren, wenn der Hotor seine
Endposition erreicht.

Im Idealfall lauft der Schrittmotor mit der Geschwindigkeit null
in seine ündposition (Fig. 6). üblicherweise hat der Iiotor jedoch
bei lirreicaen seiner Endposition nocn eine rainiiuale Geschwindigkeit, so aaß er geringfügig über sein Ziel "hinausschießt" und :

.mit einer abklingenden Schwingung zur Ruhe kommt, so wie es in
der oßeren Darstellung in Fig. 7 dargestellt ist. Dort ist der

; ürt ^ in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Wenn der Motor ;

¹ schwingt, so kommt er jeweils in den UmKehrpunkten kurz zur Ruhe; ' 'in diesen Punkten ist die Geschwindigkeit des Motors null und so- ; imit werden auch für diese Zeitpunkte keine Polradspannungen uP1 j und uP2 induziert. D.h. für die ümkenrpunkte bei einer Kotorpende-j

lung verschwinden gleichzeit beide Polradspannungen. Somit ist j

es möglich, die für eine Steuerung des Schrittmotors wesentliche ! ^! Unterscheidung zwischen einer a) unerwünscnten Oszillation um !

den Undpunkt und b) einer echten, noch erwünschten Fortbewegung ■

ι i

I zu treffen. Während im Falle a), wie oben beschrieben, die beiden ι

ι '

! Polradspannungen uP1 und uP2 gleichzeitig zu null werden, ist dies¹ bei einer echten, noch erwünschten Fortbewegung nicht der Fall. ' Hierbei wechseln nach Fig. 5 die Nullstellen der Polraäspahnungen
uP1 und uP2 im Abstand von γ- einander ab.

Somit ist das angegebene Verfahren in der Lage, zwischen e|Lner

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BAD ORIGINAL

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echten erwünschten Fortbewegung des Motors und einem unerwünschten Pendeln um eine Endlage zu unterscheiden. Der betrachtete Pendelvorgang ist in den Diagrammen nach Fig. 7 zur Darstellung der in den Ständerwicklungspaaren induzierten Spannungen uPl und uP2 in zeitlicher Zuordnung zu einem Ausschwingen des Schrittmotors nach der Funktion φ^) in angesteuerter Endlage detailliert beschrieben. In den Extremen des Verlaufes φ (t) kommt der Motor kurzzeitig zur Ruhe, so daß in den Ständerwicklungspaaren keine Spannungen induziert werden. Folglich hat der induzierte Spannungsverlauf uPl und uP2 zu diesen Zeitpunkten der Extrema von φ (t) die Nulldurchgänge 01, 02 und 03. Diese Tatsache des gleichzeitigen Auftretens der Nulldurchgänge bei uPl und uP2 wird, wie schon bemerkt, zur Unterscheidung des Pendelfalles von dem einer erwünschten Motorfortbewegung herangezogen.

Die nachfolgenden Ausführungen im Zusammenhang mit Fig, 8 und Fig, 9 zeigen, wie die Polradspannung aus meßbaren Größen abzuleiten ist. Fig. 8 zeigt das Prinzipschaltbild des Schrittmotors mit bifilarer Wicklung. In Fig, 8 bedeuten Us ( wie auch in Fig, 1) die Speisespannung, LIl und L12 die Induktivitäten des Polpaares Pl in bifilarer Wicklung. Dl und D2 sind Kommutierungsdioden, deren Aufgabe es ist, die Halbleiterschalter Sl und S2 zu schützen,

31 und S2 seien elektronische Schalter mit einer dem Schalter A (mit den ünterschaltern Al und A2 in Fig. 1) entsprechenden Funktion, Rl und R2 seien gleich große Meßwiderstände der beiden Wicklungen, Für diese Prinzipschaltung eines symmetrischen bifilaren Ständerwicklungspaares läßt sich ein Ersatzschaltbild nach Fig, 9 angeben. Darin bedeuten:

LIl und L12 ideale Induktivitäten, M die Gegeninduktivität und RwIl und Rwl2 die Wicklungswiderstände eines der beiden Spulenpaare. Die in den Wicklungen induzierten Polradspannungen uPll und uP12 werden als aktive Spannungsquellen berücksichtigt. Die Bezeichnung der weiteren Elemente des Ersatzschaltbildes entspricht der nach Fig, 8, Dieses Ersatzschaltbild hat einen linken und rechten Zweig, durch den die Ströme ill bzw. 112 fließen. In

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diesem Ersatzschaltbild tritt zwischen den Klemmenpunkten a und b eine auch in der realisierten Schaltung zwischen den gleicher maßen bezeichneten Klemmen (Fig. 10) meßbare Spannung uxl auf. i^ach der Kirchhofschen Maschenregel gilt für das Ersatzschaltbild des Schrittmotors:

uPll + uP12 = uxl + Rwll'ill + LIl + Rwl2.il2 + L12 ^- + M (£||± + ^

Wegen der engen Kopplung der beiden Einzelwicklungen (bifilare Wicklung) und aus Symmetriegründen gilt:

LIl = L12 = M.

Setzt man für alle diese Größen gleich Ll ein und ferner

uPl = uPll + uP12 sowie RwI = RwIl + Rw 12, so gilt uPl = uxl+ RwKiIl + il2) + 2Ll —^ (ill + il2).

In weiterer Vereinfachung dieser Beziehung ist:

uPl = uxl + Kl (ill + il2) + K2 |^ (ill + il2) (1) wobei bedeuten:

uPl = Polradspannung,

uxl = meßbare Spannung über die Klemmpunkte a und b eines

Polpaares,

ill, il2 = meßbare Ströme durch die Polpaarspulen, Kl, K2 - feststehende Hotorparamter (Koeffizienten).

Damit ist eine Beziehung angegeben, nach der sich die im Motorbetrieb nicht direkt meßbare Polradspannung up über eine Differentialgleichung mit meßbaren Stromgrößen ill und if2 sowie einer meßbaren Spannungsgröße unter Verknüpfung mit Motorparametern bestimmen läßt. Damit ist aber auch die Möglichkeit gegeben, die

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Polradspannung zu bestimmen und aus dem Verlauf der Polradspannung auf die Geschwindigkeits- und Positionswerte des Motors zu schließen. Denn die Amplitude der Polradspannung ist ein naß für die Geschwindigkeitund die Wulldurchgänge der Polradspannung geben Aufschluß über die Positionswerte des Schrittmotors.

In Fig. 10 ist eine Prinzipschaltung zur Ermittlung der Geschwindigkeits- und Positionswerte eines Schrittmotors angegeben. Es seien die bifilaren Wicklungen eines Polpaares betrachtet. Jeder Zweig dieses Polpaares wird von den Strömen ill bzw. il2 durchflossen.

An der gemeinsamen Verbindungsstelle der oberen Enden der Induktivitäten LIl und L12 sind diese über den Schalter S mit der Versorgungsspanungs. + Us verbunden. Dieser Schalter S ist in Fig. 1 nicht gezeigt. Die dem Schalter S parallel geschaltete Diode hat die Aufgabe, den Halbleiterschalter S zu schützen.

An den unteren Enden der beiden Induktivitäten LIl und L12 befinden sich die Klemmen a und b zum Abgreifen einer zu messenden Spannung, Die Funktion der Unterschalter Al und A2 entspricht denen nach Fig, I,

Die Wicklungsenden a und b werden mit den Schaltern Al und A2 abwechselnd über die Meßwiderstände Rl und R2 an Masse geschaltet. Diese Schaltung wird angewandt, um über einen weiteren Drehzahlbereich ein hohes Motormoment zu erreichen. Das Tastverhältnis am Schalter S wird so eingestellt, daß der Spitzenwert des Flusses im Motor konstant ist. Die über den Spulen LIl und L12 liegende Spannung (Ux in Gleichung 1) wird zwischen den Punkten a und b gemessen. Von diesen Punkten führen Leitungen 15, 16 zu den Eingängen eines Differenzverstärker 1. Von den Klemmen c und d führen Anschlüsse 17, 18 zu den Eingängen eines Differenzverstärkers 2, der der Messung der Summe der Ströme nach Gleichung 1 dient. Der Ausgang des Differenzverstärkers 1 führt über einen Widerstand 3 an den Summationspunkt f eines Operationsverstärkers 6,
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Der .ausgang des Differenzverstärker 2 führt über eine RC!-Kombination 4 ebenfalls zu der Klemme f. Diese RC-Kombination ist in ihrer Dimensionierung auf riotorparameter bezogen. Vorausgesetzt, der Ausgang des Differenzverstärkers 2 würde ein Ausgangssignal K (iLl+ il2) führen, wobei K ein Koeffizient ist. Dann müßte der Widerstand der jiC-Kombination 4 eine Größe von —^ . R und

p T A

der Kondensator der RG-Kombination eine Größe von ^-r aufwei-

n, K

sen. In diesen Beziehungen bedeuten:

R = widerstand 3, Widerstand 8

RwI = Leitungswiderstand einer Polpaarwicklung 2Li = Induktivität einer Polpaarwicklung.

Vom Klemmenpunkt f führt eine Leitung 5 auf den eingang eines Operationsverstärkers 6, Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers entspricht der Polradspannung des Moters. Ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers 6 ist über die Leitung 7 an riasse gelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 6 ist über den Widerstand 8 mit der Klemme f verbunden. Diese Verbindung dient der Rückkopplung des Operationsverstärkers. Dieser Operationsverstärker bildet in Zusammenwirkung mit den anderen Schaltungselementen die Verknüpfungsgleichung 1 zwischen Polradspannung und den gemessenen Spannungs- und Stromgrößen bei Berücksichtigung der feststehenden Motorparameter nach. Der Ausgang des Operationsverstärkers 6 wird über die Leitung 9 auf einen Spitzenwertgleichrichter 10 geführt. Dieser Spitzenwertgleichrichter 10 liefert auf seiner Ausgangsleitung 11 ein den Geschwindigkeitswerten des Schrittmotors proportionales Äusgangssignal uv. Zum anderen führt der Ausgang des Operationsverstärkers auf der Leitung 12 zu einer Schaltung 13, die der Peststellung der Nulldurchgänge der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers dient»

Eine solche "Nullstellenbestimmung" kann auf die Art und Weise erfolgen, daß von der Schaltung 13 die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 6 mit einer "Nullspannung" verglichen wird.

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Dazu ist auf die Schaltung 13 als zweiter Eingang ein bezugsmassepotential über die Leitung I²I geführt. Bei Übereinstimmung der iviUllwerte liefert die Schaltung 13 (wulldetektor) ein impulsformiges Ausgangssignal, beim Auftreten eines zweiten lgulldurchganges ein zeitlich danach auftretendes zweites impulsförmiges Ausgangssignal. Die Folge dieser Signale upos gibt den ürt des Schrittiaotors an. Somit werden durch diesen Nulldetektor 13 Signale gewonnen, die den Positionswerten des Motors entsprechen, xiiine Schaltung gemäß Fig. 10 liefert nur wullsignale für jeden zweiten Schritt; benötigt man Informationen über jeden Schritt, so muß die Schaltung für jedes Wicklungspaar vorgesehen werden. Die Positionsimpulse an den Ausgängen der beiden Schaltungen 13 und 13' für das zweite Wicklungspaar wären dann phasenverschoben in diesem Falle analog zu Fig. 5 um /2.

Die Vorteile dieses zuvor beschrieoenen erfindungsgemäßen Yerfanrens gegenüber der zur Schrittmotorsteuerung oisher verwendeten üblichen optischen Scheibe lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1, Das erfindungsgemäße Verfahren ist billiger, bei gleichen Kosten der blektronikschaltungen - vorausgesetzt, die Kosten für Differenz- und Operationsverstärker könnten sich mit denen für die Lichterzeugung und bei Verwendung einer optischen Scheibe in etwa die Waage halten, - entfallen bei dem angegebenen Verfahren die gesamte Mechanik und die damit verbundenen Justierprobleme,

2, Das angegebene Verfahren ist genauer. Die Toleranzen der optischen Scheibe entfallen, Motortoleranzen werden γοη der Messung erfaßt. Die Eigenschaft des Motors, daß Fertigungstoleranzen nur zu Unterschieden innerhalb von vier aufeinanderfolgenden Schritten führen, sich aber nicht über den Umfang kumulativ aufaddieren, bleibt voll erhalten,

3, Das angegebene Verfahren ist zuverlässiger, da eine Dejustierung und Verschmutzung entfällt,

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. Außerdem ist bei dem angegeDenen Verfahren eine ünterscneidung zwischen einem echten Scnritt und einer Pendelung möglich.

. Das angegebene Verfahren bietet die Möglichkeit, Dämpfungsmaßnahmen gegen ein überschwingen von der Geschwindigkeit im Endpunkt abhängig zu machen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1, Verfahren zur Ermittlung von Geschwindigkeits- und Positionswerten eines Schrittmotors für eine Steuerung oder Regelung desselben, dadurch gekennzeichnet, daß diese Geschwindigkeits- und Positionswerte aus der im Motorbetrieb nicht unmittelbar meßbaren Polradspannung über - mit dieser über eine Differentialgleichung zusammenhängenden - meßbare Strom- und Spannungsgrößen unter Beachtung feststehender Motorparameter dadurch bestimmt werden, daß aus der Amplitude der Polradspannung die Geschwindigkeitswerte und aus den Nulldurchgängen der Polradspannung die Positionswerte abgeleitet werden.

2, Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anwendung auf Schrittmotoren mit bifilarer Ständerwicklung.

3« Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Strom- und Spannungsgrößen meßtechnisch erfaßt werden

a) die Spannung über das bifilare Wicklungspaar

b) der Strom durch jeden Zweig des bifilaren Wicklungspaares,

4, Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Polradspannung nach der Beziehung uPl =· uxl + Kl (ill + il2) + K2 ^r (ill + il2)

erfolgt, wobei uPl die P ο Ir ad spannung·, uxl die Spannung über das bifilare Wicklungspaar, ill bzw. il2 der Strom durch jeweils einen Zweig des bifilaren Wicklungspaares sind und Kl und K2 festehende Motorparameter sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitswerte durch Spitzenwertgleichrichtung der Polradspannung gebildet werden.

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6, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionswerte durch einen Nullvergleich mit der PοIradspannung gebildet werden.

7, Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (1) für die über dem bifilaren Wicklungspaar (LIl, L12) liegenden Spannung, ein Verstärker (2) für die die beiden Zweige des bifilaren Wicklungspaares durchfließenden Ströme vorgesehen sind,

daß die Ausgangssignale beider Verstärker (1, 2) einem die Verknüpfungsgleichung zwischen Polradspannung und den gemessenen Spannungs- und Stromgrößen nachbildenden Operationsverstärker (6) unter Berücksichtigung der feststehenden Motorparameter zuführbar sind, und daß an den Ausgang dieses Operationsverstärkers (6) ein den G-eschwindigkeitswerten proportionales Ausgangssignal uv liefernder Spitzenwertgleichrichter (10) sowie ein die Positionswerte durch Bestimmung der Nulldurchgänge der Polradspannung liefernder Nulldetektor (15) angeschlossen ist.

8, Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (1, 2) Differenzverstärker sind.

9, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Motorgeschwindigkeit proportionales Signal durch Heraustasten der Polradspannung eines Wicklungspaares Pl zum Zeitpunkt des Nulldurchganges der Polradapannung des anderen Wicklungspaares P2 gewonnen wird»

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4ξ

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