DE3012213A1

DE3012213A1 - Regelanordnung und verfahren fuer ein motorantriebssystem zur minimalisierung von fluktuationen der winkelgeschwindigkeit eines rotorelementes eines synchronmotors

Info

Publication number: DE3012213A1
Application number: DE19803012213
Authority: DE
Inventors: Guenther Wolfgang Wimmer
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1980-03-28
Publication date: 1980-10-02
Also published as: JPS55131298A; NL7908565A; AU5359579A; US4219767A; SE8002350L; GB2045464B; BE880617A; FR2452821A1; IT8048271A0; CA1133048A; AU530652B2; GB2045464A; JPS6159078B2; SE446577B

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelanordnung sowie ein Verfahren für ein Motorantriebssystem zur Minimalisierung von Fluktuationen der Winkelgeschwindigkeit eines Rotorelementes eines als Schrittschaltmotor arbeitenden Synchronmotors.

Einfach ausgedrückt ist ein Schrittschaltmotor ein Synchronmotor, dessen Arbeitswelle inkrementell als Funktion einer Folge von-Änderungen in einem Eingangsantriebssignal rotiert. Bei richtiger Regelung sind die Ausgangsinkremente bzw. Ausgangsschritte in ihrer Anzahl immer der Anzahl von Eingangssignal änderungen gleich. Eine grundlegende Darstellung der Theorie und des Betriebs derartiger Motoren findet sich beispielsweise in "Theory and Applications of Step Motors", von Benjamin C. Kuo, West Publishing Co., St. Paul 1974.

In an sich bekannter Weise werden Schrittschaltmotoren in weitem Umfang für Regelzwecke verwendet. Derartige Motoren wurden praktisch in allen Typen von Computer-Periphergeräten, wie beispielsweise Druckern, Bandantrieben, Speicherzugriffsmechanismen und Inkrementendruckern verwendet. Da es sich dabei um Einrichtungen mit diskreten· Bewegungsabläufen handelt, sind Schrittschaltmotoren mit digitalen Regeltechniken kompatibel, wobei während ihres Betriebes auftretende Positionsfehler nicht kumulativ sind. Darüber hinaus ist es möglich, eine genaue Stellungs- und Drehzahlregelung in einer offenen Regelschleife durchzuführen. In diesem Zusammenhang kann ein Schrittschaltmotor in drei Hauptbetriebsarten betrieben werden. Dabei handelt es sich um eine diskrete inkrementeile Bewegung (Schrittschaltbetrieb), um eine kontinuierliche Bewegung in einer Richtung (Schnellnachführung) sowie um einen Übergangsbetrieb zwischen den beiden vorgenannten Betriebs-

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arten. Im Schrittschaltbetrieb, kommt das Rotorelement " des Motors zwischen jeder inkrementellen Bewegung zum Stillstand, während dies bei der Schnellnachlaufführung nicht der Fall ist. Der Motor verhält sich dabei sehr ähnlich zu einem Synchronmotor. In der genannten dritten Zwischenbetriebsart ist die Wellenbewegung in gewisser Weise sprunghaft und unvorhersehbar.

Ein gewöhnliches Problem bei im Schnellnachführungs-Betrieb arbeitenden Motoren ist die Tendenz ihrer rotierenden Wellen, sich mit einer fluktuierenden Winkelgeschwindigkeit zu drehen, wobei es sich um ein Phänomen handelt, das der Pendelbewegung eines Synchronmotors gleichartig ist. Derartige Fluktuationen sind ihrer Natur nach oszillierend und tendieren dazu, in den Fällen aufzutreten, wenn die Frequenz des Motorantriebssignals bzw. des Erregerstroms gleich einer Haromonischen einer natürlichen Resonanzfrequenz des Feder/Massenäquivalentes des Motors und seiner zugehörigen Last ist. Die Amplitude der Drehzahlflukuationen ist eine Funktion sowohl der Amplitude als auch der Frequenz des in den Motor eingespeisten AntriebsStroms.

Werden die Fluktuationen in der Winkelgeschwindigkeit der Welle nicht korrigiert oder auf einen nicht ins Gewicht fallenden Pegel reduziert, so ergeben sich nicht mehr zulässige Nichtlinearitäten in der Betriebsweise eines speziellen durch den Motor gesteuerten Gerätes. Eine derartige Korrektur bzw. Reduktion ist speziell im Bereich von inkrementellen Druckern wichtig, bei denen nicht Nichtlinearitäten die Fähigkeit zur Herstellung von graphischen Darstellungen hoher Auflösung wesentlich beschränken.

Bekannte Verfahren zur Regelung von Oszillationen in einem Schrittschaltmotorsystem betreffen die Dämpfung von Oszillationen während des Inkrementen- bzw. Schrittschaltbetriebes, was im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Bewegungsbetrieb

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steht. Verfahren dieser Art sind in der eingangs genannten*" Druckschrift beschrieben, wobei es sich um die Verwendung von mechanischen Trägheitsdämpfern, um elektronische Schaltmaßnahmen und um die Modifikation von physikalischen und elektrischen Motorparametern handelt. Weitere Anordnungen und Verfahren zur Regelung des Betriebs von Schrittschaltmotoren sind in den US-Patentschriften 4 126 821, 4 104 574, 4 087 732 und 3 908 195 beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur automatischen und dynamischen Minimalisierung von Fluktuationen in der Wellen-Winkelgeschwindigkeit eines im Schnellnachführungs-Betrieb arbeitenden Schrittschaltmotors anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einer Regelanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst: Eine Speichereinrichtung zur Speicherung eines Signals, das ein Maß für eine Antriebsfrequenz ist , bei der für die Winkelgeschwindigkeit des Motorelementes bekannt ist, daß sie in einem kontinuierlichen Betrieb in einer Richtung resonanzmäßig fluktuiert, eine Einrichtung zum Empfang eines Signals, das ein Maß für eine Antriebsfrequenz ist, mit welcher der Motor betrieben werden soll, eine der Speichereinrichtung und der Signalempfangseinrichtung zugeordnete Vergleichseinrichtung zum Vergleich des Sollfrequenzsignals mit dem Resonanzfrequenzsignal, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Motorantriebssignals mit einer Frequenz, die zu der durch das Sollfrequenzsignal repräsentierten Frequenz proportional ist, und eine auf den Vergleich des Sollfrequenzsignals und des Resonanzfrequenzsignals ansprechende Einrichtung zur Einspeisung des Antriebssignals in den Motor mit einer ersten vorgegebenen Amplitude, wenn diese Signale nicht gleich sind, und mit einer zweiten vorgegebenen Amplitude, wenn die Signale gleich sind.

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Die Erfindung ist dabei auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Minimalisierung von Fluktuationen der Winkelgeschwindigkeit der Welle eines Synchronmotors, insbesondere der Welle eines Schrittschaltmotors mit einem Permanentmagnetrotor oder einem Synchroninduktor gerichtet, welcher in einem Schnellnachführungs-Betrieb bzw. in einem kontinuierlichen Vorlaufbetrieb arbeitet. Die erfindungsgemäße Anordnung enthält dabei speziell eine Einrichtung zum Vergleich eines Signals, das eine Motorantriebs-Sollfrequenz repräsentiert, mit einem oder mehreren Signalen, welche vorher abgeleitete Resonanzfrequenzen eines speziellen Schrittschaltmotors und einer zugehörigen zu regelnden Last repräsentieren. Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Anordnung dabei eine auf einen derartigen Vergleich ansprechende Einrichtung zur Auswahl einer Amplitude des Antriebsstroms zur Einspeisung in den Motor in der Weise, daß die Tendenz der Motorwelle zur Drehung mit einer fluktuierenden Winkelgeschwindigkeit so klein wie möglich gehalten wird. Die Verarbeitung der Soll- und der Resonanzsignale kann dabei entweder in digitaler oder analoger Form erfolgen. In an sich bekannter Weise tendiert die Wellen-Winkelgeschwindigkeit eines im Schnellnachführungs-Betrieb arbeitenden Schrittschaltmotors zu resonanzmäßigen Fluktuationen um die Frequenz des in den Motor eingespeisten AntriebsStroms, wobei die Amplitude der Fluktuation eine Funktion der Amplitude und der Frequenz des Antriebsstroms ist. Bei bestimmten Antriebsfrequenzen bewirkt eine Absenkung der Antriebsstrom-Amplitude eine Absenkung der Winkelgeschwindigkeitsfluktuationen, während bei der bestimmten anderen Antriebsfrequenzen eine Anhebung _ der Antriebsstromamplitude ebenfalls die Fluktuationen absenkt. Es ist daher möglich, die Amplitude der Winkelgeschwindigkeitsfluktuationen durch Auswahl der Amplitude des Antriebsstroms in einer vorgegebenen Weise zu regeln.

Die erfindungsgemäße Anordnung enthält eine Einrichtung zur Durchführung bestimmter vorgegebener Vergleichsoperationen,

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eine Einrichtung zur Speicherung einer Informationsmenge,'" mittels derer diese Vergleichsoperationen durchgeführt ,werden können, sowie eine Regelschaltung zur Zuführung eines inkrementell variablen Antriebssignals mit einer vorgegebenen Amplitude als Funktion jeder dieser Vergleichsoperationen.

Vor der Inbetriebnahme der Anordnung werden die verschiedenen Antriebsfrequenzen und Antriebsstromaplituden, bei denen die Wellen-Winkelgeschwindigkeit eines speziellen Schrittschaltmotors und der zugehörigen Last resonanzmäßig mit einer Amplitude fluktuieren, welche größer als ein vorgegebenesMaximum ist, zunächst durch bekannte Maßnahmen bestimmt. Dabei handelt es sich beispielsweise um die Erfassung der Wellen-Winkelgeschwindigkeit mittels eines Tachometers und eines Frequenzspektrum-Analysators oder im Falle eines Inkrementendruckers um die Erfassung von Abweichungen in einer Folge von durch den Drucker gezeichneten geraden Linien. Auf diese Weise gewonnene Signale, welche die Resonanzfrequenzen repräsentieren, oder Signale, welche die obere und die untere Grenze eines diese Resonanzfrequenzen umgebenden Frequenzbandes repräsentieren, werden in einer Speichereinrichtung der Anordnung gespeichert.

Während des Betriebs empfängt die Anordnung von einer externen Quelle ein Signal, das ein Maß für eine Antriebsfrequenz ist, mit welcher der Motor betrieben werden soll. Jedes empfangene Antriebsfrequenzsignal wird mit der gespeicherten Vielzahl von Signalen verglichen, welche die vorher festgelegten Resonanzfrequenzen oder Frequenzgrenzen repräsentieren. Wird keine Übereinstimmung zwischen dem empfangenen Antriebsfrequenzsignal und den gespeicherten ResonanzfrequenzSignalen festgestellt, so wird die Motorregelschaltung zur Erregung des Motors mit einem maximalen Strom wirksamgeschaltet. Wird jedoch eine Übereinstimmung festgestellt, so wird die Regelschaltung derart wirksamgeschaltet, daß der Motor mit einem

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solchen gedämpften Pegel des AntriebsStroms betätigt wird, bei dem die Winkelgeschwindigkeitsfluktuationen als minimal bekannt sind. Die Vergleichsoperationen, die bedarfsweisen Dämpfungsoperationen und die wirksamschaltenden Operationen werden jedesmal dann durchgeführt, wenn ein neues Antriebsfrequenzsignal empfangen wird, so daß eine automatische und dynamische Regelung des Betriebs des Schrittschaltmotors in einer Weise möglich wird, in welcher die Effekte der Resonanz der Ausgangswellen-Winkelgeschwindigkeit minimal gehalten werden.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß keine mechanischen Dämpfungsanordnungen erforderlich sind, wodurch der Aufwand für derartige Dämpfungsanordnungen und der mit dem Antrieb derartiger Dämpfungsanordnungen verbundene Leistungsverlust vermieden wird, wobei die eingesparte Leistung zum Antrieb einer Last verfügbar ist.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung werden Signale, welche ein Maß für Sollantriebsfrequenzen eines Schrittschaltmotors sind, mit einer Vielzahl von Signalen verglichen, welche für vorher abgeleitete Resonanzfrequenzen repräsentativ sind, wodurch eine automatische und dynamische Regelung der Amplitude eines Motorantriebssignals in Richtung einer Minimalisierung des Effekts der Resonanzfrequenzen auf den Motorbetrieb erreicht wird.

Spezielle Ausgestaltungen sowohl hinsichtlich der erfindungsgemäßen Anordnung als auch hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in ünteranspr-üchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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Es zeigt:

Fig» 1 ein Flußdiagramm: eines Motorregelschemas für eine erfindungsgemäße Motorregelanordnung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Motorregelschaltung, welche einen Teil einer erfindungsgemäßen Motorregelanordnung bildet;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer grundlegenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motorregelanordnung; und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer grundlegenden Ausführungsform für einen Teil des Flußdiagramms nach Fig. 1.

In den Fig. 1 und 2 sind ein Flußdiagramm sowie ein Blockschaltbild für die Regelung des Betriebs eines Schrittschaltmotors dargestellt. Das Flußdiagramm nach Fig. 1 umfaßt kurz gefaßt folgende Schritte: Einen Empfangsschritt 20 für ein Digitalsignal, das eine Sollgeschwindigkeit und eine Sollrichtung einer durch einen speziellen Schrittschaltmotor gesteuerten Einrichtung repräsentiert; einen Schritt 22 zur Berechnung einer Motorantriebsfrequenz aus dem Geschwindigkeitssignal; einen Abfrageschritt 24 einer gespeicherten Tabelle von vordefinierten Resonanzantriebsfrequenzen; Signalerzeugungsschritte 28 und 30 als Funktion des Schritts 26 zur Erzeugung eines Signals, das ein Maß für eine Soll-Antriebssignalamplitude ist; einen Schritt 32 zur Wirksamschaltung der Motorantriebsschaltung (Fig. 2) zum Antrieb des Schrittschaltmotors in der gewünschten Richtung mit einer gewünschten Antriebsfrequenz und mit einem gewünschten Pegel des Antriebssignals. Es ist weiterhin eine Möglichkeit vorgesehen, um in einem Schritt 34 den Betrieb der Antriebsschaltung zu überwachen, wodurch in einem Schritt 36 festgestellt wird, wann

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die Motorwelle sich in einer gewünschten Anzahl von Teil-" oder Volldrehungen gedreht hat. Bezugszeichen A, C, D und E in Fig. 1 bezeichnen Daten- und Regelsignalzweige, welche an mit entsprechenden Bezugszeichen versehenen Anschlüssen der Schaltung nach Fig. 2 angeschaltet sind. Eine detailliertere für den Betrieb gemäß dem Flußdiagramm nach Fig. 1 wird im folgenden noch gegeben.

Gemäß Fig. 2 enthält eine erfindungsgemäße Antriebsschaltung einen programmierbaren Frequenzgenerator zur selektiven Erzeugung einer stetigen Folge von digitalen Signalimpulsen mit einer Folgefrequenz, welche der vorher berechneten Antriebsfrequenz entsprechen sowie zur Erzeugung eines Vorzeichensignals, das der vorher empfangenen gewünschten Gerätelaufrichtung entspricht. Weiterhin enthält diese Schaltung einen digitalen Zählermodul 42 zur Inkrementierung einer gespeicherten Variablen mit einer Folgefrequenz und in einer Richtung, welche durch die durch den Generator 40 erzeugten Signale festgelegt sind. Ein Sinus-Modul 44 und ein Cosinus-Modul dienen zur selektiven Erzeugung von Digitalsignalen, welche ein Maß für den Sinus und den Cosinus jedes Wertes der im Zählermodul 42 gespeicherten Variablen sind. Zwei Digital-Analog- Konvertermoduln 48 und 50 dienen zur überführung der durch die Sinus- und Cosinus-Moduln 46 und 48 erzeugten Digitalsignale in analoge Spannungssignale, welche ein Maß für diese Digitalsignale sind. Zwei programmierbare Spannungsdämpferstufen 52 und 54 dienen zur Einführung eines vorgegebenen Dämpfungsbetrages für die durch die Digital-Analog-Konverter 48 und 50 erzeugten Signale. Zwei Stromverstärker 56 und 58 dienen zur Erzeugung eines analogen Stromsignals mit einer Größe, welche proportional zu der Größe des selektiv gedämpften Spannungssignals der Digital-Analog-Konverter 48 und 50 ist. Ein Rotorelement 62 eines Schrittschaltmotors 60 wird in seiner Drehung sowie in der Aufrechterhaltung seiner Winkelstellung durch die Sinus- und Cosinus-Stromsignale der Verstärker 56 und 58 festgelegt. Die einzelnen Komponenten

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der Schaltung nach Fig. 2 sind jeweils an sich bekannt, wobei ihre Kombination und ihr funktionelles Zusammenwirken in Verbindung mit der Betriebsregelung gemäß dem Flußdiagramm nach Fig. 1 die Basis der erfindungsgemäßen Motorregelanordnung bildet.

Zentral für die Wirkungsweise der durch das Flußdiagramm nach Fig. 1 gegebenen und durch die Schaltung nach Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß eine Anfangsanalyse des Schrittschaltmotors 60 und seiner zugehörigen Last durchgeführt wird, um die Antriebsfrequenzen festzulegen, bei denen die Winkelgeschwindigkeit des Rotorelementes 62 eine Tendenz zu signifikanten Fluktuationen besitzt. Eine derartige Analyse kann durch verschiedene Verfahren, beispielsweise durch eine FrequenzSpektrumsanalyse eines Ausgangssignals durchgeführt werden, das durch einen mit dem Rotorelement beim Schnellnachführungs-Betrieb des Motors und der Last gekoppelten Tachometers erzeugt wird. Ein weiteres Verfahren, das speziell für Drucker mit Schrittschaltmotoren als X- und Y-Antriebseinrichtungen geeignet ist, besteht darin, durch das Schreibelement des Druckers gerade Linien von einem gemeinsamen Punkt unter sich von 0° bis 90° ändernden Winkeln zu zeichnen, die einen nichtlinearen Betrieb anzeigenden Linien zu erfassen und die Motorantriebsfrequenzen aus einer bekannten Schreibelementgeschwindigkeit und Verbindungsgetriebe-Verhältnissen zu berechnen. Ein Winkelbereich von 0° bis 90° wird deshalb gewählt, weil dabei jeder Motor in seinem gesamten Drehzahlbereich von 0 bis zu einem vorgegebenen Maximum arbeiten muß. Sind andere als reziproke Nichtlinearitäten zu erwarten, d.h., führt ein Rücklaufbetrieb der Motoren und der zugehörigen Lasten zur Erzeugung von sich vom Vorwärtsbetrieb unterscheidenden Nichtlinearitäten, so kann eine entsprechende Folge von Linien von anderen Punkten und anderen Winkeln gezeichnet werden, wobei die Erfassungs- und Berechnungsschritte wiederholt werden. Aufgrund der eigenen Nichtlinearitäten

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in einem motorgetriebenen System überdecken derartige mit einem speziellen Mechanismus durchgeführte Tests verschiedene Bereiche von Antriebsfrequenzen, welche zu einem unerwünschten Oszillationsbetrieb führen.

Wie oben bereits ausgeführt, wurde festgestellt, daß sich die Resonanzfrequenzeigenschaften eines speziellen Schrittschaltmotors und seiner zugehörigen Last ändern, wenn sich die Amplitude des AntriebsStroms ändert. Dies folgt aus der Analogie zwischen einem Schrittschaltmotor und der Last sowie einer mechanischen Feder/Masse-Kombination. (Die Begriffe "Antriebsstrom" oder "Antriebssignal" bezeichnen hier das gesamte in den Motor 60 eingespeiste Signal, beispielsweise beide Phasen eines Zweiphasensignals, während der Begriff "Amplitude" den Maximalwert eines Wechselsignals bezeichnet, und der Begriff "Größe" den Augenblickswert bzw. den stationären Wert eines derartigen Signals bezeichnet.) Ein unter dem Einfluß einer speziellen Kombination von stationären Antriebsströmen stehender Schrittschaltmotor setzt der Bewegung seines Rotorelementes einen Widerstand entgegen, welcher proportional den entsprechenden Größen der Antriebsströme ist. Werden die Antriebsstromgrößen erhöht oder erniedrigt, so nimmt die der Bewegung entgegenwirkende Kraft zu oder ab. Ein derartiger Zusammenhang zwischen den Antriebsstromgrößen und dem Bewegungswiderstand ist direkt analog zum Zusammenhang zwischen der Federkonstanten einer mechanischen Feder und dem Widerstand der Feder gegen eine Ausdehnung oder Kompression. Ist die Antriebsstromgröße somit analog zur mechanischen Federkonstante, so ergibt sich, daß die sich ändernde Größe des Antriebsstroms sich mit der Resonanzfrequenzcharakteristik des durch den Motor und seiner Last repräsentierten Feder/Masse-Systems ändert. Durch Wiederholung des vorgenannten Tests eines Druckers mit verschiedenen Amplituden des Antriebsstroms werden daher gewöhnlich unterschiedliche Bereiche der Resonanz-Antriebsfrequenzen erfaßt. Durch Auswahl der

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Antriebsstromamplituden ist es möglich, eine Folge von Antriebsstrom-Amplituden(Frequenzkombinationen abzuleiten, wodurch unerwünschte Nichtlinearitäten aus dem System eliminiert werden. Bei einer Analyse für ein spezielles Druckergerät war es möglich, zwei Antriebsstromamplituden, welche sich von dem Faktor 3 unterschieden, festzulegen, wobei die abwickelnde Auswahl dieser Stromamplituden zu annehmbaren geraden Linien durch den gesamten Bereich der Motorantriebsgeschwindigkeit führten.

Für die folgenden Ausführungen wird angenommen, daß lediglich zwei' Antriebsstromamplituden erforderlich sind, um einen annehmbaren Systembetrieb zu realisieren, d.h. der oszillierende Betrieb bei einer ersten Antriebsstromamplitude wird durch Umschaltung auf eine zweite Amplitude reduziert, was auch umgekehrt gilt. Daher brauchen nur die einer ersten Antriebsstromamplitude zugeordneten Resonanzfrequenzbereiche gespeichert werden und lediglich zwei Pegel der Antriebsstromamplitude auswählbar sein. Es ist darauf hinzuweisen, daß die in Rede stehende Anordnung auf die Speicherung von Resonanzfrequenzbereichen ausdehnbar ist, welcheimehr als zwei Amplituden des AntriebsStroms zuzuordnen sind, und daß mehr als zwei Antriebsstromamplituden im Rahmen derErfindung auswählbar sind.

Es sei nun die Wirkungsweise einer durch die Kombination des Flußdiagramms nach Fig. 1 und der Schaltung nach Fig. 2 realisierten Anordnung betrachtet. Eine derartige Anordnung ist als Blockschaltbild in Fig. 3 dargestellt und enthält eine Ein/Ausgabeanordnung 80 zur Verarbeitung von Eingangsund Ausgangsdaten sowie von Steuersignalen, eine Prozessoranordnung 82 und einen Speicher 84 zur Realisierung des Flußdiagramms nach Fig. 1 und weiterhin die Regelschaltung nach Fig. 2 und den Schrittschaltmotor 60. Das Flußdiagramm nach Fig. 1 kann ein Software-Programm sein, das durch den Prozessor 82 und den Speicher 84 abgearbeitet werden kann

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oder das Flußdiagrairan nach Fig. 1 kann in der Hardware des Prozessors und des Speichers realisiert sein. Wie im folgenden noch ausgeführt wird, kann ein Hauptteil des Flußdiagramms nach Fig. 1 durch eine spezielle Analogschaltung realisiert werden. Im Betriebsbeginn wird ein Digitalsignal, das ein Maß für die gewünschte Geschwindigkeit und die Richtung eines durch das Rotorelement 62 des Schrittschaltmotors 60 gesteuerten Gerätes ist, gemäß dem Schritt 20 durch den Prozessor 82 empfangen und gemäß dem Schritt 22 zur Berechnung eines Signals verwendet, das für eine gewünschte Motorantriebsfrequenz und eine gewünschte Motorlaufrichtung repräsentativ ist. Dieses Signal wird über einen Datenpfad D in den programmierbaren Frequenzgenerator 40 eingespeist, um Frequenz- und Richtungssignale zu erzeugen, welche den Zählermodul 42 ansteuern. Vor der Wirksamschaltung des Frequenzgenerators wird jedoch gemäß dem Schritt 24 eine überprüfung der vorher abgeleiteten und im Speicher 84 gespeicherten Resonanzfrequenzen durchgeführt, was beispielsweise durch Vergleich des die gewünschte Antriebsfrequenz repräsentierenden Signals mit jedem gespeicherten Frequenzsignal oder durch den Vergleich mit den gespeicherten Signalen erfolgt, welche die obere und untere Grenze eines Frequenzbandes darstellen. Damit wird gemäß dem Schritt 26 festgestellt, ob die Sollantriebsfrequenz oszillierende Flukuationen in der resultierenden Winkelgeschwindigkeit des Rotorelementes 62 hervorruft, wenn der Motor 6 0 mit einer vorgegebenen Maximalamplitude des Antriebsstroms gespeist wird. Wird eine Übereinstimmung zwischen der Sollantriebsfrequenz und der vorher gespeicherten Resonanzfrequenz festgestellt, so wird in einem Schritt 28 ein SET-Signal erzeugt und über eine Verbindung A in die programmierbaren Dämpfungsstufen 52 und 54 eingespeist, um die Amplituden der entsprechenden Antriebsströme um einen vorgegebenen Betrag, beispielsweise um 1/3 zu dämpfen, wobei der Motor 6 0 bei diesem Pegel ohne wesentliche Drehzahlfluktuationen läuft. Wird keine Übereinstimmung festgestellt, so wird kein Dämpfungssignal erzeugt und jedes

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vorher erzeugte Dämpfungssignal· in einem Schritt 30 ebenfalls über den Anschluß A gelöscht, wodurch der Motor mit einer maximalen AntriebsStromamplitude betrieben werden kann. Der Prequenzgenerator 40 wird dann in einem Schritt 32 durch ein über einen Anschluß C zugeführtes Signal wirksamgeschaltet.

In der Schaltung nach Fig. 2 wird der im Zählermodul· 42 gespeicherte Wert mit einem Betrag und in einer Richtung fortgeschaltet, welche durch die durch den Frequenzgenerator 40 erzeugten Signale festgelegt werden. Der im Zählermodul 42 gespeicherte Wert kann durch nicht dargeste^te konventionelle Maßnahmen ausgelöst werden, wobei er einer Sollorientierung des Rotorelementes 62 entspricht. Das Ausgangssignal des Zählermoduls 42, beispielsweise ein 7-Bit-Digitalsignal 0 wird gleichzeitig in den Sinusmodul· 44 und den Cosinus-Modul· 46 eingespeist, weiche jeweiis durch einen Festwertspeicher (ROM) gebiidet werden, die für jeden Wert des 7-Bit-Dateneingangssignals ein zusammenhängendes 8-Bit-Sinus- oder Cosinus-Signal erzeugen. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Anzahl· der Bits der Ausgangssignaie des Zah^ermod^s 42 und der Festwertspeicher 44 und 46 eine Ausiegungsfrage sind und daß Moduin verwendbar sind, weiche Signaie mit größerer oder kieinerer Bit-Aufiösung erzeugen können.

Die 8-Bit-Signaie des Sinus- und Cosinus-Moduis 44 und 46 werden in ein Paar von Digital-Analog-Konvertern 48 und 50 eingespeist, in denen sie in konventione^er Weise in anaioge Spannungssignaie überführt werden, deren Größe und Richtung den Größen und Vorzeichen der spezie^en Eingangs funktion (v.. = k.. · sinus 0, v~ = k.. · cosinus 0) entsprechen. Die Spannungssignaie V₁ und v₂ werden in die programmierbaren Dämpfungsstufen 52 und 54 eingespeist, wobei eine Dämpfung erfoigt, wenn eine Anpassung früher zwischen der gewünschten Motorantriebsfrequenz und einer gespeicherten Resonanz-

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frequenz festgestellt wurde, oder wobei ein Durchlauf ohne Dämpfung erfolgt, wenn keine Anpassung festgestellt wurde. Wie oben ausgeführt, ist eine bevorzugte Dämpfung gleich 1/3, so daß die Ausgangssignale der Dämpfungsstufen 52 und 54 gleich V^ = k₂ · sin 0, v< = k-'cos 0 sind, wobei k- = k^/3 für eine oben erwähnte Frequenzanpassung und k₂ = k.j für eine fehlende Anpassung ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Dämpfungsfaktor wählbar ist und sich in Abhängigkeit von der Charakteristik eines speziell betrachteten Systems ändern kann. Die Spannungssignale v^ und v, der Dämpfungsstufen 52 und 54 werden schließlich in Stromverstärker 56 und 58 eingespeist, in denen sie in Stromsignale i- = k-, · sin 0 und i₂ = k., · cos 0 überführt werden, wobei k-, = k₂ (I₁Zv₃) = k₂ (i₂/v.) bedeuten. Diese Signale werden in Treiberwicklungen 64 und 66 des Motors 60 eingespeist. Die in den Motor 60 eingespeisten Treiberströme sind daher in jedem Zeitpunkt direkt proportional zu den Sinus- und Cosinus-Funktionen des im Zählermodul 42 gespeicherten Wertes, welcher sich proportional zu dem durch den programmierbaren Frequenzgenerator 40 gelieferten Wert ändert. Da das Rotorelement 62 des Motors 60 in jeder Winkelposition bewegbar und abstopbar ist, wie sie durch die Amplituden der beiden Antriebssignale festgelegt ist, bewirkt jede sequentielle Änderung des im Zählermodul 42 gespeicherten Wertes eine entsprechende sequentielle Bewegung des Rotorelementes, wobei eine diskrete Änderung eine diskrete Bewegung und eine kontinuierliche Änderung eine kontinuierliche Bewegung hervorruft und wobei der Betrag und die Richtung der Bewegung durch den Betrag und die Richtung der Änderung festgelegt ist.

Für eine spezielle erfindungsgemäße Anordnung wurde ein 1,8°- Schrittschaltmotor verwendet, welcher für eine vollständige Umdrehung seines Rotorelementes 62 50 Perioden eines Motor-Antriebswechselsignals benötigt. Normalerweise dreht eine

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Antriebsfrequenz von 50 Hz einen solchen Motor mit einer " Umdrehung pro s. Da jedoch die Regelschaltung nach Fig. 2 jede Periode der Sinus- und Cosinus-Antriebssignale effektiv in 2 oder 127 Teile teilt, ist eine Antriebsfrequenz von 6400 Hz erforderlich, um den Motor mit einer Umdrehung pro s zu drehen. Der Vorteil einer derartigen Antriebsperiodenteilung ist in einer feineren Regelung der Rotorbewegung und in der Möglichkeit des Abstoppens des Rotors in 6400 möglichen unterschiedlichen Positionen zu sehen. Es ist darauf hinzuweisen, daß alle Frequenzen für Vergleichszwecke auf den gleichen Punkt im System normiert werden müssen.

Um die Bewegung des Rotorelementes 62 zu überwachen, wird das niederwertige Bit des Zählermoduls 42 gemäß dem Schritt 34 des Flußdiagramms nach Fig. 1 über einen Datenweg E getastet, bis der im Zähler gespeicherte Wert um eine vorgegebene Anzahl von Einheiten inkrementiert wurde. Für eine geringere Auflösung können höherwertige Bits des Zählers getastet werden. Hat sich das Rotorelement gemäß dem Schritt

36 um die gewünschte Anzahl von Teil- oder Vollumdrehungen gedreht, so wird der Frequenzgenerator 40 in einem Schritt

37 abgeschaltet und der Vorgang in einem Schritt 38 im Bedarfsfall wiederholt.

Im Frequenzgenerator 40 sind konventionelle Maßnahmen zur Steuerung der Impulsfrequenz während der Anfangsperiode jeder Wirksamschaltung in der Weise angenommen, daß das Rotorelement 62 des Motors während einer Beschleunigung vom Stillstand in Synchronismus bleiben kann. Eine derartige Steuerung kann beispielsweise die Form eines exponentiell abnehmenden Impulsintervalls der folgenden Form besitzen: Impulsintervall = PI +PI. (e exp - t/T), worin PI ein stationäres Impulsintervall, PI. ein Verzögerungsfaktor, der kleiner als PI ist, und T eine Zeitkonstante, bei der das Impulsinter-

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vail von PI +PI. auf PI abnimmt, bedeuten. Eine entspre*- chende Regelung erfolgt während der Abbremsung. Maßnahmen zur Durchführung einer derartigen Funktion sind an sich konventioneller Natur.

Wie bereits ausgeführt, kann ein Hauptteil des Flußdiagramms nach Fig. 1 durch spezielle analoge Schaltungen realisiert werden, welche mit Analogsignalen arbeiten, die ein Maß für die oben genannten Soll- und Resonanz-Antriebsfrequenzen sind. Eine derartige in Fig. 4 dargestellte Schaltung kann beispielsweise einen Frequenz-Spannungswandler 70 zur überführung eines durch den Frequenzgenerator 40 erzeugten Digitalsignals in ein Analogsignal aufweisen, das ein Maß für die Digitalimpuls-Folgefrequenz ist. Weiterhin enthält eine derartige Schaltung eine Spannungsvergleichsstufe 72 zum Vergleich des Analogsignals mit einer Vielzahl von voreingestellten Referenzspannungen V (ref 1) bis V (ref η), welche ein Maß für die vorher abgeleiteten Resonanzfrequenzen oder Frequenzgrenzen sind. Eine zweckmäßige Vergleichsstufe 72 ist eine als "Fenster"-Komparator bekannte Stufe, welche jedesmal dann eine Anzeige liefert, wenn ein Eingangssignal in ein durch ein Paar von voreingestellten oberen und unteren Grenzen definierten "Fensters" fällt. Wenn das durch den Wandler70 erzeugte Signal in das Signal-"Fenster" der Vergleichsstufe 72 fällt, so wird ein SET-Signal auf der Datenleitung A erzeugt, um den richtigen Dämpfungswert für das in den Motor eingespeiste Antriebssignal zu realisieren. Wird keine Anpassung festgestellt, so wird auch kein SET-Signal erzeugt. Wie bereits oben beschrieben, können mehrere Pegel von Antriebssignaldämpfungen zur Auswahl vorgesehen werden. Die durch die vorbeschriebene Analogschaltung ausgeführten Schritte des Flußdiagramms nach Fig. 1 sind der Prüfschritt 24, der Analyseschritt 26 für die Prüfung sowie der Stellschritt 28 sowie der Rücksetzschritt 30 für den Antriebspegel. Zur Berechnung der Antriebsfrequenz im Schritt 22, der Wirksamschaltung der Motorregelschaltung im Schritt 32 der Uber-

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wachung in den Schritten 34 und 36 sowie der Abschaltung im Schritt 37, wenn der Rotor 62 des Motors seine gewünschte Stellung erreicht hat, sind bestimmte Regelmöglichkeiten erforderlich.

Die vorstehend erläuterte erfindungsgemäße Regelanordnung ist nicht nur für einen Schrittschaltmotor und einen inkrementellen Drucker sondern auch darüber hinaus für die genaue und richtige Regelung der generellen Klasse von Synchronmotoren in einer Vielzahl von Anwendungsfällen geeignet. .

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Claims

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^l tog. H. Weidunann, Dipl. Phys. Dr. K. Fincke ^eraascAt ^ £ ^, £-, Dipl. Ing. F. A. Weickmann, Dipl. Chem. B. Huber _ ' . _{A A} _Λ _Ä

Dr.-lng. H. Liska 3012213

Möhlsfralje 22, 8000 München 86

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Tektronix, Inc., 14150 S.W. Karl Braun Drive, Beaverton,

Oregon 97077, V.St.A.

Regelanordnung und Verfahren für ein Motorantriebs sys tem zur Minimalisierung von Fluktuationen der Winkelgeschwindigkeit eines Rotorelementes eines Synchronmotors

Patentansprüche

Regelanordnung für ein Motorantriebssystem zur Minimalisierung von Fluktuationen der Winkelgeschwindigkeit eines Rotorelementes eines als Schrittschaltmotor arbeitenden Synchronmotors, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung zur Speicherung eines Signals, das ein Maß für eine Antriebsfrequenz ist, bei der für die Winkelgeschwindigkeit des Rotorelementes bekannt ist, daß sie in einem kontinuierlichen Betrieb in einer Richtung resonanzmäßig fluktuiert, durch eine Einrichtung zum Empfang eines Signals, das ein Maß für eine Antriebsfrequenz ist, mit welcher der Motor betrieben werden soll, durch eine der Speichereinrichtung und der Signalempfangseinrichtung zugeordnete Vergleichseinrichtung zum Vergleich des Sollfrequenzsignals mit dem Resonanzfrequenzsignal, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Motorantriebssignals mit einer Frequenz, die zu der durch das Sollfrequenzsignal repräsentierten Frequenz

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proportional ist, und durch eine auf den Vergleich des Sollfrequenzsignals und des Resonanzfrequenzsignals ansprechende Einrichtung zur Einspeisung des Antriebssignals in den Motor mit einer ersten vorgegebenen Amplitude, wenn diese Signal nicht gleich sind, und mit einer zweiten vorgegebenen Amplitude, wenn die Signale gleich s ind.
2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspeichereinrichtung zur Speicherung einer Vielzahl von Resonanzfrequenzsignalen dient, daß die Vergleichseinrichtung zum Vergleich des Sollfrequenzsignals mit jedem der gespeicherten Resonanzfrequenzsignale dient und daß die das Antriebssignal in den Motor einspeisende Einrichtung das Antriebssignal mit einer zweiten Amplitude in den Motor einspeist, wenn das Sollfrequenzsignal gleich den Resonanzfrequenzsignalen ist.
3. Regelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspeichereinrichtung zur Speicherung von zwei Frequenzsignalen dient, die ein Maß für eine obere bzw. eine untere Grenze eines vorgegebenen, die Resonanzfrequenz als Mittenfrequenz enthaltenden Frequenzbandes sind, daß die Vergleichseinrichtung zum Vergleich des Sollfrequenzsignals mit dem Frequenzsignal für die obere und untere Frequenzgrenze dient und daß die das Antriebssignal in den Motor einspeisende Einrichtung zur Einspeisung des Antriebssignals in den Motor mit der zweiten Amplitude dient, wenn die durch das Sollfrequenzsignal repräsentierte Frequenz in dem durch die Grenzfrequenzsignale definierten Frequenzband enthalten ist.
4. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Amplitude des Antriebssignals kleiner als die erste Amplitude ist.

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5. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Amplitude des Antriebssignals größer als die erste Amplitude ist.
6. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzfrequenzsignal und das Sollfrequenzsignal digital sind.
7. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspeichereinrichtung einen Digitalspeicher zur Speicherung des digitalen Resonanzfrequenzsignals und die Vergleichseinrichtung einen dem Digitalspeicher zugeordneten Digitalprozessor aufweist.
8. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzfrequenzsignal und das Sollfrequenzsignal analog sind.
9. Regelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspeichereinrichtung eine Anordnung zur Erzeugung eines vorgegebenen Analog-Referenzsignals aufweist, das ein Maß für die Resonanzfrequenz ist, und daß die Vergleichseinrichtung eine Analogsignal-Vergleichsanordnung zum Vergleich der Größe des Sollfrequenzsignals und der Größe des Resonanzfrequenz-Referenzsignals aufweist.
10. Verfahren zur Minimalisierung von Fluktuationen in der Winkelgeschwindigkeit eines Rotorelementes eines als Schrittmotor arbeitenden Synchronmotors, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal erzeugt wird, das ein Maß für eine Motorantriebsfrequenz ist, für die bekannt ist, daß die Winkelgeschwindigkeit des Rotorelementes bei kontinuierlichem Betrieb in einer Richtung resonanzmäßig fluktuiert, daß ein Signal empfangen wird, das ein Maß für eine Antriebsfrequenz ist, mit welcher der Motor betrieben werden soll,

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daß ein Motorantriebssignal erzeugt wird, dessen Frequerrz proportional zu der durch das Sollfrequenzsignal repräsentierten Frequenz ist, daß das Sollfrequenzsignal mit dem Resonanzfrequenzsignal verglichen wird und daß als Funktion des Vergleichs des Sollfrequenzsignals und des Resonanzfrequenzsignals das Antriebssignal mit einer ersten vorgegebenen Amplitude in den Motor eingespeist wird, wenn diese Signale nicht gleich sind, und mit einer zweiten vorgegebenen Amplitude in den Motor eingespeist wird, wenn diese Signal gleich sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Resonanzfrequenzsignalen erzeugt wird, daß das Sollfrequenzsignal mit jedem der Resonanzfrequenzsignale verglichen wird und daß das Antriebssignal mit der zweiten Amplitude in den Motor eingespeist wird, wenn das Sollfrequenzsignal gleich jedem der Resonanzfrequenzsignale ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Frequenzsignale gespeichert werden, welche ein Maß für die obere bzw. die untere Grenze eines vorgegebenen, die Resonanzfrequenz als Mittenfrequenz enthaltenden Frequenzbandes sind, daß das Sollfrequenzsignal mit dem Frequenzsignal für die obere und die untere Grenze verglichen wird und daß das Antriebssignal in den Motor mit der zweiten Amplitude eingespeist wird, wenn die durch das Sollfrequenzsignal repräsentierte Frequenz in dem durch die Grenzfrequenzsignale definierten Frequenzband enthalten ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Antriebssignals kleiner als die erste Amplitude ist.

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14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1O bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Amplitude des Antriebssignals größer als die erste Amplitude ist.

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