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Verfahren und Schaltungsanordnung zur
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Steuerung eines elektrischen Schrittmotors
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Steuerung
eines elektrischen Schrittmotors in Gegentakt-Zwei-Strang-Ansteuerung mit äquidistanten
Zwischenschritten, wobei jeweils zwei der vier Wicklungen des Motors zu einem Strang
zusammengefaßt sind und der Strom in den beiden Strängen in der Schrittfolge unterschiedlich
geändert wird.
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Ein klassisches Verfahren der Schrittmotorsteuerung ist die Gegentakt-Zwei-Strang-Steuerung.
Dabei sind jeweils zwei der vier Wicklungen des Motors zu einem Strang zusammengefaßt.
Der Strom in den beiden Strängen wird nun in der Schrittfolge in beiden Strängen
unterschiedlich umgepolt. Aus Figur 1 ist der Strom in den Strängen A und B über
eine Folge von mehreren Schritten dargestellt. Es ist zu sehen, daß für einen Zyklus
vier Schritte benötigt werden, und daß die Signale in den beiden Strängen um eine
Viertelperiode verschoben sind.
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Eine weitere bekannte Abwandlung von diesem Verfahren ist die Gegentakt-Halbschritt-Steuerung.
Bei ihr wird die Schrittweite halbiert, indem beim Umpolen des Stroms von Plus nach
Minus bzw.
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umgekehrt ein Zwischenzustand 0 eingeführt wird. Das Stromdiagramm
dieses Verfahrens ist in Figur 2 dargestellt. Gegenüber dem Verfahren nach Figur
1 hat sich die Schrittweite halbiert, die Anzahl der Schritte ist je Zyklus doppelt
so groß, nämlich acht.
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Weiterhin ist es bekannt (Phytron-Elektronik ST 4000), eine ganzzahlige
Anzahl N-1 von Zwischenschritten einzuführen. Die Figur 3 zeigt für beide Stränge
den Strom über einen Zyklus für den Fall N = 20. Gestrichelt eingezeichnet ist der
Vollschritt-Zyklus für Strang A. Quantitative Untersuchungen zeigten jedoch, daß
mit der in Figur 3 dargestellten Signalform keine konstante Schrittweise erzielbar
ist. In Figur 4 sind für einen Schrittmotor, der mit dieser bekannten Steuerung
betriehen wurde, einerseits die resultierende Verschiebung als
Funktion
der Schrittnummer (Kurve V) und die Einzelschrittweite für jeden der 80 Schritte
des Zyklus dargestellt (Kurve E).
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Dabei wurden abweichend von einer mittleren Schrittweite 67 Schrittweiten
von 0,65 AS bis 1,75 #S gemessen. Ein Vergleich von Figur 3 und Figur 4 zeigt den
Zusammenhang zwischen den systematischen Schrittweitenabweichungen (Fig. 4) und
dem Ver lauf der Steuersignale (Fig. 3). Fehler dieser Größenordnung sind z.B. in
der Scanning-Mikroskopie nicht traghar.
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Die Aufgabe, welche der Erfindung nunmehr gestellt ist, besteht darin,
ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu bieten, mitdenen gewährleistet werden
kann, daß die Einzelschritte des Schrittmotors exakt gleichgroß sind, so daß er
auch als Schrittmotorantrieb für einen Mikroskoptisch benutzt werden kann.
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Unter Verwendung der bekannten Prinzipien der Gegentakt-Zwei-Strang-Ansteuerung
mit diskreten Zwischenschritten und des Synchronbetriebs von Schrittmotoren sieht
die Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß so aus, daß im Schrittablauf in sinngemäß
richtiger Reihenfolge den beiden Strängen diejenigen Ströme aufgeprägt werden, die
den Schrittmotor Schritte gleicher Weite ausführen lassen. Bei der Erfindung werden
demnach für N-l Zwischenbetrieb im Schrittablauf in sinngemäß richtiger Reihenfolge
4 N diskreten sin - cos - Wertepaaren proportionale Spannungen an die beiden Stränge
gelegt. Diese 4 N diskreten sin - cos - Wertepaare werden für den idealen Schrittmotor
aus den kontinuierlich verlaufenden Signalen sin (cit) und cos (#t) (wobei # = 2
; f = Frequenz und t = Zeit) des Synchronbetriebes derart ausgewählt, daß üher einen
Phasenwinkel-Zyklus von # = #t = 0 bis # = #t = 2 # 4 N diskrete, äquidistante Phasenwinkel
n = #n-1+ # , (wobei O<n#4N und ## = 2#/4N und O<#O#O#) besti:mt, und die
dazugehörigen Wertepaare cos (n) und sin (n) berechnet werden.
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Bekanntlich ist das Signal für den Synchronbetrieb zyklisch bezüglich
des Phasenwinkels # = #t modulo 2 #. Entsprechend sind die diskreten Signal-Wertepaare
bei N-Zwischenschrittbetrieb
zyklisch bezüglich der diskreten Phasenwinkel
n modulo 4N.
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n Der reale Schrittmotor zeigt beim Betrieb mit den Signalen des
idealen Motors Abweichungen von der konstanten Schrittweite.
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Für den realen Motor wird konstante Schrittweite A S = S/4N (wobei
5 die Gesamtbewegung über einen Zyklus von 4N Schritten ist) dadurch erreicht, daß
man den Abstand der diskreten Phasenwinkel 4 4 0 n-1 für 0 L n c 4N so (experimentell)
bestimmt, daß der Motor beim Übergang von n-l nach Xn eine Bewegung 4 S ausführt.
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Eine besonders geeignete Schaltungsanordnung zur Durchführung des
Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Auf- Abzähler, der den
Schrittbefehl und die Zählrichtung in Pulsform erhält, durch zwei parallele digitale
Datenspeicher, die die Zählerstellung aus dem Zähler als Adresse erhalten und die
für die einzelnen Schrittmotordarstellungen nötigen Signale auswählen, und durch
den Datenspeichern nachgeschaltete Digital-.
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Analog-Wandler, deren Analog-Signale jeweils über einen Leistungsverstärker
die beiden Motorwicklungen des Schrittmotors ansteuern. Besonders vorteilhaft für
die Erfindung ist es dabei, wenn die Datenspeicher nichtflüchtige Speicher sind.
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Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Verwendung
von Datenspeichern die für exakt äquidistante Motorstellungen nötigen Signale an
den Schrittmotor angelegt werden können. Ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung
liegt z.B.
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darin, daß bei extrem schnellen Schrittfolgen ein ideales Start-Stop-Verhalten
erreicht wird und Resonanzerscheinungen vermieden werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels der Figuren 5 bis 7 näher erläutert.
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Figur 5 zeigt für N = 20 Zwischenschritte und für den Fall des idealen
Schrittmotors die 4N = 80 diskreten Wertepaare dargestellt in sinngemäß richtiger
Reihenfolge. Die 4N Wertepaare
wurden dadurch erhalten, daß der
Phasenwinkelbereich von 0 bis 2Irauf der Abszisse in 4N äquidistante Abschnitte
unterteilt und zu jedem der 4N Argumentwerte der Sinus und der Cosinus bestimmt
wurde. Werden nun Spannungen proportional den Funktionswerten an die beiden Stränge
des idealen Schrittmotors gelegt, so erzeugt der Motor bei Durchlaufen der Reihe
von Wertepaaren in Richtung steigender Schrittnummern eine Bewegung konstanter Weite
in die eine Richtung und beim Durchlaufen der Reihe in Richtung fallender Schrittnummern
Bewegungen konstanter Weite in entgegengesetzter Richtung Zur Korrektur der Abweichungen
des realen Schrittmotors vom idealen Schrittmotor werden nun die 4N Argumentwerte
auf der Abszisse von Fig. 5 nicht mehr äquidistant gewählt. Der Abstand der Argumentwerte
wird vielmehr so geändert, daß beim Übergang von einem diskreten Zustand zum nächsten
der Motor die Schrittweite As = S/4N ausführt, wobei S die Gesamtbewegung des Motors
über einen Zyklus von 4N Schritten ist.
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Die beiden Sinuswerte für jeden Schritt neu zu bestimmen, z.B.
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mittels eines Orguters, wäre unwirtschaftlich. Sinnvoller ist es,
die 4E Sinuswertepaare in digitaler Form in einen nichtflüchtigen Speicher 2 bzw.
3 gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 6 abzulegen und in richtiger Reihenfolge auszulesen.
Hierzu wird der Schrittbefehl in Pulsform 10 in den Zählerl(im allgemeinen ein Binärzähler
mit z.B. zwei MC 14 5 16 B, einem MC .4000, einem MC 4049 und einem MC 14078, Baustein
der Fa. Motorola) gegeben. Der Zähler 1 ist als Auf- Abzähler so ausgelegt, daß
durch Anlegen eines zweiten Signales 11 die Zählrichtung aufwärts oder abwärts eingestellt
werden kann. Der Zähler 1 läuft im Aufwärtsbetrieb von 0 bis zu einem vorgewählten
Maximalwert +I und springt von diesem automatisch wieder auf 0. Im Abwärtsbetrieb
springt der Zähler von 0 auf den Maximalwert-I (siehe hierzu auch die Fig.
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1 bis 5).
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Die Zählerstellung des Zählers 1 wird in Einärdarstellung als Adressen
LSB und MSB (Least Significant Bit bzw. Most Significant
Bit) an
zwei parallel angeordnete digitale Datenspeicher 2 und 3 angelegt. In den Datenspeichern
2 und 3 sind die für die einzelnen Schrittmotordarstellungen nötigen Signale in
digitaler Form abgespeichert. An den Datenausgängen der beiden Speicher 2 und 3
stehen in Binärdarstellung jeweils die gewünschten Signalwerte aus der Fig. 5 zur
Verfügung. Die programmierbaren Speicher sind z.B. zwei Speicher der Fa. Intel mit
der Nummer 1702A.
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Die digitalen und binärcodierten Ausgangssignale der beiden Datenspeicher
2 und 3 werden auf zwei Digital-Analog-Wandler 4 und 5 gegeben, wobei es sich um
zwei Wandler der Fa. Analog Devices, USA, SW AD7523 handelt. Die analogen Ausgangssignale
werden auf den den Strang A bzw./Strang B der Motorwicklungen des Schrittmotors
8 ,7 9 gegeben. Das Analog-Signal für die beiden Stränge A (Wicklungen A1, A2! und
B (Wicklungen B1, B2) wurde jedoch vorher durch zwei Leistungsverstärker 6 u. 7
(TDBO79l der Fa. SESCOSEM) verstärkt. Der Motor 8, 9 ist ein Motor der Fa. PHYTRON-<lektronik
ZSS 42/200/1,2.
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Für einen realen Schrittmotor mit 200 Voll schritten pro Umdrehung
der über eine Spindel mit 4 mm Steigung einen Mikroskoptisch bewegt, wurden für
den Fall N-l = 19 Zwischenschritte, die 4N Signalwertepaare bestimmt und abgespeichert.
Unter Verwendung der in Fig. 6 dargestellten Schaltung wurde am Mikroskoptisch eine
Verschiebungsmessung über einen Zyklus von 80 Schritten durchgeführt.
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Kurve V in Figur 7 zeigt die resultierende Verschiebung als Funktion
der Schrittnummer. Im Gegensatz zu Fig. 4 ist kaum mehr eine Abweichung von der
im Idealfall zu erwartenden Geraden zu erkennen. Die Kurve E verbindet die Einzelschrittweiten,
die ebenfalls als Funktion der Schrittnummer aufgetragen wurden. Es wurde eine mittlere
Schrittweite von 0,92/um bestimmt bei einer mittleren (linearen) Abweichung von
0,06/um entsprechend 7 x (Vgl.
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dazu Fig. 4).
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Erfindungsgemäß ist auch der Fall enthalten, daß im N-1 Zwischenschrittverfahren
bei dem sich ein Zyklus aus 4N Wertepaaren zu.
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sammensetzt, nicht 4N Wertepaare abgespeichert werden, sondern: nur
2N Wertepaare und wo dann durch eine entsprechend modifizierte
Zähleranordnung
(Fig. 6 (1)) die restlichen 2N Werte gewonnen werden: nur N Wertepaare und dann
durch eine entsprechend modifizierte Zähleranordnung (Fig. 6 (1)) und einer Vorzeichengenerierung
die restlichen 3N Wertepaare gewonnen werden; nicht Wertepaare für die beiden Stränge
A und B abgespeichert (Fig. 6 (2 und 3)), sondern nur für einen Strang und die Werte
durch eine geeignete Zähl- und Schaltreinrichtung aus ein und demselben digitalen
Datenspeicher für beide Stränge gewonnen werdenjoder Kombination der genannten Beispiele.