Einrichtung zum Steuern eines elektrischen Schrittmotors
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern eines elektrischen Schrittmotors, bei der mittels eines Ansteuergerätes die einzelnen Erregerwicklungen derart an eine Spannungsquelle angeschlossen werden, dass der Schrittmotor synchron mit den am Ansteuergerät liegenden Steuerimpulsen läuft.
Elektrische Schrittmotoren haben in der Steuerungstechnik mannigfaltige Anwendung gefunden; ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet ist die Ansteuerung hydraulischer Drehmomentverstärker, die zum Antrieb von Werkzeugmaschinen benutzt werden.
Bei den elektrischen Schrittmotoren ist das Kippmoment und damit auch die Drehmomentänderung als Funktion des Drehwinkels von dem elektromagnetischen Feld, das durch die Wicklungserregung erzeugt wird, abhängig. Der Aufbau des magnetischen Feldes ist nun seinerseits wieder abhängig von den Erregerzeitkonstanten des Schrittmotors, d. h. dem Verhältnis von induktiven und ohmschen Widerständen der Erregerwicklung. Um eine hohe Schrittfrequenz zu ermöglichen, könnte man daher den Wicklungen ohmsche Widerstände vorschalten und damit die Erregerzeitkonstante relativ klein machen. Nachteilig bei einer derartigen Lösung ist jedoch, dass ein Grossteil der Erregerleistung in den Widerständen vernichtet wird, und dass dann das Drehmoment des Schrittmotors mit wachsender Frequenz abfällt.
Ausserdem tritt auch noch das Problem auf, die in den vorgeschalteten Widerständen erzeugte Wärme abzuführen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, von einer Erhöhung der Schrittfrequenz durch Verringern der Erregerzeitkonstante abzusehen und einen anderen einfachen Weg anzugeben, mit dem eine Erhöhung der Schrittfrequenz möglich ist. Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuerpulsfolge zusätzlich noch an einem Frequenzspannungswandler anliegt, dessen Ausganssignal die Amplitude der Spannung der Spannungsquelle steuert. Die Spannung kann dabei derart proportional mit der Frequenz gesteigert werden, dass im statischen Zustand des Schrittmotors (Ruhezustand) gerade der zulässige Nennstrom in den Erregerwicklungen fliesst.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Drehmoment unabhängig von der Schrittfrequenz gehalten werden kann; dass die ausgeprägte schrittartige Bewegung bei kleinen Frequenzen stark gedämpft wird, und sich damit ein ruhiger Lauf des angetriebenen Maschinenteils ergibt, und dass ausserdem keine Energievernichtung in Widerständen stattfindet.
Anhand eines Ausführungsbeispiels sei die Erfindung näher erläutert:
Wie Fig. 1 zeigt, wird die von einem Interpolator 1 abgegebene Steuerpulsfolge f dem Ansteuergerät 4 eines elektrischen Schrittmotors 5 zugeführt. Das Ansteuergerät schaltet synchron mit den Steuerpulsen die Erregerwicklungen des elektrischen Schrittmotors 5 derart um, dass dieser synchron mit der Steuerpulsfolge läuft. Der Schrittmotor 5 ist mit dem Steuerventil 6 eines hydraulischen Drehmomentverstärkers 7 gekuppelt, welches in dessen hydraulischen Kreislauf angeordnet ist.
Durch eine Nachlaufsteuerung wird dafür gesorgt, dass das Steuerventil 6 der Bewegung des Drehmomentverstärkers 7 stets nachgeführt wird. Damit ist gesichert, dass die Geschwindigkeit des Drehmomentverstärkers 7, und damit die Geschwindigkeit der Verstellung des mit dem Drehmomentverstärker 7 gekuppelten Werkzeugtisches 8 proportional zur Frequenz der Steuerpulsfolge first.
Die Spannungsversorgung der Erregerwicklungen des Schrittmotors 5 geschieht aus einer steuerbaren Gleichspannungsquelle 3, die durch das Ansteuergerät 4 an die jeweils gerade zur Weiterschaltung benötigten Erregerwicklungen angeschlossen wird. Zusätzlich zu dieser Steuerung ist noch ein Frequenzspannungsumsetzer 2 vorgesehen, der ebenfalls von der Steuerpulsfolge f angesteuert wird. Entsprechend seinem Ausgangssignal wird die Spannung U der Spannungsquelle 3 verändert; d. h. im Regelfall proportional mit der Frequenz erhöht.
Fig. 2 zeigt die Spannung der Spannungsquelle abhängig von der Frequenz f der Steuerpulsfolge. Wie ersichtlich, wird die Spannung bei sehr niedrigen Frequenzen zunächst konstant gehalten und steigt dann linear mit höheren Frequenzen an.
Device for controlling an electric stepper motor
The invention relates to a device for controlling an electric stepper motor, in which the individual excitation windings are connected to a voltage source by means of a control device in such a way that the stepper motor runs synchronously with the control pulses applied to the control device.
Electric stepper motors have found various applications in control technology; A particularly important area of application is the control of hydraulic torque amplifiers that are used to drive machine tools.
In the case of the electric stepper motors, the breakdown torque and thus also the change in torque as a function of the angle of rotation of the electromagnetic field that is generated by the winding excitation is dependent. The build-up of the magnetic field is in turn dependent on the excitation time constants of the stepper motor, i. H. the ratio of inductive and ohmic resistances of the field winding. In order to enable a high step frequency, ohmic resistances could be connected upstream of the windings and thus make the excitation time constant relatively small. A disadvantage of such a solution, however, is that a large part of the excitation power is destroyed in the resistors, and that the torque of the stepping motor then drops with increasing frequency.
In addition, there is also the problem of dissipating the heat generated in the upstream resistors.
The object of the present invention is to refrain from increasing the step frequency by reducing the excitation time constant and to provide another simple way by which an increase in the step frequency is possible. This object is achieved in a device of the type mentioned at the outset in that the control pulse sequence is also applied to a frequency-voltage converter, the output signal of which controls the amplitude of the voltage of the voltage source. The voltage can be increased proportionally to the frequency in such a way that in the static state of the stepper motor (idle state) the permissible nominal current flows in the exciter windings.
This has the advantage that the torque can be maintained independently of the step frequency; that the pronounced step-like movement is strongly dampened at low frequencies, resulting in a smooth running of the driven machine part, and that in addition there is no energy dissipation in resistances.
The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment:
As FIG. 1 shows, the control pulse sequence f emitted by an interpolator 1 is fed to the control device 4 of an electric stepping motor 5. The control device switches over the excitation windings of the electric stepper motor 5 synchronously with the control pulses in such a way that it runs synchronously with the control pulse sequence. The stepping motor 5 is coupled to the control valve 6 of a hydraulic torque booster 7, which is arranged in its hydraulic circuit.
A follow-up control ensures that the control valve 6 always follows the movement of the torque booster 7. This ensures that the speed of the torque amplifier 7, and thus the speed of adjustment of the tool table 8 coupled to the torque amplifier 7, is proportional to the frequency of the control pulse sequence.
The voltage supply of the excitation windings of the stepping motor 5 takes place from a controllable DC voltage source 3, which is connected by the control device 4 to the excitation windings required for further switching. In addition to this control, a frequency-to-voltage converter 2 is also provided, which is also controlled by the control pulse train f. The voltage U of the voltage source 3 is changed in accordance with its output signal; d. H. usually increased proportionally with the frequency.
Fig. 2 shows the voltage of the voltage source as a function of the frequency f of the control pulse train. As can be seen, the voltage is initially kept constant at very low frequencies and then increases linearly with higher frequencies.