DD139966A3 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR SIMPLIFIED BIPOLAR STEPPER MOTOR CONTROL - Google Patents

CIRCUIT ARRANGEMENT FOR SIMPLIFIED BIPOLAR STEPPER MOTOR CONTROL Download PDF

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DD139966A3 DD19645176A DD19645176A DD139966A3 DD 139966 A3 DD139966 A3 DD 139966A3 DD 19645176 A DD19645176 A DD 19645176A DD 19645176 A DD19645176 A DD 19645176A DD 139966 A3 DD139966 A3 DD 139966A3
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Hermann Roethig
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die bipolare Ansteuerung von Schritt motoren, insbesondere für kleine, einfache Antriebe. Ziel der Erfindung ist es, eine im Aufbau einfache Schrittmotoransteuerung zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt und geringe Eigenerwärmung des Motors hervorruft. Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, aufwendige Zusatzeinrichtungen für die Erzeugung des mittleren Haltestromes und damit der Erwärmungsbegrenzung bei der bipolaren MotoranSteuerung zu vermeiden. Erfindungsgemäß liegt bei einer bipolaren Schrittmotoransteuerung mit Transistorbrücke die eine Seite der Statorspule direkt an einer Seite der Transistorbrücke und die andere Seite der Statorspule über einen Vorwiderstand und einen Kondensator, die parallel liegen, an der anderen Seite der Transistorbrücke. Der Kreis, indem die Statorspule und der Kondensator liegen, ist als Reihenresonanzkreis ausgebildet. Die Erfindung kann besonders für Positionier- und Antriebsaufgaben in kleineren batteriebetriebenen Geräten verwendet v/erden -The invention relates to the bipolar activation of step motors, especially for small, simple drives. Object of the invention is to create a simple in construction stepper motor control, the has a high efficiency and low self-heating of the engine causes. By the invention, the problem to be solved, consuming Additional equipment for generating the average holding current and thus the heating limit in bipolar MotoranTeuererung to avoid. According to the invention lies in a bipolar Stepper motor driver with transistor bridge one side of the stator coil directly on one side of the transistor bridge and the other side the stator coil via a series resistor and a capacitor, the parallel, on the other side of the transistor bridge. The circle, by the stator coil and the capacitor are, is as a series resonant circuit educated. The invention is particularly suitable for Positioning and drive tasks in smaller battery-powered Devices used v / earth -

Description

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Schaltungsanordnung für die vereinfachte bipolare Schrittmptoransteuerung . Circuitry for the simplified bipolar stepping motor control.

.Anwendungsgebiet der Erfindung.Automation of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf die vereinfachte bipolare Schrittmotoransteuerung mit verbessertem Wirkungsgrad bei eingeengtem Schrittfrequenzbereich und ist vor allem für . Positionier- und Antriebsaufgaben auch in kleineren batteriebetriebenen Geräten geeignet.The invention relates to the simplified bipolar stepper motor drive with improved efficiency at a narrowed step frequency range and is mainly for. Positioning and drive tasks suitable even in smaller battery-powered devices.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Wenn ein Schrittmotor optimal genutzt werden soll, ist er vorzugsweise bipolar zu betreiben; denn bei Unipolarbetrieb ist in jedem Statorpaket eine der beiden Wicklungen abwechselnd abgeschaltet. Um seine Erwärmung zu begrenzen, läßt man während der Stillstandszeiten einen geringeren Strom, den Haltestrom, fließen. Dieser Haltestrom bestimmt die Größe des Bremsmoments und ist bei Unipolarmotoren unkompliziert auf seinen Wert abzusenken.If a stepper motor is to be used optimally, it is preferable to operate bipolar; because in unipolar operation one of the two windings is alternately switched off in each stator package. To limit its heating, a lower current, the holding current, is allowed to flow during downtime. This holding current determines the magnitude of the braking torque and is easy to lower in unipolar motors on its value.

Bei einem Bipolarmotor wird statt des abwechselnden Betriebes von Spulenhälften zur Feldumpolung der Strom durch die ganze Spule umgeschaltet. Die volle Nutzung des V/ickelraumes bringt eine Verdopplung des V/irkungsgrades. Zur Ansteuerung wird vorzugsweise für jede Statorspule eine Transistorbrückenschaltung verwendet, jedoch bereitet die Stromverringerung in den Still~ Standsseiten erhebliche Schwierigkeiten und zwingt zu Sondermaßnahmen. So werden z. B. zu jeder Transistorbrücke zusätzlich eine Strombegrenzerschaltung mit großer Hysterese und zwei von ihr gesteuerte Torschaltungen angeordnet. Ein in dieIn a bipolar motor, the current through the entire coil is switched instead of the alternating operation of coil halves for field reversal. The full utilization of the vee ickel space brings a doubling of the degree of effectiveness. For driving a transistor bridge circuit is preferably used for each stator coil, however, the current reduction in the Still ~ stand sides presents considerable difficulties and forces to special measures. So z. B. to each transistor bridge additionally arranged a current limiter circuit with high hysteresis and two controlled by it gate circuits. One in the

Stromzuführung zur Transistorbrücke eingefügter Meßwiderstand steuert die Begrenzerschaltung dergestalt, daß bei Erreichen des Maximalstromes durch die Torschaltungen die beiden unteren Schalttransistoren der Transistorbrücke gesperrt werden. Durch diese Zusatzanordnung wird erreicht, daß für beide Stromflußrichtungen einer Brücke der Strom periodisch zwischen Maximal- und Minimalwert pendelt, wo- ' durch der steile hohe Stromanstieg erhalten bleibt, jedoch der für die zulässige Erwärmung maßgebende mittlere Stromwert nicht überschritten wird. Mit dieser Anordnung lassen sich Hochgeschwindigkeitsansteuerungen erreichen. Jedoch ist ihr Gesamtwirkungsgrad sehr gering. "Derartige Ansteuerschaltungen werden serienmäßig, passend zum Motortyp geliefert. (Vctlvo-Handbuch, Motoren 1974 S. 137)Power supply to the transistor bridge inserted measuring resistor controls the limiter circuit such that upon reaching the maximum current through the gate circuits, the two lower switching transistors of the transistor bridge are blocked. By this additional arrangement ensures that for both Stromflußrichtungen a bridge, the current periodically oscillates between maximum and minimum value, where 'is maintained by the steep high current increase, but the decisive for the allowable heating mean current value is not exceeded. With this arrangement, high-speed drives can be achieved. However, their overall efficiency is very low. "Such control circuits are supplied as standard, matching the engine type. (Vctlvo Manual, Engines 1974 p. 137)

Ziel der Erfindung t Object of the invention t

Ziel der Erfindung ist es, für konstante Schrittgeschwindigkeiten eine im Aufbau einfache Schrittmotoransteuerung zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt und geringe Eigenerwärmung des Motors hervorruft. Sie soll auch in batteriebetriebenen ortsveränderlichen Meß- oder Abtastgeräten verwendet werden können..The aim of the invention is to provide for constant pace speeds a simple in construction stepper motor drive, which has a high efficiency and low self-heating of the engine causes. It should also be able to be used in battery-powered portable measuring or scanning devices.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei de.r bipolaren Motoransteuerung mit geeignetem Frequenzbereich aufwendige Zusatzeinrichtungen für die Erzeugung des mittleren Haltestromes und damit der Erwärmungsbegrenzung zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß jede Statorspule nur einseitig direkt an der zugeordneten Transistorbrücke liegt, daß zur gleichstromfreien Zuführung der Schrittleistung ein Kondensator und zur Zuführung des Haltestromes ein Vorwiderstand an der. Statorspule angeordnet ist und daß der Kondensator mit der Statorspule als Reihenresonanzkreis aufgebaut ist.The invention is based on the object, in de.r bipolar motor drive with a suitable frequency range consuming additional equipment for the generation of the average holding current and thus to avoid the heating limit. According to the invention this is achieved in that each stator coil is only on one side directly to the associated transistor bridge, that for DC-free supply of the step power a capacitor and for supplying the holding current, a series resistor to the. Statorspule is arranged and that the capacitor is constructed with the stator coil as a series resonant circuit.

Mit· dieser Anordnung wird erreicht, daß sich im Ein- oder Umschaltmoment die Abschaltspannung der Statorspule fast frei ausbilden kann und daß sie sich, da ihre Polarität derWith this arrangement it is achieved that the turn-off voltage of the stator coil can form almost freely in the switching on or switching moment and that they, as their polarity of the

neu angelegten Spannung gleich ist, addiert und dadurch ein sehr steiler, zusammen mit dem Entladestrom des gleichzeitig umgepolten Kondensators durch Eigenresonanz verlängerter Spulenstromanstieg mit anschließendem verrundetem Scheitelwert entsteht. Es wird also die im Umschaltmoment an der Spule entstehende Abschaltspannung genutzt, die bisher durch Dioden vernichtet wurde.newly applied voltage is equal, added and thereby a very steep, together with the discharge of the simultaneously reversed capacitor by self-resonant prolonged coil current rise with subsequent rounded peak value arises. It is therefore used in the switching moment on the coil resulting cut-off voltage, which was previously destroyed by diodes.

Es ist zweckmäßig, den Reihenresonanzkreis so aufzubauen, daß die Reihenresonanz bei einer Frequenz von ca. 0,35 x Schrittfrequenz auftritt. Durch diese Frequenzwahl wird erreicht, daß die Stromüberhöhung der entstehenden Halbwelle ihr Maximum kurz vor Ende eines Schrittes hat..It is expedient to construct the series resonant circuit so that the series resonance occurs at a frequency of about 0.35 x step frequency. By this frequency selection is achieved that the Stromüberhöhung of the resulting half-wave has its maximum shortly before the end of a step.

Ausführungsbeispie1Ausführungsbeispie1

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispxel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in a Ausführungsbeispxel reference to drawings. Show it:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße SchaltungFig. 1 shows a circuit according to the invention

Fig. 2 a - 2 c Spannungs- bzw. Stromverläufe an verschiedenen MeßpunktenFig. 2 a - 2 c voltage or current waveforms at various measuring points

Fig. 3 , Die Abhängigkeit des maximalen DrehFig. 3, the dependence of the maximum rotation

moments von der Schrittfrequenzmoments from the step frequency

Ein Anschluß der Statorspule 1 eines Schrittmotors liegt direkt an einem Zweig 2,3 einer Transistorbrücke, während der andere Anschluß für die Zuführung des Haltestromes über einen Vorwiderstand 6 mit dem anderen Zweig 4,5 der Transistorbrücke verbunden ist.One terminal of the stator coil 1 of a stepping motor is connected directly to a branch 2, 3 of a transistor bridge, while the other terminal for the supply of the holding current is connected via a series resistor 6 to the other branch 4, 5 of the transistor bridge.

Über einen zweiten parallelen Weg zum Yorwiderstand 6 wird die Schrittleistung gleichstromfrei über einen Kondensator der Statorspule 1 zugeführt.Via a second parallel path to the Yorwiderstand 6, the step power is supplied DC-free via a capacitor of the stator coil 1.

Die Kapazität des Kondensators 7 wird so bemessen, daß sie mit der Induktivität der Statorspule 1 Reihenresonanz für eine Frequenz von ca« 0,35 x Schrittfrequenz ergibt. Durch diese Frequenzwahl wird erreicht, daß die Stromerhöhung der bei einem Schritt entstehenden Halbwelle ihr Maximum kurz vor Beginn des nächsten Schrittes hat. Dieser wird durch Umpien der anderen Statorspule eingeleitet, wobei während dieses nächsten Schrittes der Strom des vorhergehenden Schrittes aufThe capacitance of the capacitor 7 is so dimensioned that it results in the inductance of the stator coil 1 series resonance for a frequency of about 0.35 x step frequency. By this frequency selection is achieved that the current increase of the resulting half-wave at a step has its maximum just before the start of the next step. This is initiated by Umpien the other stator coil, during which the next step, the current of the previous step

den Haltewert absinkt. Im Haltezustand wird die Betriebsspannung durch, den Vorwiderstand 6 aufgeteilt, wobei an der Statorspule ca. die Hälfte der Spannung wie am Vorwiderstand anliegt. Der Kondensator 7 wird ebenfalls auf die am Vorwiderstand liegende Spannung aufgeladen.the holding value decreases. In the hold state, the operating voltage is divided by the series resistor 6, wherein approximately half of the voltage applied to the stator coil as the series resistor. The capacitor 7 is also charged to the voltage at the resistor.

Wird nun umgepolt, so bricht das Spulenfeld zusammen und die dadurch entstehende Abschaltspannung besitzt bereits die Polarität der neu angelegten Spannung, so daß sie sich ihr addiert. Zusammen mit dem Entladestrom des gleichzeitig umgepolten Kondensators 7 entsteht ein steiler Stromanstieg der dann in die Sinushalbwelle der Eigenresonanz übergeht. Die AbschaItspannung der Statorspule wurde bisher bei jeder Schrittmotoransteuerung durch eine Diode abgefangen, obwohl sie - wie dieses Beispiel zeigt - von großem Nutzen sein kann. Bei der vorliegenden Schaltungsanordnung dienen die Dioden 8, 9» 10, 11 nur noch dem Schutz der Transistoren.If now reversed, the coil field collapses and the resulting turn-off voltage already has the polarity of the newly applied voltage so that it adds to it. Together with the discharge current of the simultaneously reversed polarity of the capacitor 7, a steep current increase which then merges into the sine half-wave of the self-resonance. The AbschaItspannung of the stator coil was previously intercepted by a diode at each stepper motor drive, although - as this example shows - can be of great use. In the present circuit, the diodes 8, 9 »10, 11 only serve to protect the transistors.

In Fig. 2 a sind die Schaltspannungen der Transistorbrücken dargestellt. Die Fig. 2 b zeigt den annähernden Verlauf der Spulenspannung mit (durchgezogene Linie) und ohne Kondensator 7 (gestrichelte Kurve). In Fig. 2 c ist der Spulenstrom dargestellt.In Fig. 2 a, the switching voltages of the transistor bridges are shown. Fig. 2 b shows the approximate course of the coil voltage with (solid line) and without capacitor 7 (dashed curve). In Fig. 2 c, the coil current is shown.

In Fig. 3 stellt die Kurve a die Abhängigkeit des Drehmomentes von der Schrittfrequenz unter Verwendung des Kondensators 7 dar. Die Kurve b stellt diese Abhängigkeit ohne Verwendung des Kondensators 7 dar. Aus der Kurve a ist ersichtlich, daß in diesem Beispiel für die Errechnung der Resonanzfrequenz die dem maximalen Drehmoment entsprechende·Schrittfrequenz von 200 Hz erforderlich ist. Es können jedoch auch darunter liegende Frequenzen bis hinab zum Einzelschritt zum Antrieb verwendet werden, wobei <&nn allerdings das Drehmoment vermindert ist. Durch Verändern des Vorwiderstandes 6, der Kapazität des Kondensators 7 oder der Induktivität der Statorspule 1 kann der Schrittmotor somit im Rahmen seiner technischen Parameter den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.In Fig. 3, the curve a represents the dependence of the torque on the step frequency using the capacitor 7. The curve b represents this dependence without using the capacitor 7. From the curve a it can be seen that in this example for the calculation of Resonant frequency the maximum torque corresponding step frequency of 200 Hz is required. However, it is also possible to use underlying frequencies down to the single step to the drive, although the torque is reduced. By changing the series resistor 6, the capacitance of the capacitor 7 or the inductance of the stator coil 1, the stepper motor can thus be adapted within the scope of its technical parameters to the respective requirements.

Claims (2)

I * I * Erfindungsanspruch:Invention claim: 1. Schaltungsanordnung für die vereinfachte bipolare Schrittmotoransteuerung unter Verwendung einer Transistorbrückenschaltung zur Ansteuerung des Schrittmotors, gekennzeichnet dadurch, daß eine Seite der Statorspule (1) direkt an einem Zweig (2,3) der Transistorbrücke liegt, daß die andere Seite der Statorspule (1) über einen Vorwiderstand (6) und einen parallel liegenden Kondensator (7) mit dem anderen Zweig der Transistorbrücke verbunden ist und daß der Kondensator (7) mit der Statorspule (1) als Reihenresonanzkreis aufgebaut ist.1. Circuit arrangement for the simplified bipolar stepper motor drive using a transistor bridge circuit for driving the stepping motor, characterized in that one side of the stator coil (1) directly to a branch (2,3) of the transistor bridge is that the other side of the stator coil (1) is connected via a series resistor (6) and a parallel capacitor (7) to the other branch of the transistor bridge and that the capacitor (7) with the stator coil (1) is constructed as a series resonant circuit. 2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Reihenresonanzkreis für eine Frequenz von 0,35 der Schrittfrequenz aufgebaut ist.2. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that the series resonant circuit is constructed for a frequency of 0.35 of the step frequency. flierzu.ji .„Seiten Zeichnungenflierzu.ji. "Page drawings
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0044290A2 (en) * 1980-07-10 1982-01-20 Friedmann & Maier Aktiengesellschaft Circuit for influencing the commutation in stepper motors

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0044290A2 (en) * 1980-07-10 1982-01-20 Friedmann & Maier Aktiengesellschaft Circuit for influencing the commutation in stepper motors
EP0044290A3 (en) * 1980-07-10 1982-11-10 Friedmann & Maier Aktiengesellschaft Circuit for influencing the commutation in stepper motors

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