-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum
Betreiben von Schrittmotoren, durch Choppen eines vorgegebenen Stromverlaufes
zur Ansteuerung bzw. Kommutierung des Schrittmotors.
-
Schrittmotoren
können
aus dem Stand heraus und bei geringen Drehzahlen bereits ein relativ hohes
Drehmoment erzeugen. Sie werden deshalb bevorzugt für Anwendungen
mit geringen Drehzahlen (d. h. maximal einigen Umdrehungen pro Sekunde)
verwendet, da hierbei auf Getriebe, die bei üblichen Gleichstrommotoren
eingesetzt werden müssen,
verzichtet werden kann.
-
In
zunehmendem Maße
besteht jedoch der Wunsch, auch bei Anwendungen mit relativ hohen Drehzahlen
(d. h. einigen 1000 Umdrehungen pro Sekunde) auf Getriebe zu verzichten,
und es wird versucht, dies ebenfalls mit Schrittmotoren zu realisieren.
-
Dabei
hat sich gezeigt, dass der Betrieb von Schrittmotoren bei hohen
Drehzahlen mit Problemen bzw. Instabilitäten verbunden sein kann, die
durch Lastwinkelschwankungen, Störungen
bei der Kommutierung, Schrittverluste, Schwankungen der Drehzahl
usw. verursacht werden.
-
Eine
Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, besteht deshalb darin,
ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit dem/der Schrittmotoren
auch bei hohen Drehzahlen stabil betrieben werden können.
-
Gelöst wird
diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Schaltungsanordnung
gemäß Anspruch
6.
-
Die
Unteransprüche
haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
-
Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung einer beispielhaften bevorzugten Ausführungsform
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
-
1 einen
schematischen, vorgegebenen Stromverlauf zur Ansteuerung eines Schrittmotors;
-
2 eine
Abtastung des Stromverlaufes gemäß 1 mit
einem nichtsynchronen Choppertakt zur Veranschaulichung der sich
dadurch ergebenden Schwebungen;
-
3 eine
Abtastung des Stromverlaufes gemäß 1 mit
einem synchronen Choppertakt;
-
4 ein
Blockschaltbild zur Erzeugung eines mit einem vorgegebenen Stromverlauf
synchronen Choppertakts.
-
Der
erfindungsgemäßen Lösung der
eingangs dargestellten Problematik liegen folgende Erkenntnisse
zu Grunde:
-
Der
Lastwinkel, das heißt
der Winkel zwischen dem Feld, das durch eine Motorspule durch den
zur Ansteuerung des Motors in diese eingeprägten Motor-Treiberstrom erzeugt
wird, und dem Winkel des Feldes des Rotors, beträgt im unteren Drehzahlbereich
und ohne mechanische Motorlast im Wesentlichen 0 Grad. Bei geringer
Motorlast steigt dieser Lastwinkel auf geringe Werte an.
-
In
diesem Betriebszustand wirkt somit die durch den sich drehenden
Rotor in den Statorspulen gegeninduzierte Spannung, die so genannte Black-EMF,
der an die Statorspulen angelegten Ansteuerspannung (Spulenspannung)
betragsmäßig im Wesentlichen
direkt entgegen.
-
Da
typische Industrie-Schrittmotoren eine hohe Induktivität aufweisen
und somit eine hohe Back-EMF erzeugen, tritt insbesondere bei diesen Motoren
schon bei relativ wenigen Umdrehungen pro Sekunde der Fall ein,
in dem die theoretisch notwendige Spulenspannung, nämlich Ucoil = Back-EMF + R·I + j·2·π·f·L, das Potenzial der Versorgungsspannung
erreicht.
-
Bei
industriellen Anwendungen steht in vielen Fällen nur eine Versorgungsspannung
von 24 Volt zur Verfügung.
Da ferner Schrittmotoren mit kostengünstigen integrierten Schaltkreisen
angesteuert werden sollen, mit denen je nach verwendeter Technologie
der Treiber-ICs die Versorgungsspannungsgrenzen zwischen etwa 30
bis 50 Volt liegen, ist es im allgemeinen nicht möglich, die
Versorgungsspannung auf die insbesondere für höhere Drehzahlen erforderlichen
Pegel anzuheben.
-
Für eine maximal
zur Verfügung
stehende Versorgungsspannung ist somit eine durch die Motorcharakteristik
bestimmte, obere Drehzahlgrenze des Motors gegeben, bei der die
Spulenspannung die Versorgungsspannung erreicht.
-
Oberhalb
dieser Drehzahlgrenze arbeitet der Schrittmotor in einem sog. Feldschwächungsbetrieb mit
erhöhtem
Lastwinkel, da der für
den Betrieb notwendige Spulenstrom bei einem Lastwinkel von 0° nicht mehr
erreichbar ist.
-
In
diesem Betriebszustand ist der Motor gegen Lastwinkelschwankungen
sehr empfindlich, da sich eine Veränderung des Lastwinkels auf
Grund obiger Gleichung der Spulenspannung unmittelbar auch auf den
Motorstrom auswirkt, der wiederum dessen Drehmoment bestimmt bzw.
verändert.
-
Störungen der
Kommutierung können
sich zum Beispiel innerhalb von wenigen Sekunden aufschaukeln und
dann zu einem Schrittverlust und einer entsprechend abfallenden
Drehzahl des Motors bis hin zum Stillstand des Motors führen.
-
Da
die Schrittmotoren aus Kostengründen
im Allgemeinen gesteuert betrieben beziehungsweise sensorlos kommutiert
werden, ist es jedoch unbedingt erforderlich, dass der Motor der
Ansteuerung absolut zuverlässig
folgt.
-
Dies
bedeutet, dass die Kommutierung der Spulenströme sehr exakt mit konstanter
bzw. einer durch die gewünschte
Drehzahl vorgegebenen Frequenz durchgeführt werden muss und insbesondere keinen
Jitter enthalten darf, der die Resonanz-Eigenfrequenz des Motors angeregen kann.
Diese liegt typisch im Bereich zwischen einigen 10 Hz bis wenigen 100
Hz.
-
Es
hat sich gezeigt, dass ein solcher Jitter bereits über eine
Schwebung zwischen der Kommutierungsfrequenz und der Frequenz der
zur Stromregelung verwendeten Pulsbreitenmodulation (PWM) entstehen
kann. Üblicherweise
können
daher in solchen Konfigurationen Schrittmotoren nur mit zusätzlichen
Maßnahmen
wie z. B. mechanischen Schwingungsdämpfern in hohen Drehzahlbereichen
betrieben werden.
-
1 zeigt
beispielhaft einen vorgegebenen Stromverlauf zur Ansteuerung bzw.
Kommutierung eines Schrittmotors, wobei jeweils eine halbe elektrische
Periode p, entsprechend zweier Vollschritte des Motors angedeutet
ist.
-
Es
sei angemerkt, dass auch andere Stromverläufe vorgegeben werden können. Sie
werden in Abhängigkeit
von der Motorgeometrie und dem Schrittyp (z. B. Sinuswellen für Mikroschritte,
Rechteck für
Vollschritte) gewählt.
-
Anstatt
diese Stromverläufe
direkt an die Motorspulen anzulegen, werden Schrittmotoren häufig gechoppert
betrieben, um einen hohen Wirkungsgrad der Endstufe zu sichern.
Der Chopperbetrieb ist eine Form der Pulsweitenmodulation (PWM),
das heißt
eine Regelung des Spulenstroms, mit der z. B. auch Schrittmotoren
mit relativ geringer Nennspannung mit einer wesentlich größeren Betriebsspannung
versorgt werden können.
-
Dabei
kann auf Filterelemente im Treiber aus Kostengründen verzichtet werden, da
die Induktivität der
Motorspulen selbst für
eine Glättung
des Stromverlaufs sorgt. Die Motorspule wird dabei über den Treiber
so gechoppt, dass der mittlere Strom dem aus dem vorgegebenen Stromverlauf
resultierenden Sollstrom entspricht (d. h. die Spulenspannung wird derart
definiert unterbrochen, dass der Spulenstrom um den gewünschten
Sollwert ”pendelt”). Die
notwendige Einschaltdauer des Choppers ergibt sich dabei im wesentlichen über die
Versorgungsspannung abzüglich
der Gegen-EMK, die Induktivität
des Motors und seinen Innenwiderstand. Aufgrund der Abhängigkeit
von einer Vielzahl von Parametern werden die Chopper in integrierten
Treibern als Stromregler ausgeführt,
so dass sich die Spuleneinschaltzeiten automatisch einstellen.
-
Für den Chopperbetrieb
muss also der vorgegebene Stromverlauf mit dem Choppertakt abgetastet
werden. Dabei können
gemäß 2 bei
ungünstiger
Lage der Abtastzeitpunkte C geringfügige Frequenzunterschiede zwischen
dem Abtastsignal und dem vorgegebenen Stromverlauf auftreten, durch
die Schwebungen erzeugt werden. Diese Schwebungen sind in 2 in
Form der sich teilweise überlappenden
beziehungsweise voneinander beabstandeten halben elektrischen Perioden
p dargestellt.
-
Zum
Betrieb eines Schrittmotors über
Konstantströme,
die über
eine Pulsbreitenmodulation in die Statorspulen eingeprägt werden,
werden alternativ im wesentlichen zwei Verfahren eingesetzt, nämlich entweder
Konstantfrequenz-Chopper oder Chopper mit fester Abschaltzeit (Const
toff). Das Abschalten des Spulenstroms wird bei beiden Verfahren
bei Schrittmotor-ICs typischerweise über einen Stromkomparator geregelt,
der die Spule abschaltet, sobald der Spulen-Sollstrom erreicht ist.
-
Die
Chopperfrequenz sollte außerhalb
des hörbaren
Bereichs liegen, um kein zirpendes Geräusch zu erzeugen. Eine höhere Chopperfrequenz erlaubt
dabei eine schnellere Stromregelung. Aus Überlegungen der Schaltverluste
des Choppers heraus sollte die Chopperfrequenz allerdings eher niedrig
liegen. Als Kompromiß werden
meist Werte zwischen etwa 20 kHz und etwa 50 kHz gewählt. Die
Induktivität
der Motoren ist so hoch, dass sie innerhalb dieses Bereiches meist
keine Beschränkung
darstellt.
-
Beim
Konstantfrequnz-Chopper besteht systemgegeben die oben beschriebene
Gefahr von Schwebungen zwischen der PWM-Frequenz und der Motorkommutierung.
Schrittmotoren können
daher mit diesem Verfahren meist nicht sehr schnell gedreht werden,
da diese Schwebungen bereits bei einigen 10 Choppertakten je elektrischer
Welle einen signifikanten (instabilen) Stromanteil ausmachen können, und
die beschriebene Gefahr eines Schrittverlustes durch Schwebungen
bereits bei einigen 100 Hz elektrischer Kommutierungsfrequenz besteht.
-
Bei
Choppern mit fester Abschaltzeit ergibt sich zwar eine systembedingte
Synchronität
zwischen Choppertakt und Kommutierung des Motors. Dieses Verfahren
hat jedoch andere Nachteile, wie eine in weiten Bereichen variable
Chopperfrequenz, und es kann nicht mit jedem Motor-Kommutierungsalgorithmus
kombiniert werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
beseitigt diese Nachteile und kann für integrierte Schaltkreise verwendet
werden, um den stabil nutzbaren Drehzahlbereich eines Schrittmotors
deutlich zu erhöhen: Der
Choppertakt, das heißt
der zeitliche Abstand der Abtastzeitpunkte C, wird dazu gemäß 3 mit
der Frequenz des vorgegebenen Stromverlaufes gemäß 1 (d. h. der
Motorkommutierung) zeitlich synchronisiert, so dass der Choppertakt
vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches dieser Frequenz ist und die
in 2 gezeigten Schwebungen nicht mehr auftreten können.
-
Realisiert
wird dies mit der in 4 beispielhaft gezeigten Schaltungsanordnung,
die einen Choppertakt-Generator 1 zur Erzeugung des Choppertaktes
ctk aufweist, der einer Motor-Treiberstufe (nicht dargestellt) zugeführt wird.
An dem Choppertakt-Generator 1 liegt ein Systemtakt clk
von z. B. 16 MHz sowie ein Schritttakt st der Vollschritte des Motors
zum Rücksetzen
des Choppertakt-Generators 1 an.
-
Die
Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Zeitmesseinrichtung 2,
an der ebenfalls der Vollschritt-Takt st anliegt und mit der die
Zeitdauer zwischen zwei Vollschritten, bezogen auf den (vergleichsweise
hohen) Systemtakt clk, gemessen wird. Diese Zeitdauer wird einem
nominalen Taktteiler 3 für den Choppertakt zugeführt und
dort durch den nominalen Choppertaktteilerwert dividiert. Das Ergebnis wird
einer Rundungseinheit 4 zugeführt, an deren Ausgang die nominale
Anzahl von Chopperzyklen zwischen zwei Vollschritten anliegt, mit
der der Choppertakt-Generator 1 gesteuert
wird.
-
Somit
wird also der Choppertakt durch Messung der Vollschrittrate des
Motors bezogen auf einen Systemtakt synchronisiert. Dieser Systemtakt wird
durch den Choppertaktteiler 3 auf die gewünschte Choppertaktfrequenz
herabgeteilt. Sobald ein Schritttakt anliegt, dessen Frequenz nicht
zu gering ist (beispielsweise wird dieser über eine Überlauflogik in der Zeitmessung
detektiert), wird die Taktzwischenzeit durch den nominalen Choppertaktteilerwert
dividiert. Das abgerundete Ergebnis steuert dann den Choppertaktgenerator 1.
Damit der so generierte Choppertakt exakt synchron wird, wird dieser mit
jedem neuen Vollschritt zurückgesetzt.
-
Diese
Lösung
verhindert das Auftreten von Schwebungen im für den Motor kritischen Frequenzbereich
von einigen 10 Hz bis wenigen 100 Hz, so dass der Motor auch im
hohen Drehzahlbereich zuverlässig
betrieben werden kann. Sie ist auch für fortgeschrittene Kommutierungsverfahren
anwendbar, bei denen beispielsweise der Motorstrom nicht auf Zyklenbasis,
sondern über
mehrere Chopperzyklen Bemittelt geregelt wird.