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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung
eines Schrittmotors mit jeweils paarweise parallel angeordneten Wicklungsinduktivitäten,
die in Reihe mit einem gemeinsamen Vorwiderstand liegen und die wechselweise mittels
Schaltern an eine Betriebsspannung gelegt werden.
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Fast alle heute verwendeten bekannten Schrittmotoren sind nach diesem
in der F i g. 1 der Zeichnung dargestellten Schema aufgebaut. Aus einer Speisespannungsquelle
1 werden über Vorwiderstände 2, 3 die Parallelanordnungen der Induktivitäten
4,5;
6,7 in Abhängigkeit von dem Schaltzustand der Schalter 8, 9, 10, 11
angesteuert. Die Induktivitäten 4, 5; 6, 7 sind hierbei im Stator angeordnet. Durch
wechselweises Erregen der Induktivitäten über die im Gegentakt betriebenen Schalter
8, 9; 10, 11
erhält man eine Schrittfolge nach folgendem Schema:
| Schritt Schalter 8 Schalter 9 Schalter 10 Schalter 11 |
| 1 zu auf- zu auf |
| 2 zu auf auf zu |
| 3 auf zu auf. zu |
| 4 auf in zu auf |
| 1 zu auf zu auf |
In der F i g: 2 der Zeichnung ist die gleiche Schaltungsanordnung wie in F i g:
1 in umgezeichneter Form dargestellt. Zugleich zeigt F i g. 2 a den typischen Verlauf
des Stromanstieges in den Induktivitäten, der nach einer e-Funktion mit der Zeitkonstanten
erfolgt.
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Hinsichtlich des Stromanstieges und des Stromabfalls werden steile
Flanken angestrebt. Die Schnellerregung der Induktivitäten ist deshalb erforderlich,
weil auch bei hoher Betätigungsfrequenz der Schalter die Umladung der Induktivität
noch mit ausreichender Energie erfolgen muß. Im allgemeinen Ansteuerungsfall zeigen
die vom Hersteller der Schrittmotören'angegebenen Kennlinien, die das an der Welle
abgegebene Antriebsmoment "in Abhängigkeit von der S@tffreqüenz zeigen, schon bei
verhältnismäßig niedrigen Schrittfrequenzen einen relativ steil abfallenden Verlauf,
so daß Schaltungen zur Schnellerregung eingesetzt werden müssen.
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Es sind bereits eine Reihe von Schaltungen bekannt, die sich mit dem
schnellen Einschalten von Induktivitäten befassen. Die einfachste Schaltung geht
lediglich von der Tatsache aus, daß eine höhere Erregerspannung einen schnelleren
Stromanstieg bewirkt. Da gleichzeitig die Windungszahl-nicht erhöht wird, muß zur
Strombegrenzung ein zusätzlicher Widerstand eingefügt werden. Der wesentliche Nachteil
dieser Schaltung ist, daß die Verlustleistung stark vergrößert wird. Außerdem ist
der Nachteil des expotentiellen Stromanstieges nicht beseitigt, sondern es wird
lediglich durch Vergrößerung von R die Zeitkonstante
erniedrigt. Eine andre Möglichkeit besteht darin, nicht mit eingeprägter Spannung,
sondern mit eingeprägtem Strom zu arbeiten. Dadurch wird mit der Güte des konstant
gehaltenen Stromes der Widerstand R künstlich vergrößert, so daß -r sehr klein bleibt.
In einer Schaltungsvariante wird der strombegrenzende Zusatzwiderstand durch einen
Kondensator überbrückt. Durch geeignete Wahl der drei Schaltelemente L,
C und R kann der Stromanstieg wesentlich versteilert werden, wobei jedoch
ein 'öberschwingen des Stroms eintritt.
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Bekanntlich ist ebenfalls, die zum Aufbau des magnetischen Feldes
erforderliche Energie durch Umladen einer Hilfsinduktivität zu erzeugen. Diese Schaltung
hat jedoch den Nachteil, daß auch im Ruhezustand, d. h. wenn die Arbeitsinduktivität
bzw. der Elektromagnet nicht eingeschaltet ist, ein Strom durch die Hilfsinduktivität
fließen muß und so die Verlustleistung erhöht wird.
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Es wird daher im allgemeinen nicht möglich sein, mit einer Schaltung,
die für den Einschaltmoment optimal dimensioniert ist, im statischen Zustand ohne
größere Verlustleistung auszukommen. Der leistungsmäßig günstige elektronische Schalter
wird daher aus zwei Schaltungsteilen bestehen, die einzeln ein optimales Verhalten
für den jeweiligen Zustand aufweisen.
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Eine Schaltungsanordnung, die nach diesen Gesichtspunkten aufgebaut
ist, ist durch die deutsche Auslegeschrift 1203 314 bekanntgeworden. Zwecks einer
optimalen Ansteuerung wird dort die Induktivität während des Einschaltvorganges
zur Schnellerzeugung zunächst über einen elektronischen Kontakt an eine hohe Spannung
gelegt und nach Erreichen des Nennstromes über einen anderen elektronischen Kontakt
an eine niedrige Spannung angeschlossen. Der Umschaltmoment wird dabei von einer
Vergleichsschaltung bestimmt; in der eine aus der augenblicklichen Amplitude des
durch die Induktivität fließenden Stromes abgeleiteten Spannung mit einer dem Nennstrom
entsprechenden Spannung verglichen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art steile Flanken beim Stromanstieg und Stromabfall zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, däß zwischen den gemeinsamen
Vorwiderstand und die parallelen Wicklungsinduktivitäten jeweils Dioden geschaltet
sind und daß das Wicklungsende der einen Induktivität mit dem Wicklungsanfang der
jeweils zugehörigen gegenüberliegenden Induktivität über die Serienschaltung eines
Widerstandes und einer Diode verbunden ist.
An Hand der F i g. 3
soll im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
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In U6ereinstimmung mit den F i g. 1 und 2 speist eine Spannungsquelle
1 über die Vorwiderstände 2 und 3 die Parallelanordnung der Induktivitäten 4, 5
bzw. 6, 7. Die Erregung bzw. Entregung der Induktivitäten erfolgt über die im Gegentakt
betriebenen Schalter 8,9 bzw. 10, 11, die die Induktivitäten wechselweise
an die Bezugsspannung legen.
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Bei geforderter hoher Schrittfrequenz für den Schrittmotor muß die
Betätigungsfrequenz für die Schalter entsprechend hoch gewählt werden. Bei der bekannten
Schaltung nach F i g. 2 sinkt bei hoher Schrittfrequenz das an der Motorwelle abgegebene
Moment derart ab, daß eine Verwendung des Motors nicht mehr möglich ist. Weiterhin
wird auf Grund des schnellen Schaltspiels der Differentialquotient der Flußänderung
und damit die Spannung über den Schaltern so groß, daß bei Verwendung von Transistoren
diese durchbrechen oder bei Verwendung von mechanischen Schaltern die Kontakte infolge
des Öffnungsfunkens abbrennen. Abhilfe könnte in diesem Fall durch die Para11elschaltun-
einer Freilaufdiode zur Induktivität geschaffen werden, wie dies in der F i g. 2
gestrichelt angedeutet ist. Alle diese Schwierigkeiten werden durch die erfinderische
Schaltungsanordnung, die in der F i g. 3 dargestellt ist, vermieden. Hierzu sind
in Reihe zu den parallelen Induktivitäten 4, 5 bzw. 6, 7 Dioden 301, 302 bzw. 303,
304 geschaltet. Die Dioden liegen dabei zwischen dem jeweiligen gemeinsamen Vorwiderstand
2 bzw. 3 und den Induktivitäten 4, 5 bzw. 6, 7 und sind so gepolt, daß der durch
die Betriebsspannung verursachte Strom sie in Durchlaßrichtung vorfindet. Weiterhin
ist zwischen dem Wicklungsende jeder Induktivität und dem Wicklungsanfang der jeweils
zugehörigen gegenüberliegenden, parallelgeschalteten Induktivität die Serienschaltung
eines Widertandes 309, 310, 311, 312 und einer Diode 305, 306, 307, 308 vorgesehen.
Die Wirkungsweise der erfinderischen Schaltungsanordnung ist nun folgende: Es sei
angenommen, die Induktivität 4 werde von dem Nennstrom, der die geforderte Durchflutung
erzeugt, durchflossen. Wird nun der Schalter 8 plötzlich aufgerissen und Schalter
9 geschlossen, so entsteht auf Grund der plötzlichen Abschaltung an dem dem Schalter
8 zugekehrten Ende der Induktivität 4 eine sehr hohe Spannung, beispielsweise 100
V. Diese Spannung wird über den Widerstand 309 und die Diode 306 auf die Induktivität
5 geschaltet und bewirkt infolge ihres großen Wertes im ersten Augenblick einen
steilen Stromanstieg in der Induktivität 5. Sinkt die infolge der Abschaltung an
der Induktivität 4 entstandene Spannung unter den Wert der Betriebsspannung 1 ab,
so übernimmt die Betriebsspannung über den Widerstand 2 den Strom der Induktivität
5. Der weitere Verlauf des Stromanstiegs ist dann durch die Betriebsspannung und
die Zeitkonstante
vorgegeben, wobei L durch die Induktivität 5 und R durch den gemeinsamen Vorwiderstand
2 repräsentiert wird. Der Verlauf von Stromanstieg und -abfall ist in der F i g.
3a dargestellt. Die Versteilerung der Flanken ist offensichtlich. Man erhält mit
dieser Schaltungsanordnung einen wesentlich verbesserten Verlauf der Momentenkennlinie
des Schrittmotors in Abhängigkeit von der Schrittfrequenz. Des weiteren kann mit
Vorteil mit kleinen Betriebsspannungen und damit auch mit geringen Verlustleistungen
gearbeitet werden.
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Die genannten Vorteile werden dadurch erreicht, daß man jeweils eine
der beiden Induktivitäten als »Hilfsinduktivität« benutzt. Durch die »Hilfsinduktivität«
fließt jedoch im statischen Zustand kein Ruhe-Strom, so daß sie keinen unerwünschten
Beitrag zur Verlustleistung liefert.
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Ein weiterer Vorteil der erfinderischen Schaltungsanordnung ist im
dem Schutz der Schalter 8, 9, 10, 11 zu sehen. Die schädlichen hohen Spitzenspannungen
werden abgeleitet.