DE1613272C - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Schrittmotors - Google Patents

Description

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	zu	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 τ = Tj- erfolgt.

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 Schrittmotoren angegebenen Kennlinien, die das an der Welle abgegebene Antriebsmoment in Abhängigkeit von der Sclniui'iequeiiz /eigen, .-,ehoii bei verhältnismäßig niedrigen Schrittfrequenzen einen relativ steil abfallenden Verlauf, so daß Schaltungen zur Schnell-. erregung eingesetzt werden müssen.

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

τ = -=- 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 τ 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 versteuert werden, wobei jedoch ein überschwingen des Stroms eintritt.

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. '

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 leistungs- .

mäßig günstige elektronische Schalter wird daher aus zwei Schaltungsteilen bestehen, die einzeln ein optimales Verhalten für den jeweiligen Zustand aufweisen. 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.

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, daß 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 Serienschaltunu eines Widerstandes und einer Diode veiouiuien im.

An Hand der F i g. 3 soll im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.

In Übereinstimmung 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.

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 Parallelschaltung 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, S 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 τ = -=- 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. 3 a 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.

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 Ruhestrom, so daß sie keinen unerwünschten Beitrag zur Verlustleistung liefert.

Ein weiterer Vorteil der erfinderischen Schaltungsanordnung ist im dem Schutz der Schalter 8, 9, 10, 11 zu sehen. Die schädlichen hohen Spitzenspannungen werden abgeleitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   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, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den gemeinsamen Vorwiderstand (2; 3) und die parallelen Wicklungsinduktivitäten (4, 5; 6, 7) jeweils Dioden (301, 302, 303, 304) geschaltet sind und daß das Wicklungsende der einen Induktivität (4, 5; 6, 7) mit dem Wicklungsanfang der jeweils zugehörigen gegenüberliegenden Induktivität (5, 4; 7, 6) über die Serienschaltung eines Widerstandes (309, 310, 311, 312) und einer Diode (305, 306, 307, 308) verbunden ist.

   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.

   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: