DE1907762A1 - Vorrichtung zum schrittweisen Antreiben eines Elektromotors - Google Patents

Vorrichtung zum schrittweisen Antreiben eines Elektromotors

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DE1907762A1 DE19691907762 DE1907762A DE1907762A1 DE 1907762 A1 DE1907762 A1 DE 1907762A1 DE 19691907762 DE19691907762 DE 19691907762 DE 1907762 A DE1907762 A DE 1907762A DE 1907762 A1 DE1907762 A1 DE 1907762A1
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
    • H02P8/22Control of step size; Intermediate stepping, e.g. microstepping

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)

Description

  • Vorrichtung zum schrittweisen Antreiben eines Elektromotors Die Erfindung betrifft ein Verrahren und eine Vorrichtung zum schrittweisen Antreiben eines Elektromotors. Dazu wird in den meisten Fällen ein Permanentmagnet in einem sich schrittweise drehenden Magnetfeld verwendet. Je nach Anzahl der Pole des Permanentmagneten und der Feldwicklungen ergeben sich dabei pro Schritt unterschiedliche Drehwinkel.
  • Das sich drehende Magnetfeld wird meistens durch zwei rechtwinkelig zueinander angeordnete Feldwicklungen erzeugt, in denen die Stromrichtungen in beiden Wicklungen entsprechend umgepolt werden. Damit ergeben sich bei einem Rotormagneten mit einem Polpaar vier Schritte pro Umdrehung.
  • Bei elektronischer Ansteuerung werden die Feldwicklungen meist als Doppelwicklungen ausgerührt um£Ur beide Feldo richtungen getrennte Strompfade verwenden zu können. Damit ist aber eine schlechte Ausnutzung des Wickelraumes verbunden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil dadurch zu vermeiden, dass eine Vorrichtung zum schrittweisen Antreiben von Elektromotoren geschaffen wird, die mit Hilfe eines drehbaren Permanentmagneten, auf den ein elektronisch erzeugtes Drehfeld schrittweise einwirkt, arbeitet. Erfindungsgemäss ist dazu bei Verwendung eines Drei-Phasen-Motors ein Feldumlauf in 12 Schritte unterteilt. Damit ergibt sich eine wesentlich bessere Ausnutzung des Wickelraumes. Durch die Unterteilung der Felddrehung in 12 verschiedene Stromzustände wird ein aus einem Polpaar bestehender Rotormagnet in 12 Schritten pro Umdrehung gesteuert.
  • Nach einem weiteren zweckmässigen Vorschlag nach der Erfindung werden elektronische Mittel verwendet, die nach dem Digitalsystem arbeiten.
  • Lin weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der Errindung ist, dass die Schaltung keine frequenzabhängigen Elemente enthält, und die Drehriohting des Motors mit Hilfe einer einfachen Erweiterung der Sohaltung durch ein zusätzliches Signal aus jeder Stellung umgekehrt werden kann.
  • Die nachfolgend dargestellte Logik kann mit allen bekannten Logiksystemen realisiert werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines AusfUhrungsbeispiels mit Hilfe von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 die 12 verschiedenen Stellungen des Rotormagneten und die entsprechenden elektrischen Felder.
  • Figur 2 Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erz in dung.
  • Figuren 3 bis 8 die durch die Vorrichtung nach der Erfindung in den Wicklungen herrschenden Spannungen und die Ströme, aus denen sie zusammengesetzt sind.
  • Die 12 Einzelbilder nach Figur 1 stellen symbolisch die 3 um je 1200 gegeneinander versetzten Feldwicklungen 1, 2 und 3 dar. Die Darstellungen unterscheiden sich hauptsächlich durch die Stellung des drehbaren Permanentmagneten 4, und durch die unterschiedlichen Spannungen, die an den Feldwicklungen liegen.
  • Die Stellungen des Magneten 4 sind durch die 3 möglichen Spannungswerte Null, Plus und Minus definiert, welche zur gleichen Zeit an den Feldwicklungen 1, 2 und 3 liegen.
  • Verfolgt man im Bild die zeitliche Änderung der Spannung, beispielsweise am Punkt 1, beginnend bei der Stellung Null °, so ergibt sich folgendes: ° +++++ 0 Am Dreieckspunkt 2, ebenfalls beginnend mit der Stellung Null ° ist die Spannungsfolger 0 + + + + + 0 -Am Dreieckspunkt 3 verläuft sie zu gleichen Zeitpunkten, entsprechend wie aus Figur ersichtlich.
  • Durch die Überlagerung dieser Spannungen entsteht dann das in Figur 1 dargestellte resultierende Feld, mit der dort dargestellten Stellung des Magneten 4 nach jeweils 30°.
  • Die zur Ansteuerung der Schalt stufen notwendigen Impulsfolgen werden>durch die Vorrichtung nach Figur 2 erzeugt.
  • Ihr Aufbau ist folgender.
  • 6 ist ein Schieberegister mit 3 Elementen A, B, C das in Ringschaltung arbeitet.
  • 5 ist ein Frequenzuntersetzer, der sowohl mit dem Schieberegister 6, als auch direkt mit einer Gatterreihe 7 bis 12 zusammenwirkt.
  • Ferner weist die Vorrichtung 6 Gatter 7 bis 12 auf, die direkt mit dem Schieberegister 6 zusammenwirken.
  • Eine weitere Reihe von 6 Gattern 13 bis 18 wirken sowohl direkt mit dem Schieberegister 6, als auch mit den Gattern 7 bis 12 zusammen.
  • An den Gattern 13 bis 18 liegen 6 teistungsschaltstufen 19 bis 24, die den Einspeisungspunkt des Motors jeweils an den positiven ( z.B. 1 + ) bzw. den negativen ( z.B.
  • 1 - ) Pol der Betriebsspannung legen. Von diesen Stufen stehen je 2, nämlich 19 und 20 mit der Motorwicklung 1, 21, 22 mit der Motorwicklung 2 und 23, 24 mit der Motorwicklung 3 in Verbindung.
  • Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende Der Untersetzer 5 liefert zur Steuerung des Schieberegisters 6 die Frequenz f durch 2. Dabei ist f die Eingangs- oder Arbeitsfrequenz, mit der auch die Anlage als solche arbeitet. Der Motor verändert daher bei jedem Eingangsimpuls seine Stellung ( o.g. 12-S¢hritt-Unterteilung ).
  • Mit dem Schieberegister 6 werden die in Figur 5 mit A, B und C bezeichneten Ströme mit der dort dargestellten Phasenverschiebung fortlaufend erzeugt.
  • Die Gatter 7 bis 12 liefern einen passenden Austastimpuls zur Erzeugung der erforderlichen Null-Phase.
  • Die zweite Gruppe von Gattern 13 bis 18 haben die Aurgabe, die jeweilige positive bzw. negative Phase um den Austastimpuls durch vorzeitiges Abschalten der Betriebsspannung zu verkürzen, sodass die positive bzw. negative Phase jeweils nur 5 Takte dauert, und dazwischen die erforderliohe Null-Phase auftritt.
  • Mit den von den Gattern 7 bis 18, die sowohl Und-Gatter, als auch Oder-Gatter sein können, erzeugen Impulsfolgen werden dann die Endgatter 19 bis 24 gesteuert. Vergleioht man dazu die vom Schieberegister erzeugten Spannungen mit den geforderten Impulsfolgen, so zeigt sich, dass diese im wesentlichen der jeweiligen 0- bzw. L-Stellung der Flipflops entsprechen.
  • Es wird also in der positiven Phase der positive Pol der Betriebsspannung und in der negativen Phase der negative Pol der Betriebsspannung an die Motorwicklung gelegt.
  • Durch die Verkürzung der positiven bzw. negativen Phase wird in der Null-Phase kein Pol der Betriebsspannung an die Motorwicklung gelegt. Durch das Einfügen der Null-Phase ergibt sich noch folgender Vorteil: Bei einer derartigen Steuerung ist es für die Schalttransistoren wichtig, dass das Absohalten sehr schnell erfolgt, da im gleichen Augenblick der entgegengesetzte Pol der Betriebsspannung an den Motor gelegt wird. Es kann sich dabei ein momentaner Kurzschluss ergeben, der die Verlustleistung erheblich erhöht. Dieses Problem ist durch die Null-Phase völlig beseitigt, da hier immer 1 Takt Abstand zwischen dem Ausschalten des einen Pols und dem Einschalten des anderen Pols der Bebriebsspannung liegt.
  • In Figur 3 ist die Arbeitsfrequenz mit f bezeichnet, während die arabischen Ziffern 0 bis 11 die einzelnen Taktfolgen darstellen, welohe den einzelnen Motorsohritten entsprechen.
  • Figur 2 zeigt die mit r/2 bezeichnete Frequenz zur Steuerung des Schieberegisters 6.
  • In Figur 5 sind die vom Schieberegister 6 erzeugten Ströme A, B und C mit ihren entspreohenden Phasenversehiebungen dargestellt.
  • Die Figuren 6 bis 8 zeigen die an den Wicklungen 1 bzw. 2, bzw. 3 zu jedem Zeitpunkt 0, 1, 2 oder 3 nach Figur 3 liegenden resultierenden Spannungen, welche sich aus den mit 1 plus und 1 minus uswi bezeichneten durch die Leistungsschaltstufen 19 und 20 bzw. 21 und 22 usw. gelieferten Ströme zusammensetzen.
  • Diese Logik kann mit allen bekannten Logiksystemen realisiert werden.
  • Da die Schaltung keine frequenzabhängigen Elemente enthält, kann sie mit jeder beliebigen Frequenz betrieben werden und der Zyklus kann an jeder Stelle angehalten werden.
  • Durch eine einfache Erweiterung der Schaltung kann mit einem zusätzlichen Signal auch die Drehrichtung umgekehrt werden, in dem in an sich bekannter Weise die Schieberichtung des 3-stufigen Schieberegisters umgeschaltet wird Da die Schieberichtung durch die interne Verbindung der einzelnen Flipflops vorgegeben ist, kann man durch Einfügen von Gattern die Verbindungen auftrennen und dafür andere Verbindungen wirksam werden lassen. Diese Gatter werden von einem Steuersignal geöffnet bzw. geschlossen. Da alle diese Verbindungen nur zur Vorbereitung des nächsten Schrittes dienen, wird die Stellung des Schieberegisters durch die Umschaltung nicht verändert. Erst der nächste Impuls von aussen lässt diese Vorbereitung wirksam werden und den Motor einen Schritt ausführen.
  • Die vorbeschriebene Umkehr kann an jeder beliebigen Stelle des Zyklus vorgenommen werden ohne dabei die Stellung des Rotors zu verändern.
  • Für die Gatter können entweder von der vollen Betriebsspannung beaufschlagte Halbleiter verwendet werden. Da es sich um rein digitale Schaltzustände handelt, sind die Verlustleistungen in den Steuertransistoren vermieden.
  • Es können aber auch mit Niederspannung betriebene Transistoren Verwendung finden, wobei die Stufen 5 bis 18 mit der Niederspannung der Logik und die Stufen 19 bis 24 mit der vollen Betriebs spannung des Motors betrieben werden. Da der Einspeisungspunkt des Motors sowohl mit dem positiven, als auch mit dem negativen Pol der Betriebsspannung verbunden werden muss, sind dabei je Einspeisungspunkt zwei Transistoren erforderlich. Danach enthält jede Stufe einen Leistungsschalter für eine Stromrichtung. Durch paarweises Zusammenschalten entsteht dann der geforderte bipolare Schalter. Es wird also die Oder-Funktion erst durch das Verbinden der Ausgänge der beiden Leistungsschalter geschaffen.
  • Sämtliche im Text und in den Zeichnungen dargestellten Merkmale und Kombinationen des Aufbaus und der Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung sind erfindungswesentlich.

Claims (6)

  1. " Vorrichtung zum schrittweisen
    Antreiben eines Elektromotors P a t e n t a n s p r ü c h e Vorrichtung zum schrittweisen Antrieben von Elektromotoren mit Hilfe eines drehbaren Permanentmagneten, auf den ein elektronisch erzeugtes Drehfeld schritt weise einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Drei-Phasen-Motors ein Feldumlauf in 12 Schritte unterteilt ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet 9 dass die für die Steuerung der Endstufen notwendige Impulsform mit Mitteln der Digitaltechnik erzeugt wird.
  3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch ein ringgeschaltetes Schieberegister (6) mit sechs verschiedenen Stellungen, welches mit einer Gruppe von sechs Gattern (7 bis 12) zur Erzeugung der Null-Phase, mit weiteren sechs Gattern (13 bis 18) zur Verkürzung der Impulsfolge, bzw. jeweilige Phase um je einen Takt, und mit einer weiteren Gruppe von sechs Leistungsschaltern zusammenwirkt, derart, dass sämtliche Ströme überlagert werden und die Leistungsschalter (19 bis 24) die endgültige Form der Antriebsspannung gestalten.
  4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenz gleich der Schritt frequenz ist,
  5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Halbleitern die Motorspanung liegt, wobei zur Erzielung geringer Verlustleistungen die Leistungsschalter entweder gesperrt oder voll leitend sind.
  6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Halbleitern Niederspannung liegt, und dass in den zu den Wicklungen ( 1, 2, 3 ) führenden Leitungen jeweils zwei Halbleiter-Schalt elemente angeordnet sind die einerseits von der Niederspannung und andererseits von der Motorspan nung beaufschlagt sind vorbei der Einspeisungspunkt des Motors sowohl mit dem positiven, als auch mit dem negativen Pol der Betriebsspannung verbindbar sein muss.
    L e e r s e i t e
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CH177270A CH521047A (de) 1969-02-15 1970-02-06 Einrichtung bestehend aus einer elektronischen Steueranordnung und einem Schrittmotor
FR7004228A FR2034021A5 (de) 1969-02-15 1970-02-06
GB6606/70A GB1300098A (en) 1969-02-15 1970-02-11 A stepping motor
US11804A US3621358A (en) 1969-02-15 1970-02-16 Stepping motor having positive, negative or zero potential applied to points of delta connected stator winding

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0269908A2 (de) * 1986-12-04 1988-06-08 Gerhard Berger GmbH & Co. KG Fabrik elektrischer Geräte Ansteuerschaltung für 5-Phasen-Schrittmotor sowie Verfahren zum Ansteuern
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