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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.
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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.
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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.
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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.
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Nach einem weiteren zweckmässigen Vorschlag nach der Erfindung werden
elektronische Mittel verwendet, die nach dem Digitalsystem arbeiten.
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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.
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Die nachfolgend dargestellte Logik kann mit allen bekannten Logiksystemen
realisiert werden.
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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.
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Figur 2 Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erz in dung.
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Figuren 3 bis 8 die durch die Vorrichtung nach der Erfindung in den
Wicklungen herrschenden Spannungen und die Ströme, aus denen sie zusammengesetzt
sind.
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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.
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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.
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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.
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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°.
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Die zur Ansteuerung der Schalt stufen notwendigen Impulsfolgen werden>durch
die Vorrichtung nach Figur 2 erzeugt.
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Ihr Aufbau ist folgender.
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6 ist ein Schieberegister mit 3 Elementen A, B, C das in Ringschaltung
arbeitet.
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5 ist ein Frequenzuntersetzer, der sowohl mit dem Schieberegister
6, als auch direkt mit einer Gatterreihe 7 bis 12 zusammenwirkt.
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Ferner weist die Vorrichtung 6 Gatter 7 bis 12 auf, die direkt mit
dem Schieberegister 6 zusammenwirken.
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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.
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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.
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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.
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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 ).
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Mit dem Schieberegister 6 werden die in Figur 5 mit A, B und C bezeichneten
Ströme mit der dort dargestellten Phasenverschiebung fortlaufend erzeugt.
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Die Gatter 7 bis 12 liefern einen passenden Austastimpuls zur Erzeugung
der erforderlichen Null-Phase.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Figur 2 zeigt die mit r/2 bezeichnete Frequenz zur Steuerung des Schieberegisters
6.
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In Figur 5 sind die vom Schieberegister 6 erzeugten Ströme A, B und
C mit ihren entspreohenden Phasenversehiebungen dargestellt.
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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.
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Diese Logik kann mit allen bekannten Logiksystemen realisiert werden.
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Da die Schaltung keine frequenzabhängigen Elemente enthält, kann sie
mit jeder beliebigen Frequenz betrieben werden und der Zyklus kann an jeder Stelle
angehalten werden.
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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.
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Die vorbeschriebene Umkehr kann an jeder beliebigen Stelle des Zyklus
vorgenommen werden ohne dabei die Stellung des Rotors zu verändern.
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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.
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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.
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Sämtliche im Text und in den Zeichnungen dargestellten Merkmale und
Kombinationen des Aufbaus und der Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung
sind erfindungswesentlich.