DE19704089A1 - Verfahren zur Steuerung eines Zerhacker(Chopper)-Treibers und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Zer­ hacker(Chopper)-Treibers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Elektrische Lasten, insbesondere Schrittmotoren, werden häufig mit sogenannten Brückenschaltungen in der Ansteuerungs­ elektronik betrieben. Eine solche Brückenschaltung kann bei­ spielsweise nach Art der bekannten Wheatstone'schen Brücke aufgebaut sein, die in einem Zweig eine Gleichspannungsquelle und in einem anderen Zweig eine Last aufweist. Die Wider­ standszweige enthalten anstelle der ohmschen Widerstände je­ weils einen mittels eines Steuersignals schaltbaren Halblei­ ter, wie beispielsweise einen Transistor, MOS FET o. ä. (In der folgenden Beschreibung wird der Einfachheitheit halber für schaltbarer Halbleiter im allgemeinen nur noch der Begriff (schaltbarer) Transistor verwendet.) Eine solche bekannte Brückenschaltung, die auch als H-Brückenschaltung bezeichnet wird, zum Steuern eines Zerhacker(Chopper)-Treibers ist in Fig. 1 dargestellt und wird hinsichtlich ihrer Funktion im folgenden beschrieben.

Die in Fig. 1 gezeigte H-Brückenschaltung enthält in einem Speisezweig eine Gleichspannungsquelle V1, in den vier Wider­ standszweigen die Kollektor-Emitter-Strecken C-E von vier durch ein Steuersignal schaltbaren Transistoren T1 bis T4 und in einem Lastzweig (= Meßzweig) eine elektrische Last L1 mit induktiver Komponente sowie in Reihe zu dieser einen Meßwider­ stand R_mess. Die Last L1 mit induktiver Komponente kann bei­ spielsweise durch einen Schrittmotor gebildet sein. Ein Strom­ fluß durch eine solche Last L1 ergibt sich durch entsprechen­ des Schalten der Transistoren T1 bis T4 mit Hilfe der Steuer­ signale.

Sind die in zwei zueinander diagonalen Brückenzweigen angeord­ neten Transistoren T1 und T4 geschlossen, d. h. in leitendem Zustand, so fließt der Strom in einer Bahn 1, wie sie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. Soll der Strom durch die Last L1 mit induktiver Komponente in entgegengesetzter Richtung ge­ trieben werden, so sind mittels der Steuersignale die beiden Transistoren T2 und T3 in den beiden anderen, diagonal zuein­ ander liegenden Brückenzweigen zu schließen, d. h. in leitenden Zustand zu schalten. In beiden geschalteten Stromflußrichtun­ gen sind jeweils die beiden anderen Transistoren (im ersten Fall also die Transistoren T2 und T3 und im zweiten Fall die Transistoren T1 und T4) offen, d. h. in den nichtleitenden Zu­ stand geschaltet.

Bei Lasten L1 mit induktiver Komponente, beispielsweise also auch Motoren, ergibt sich beim Ausschalten eines Transistor­ paares ein Problem, das darin besteht, daß sich aufgrund einer vorhandenen induktiven Komponente der Last L1 und der damit verbundenen magnetischen Energie der Stromfluß nicht abrupt unterbrechen läßt. Zum Schutz der Transistoren T1 bis T4 vor Überspannungen müssen sogenannte Freilaufzweige eingebaut wer­ den, die gemäß Fig. 1 mit Dioden (Freilaufdioden) D1 bis D4 bestückt sind. Die Dioden D1 bis D4 in den Freilaufzweigen sind den Kollektor-Emitter-Strecken C-E der Transistoren T1 bis T4 jeweils parallel geschaltet, wobei sie so gepolt sind, daß ihre Stromflußrichtung jeweils umgekehrt ist zu der Strom­ flußrichtung des jeweils zugeordneten Transistors T1 bis T4.

Beim Transistor-Ausschalten wird zwischen zwei Betriebsarten unterschieden, die im folgenden beschrieben werden. Beim soge­ nannten Freilaufbetrieb (slow current decay mode) wird beim Ausschalten nur ein Transistor geöffnet. Fließt also entspre­ chend dem Beispiel nach Fig. 1 der Strom zunächst wie durch die gestrichelt dargestellte Bahn 1 gezeigt, so wird bei die­ ser Betriebsart entweder der Transistor T1 oder der Transistor T4 geöffnet, d. h. in den nichtleitenden Zustand versetzt. Der Strom fließt dann entsprechend der Bahn 2 (über die Diode D3 und den Transistor T4) bzw. entsprechend der Bahn 3 (über die Diode D2 und den Transistor T1). Die magnetische Energie aus der Last L1 mit induktiver Komponente und damit der Strom wird nur sehr langsam über die Freilaufdioden D3 bzw. D2 und die Transistoren T4 bzw. T1 abgebaut.

Beim sogenannten regenerativen Betrieb (fast current decay mo­ de) werden beim Ausschalten beide eingeschalteten Transistoren geöffnet. Fließt also entsprechend dem Beispiel nach Fig. 1 der Strom zunächst wie in der gestrichelt dargestellten Bahn 1 gezeigt ist, so werden bei dieser Betriebsart beide Transisto­ ren T1 und T4 geöffnet, d. h. in den nichtleitenden Zustand versetzt. Die in der Last L1 mit induktiver Komponente ge­ speicherte magnetische Energie fließt als Strom über die zwei Freilaufdioden D2 und D3 in die Versorgungsspannungsquelle V1 zurück. Dieser Stromweg ist in Fig. 1 als Bahn 4 eingezeich­ net. Der Abbau der magnetischen Energie und damit auch der Stromabbau erfolgen sehr rasch, da die Versorgungsspannung der Quelle V1 sehr viel höher ist als die beiden Durchlaß­ spannungen der Freilaufdioden D2 und D3.

Bei Zerhacker(Chopper)-Treibern wird sehr oft ein- und ausge­ schaltet. Hier können durch die Wahl des Freilaufzweiges die Eigenschaften des Gesamtsystems in erheblichem Maße beeinflußt werden.

Bei bekannten Choppertreibern wird beispielsweise über einen Meßwiderstand, wie er in der Brückenschaltung nach Fig. 1 als Meßwiderstand R_mess enthalten ist, der Iststrom durch die Last (in Fig. 1 die Last L1 mit induktiver Komponente) gemes­ sen. Erreicht dieser Iststrom den vorgegebenen Sollstrom, so schaltet der Treiber je nach Ausführung in die Freilaufbe­ triebsart oder in die regenerative Betriebsart um. Nach einer vorgegebenen Zeit (Chopperperiode) werden die Transistoren wieder geschlossen und der Sollwert-Istwert-Vergleich beginnt von neuem.

Herkömmliche Choppertreiber wie der Choppertreiber 3952 (Full-Bridge-PWM Motor Driver) von der Firma Allegro MicroSystems bieten dem Anwender die Möglichkeit, zwischen der Freilaufbe­ triebsart und der regenerativen Betriebsart frei zu wählen.

Intelligente Chopper-Treiberschaltungen wie die PBM 3960 (Microstepping Controller) schalten in Abhängigkeit von einem einstellbaren Stromsollwert von der Freilaufbetriebsart in die regenerative Betriebsart um.

Bei den bekannten Chopper-Treiberschaltungen ist die Wahl der Betriebsart (Freilaufbetrieb oder regenerativer Betrieb) im wesentlichen dem Anwender überlassen. Da die ideale Betriebs­ art von vielen Faktoren, beispielsweise der Art der Last (welcher Motor) und der Belastung, abhängt, ist es nahezu un­ möglich, die optimale Leistungsfähigkeit zu erzielen. Aufgrund der Vielzahl von Einflüssen wird vom Anwender häufig entweder Freilaufbetrieb oder regenerativer Betrieb fest eingestellt, was allerdings bei weitem keine optimalen Betriebsbedingungen ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Zerhacker(Chopper)-Treibers zu schaffen, mit dem die optimale Betriebsart automatisch eingestellt und be­ reits vorhandene Meßsysteme genutzt werden können. Darüber hinaus soll eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst. Ferner ist gemäß der Erfindung eine Schaltungsanord­ nung zum Durchführen des Verfahrens in Anspruch 3 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand der auf den jeweiligen Anspruch rückbezogenen Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung sind, je nach gewünschter Stromflußrich­ tung durch die Last also zunächst die dafür vorgesehenen Halb­ leiter, wie Transistoren, MOS FET's o.a. geschlossen, d. h. in leitendem Zustand. Im Beispiel eines Chopper-Treibers mit ei­ ner H-Brückenschaltung nach Fig. 1 sind dies für einen ent­ sprechend der gestrichelten Bahn 1 fließenden Strom Halblei­ ter, beispielsweise die Transistoren T1 und T4. Die beiden an­ deren Halbleiter, nämlich die Transistoren T2 und T3 sind für diese Stromflußrichtung geöffnet, also nichtleitend (gesperrt).

Der Strom steigt so lange an, bis der Istwert den Sollwert er­ reicht. Sodann wird entweder in die Freilaufbetriebsart oder in die regenerative Betriebsart geschaltet. Die Wahl der Be­ triebsart wird beim nächsten Einschalten des Halbleiters (Transistors) getroffen. Liegt der Strom-Istwert noch über dem Strom-Sollwert, so wird beim nächsten Ausschalten die regene­ rative Betriebsart gewählt. Ist der Istwert niedriger als der Sollwert, so wird dementsprechend Freilaufbetrieb eingestellt.

Für den Rest der Chopper-Periodendauer, d. h. bis zum Wieder­ einschalten, ist es möglich, die Betriebsart:

• a) nicht mehr zu ändern,
• b) abhängig von der Stromvergleichereinrichtung umzuschalten
• c) einmalig bei Unterschreiten des Sollwertes vom regenerativen Betrieb in den Freilaufbetrieb umzuschalten.

Eine Reihe von durchgeführten Versuchen und Messungen haben ergeben, daß die zuletzt genannte Möglichkeit c) unter norma­ len Betriebsumständen bei Verwendung verschiedener Schrittmo­ toren mit unterschiedlichsten Belastungen die besten Ergebnis­ se liefert.

Durch das Verfahren gemäß der Erfindung ist gewährleistet, daß unabhängig von der verwendeten Last mit induktiver Komponente, also beispielsweise vom verwendeten Schrittmotor, und von der Belastung die optimale Betriebsart gewählt wird. Es werden zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung keine zusätzli­ chen Elektronikkomponenten benötigt, da die Istwert-Soll­ wert-Vergleichereinrichtung ohnehin benötigt wird.

Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist daher ohne zusätzliche Kosten und ohne weiteren Aufwand ein System ge­ schaffen, das über deutlich bessere Eigenschaften verfügt als die bisher bekannt gewordenen Zerhacker(Chopper)-Treiber, bei deren Benutzung bei mit Schrittmotoren versehenen Antriebsein­ heiten es aufgrund der nichtoptimalen Ansteuerung zu störenden Laufunruhen oder sogar zu Schwingungen kommen kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im ein­ zelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bereits vorstehend im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebene Brückenschaltung, die auch für das Zerhacker(Chopper)-Steuerungsverfahren nach der Er­ findung eingesetzt werden kann;

Fig. 2 ein Beispiels eines Ablaufdiagramms des Verfahrens nach Erfindung, und

Fig. 3 bis 5 in Strom-Zeit-Diagrammen Darstellungen der Er­ gebnisse für eine durchgehend festgelegte Benutzung des einfachen Freilaufbetriebs (Fig. 3), für eine durchge­ hend festgelegte Benutzung des einfachen regenerativen Betriebs (Fig. 4) und für eine automatische Auswahl der Betriebsart entsprechend dem Verfahren nach der Erfin­ dung (Fig. 5).

Das in Fig. 2 gezeigte Flußdiagramm-Beispiel geht aus vom Start für jede Chopperperiodendauer und zeigt die im einzelnen beim erfindungsgemäßen Verfahren ablaufenden logischen Schrit­ te bis zum Ende der Chopperperiode.

Das in Fig. 2 dargestellte Beispiels eines Ablaufdiagramms geht aus von einem Start für jede Chopper-Periodendauer. Nach dem Start wird dann beim Schritt S1 jedesmal festgestellt, ob der Strom-Ist-Wert I_ist größer ist als der Strom-Sollwert I_soll oder nicht. Wenn die Entscheidung "nein" ist, wird beim Schritt S2 eine dem Freilaufbetrieb entsprechende Betriebsart gewählt. Wenn beim Schritt 51 die Entscheidung "ja" ist, wird beim Schritt S3 eine einem regenerativen Betrieb entsprechende Be­ triebsart gewählt.

Beim nächsten Schritt S4 wird dann nochmals eine dem Schritt S1 entsprechende Entscheidung getroffen. Wenn beim Schritt S4 die Entscheidung ja ist, wird, wie aus dem Ablaufdiagramm zu ersehen ist der Schritt S4 nochmals durchgeführt. Wenn die Entscheidung beim Schritt S4 nein ist, wird beim Schritt S5 in Abhängigkeit von der Betriebsart der Freilaufzweig geschaltet. Beim nächsten Schritt S6 wird entsprechend der Ablauffolge beim Schritt S4 bei der Entscheidung "ja" der Schritt S6 noch­ mal durchgeführt, während bei der Entscheidung"nein" mit dem Schritt S7 fortgefahren, bei welchem die Betriebsart gleich ein Freilaufbetrieb ist. Anschließend wird der Ablauf für die nächste Chopper-Periodendauer gestartet.

In Fig. 3 bis 5 ist jeweils auf der Abszisse die Zeit t in Mil­ lisekunden (ms) und auf der Ordinate ein Phasenstrom I in Am­ pere (A) aufgetragen.

In den Strom(Phasenstrom)-Zeit-Diagrammen nach den Fig. 3 bis 5 sind anhand eines Schrittmotor-Beispiels die Funktions- und Wirkungsweise des Zerhacker(Chopper)-Steuerungsverfahrens nach der Erfindung mit einer Ergebnisdarstellung im Vergleich zu den Verfahren mit festgelegter Abschalt-Betriebsart (Freilauf oder regenerativer Betrieb) aufgezeigt.

Hierbei sind in Fig. 3 das Ergebnis für eine durchgehend fest­ gelegte Benutzung des einfachen Freilaufbetriebs, in Fig. 4 das Ergebnis für eine durchgehend festgelegte Benutzung des einfachen regenerativen Betriebs und in Fig. 5 das Ergebnis für eine automatische Auswahl der Betriebsart entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung wiedergegeben.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Freilaufbetrieb nimmt der Ist­ strom (Phase A, Phase B) nur sehr langsam ab. Mit höheren Drehzahlen des Motors wird die Chopper-Periodendauer des Pha­ sensollstroms (Sollstrom Phase A) kleiner als die Abkling­ zeitkonstante, so daß der Phasenstrom (Phase A, Phase B) in­ nerhalb einer Periodendauer nicht schnell genug abklingen kann. Der Strom steigt hier, verursacht durch die Gegen-EMK (Elektromotorische Kraft) sogar wieder an.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten regenerativen Betrieb weist der Stromverlauf des Iststroms (Phase A, Phase B) zwar keine Überhöhung mehr gegenüber dem Phasensollstrom (Sollstrom Phase A) auf. Allerdings ist der deutlich sichtbare Stromrippel (die stark schwankende Stromamplitude) unerwünscht und kann sich sehr störend auf die vom Motor angetriebene Mechanik aus­ wirken.

Bei der in Fig. 5 dargestellten automatischen Auswahl ent­ sprechend dem Steuerungsverfahren nach der Erfindung mit ein­ maligem Umschalten bei Unterschreiten des Istwerts unter den Sollwert vom regenerativen Betrieb in den Freilaufbetrieb ist erkennbar, daß der Iststrom (Phase A, Phase B) optimal dem vorgegebenen Sollstrom (Sollstrom Phase A) folgt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung eines in Form einer Brückenschal­ tung aufgebauten Zerhacker(Chopper)-Treibers, bei dem in einem Brückenzweig eine Gleichspannungsquelle und in einem anderen Brückenzweig (Meßzweig) eine elektrische Last mit induktiver Komponente sowie in Reihe dazu eine Einrichtung zum Messen des durch die Last fließenden Iststromes liegen und in den anderen Zweigen durch ein Steuersignal schaltbare Halbleiter angeord­ net sind, die so geschaltet werden können, daß der Strom durch die Last entweder in der einen oder in der entgegengesetzten Richtung fließt, und deren Emitter-Kollektor-Strecken zum Schutz vor Überspannungen durch sogenannte Freilaufzweige in Form von Freilaufdioden überbrückt sind, die durch gezieltes Ausschalten einzelner Halbleiter in den Brückenzweigen entwe­ der einen sehr langsamen Abbau der magnetischen Energie der Last und Stromabfluß (Freilaufbetrieb = slow current decay mo­ de) oder einen raschen Abbau der magnetischen Energie der Last und Stromabfluß (Regenerativer Betrieb = fast current decay mode) zulassen, wobei eine Vergleichereinrichtung dann, wenn der in der Einrichtung zum Messen des Iststromes gemessene Iststrom im Verlauf einer jeden Zerhacker(Chopper)-Periode ei­ nen vorgesehenen Sollstromwert erreicht, eine Umschaltung ent­ weder in die Freilaufbetriebsart oder in die regenerative Be­ triebsart veranlaßt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß,
je nach gewünschter Stromrichtung durch die Last mit indukti­ ver Komponente die diese Stromrichtung durchschaltenden Halb­ leiter geschlossen werden und der Iststrom dabei so lange an­ steigt, bis er den Sollstromwert erreicht hat, und dann entwe­ der in Freilaufbetrieb oder regenerativen Betrieb geschaltet wird,
eine Wahl der Betriebsart kurz vor, bei oder kurz nach dem nächsten Halbleiter-Einschalten getroffen wird und zwar der­ art, daß bei Vorliegen eines über dem Strom-Sollwert liegenden Strom-Istwertes beim nächsten Halbleiter-Ausschalten der rege­ nerative Betrieb gewählt wird und bei Vorliegen eines unter dem Strom-Sollwert liegenden Strom-Istwertes beim nächsten Halbleiter-Ausschalten der Freilaufbetrieb eingestellt wird, und
für den Rest der Zerhacker(Chopper)-Periodendauer, d. h. bis zum Wiedereinschalten, die Betriebsart nicht mehr geändert wird oder abhängig von der Vergleichereinrichtung umgeschaltet wird oder einmalig bei Unterschreiten des Iststroms unter den Strom-Sollwert vom regenerativen Betrieb in den Freilaufbe­ trieb umgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Schrittmotors als Last.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei welcher als von der Gleichspannungsquelle (V1) gespeiste Brückenschaltung eine sogenannte Wheatstone'sche Meßbrücke vorgesehen ist, in deren Meßzweig die Last (L1) mit induktiver Komponente und in Reihe dazu die Einrichtung (R_mess) zur Messung des Iststromes liegen und in deren Wider­ standszweigen die schaltbaren Halbleiter (T1, T2, T3, T4) an­ geordnet sind, daß parallel zur Emitter-Kollektorstrecke (E-C) der Halbleiter im sogenannten Freilaufzweig jeweils eine Frei­ laufdiode (D1, D2, D3, D4) angeordnet ist, die so gepolt ist, daß ihre Stromflußrichtung umgekehrt ist wie die Strom­ flußrichtung des jeweils zugeordneten Halbleiters, und daß das Ausgangssignal der Vergleichereinrichtung zur Bildung des Steuersignals der Halbleiter in die jeweilige Betriebsart her­ angezogen wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei welcher zur Er­ reichung eines Betriebszustandes, bei dem durch die Last (L1) Stromfluß besteht, je nach Stromflußrichtung jeweils zwei in zueinander diagonal liegenden Brückenzweigen angeordnete schaltbare Halbleiter (T1 und T4 oder T2 und T3) in den lei­ tenden Zustand und die beiden anderen Halbleiter (T2 und T3 bzw. T1 und T4) in den Sperrzustand gesteuert werden, daß in der Betriebsart des Freilaufbetriebs (slow current decay mode) beim Ausschaltvorgang nur einer der beiden sich im leitenden Zustand befindenden Halbleiter in den Sperrzustand geschaltet wird, wogegen der andere im leitenden Zustand verbleibt, und daß in der Betriebsart des regenerativen Betriebs (fast cur­ rent decay mode) beim Ausschaltvorgang alle beiden sich im leitenden Zustand befindenden Halbleiter in den Sperrzustand geschaltet werden.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher als Einrichtung zum Messen des durch die Last (L1) fließenden Ist­ stromes ein zu letzterer in Reihe geschalteter Meßwiderstand (R_mess) vorgesehen ist.