DE19928366C1 - Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem Schrittmotor - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren dient zum Betreiben eines mit einer Ansteuerelektronik verbundenen Schrittmotors mit Konstantstrom, insbesondere zur Resonanzreduzierung beim Betreiben des Schrittmotors. Dabei wird aus innerhalb des Antriebssystems vorhandenen, elektrischen Betriebsgrößen eine Zusatzgröße abgeleitet, in der der Lastwinkel enthalten ist. Mit dieser, bei Resonanzen auftretenden Zusatzgröße, wird der Winkel des umlaufenden Stromvektors des Statorfeldes entgegen der Veränderung des Lastwinkels beeinflußt. DOLLAR A Bevorzugt wird die Zusatzgröße aus der elektrischen Aufnahmeleistung des Schrittmotors abgeleitet, wobei die Aufnahmeleistung aus den bekannten, im System vorliegenden Phasenströmen und Phasenspannungen bestimmt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem Schrittmotor und einer mit diesem verbundenen Ansteuerelektronik zur Resonanzreduzierung beim Betreiben des Schrittmotors.

Aus der DE 36 37 026 C2 ist eine Anordnung zur Behebung der Instabilität eines Schrittmotors bekannt. Bei Resonanzen auftretende Strom­ schwankungen werden hierbei verwendet, um ein Pulsverzögerungsglied anzusteuern. Das Pulsverzögerungsglied hat einen Steuereingang für eine von einem Taktgeber gelieferte Impulskette entsprechend der jeweils vorgesehenen Sollgeschwindigkeit. Das Pulsverzögerungs­ glied verzögert die eingegebene Pulsfolge der Impulskette, und über den Steuereingang kann das Maß der Verzögerung und damit die Motorgeschwindigkeit zum Dämpfen von Schwingungen beeinflußt werden. Bei hohen Frequenzen ist wegen des dann nur geringen Pulsabstandes der Regelspielraum sehr klein, so daß dementsprechend nur eine sehr begrenzte Korrekturmöglichkeit zur Verfügung steht. Durch den Eingriff auf die Geschwindigkeit, also die Motordrehzahl und die der Pulsverzögerung nachgeschalteten Sollwerterzeugung für einen Feldvektor ergeben sich vergleichsweise träge Reaktionen, so daß auftretende Resonanzen nur ungenügend unterdrückt werden. Außerdem ist in nachteiliger Weise ein vergleichsweise großer Aufwand durch den Pulsverzögerer erforderlich, der in Steuerverbindung mit einer Pulsaufbereitungsstufe steht, die entsprechend den auftretenden Resonanzen eine Steuerspannung an den Pulsverzögerer liefert. Die vorbekannte Schaltung kann nur dann eingesetzt werden, wenn eine Impulsvorgabe, d. h. ein Impulseingang vorhanden ist. Bei prozessorgesteuerten Systemen existiert eine solche Schnittstelle mit Impulseingang nicht, so daß diese Resonanzunterdrückung bei solchen Systemen nicht einsetzbar ist.

Bei einem aus US 4 455 520 bekannten Verfahren wird die Differenz aus dem Wicklungsstrom bei aktiver Bestromung der Motorwicklung und dem Freilaufstrom der Motorwicklung erfaßt und über eine Vielzahl von Zyklen gemittelt. Dabei bildet der so erhaltene Mittelwert eine Zusatzgröße, in welcher der Lastwinkel enthalten ist. Das Antriebssystem weist eine Regelung mit einem Referenzeingang auf, an dem ein Sollwertsignal für den Motorstrom vorgegeben wird. Das Sollwertsignal ist mit dem ersten Eingang eines Phasenschiebers verbunden, dessen Ausgang an dem Sollwerteingang eines Stromregel­ kreises angeschlossen ist. An einem zweiten Eingang des Phasen­ schiebers wird das Zusatzsignal zugeführt, um die Phasenlage des Wicklungsstroms zu korrigieren. Durch diese Maßnahme sollen Leistungsschwankungen und somit Schwingungen im Motorlauf abgeschwächt werden. Das Verfahren ermöglicht jedoch nur eine begrenzte Verbesserung des Laufverhaltens des Schrittmotors. Vor allem im Leerlauf des Schrittmotors arbeitet das Verfahren nur unzureichend, da dann das Zusatzsignal nur eine relativ kleine Amplitude aufweist und somit nicht oder nur schlecht zur Ansteuerung des Phasenschiebers geeignet ist.

Bei einem aus US 4 091 316 bekannten Verfahren wird die Ist-Drehzahl eines Schrittmotors mittels eines Tachogenerators gemessen und das entsprechende Drehzahlmeßsignal wird über ein Hochpaßfilter geleitet, mit dem die Niederfrequenzenanteile unterdrückt werden. Eine am Ausgang des Hochpaßfilters anstehende Zusatzgröße entspricht der Geschwindigkeitsänderung des Schrittmotors, d. h. die Zusatzgröße zeigt an, ob der Motor abbremst oder beschleunigt. Die Zusatzgröße wird mittels eines Multiplizierers mit den sinus- bzw. cosinusförmi­ gen Sollwertsignalen für die Wicklungsströme der Zweiphasenwicklung des Schrittmotors multipliziert und das Ergebnis dieser Multiplika­ tion wird jeweils zu dem Sollwertsignal hinzuaddiert. Mit den auf diese Weise korrigierten Sollwertsignalen wird der Schrittmotor über eine Endstufe angesteuert. Das Verfahren hat den Nachteil, daß ein aufwendiger und teurer Tachogenerator erforderlich ist.

Brandstätter: Regelkonzept für Schrittmotoren, in: Technica 10/91, Seite 99-107, beschreibt ein gattungsfremdes Antriebssystem mit einem lagegeregelten Schrittmotor, der über eine Ansteuerelektronik angesteuert wird. Obwohl sich dieses Antriebssystem in der Praxis in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt, ist auch hier das Laufverhalten des Schrittmotors noch verbesserungsfähig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Schrittmotors zu schaffen, durch welches das Laufverhalten des Schrittmotors verbessert wird, indem auftretende Resonanzen gedämpft werden, wobei der Aufwand hierzu gering und der Einsatz universell sein soll.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ohne zusätzlichen Hardwareaufwand kann dadurch bei digitaler Re­ gelung der Motorströme ein aktiver Dämpfungsmechanismus in das vorhandene System implementiert werden, indem auf vorhandene Variablen, nämlich Motorstrom und Motorspannung, zurückgegriffen wird. Diese Variablen stehen als elektrische Betriebsgrößen im System ohne zusätzlichen Meßaufwand zur Verfügung. Aus den Variablen läßt sich die elektrische Scheinleistung des Schrittmotors ableiten, die Aufschluß über den momentanen Lastzustand des Motors gibt. Mit den Scheinleistungsschwankungen ist eine über den gesamten Betriebsbereich des Motors verwertbare Größe und damit eine einfache Auswertbarkeit vorhanden. Bei Resonanzen ändert sich der Lastzustand periodisch. Die Änderungen des Lastwinkels aufgrund von Schwingungen des Rotors können gemessen werden und diese Information wird verwendet, um die Vibrationen zu dämpfen, indem direkt auf den Stromvektor des Statorfeldes eingewirkt wird. Die Zusatzgröße wird durch einen drehzahlabhängigen und/oder strom­ abhängigen Korrekturfaktor korrigiert. Damit ist eine Erfassung von Schwingungen unabhängig von der Drehzahl mit etwa gleich großer Amplitude des Zusatzgrößensignales möglich.

Die aktuelle Ausgangsleistung kann online insbesondere mit einem digitalen Signalprozessor berechnet werden. Die Ausgangsleistung ist eine Funktion des Lastwinkels des Synchronmotors, dessen Änderungen aufgrund von Schwingungen des Rotors gemessen werden. Diese Information wird verwendet, um die Vibrationen zu dämpfen, indem der Stromvektor korrigiert wird. Dabei modulieren die Veränderungen des Lastwinkels den aktuellen Stromvektor derart, daß die Systemdämpfung vergrößert bzw. erhöht wird. Mit der Leistungsänderung steht somit eine Größe zur Verfügung, mit der direkt auf den Statorfeld-Stromvektor eingewirkt werden kann, indem der Sollwinkel des umlaufenden Stromvektors entsprechend beein­ flußt und damit Resonanzen entgegengewirkt wird.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zusatzgröße durch ein Hochpaßfilter und ein Tiefpaßfilter aus der Aufnahmeleistung herausgefiltert wird und daß unterhalb der Durchlaßfrequenz des Hochpaßfilters die Resonanzunterdrückung deaktiviert wird. Mit dem Hochpaßfilter wird eine Trennung des Gleichanteils vom Wechselanteil vorgenommen und der Wechselanteil wird dann dem Tiefpaßfilter zugeführt. Durch die Filter wird der wirksame Frequenzbereich der Resonanzunterdrückung auf den Bereich beschränkt, in dem unerwünschte Resonanzen auftreten. Dieser Frequnzbereich kann insbesondere unterhalb von 300 Hz liegen. Unterhalb von beispielsweise 10 Hz ist die Resonanzunterdrückung inaktiv, da Signaländerungen in diesem Bereich auch von Lastän­ derungen hervorgerufen werden können, auf die aber die Reso­ nanzunterdrückung nicht reagieren soll.

Vorzugsweise wird die Ansteuerelektronik des Schrittmotors mit einem digitalen Signalprozessor betrieben, insbesondere für einen 3-Phasen- Betrieb. Solche digitalen Signalprozessoren stehen standartmäßig für bürstenlose permanentmagnetisch erregte Motoren und für Wechselstrom-Induktionsmotoren (Asynchronmotoren) kostengünstig zur Verfügung und können somit gut auch für Schrittmotor-Anwendungen eingesetzt werden. Dabei kann der digitale Signalprozessor auch die Stromregelung sowie die Drehzahlsteuerung und Positions­ überwachung mit übernehmen, so daß insgesamt nur ein vergleichsweise geringer Aufwand erforderlich ist.

Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Darstellung der direkten Beeinflussung des Feldvektors durch eine bei Resonanzen vorhandene Zusatzgröße,

Fig. 2 bis 7 jeweils paarweise einander zugeordnete Diagramme mit Darstellung des Spannungsverlaufs bei Blockkommutierung und diesem Spannungsverlauf jeweils zugeordnetem Stromverlauf in Bezug auf einen definierten Nulldurchgang in unterschiedlichen Betriebssituationen,

Fig. 8 ein Diagramm, bei der über der Drehzahl des Rotors die Beschleunigungsamplitude aufgetragen ist und

Fig. 9 ein mit Fig. 8 vergleichbares Diagramm, hier jedoch ohne erfindungsgemäße Resonanzunterdrückung.

Ein in Fig. 1 gezeigtes Blockschaltbild zeigt einen Schrittmotor 1, der in üblicher Weise mit einer Leistungsentstufe 2 und diese mit einem Stromregler 3 verbunden ist. Mit Hilfe des Stromreglers kann der Schrittmotor 1 mit Konstantstrom versorgt werden. Der zeitliche Verlauf des Stromes wird als Sollwert einem Soll- Istwertvergleicher 4 zugeführt, der dem Stromregler 3 vorgeschaltet ist.

Um auftretende Resonanzen, also Schwingungen des Motor-Rotors zu reduzieren, wird der zeitliche Verlauf des Stromes, also der Feldvektor des Statorfeldes beeinflußt. Bei Resonanzen tritt eine Veränderung des Lastwinkels auf und es wird beim erfindungsgemäßen Verfahren aus Betriebsgrößen, in denen der Lastwinkel enthalten ist, eine Zusatzgröße als Korrekturgröße abgeleitet.

Dem Soll-Istwertvergleicher 4 ist ein Additionsglied 5 vorgeschaltet, das einen Eingang 6 für den Sollwinkel des umlaufenden Stromvektors des Statorfeldes aufweist und zusätzlich einen zweiten Eingang 7 über den eine Zusatzgröße zur Korrektur des Sollwinkels eingegeben werden kann.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die den Korrekturwert bildende Zusatzgröße aus der Aufnahmeleistung des Motors gebildet, wobei ohne zusätzlichen Aufwand, auf vorhandene, elektrische Betriebsgrößen zurückgegriffen werden kann. Der Funktionsblock 8 dient zur Berechnung der Aufnahmeleistung des Motors aus den an seinem Eingang 9 zugeführten Werten für die Phasenströme und die Phasenspannungen. Am Ausgang des Funktionsblocks 8 steht der Wert der berechneten Leistung an.

Dem Funktionsblock 8 ist ein Hochpaßfilter 10 nachgeschaltet, mit dem eine Trennung von Wechsel- und Gleichanteilen erfolgt. Außerdem wird durch dieses Hochpaßfilter 10 die untere Grenzfrequenz festgelegt. Unterhalb der Grenzfrequenz ist die Resonanzunterdrückung inaktiv, da Signaländerungen der Zusatzgröße mit Frequenzen beispielsweise kleiner als 10 Hz auch durch Laständerungen hervorgerufen werden können. Auf Laständerungen soll die Reson­ anzunterdrückung jedoch nicht reagieren.

Dem Hochpaßfilter 10 ist ein Tiefpaßfilter 11 nachgeschaltet. Durch die beiden Filter 10 und 11 ist ein Bandpaß gebildet, durch den der wirksame Frequenzbereich auf den Bereich beschränkt wird, in dem Resonanzen auftreten können. Dadurch werden unerwünschte Störungen vermieden. Der wirksame Frequenzbereich kann sich beispielsweise von 10 Hz bis etwa 300 Hz erstrecken.

Der Wechselanteil der gemessenen Motorleistung wird einem Multiplikationsglied 12 über einen Eingang 13 zugeführt. Über einen weiteren Eingang 14 wird diesem Multiplikationsglied eine von der Motordrehzahl abhängige Größe zugeführt. Dadurch wird erreicht, daß die über den Ausgang 15 des Multiplikationsgliedes 12 dem Eingang 7 des Additionsgliedes 5 zugeführte Korrekturgröße drehzahlunabhängig ist. Die Zusatzgröße und die dem Additionsglied 5 zugeführte Korrekturgröße treten nur dann auf, wenn Resonanzen vorhanden sind. Ansonsten wird die Sollwinkelvorgabe am Eingang 6 des Additions­ gliedes 5 unverändert dem Soll-Istwertvergleicher 4, welcher dem Stromregler 3 vorgeschaltet ist, zugeführt.

Die Stromregelung erfolgt mittels Pulsweitenmodulation, wobei die Pulsweite eine Funktion der vom Soll-Istwertvergleicher gelieferten, aus der Vorgabe für den Sollwinkel des umlaufenden Stromvektors und dem Stromistwert gebildeten Regelabweichung ist.

Bei einer digitalen Regelung ist eine Regler- bzw. Abtastfrequenz von maximal etwa 20 KHz vorgesehen. Die in ihrer Breite modulierten Einzelpulse haben dementsprechend einen vergleichsweise großen Abstand und deshalb kann die Regelung bei solchen digitalen Systemen nur in zeitlichen Abständen eingreifen, die ein Ausregeln von Resonanzen nicht in allen Betriebssituationen ermöglicht. Mit Hilfe der vorliegenden Resonanzunterdrückung jedoch kann der Feldvektor des Statorfeldes variiert und damit der zeitliche Verlauf des Stromes geändert werden, um auftretenden Resonanzen zu begegnen.

Die Fig. 2 bis 7 zeigen in etwas vereinfachter Form den Einfluß der zur Resonanzunterdrückung vorgesehenen Korrekturgröße im spannungsgeführten Betrieb, d. h. bei Drehzahl bzw. Lastverhältnissen, bei denen der Schrittmotor nicht mehr stromgeregelt, sondern spannungsgeführt betrieben wird. Dementsprechend tritt Block­ kommutation auf, d. h. daß die treibende Spannung U als Rechteck­ spannung vorliegt, wie dies in Fig. 2 erkennbar ist. Eine Beeinflussung durch den Stromregler ist in diesem übersteuerten Betrieb nicht möglich.

In Fig. 3 ist in einem Ausschnitt der Stromverlauf im Bereich eines Nulldurchganges 16, zugeordnet zu dem entsprechenden Nulldurchgang in Fig. 2 idealisiert dargestellt.

In den Fig. 4 und 6 ist gezeigt, wie durch die Resonanzunterdrückung auf den Stromvektor bzw. den zeitlichen Verlauf des Stromes Einfluß genommen werden kann. Fig. 4 zeigt einen Verlauf der treibenden Spannung, bei welcher der negative Verlauf der Spannung durch einen kurzer positiven Impuls unterbrochen ist. Dementsprechend würde sich der zugehörige Stromverlauf so verschieben, daß dessen Nulldurchgang 16a zeitlich vor dem ursprünglichen Nulldurchgang 16 liegt.

Andererseits kann, wie in Fig. 6 gezeigt, durch einen kurzen negativen Impuls im Verlauf des positiven Spannungsrechtecks der treibenden Spannung der tatsächliche Nulldurchgang 16b des zugehörigen Stromes gegenüber dem ursprünglichen Nulldurchgang 16 zeitlich nachverlegt werden.

Diese mehr schematischen Darstellungen lassen erkennen, daß auch im Bereich der Aussteuerungsgrenze und im Blockkommutationsbetrieb eine Beeinflussung des zeitlichen Verlauf des Stromes und damit des Feldvektors des Stators möglich ist. Das Maß der zeitlichen Verschiebung des Stromes wird bestimmt durch die Größe des Korrekturfaktors, der dem Additionsglied 5 zugeführt wird.

In den Fig. 8 und 9 sind Diagramme dargestellt, wobei über der Motordrehzahl die Beschleunigungsamplitude des Rotors aufgetragen ist.

Fig. 9 zeigt den typischen Verlauf der Beschleunigungsamplitude bis zu einer Drehzahl von etwa 30 Umdrehungen pro Sekunde. Die Messung basiert auf dem Betrieb eines Drei-Phasen-Motors ohne erfindungsgemäße Resonanzüberwachung und Resonanzunterdrückung. Deutlich sind hier Beschleunigungsamplituden erkennbar, die sich bis in den Bereich von 10.000 rad/s².

Unter sonst gleichen Bedingungen ist bei Einsatz der erfindungs­ gemäßen Resonanzunterdrückung in Fig. 8 klar erkennbar, daß die Beschleunigungsamplituden praktisch über den gesamten Drehzahlbereich gravierend reduziert sind. Daraus resultiert ein wesentlich ruhigere und vibrationsärmere Lauf des Schrittmotors.

Kurz zusammengefaßt bildet die erfindungsgemäße Resonanzunterdrückung in Verbindung mit einem digitalen Signalprozeßor einen aktiven Dämpfungsmechanismus, der ohne zusätzliche Hardware auskommt. Über die auftretenden Änderungen des Lastwinkels können Schwingungen des Rotors gemessen werden. Die Veränderungen des Lastwinkels modulieren den aktuellen Stromvektor durch ein Bandpaßfilter derart, daß die Systemdämpfung vergrößert bzw. erhöht wird. Dadurch ergibt sich eine signifikante Verbessung des Schrittmotorsystems in Bezug auf Vibrationen.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem Schrittmotor (1) und einer mit diesem verbundenen Ansteuerelek­ tronik zur Resonanzreduzierung beim Betreiben des Schrittmotors (1), wobei aus der aus im Antriebssystem vorliegendenden Phasenströmen und Phasenspannungen bestimmten Scheinleistung eine Zusatzgröße abgeleitet wird, in welcher der Lastwinkel enthalten ist, wobei mit dieser, bei Resonanzen auftretenden Zusatzgröße der Winkel des umlaufenden Stromvektors des Statorfeldes entgegen der Veränderung des Lastwinkels beeinflußt wird und wobei die Zusatzgröße durch einen drehzahlabhängigen und/oder einem stromabhängigen Korrekturfak­ tor korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusatzgröße durch ein Hochpaßfilter (10) und ein Tiefpaßfilter (11) aus der Scheinleistung herausgefiltert wird und wobei unterhalb der Durchlaßfrequenz des Hochpaßfilters (10) die Resonanzunter­ drückung deaktiviert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ansteuerelektronik des Schrittmotors (1) mit einem digitalen Signalprozessor betrieben wird, insbesondere für einen 3-Phasen-Betrieb.