DE2149473B2 - Steuerschaltung fuer einen mehrfachstator-schrittmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für einen Mehrfachstator-Schrittmotor, mit fünf oder einer höheren ungeraden Anzahl von Einzelstatoren mit einteiligen Statorwicklungen, von denen jeweils mehrere gleichzeitig zyklisch über Schalter an eine Gleichstromquelle schaltbar sind, mit den Einzelstatoren jeweils zugeordneten mechanisch miteinander verbundenen Pertnancntmagnetrotoren, wobei die Einzelstatoren oder die Permanentmagnetrotoren in Umfangsrichtung gleichmäßig um einen einem bestimmten Bruchteil der Polteilung rp entsprechenden Winkel cc gegeneinander versetzt sind.

Eine Steuerschaltung für einen im wesentlichen entsprechenderr~Funfstator-Schrittmotor ist aus der Zeitschrift Elektronik 1967 Heft 1, Seite 5 bekannt. Der in diesem Heft beschriebene Schrittmotor hat jedoch einen Weicheisenrotor. Seine Fünfstator-Wicklungen . sind in Stern geschaltet. Bei der angegebenen Schaltung ist für den normalen Schrittwinkel zyklisch abwechselnd immer nur eine der fünf Statorwicklungen eingeschaltet, während zur Erzielung eines halben Schrittwinkels abwechselnd zwei bzw. drei Statorwicklungen gleichzeitigerregt sein können.

Die Wickelraumausnützung und der elektrische Wirkungsgrad ist daher bei diesem Schrittmotor sehr schlecht, außerdem besitzen Schrittmotoren mit Weicheisenrotoren bekannterweise kein statisches Haltemoment und neigen deshalb nach dem letzten Schrittimpuls zum Überschwingen und längerem Pendeln. Es werden deshalb zusätzlich äußere Dämpfungsmaßnahmen benötigt.

Eine Steuerschaltung für Fünfphasen-Schrittmotoren mit Permanentmagnetrotor ist durch US-PS 36 09 500 bekannt. Bei dieser Steuerschaltung sind die fünf Phasenwicklungen in Stern geschaltet und alle Phasenwicklungen immer gleichzeitig erregt. Es werden nur fünf Umschalter, jedoch zwei Spannungsquellen benötigt.

Aus der US-PS 35 49 918 ist ebenfalls ein Mehrfachstator-Schrittmotor mit Permanentmagnetrotoren bekannt. Die darin gezeigte Schaltung und Wicklungsausführung bezieht sich auf einen Vierphasen-Schrittmotor mit aufgeteilten Stator-Ringwicklungen (Fig. 1, 2) und einer Spannungsquelle. Hierbei sind in bekannter Weise sämtliche Wicklungsmittelpunkte mit einem Pol der Spannungsquelle verbunden. Diese Schaltungsart ist für zwei-, vier- und sechsphasige Schrittmotoren üblich. Der Herstellungsaufwand für die notwendige bifilare Wicklung der einzelnen Phasenwicklungen ist sehr groß und da immer nur die Hälfte der Wicklungen erregt wird, ist der Gesamt-Wirkungsgrad und die Raumausnützung schlecht.

Eine weitere Steuerschaltung ist für einen Einstator-Schrittmotor für zwei Phasen vorgeschlagen worden, bei der nur eine Spannungsquelle und nicht aufgeteilte Phasenwicklungen (ohne Mittelabgriff) benötigt werden. Sie wird in der DT-OS 22 22 097, Seite 9, Absätze 2 und 3 in Verbindung mit F i g. 2 beschrieben. Bei dieser Steuerschaltung, der sogenannten Η-Schaltung, wird jedoch die doppelte Anzahl von Schaltern (Leistungstransistoren) benötigt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand zum Ansteuern von Mehrfachstator-Schrittmotoren mit fünf oder einer höheren ungeraden Anzahl von Einzelstatoren und mit Permanentmagnetrotoren möglichst klein zu halten und gleichzeitig die Betriebseigenschaften der Motoren in bezug auf Haltemoment, Laufstabilität und Stopverhalten zu verbessern, wobei insbesondere angestrebt wurde, mit möglichst wenig Mitteln und minimalem Leistungsverlust eine sehr gute Dämpfung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einer Steuerschaltung der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Enden der Statorwicklungen derari miteinander verbunden sind, daß ein in sich geschlosse ner Leitungszug enistelu, daß die Schalter jeweils an di£ Verbindung zwischen den Enden der Statorwicklunger herstellenden Knotenpunkten angeschlossene Umschal ter sind, die jeweils die Verbindung zu den Knotenpunk ten und dem einen oder anderen Pol der Gleichstrom quelle herstellen und die derart gesteuert sind, daß nacl

jedem Schritt zyklisch fortlaufend jeweils die benachbarte Statorwicklung kurzgeschlossen ist.

Durch diese Maßnahmen wird nicht nur in vorteilhafter Weise der Aufwand an elektronischen Schalten verringert, sondern auch das dynamische Verhalten 'ies Schrittmolors erheblich verbessert. Durch ein zyk'isch fortlaufendes Kurzschließen jeweils einer benachb arten Wicklung wird mit einfachen Mitteln eine wirkung svolle Dämpfung des Schrittmotors erreicht.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung d< r erfindungsgemäßen Steuerschaltung sind bei einem Fünfstator-Schrittmotor und bei einer räumlichen Ve "drehung der einzelnen Statoren bzw. Permanentmagretrotoren um 'Λ der Polteilung rp gegeneinander die S atorwick- !ungen in der Reihenfolge 1—2 — 3—4 — 5—' miteinander verschaltet, wobei aufeinanderfolgende ^ /icklungen jeweils mit umgekehrtem Wicklungssinn angeschlossen sind.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der er'indungsgemäßen Steuerschaltung ist ferner darin zu se ien, daß bei einem Fünfstator-Schrittmotor und bei einei räumlichen Verdrehung der einzelnen Statoren bzw. ³ermanentmagnetrotoren um ²Λ der Polteilung rp gegeneinander die Statorwicklungen in der Reihenfolge 1—4—2— 5 — 3—1 miteinander verschaltet sind, \ iobei alle aufeinanderfolgenden Wicklungen jeweils in gleichen Sinn angeschlossen sind.

Bei beiden Weiterbildungen sind dabei benachbarte Statorwicklungen in einer Richtung fortlau end mit steigenden Zahlen, beginnend mit 1 bezeichnet.

Anschließend wird die Erfindung anhand der Fig. 1—6 näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 enthalten bekannte, auf eine °hase bezogene, Steuerschaltungen.

Die Fig. 3 stellt eine erfindungsgemäße Steuerschaltung für einen Fünfstator-Schrittmotor dar.

Gemäß Fig. 3 werden die Wicklungen der fiii.f Statoren ähnlich der FR-PS 20 34 021 bekannten Schaltung eines Dreiphasen-Schrittmotors im Fünfeck verschaltet. Durch diese Maßnahme entstehen fünf Knotenpunkte, die jeweils an eine halbe H-Schaltung nach F i g. 2 angeschlossen werden.

Bei einer entsprechenden Betätigung der fünf Umschalter kann jeder Knotenpunkt nach einem bestimmten Zyklus an den Plus-Pol oder den Minus-Pol der einzigen Spannungsquelle gelegt werden. Für einen definierten, am Anfang gleichmäßigen Schrittwinkel kann die für ein Drehfeld erforderliche räumliche Verdrehung der einzelnen Statorwicklungen (Statorpole) innerhalb einer Poltei'ung τρ zueinander sowohl ix 1 = 'Λτφ als auch λ2 = ²/s rp benagen. Wählt man «I = '/srp, so sind die Statorwicklungen in der Reihenfolge 1—2 — 3—4 — 5 miteinander zu verbinden, wobei aufeinanderfolgende Statorwicklungen jeweils mit umgekehrtem Wicklungssinn anzuschließen sind Fig. 3(a1).

Wählt man dagegen λ2 = ²A rp, so sind die Statorwicklungen in der Reihenfolge 1 —4 — 2 — 5 — 3— 1 miteinander zu verbinden, wobei alle aufeinanderfolgenden Statorwicklungen jeweils im gleichen Wicklungssinn anzuschließen sind F i g. 3 (λ2).

In Fig.4 ist die jeweilige Schalterstellung und in F i g. 5 die jeweils auf einen Statorpol je Stator bezogene Magnetisierungsrichtung bei den Schritten 1 — 11 dargestellt.

In der Fig. 6 ist die Zuordnung der Rotor- und Statorpole für drei aufeinanderfolgende Schrittstellungen dargestellt.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung, dargestellt in F i g. 3, werden die vier, jedem Schritt eingeschalteten Statorwickiungen vom gleichen Strom durchflossen, während die fünfte Statorwicklung dabei jeweils entweder über dem Pluspol oder über dem Minuspol der Spannungsquelle kurzgeschlossen ist.

Das erscheint bei vorliegender E^rfindung gegenüber der Verwendung einer vollständigen H-Schaltung F i g. 2 zunächst als ein scheinbarer Nachteil. Geht man jedoch davon aus, daß die statische Drehmomentkennlinie, hervorgerufen durch die Erregung einer Statorwicklung, sinusförmigen Verlauf zeigt, so ergibt sich, wie in Fig. 7 vektoriell dargestellt, bei Erregung von allen fünf Statorwicklungen für das charakteristische Haltemoment eines Motors M(H) der 3.24fache Wert vom Maximalmoment bei Erregung einer Statorwicklung.

Wenn dagegen vier Statorwicklungen erregt sind, den 3,lfachen Wert M(12). Die Verringerung des Haltemoments und damit die Verschlechterung des dynamischen Verhaltens beträgt etwa 5%. Der Schrittwinkel und die Welligkeit des Betriebsdrehmomentes haben bei Erregung von vier Statorwicklungen den gleichen Wert wie bei Erregung von fünf Statorwicklungen.

Aufgrund der um etwa 20% geringeren Aufnahmeleistung bei nur vier erregten Statorwicklungen erhält man jedoch einen um etwa 15% höheren Wirkungsgrad und eine um etwa 20% geringere Motorerwärmung. Da jedoch bei Leistungsvergleichen die Motorerwärmung innerhalb einer Isolationsklasse den Bezugspunkt dars>:llt, kann die Erregerleistung und damit das maximale Moment um etwa 20% angehoben werden.

Man ei hält somit bei Verwendung der erfindungsgemäßen Scho'tung ein um etwa 15% höheres Haltemoment. Da die Jeweils fünfte, nicht erregte, Statorwicklung immer kur.· geschlossen ist, wirkt die in ihr während des SchrihHetriebes vom Permanentmagneirotor induzierte EMK. Jnmpfend auf das Motorsystem. Bei höheren Schrittfreque^zen wird zwar dadurch das Betriebsdrehmoment wieder otwas vermindert, der bei allen elektrischen Schrittmoto-en relativ niedrige Dämpfungsgrad jedoch erhöht und s-imit unerwünschte Pendelschwingungen des Rotors stark vermindert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Steuerschaltung für einen Mehrf;u .,stator-Schrittmotor mit fünf oder einer höheren ungeraden Anzahl von Einzelstatoren mit einteiligen Statorwicklungen, von denen jeweils mehrere gleichzeitig zyklisch über Schalter an eine Gleichstromquelle schaltbar sind, mit den Einzelstatoren jeweils zugeordneten mechanisch miteinander verbundenen Permanentmagnetrotoren, wobei die Einzelstatoren oder die Permanentmagnetrotoren in Umfangsrichtung gleichmäßig um einen einem bestimmten Bruchteil der Polteilung τρ entsprechenden Winkel gegeneinander versetzt sind, dadurch gekennzeichne!, daß die Enden der Statorwicklungen (1—5) derart miteinander verbunden sind, daß ein in sich geschlossener Leitungszug entsteht, daß die Schalter jeweils an die Verbindung zwischen den Enden der Statorwicklungen herstellenden Knotenpunkten (6—10) angeschlossene Umschalter sind, die jeweils die Verbindung zu den Knotenpunkten (6—10) und dem einen oder anderen Pol der Gleichstromquelle herstellen und die derart gesteuert sind, daß nach jedem Schritt zyklisch fortlaufend jeweils die nächstbenachbane Statorwicklung kurzgeschlossen ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Fünfstator-Schrittmotor und bei einer räumlichen Verdrehung der einzelnen Statoren bzw. Permanentmagnetrotoren um ein Fünftel der Polteilung rp gegeneinander die Statorwicklungen in der Reihenfolge 1—2—3— 4 — 5—1 miteinander verschaltet sind, wobei aufeinanderfolgende Wicklungen jeweils mit umgekehrtem Wicklungssinn angeschlossen sind (benachbarte Statorwicklungen sind dabei in einer Richtung fortlaufend mit steigenden Zahlen, beginnend mit 1, bezeichnet).

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Fünfstator-Schrittmotor und bei einer räumlichen Verdrehung der einzelnen Statoren bzw. Permanentmagnetrotoren um zwei Fünftel der Polteilung τρ gegeneinander die .Statorwicklungen in der Reihenfolge 1—4—2— 5—3—1 miteinander verschaltet sind, wobei alle aufeinanderfolgenden Wicklungen jeweils im gleichen Wicklungssinn angeschlossen sind (benachbarte Statorwicklungen sind dabei in einer Richtung, fortlaufend mit steigenden Zahlen, beginnend mit 1, bezeichnet).