DE2211731B2

DE2211731B2 - Verfahren und Anordnung zum schrittweisen Antrieb eines elektrischen Mehrphasen-Wechselstrommotors

Info

Publication number: DE2211731B2
Application number: DE2211731A
Authority: DE
Inventors: Kensuke Yokohama Hasegawa; Michio Tokio Nakano; Hiroyuki Prof. Kawasaki Takai
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 1971-03-18
Filing date: 1972-03-10
Publication date: 1974-05-09
Also published as: US3775657A; DE2211731A1; DE2211731C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum schrittweisen Antrieb eines elektrischen Mehrphasen-Wechselstrommotors, dessen Stator eine von einer Taktimpulsreihe über eine erste Impulsfolge abgeleitete, mehrphasige Impulsspannung zugeführt wird.

Gebräuchliche Schrittmotoren weisen normalerweise einen Schenkelpolläufer mit einer Vielzahl von Schenkeln und einen Stator mit einer der Anzahl der G^nenkel des Läufers entsprechenden Zahl von Stegen auf. Die Stege befinden sich am inneren Rai d des Stators bei der Erregerwicklung. Fließt durch die Erregerwicklung Strom, wird der Rotor bewegt; wird die Richtung des Stroms umgekehrt, dreht sich auch die Drehrichtung des Rotors um. Normalerweise fließt ein Gleichstrom mit hoher Stromstärke durch die Wicklungen, so daß durch die Erwärmung der Größe der gebräuchlichen Schrittmotoren Grenzen gesetzt sind. Außerdem ergibt sich der Nachteil, daß die Schaltung zum Schalten der Gleichströme sehr groß und in ihrem Aufbau sehr aufwendig ist. In Abhängigkeit von dem Eingangsimpuls wird der Drehwinkel des Rotors nur durch den mechanischen Aufbau von Rotor und Stator bestimmt. Um den Drehwinkel des Rotors in Abhängigkeit von einem Eingangsimpuls zu verändern, ist eine sehr kompliziert aufgebaute Schaltung notwendig. Die Veränderung und Steuerung des Drehwinkels des Rotors ist daher in Abhängigkeit von einem Eingangsimpuls bei den gebräuchlichen Schrittmotoren sehr schwierig. In der Zeitschrift Elektrie von 1965, Heft 4, S. 172 bis 174, ist ein Schrittbetrieb eines Drehstrom-Kurz-Schlußläufers der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem als Schalter steuerbare Gleichrichter, wie Thyratrons oder Thyristoren, verwendet sind, so daß ein Anschluß der Schrittschaltung an das Wechselstromnetz möglich ist. Mit einem Steuergerät wird

bei dieser Schrittschaltung durch das Verschieben des Zündzeitpunkts der Thyratrons der gewünschte Gleichstrommittelwert der einzelnen aus einphasig gleichgerichtetem Wechselstrom gebildeten Impulse eingestellt; hierbei ist über einen Taktgeber die Frequenz der Impulsfolge festgelegt. Durch diese Schaltung ergibt sich keine allzu starke thermische Beanspruchung des Drehstrom-Kurzschlußläufers.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine einfach aufgebaute Anordnung anzugeben, mit der ein Mehrphasen-Wechselstrommctor hoher Leistung schrittweise betrieben werden kann und bei dem die Größe des Schrittwinkels durch Umschaltungen in der Steueranordnung verändert werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zum schrittweisen Antrieb eins elektrischen Mehrphasen-Wechselstrommotors der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß auch dem Rotor eine von der Taktimpulsreihe über eine zweite Impulsfolge abgeleitete, mehrphasige Impulsspannung zugeführt wird und in eine der Impulsfolgen zusätzlich Steuerimpulse eingefügt oder in einer der Impulsfolgen Steuerimpulse unterdrückt werden und daß die mehrphasigen Impulsspannungen durch Teilung der Impulszahl pro Zeiteinheit aus den Impulsfolgen abgeleitet werden.

Weiterhin ist zur Durchführung dieses Verfahrens eine Anordnung mit einem Taktgeber dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Taktgebers einer ersten Reihenanordnung aus hintereinam'ergeschalieten Impulsteilerschaltungen direkt und einer zweiten Reihenanordnung aus hintereinandergeschalteten Impulsteilerschaltungen über eine Steuerimpulse hinzufügende oder Steuerimpulse unterdrückende Torschaltung zugeführt ist und daß die Ausgänge der Reihenanordnung über Wechselspannungen erzeugende Einrichtungen an die Stator- bzw. Rotorwicklungen gelegt sind.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Anzahl der hintereinandergeschalteten Impulsteiierschaltungen, die bislabile Flip-Flop-Schaltungen sein können, veränderbar.

Wird nach dem Verfahren oder bei der Anordnung gemäß der Erfindung eine Anzahl von Impulsen an die Torschaltung angelegt, so eilt die am Ausgang dieser Schaltung anliegende Phase der Wechselspannung der am Ausgang ohne Torschaltung anliegenden Wechselspannung vor bzw. nach; hierdurch dreht sich der Rotor schrittweise um jeweils den Winkel, der tier Phasendifferenz zwischen den beiden Wechselspannungen entspricht. Die Zahl der vom Rotor durchgeführten Schritte wird .omit durch die Zahl der an der Torschaltung anliegenden Impulse gesteuert, und der Drehwinkel des Rotors, der von

einem Steuerimpuls abhängt, kann durch eine Veränderung der Zahl der in Reihe geschalteten !mpulsteilerschaltungen geändert werden.

Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung gegenüber gebräuchlichen Schrittmotoren liest darin! daß ein normaler elektrischer Mehrphasen-Wechsel strommotor, der einen Staior und einen Rotor mit Mehrphasenwicklungen aufweist, als Schrittmotor verwendbar ist, der im Vergleich mit den bisher gebräuchlichen Schrittmotoren in seinem Aufbau äußerst vereinfacht ist. Auch ist im Unterschied zu den gebräuchlichen Schrittmotoren, bei welchen der Drehwinkel des Rotors, der von einem Eingangssignal abhängt, nur von der mechanischen Ausbildung abhängig ist. sowie im Unterschied zu dem bekannten als Schrittmotor eingesetzten Drehstrommotor gemäß der Erfindung der von einem Steuerimpuls abhängige Drehwinkel des Rotors mittels einer Steuereinrichtung elektrisch zu verändern.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zweiphasen-Asynchronmotors, an dem die Erfindung angewandt wird;

F i g. 2 und 3 zeigen Darstellungen zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung. Fig. 2 zeigt einen Fall, bei dem das Antriebsdrehmoment NuI¹ ist. F i g. 3 zeigt einen Fall, bei dem ein Drehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt wird;

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuereinheit gemäß der Erfindung;

F i g. 5 bis 7 zeigen Darstellungen der verschiedenen Schwingungsformen an verschiedenen Funkten der in F i g. 4 gezeigten Steuereinheit zur Erläuterung ihrer Arbeitsweise.

Zuerst werden die Grundlagen der Erfindung erläutert. Es wird angenommen, daß die Erfindung bei einem Zweiphasen-Asynchronmotor, der schcniatisch in Fig. 1 gezeigt ist, angewandt wird. Der Motor weist einen Stator I mit den beiden Wicklungen 1M und \A (eine Bezugs- und eine Steuerwicklung) und einen Schleifringläufer 4 mit den Wicklungen 4M und 4 A auf. Wegen der in Reihe geschalteten Kondensatoren 2 und 5 liegt an den Wicklungen 1A und 4 4 eine Spannung an, die gegen die an den Wicklungen IM und 4M anliegende Spannung um 90 phasenverschoben ist. Die Spannungsversorgung erfolgt über die Spannungsquellen 3 bzw. 6.

Nach Fig. 4 weist eine Steuereinheit gemäß der Ftlindung, mittels der ein Zweiphasen-Asynchronmotor, wie in F i g. 1 gezeigt, ais Schrittmotor verwendbar ist, folgende Bestandteile aui: einen Taktgeber 7. eine Torschaltung 8, eine erste Kette von Flip-Flops 9, 10 und 15 und eine eine Wechselspannung erzeugende Einrichtung 1.3. Diese Anordnung bildet die Spannungsquelle 3 in Fig. 1. Ferner eine zweite Kette von Flip-Flops 11,12 und 16 und eine eine Wechselspannung erzeugende Einrichtung 14. Diese Anordnung bildet die in F i g. 1 gezeigte Spannungsquelle 6 zur Versorgung des Rotors 4. Mittels der die Wechselspannungen erzeugenden Einrichtungen 13 und 14 wird synchron zu den Ausgangssignalen der Flip-Flops 10 oder 15 bzw. 12 oder 16 die Wechselspannung an den Stator 1 bzw. an den Rotor 4 gelegt. Wie noch im einzelnen erläutert wird, werden die Flip-Flops 15 und 16 wahlwc'sc mittels der Schalter S, und S₂ zwischen das Fl'p-FIop 10 und die Einrichtung 13 bzw. das Flip-Flop 12 und die Einrichtung 14 eingeschaltet. Die erste und zweite Kette der Flip-Flops wird hier bestehend aus drei Flip-Flops sezeigt. Selbstverständlich kann die Zahl der Flip-Flops in jeder Kette erhöht odor erniedrigt werden, so daß der Drehwinkel des Rotors 4 in Abhängigkeit von einem Steuerimpuls frei gewählt werden kann, wie noch erläutert wird.

Die folgenden Erläuteringen beziehen sich aur

ίο Fig. 2 und 3. Wie in Fig. 2B und 2C gezeigt, befinden sich die Spannungen an Stator und Rotor in Phase. Der Anfangswinkel (·),, zwischen den Stator- und Rotorwicklungen ist Null. Die umlaufenden Magnetfelder drehen sich in der gleichen Richtung,

mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und sind in der gleichen Phase, wie mit den Pfeilen X und Y dargestellt ist. Die Pole N und S des Stators 1 stehen den Polen S und N des Rotors 4 gegenüber. Folglich dreht sich der Rotor 4 nicht und wird in seiner Stel-

lung festgehalten.

Wenn nun die von der Quelle 6 angelegte Spannung der von der Quelle 3 an der Statorwicklung angelegten Spannung um einen Phasenwinkel 0_fi nacheilt, wie in F i g. 3 gezeigt, eilt das von der Rotor-

wicklung erzeugte umlaufende Magnetfeld dem von der Statorwicklung erzeugten umlaufenden Magnetfeld um den Winkel Θ_Ε nach. Hierdurch wird em Drehmoment erzeugt, durch das der Rotor 4 im Uhrzeigersinn gedreht wird, um die Phasendifferenz 6>_£-

zwischen den beiden umlaufenden Magnetfeldern auszugleichen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Folglich dreht "sich der Rotor 4 in der mit Z bezeichneten Richtung um einen Winkel, der bestimmt wird durch

β¹M =

wobei ρ = Zahl der Polpaare; das entspricht P/2, wenn P die Anzahl der Pole ist.

Die Erläuterungen der Grundlagen der Erfindung hat gezeigt, daß ein Zweiphasen-Asynchronmotor

als Schrittmotor verwendbar ist. Im folgenden wird in bezug auf F i g. 4 und 5 die Arbeitsweise dieses Schrittmotors im einzelnen erläutert. Zur Erleichterung der Erläuterung wird angenommen, daß der Anfangswinkel zwischen den Stator- und den Rotor-

wicklungen Null ist, wie in F i g. 2 A gezeigt, und daß die anfangs an Stator- und Rotorwicklungen anliegenden Wechselspannungen in Phase sind. Wie bereits gezeigt, werden die Wechselspannungen über die die Wechselspannungen erzeugenden Einrich-

tungen 13 und 14 in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Flip-Flops 10 bzw. 12 angelegt. Die Schwingungsformen der Spannungen an den verschiedenen Punkten der Steuereinheit zeigt F i g. 5 Die in Fig. 5B und 5C gezeigten Impulse entspre-

eher» den in Abhängigkeit von der Impulsfolge des Taktgebers 7 erzeugten Ausgangssignalen der Flip-Flops 9 und 11 bzw. 10 und 12. Wie erkennbar ist, entspricht die Impulsdauer der Ausgangssignale der Flip-Flops 10 und 12 der doppelten Impulsdauer der

Signale der Flip-Flops 9 und 11. Die Impulsdauer wird nochmals verdoppelt, wenn ein weiteres Flip-Flop in Reihe geschaltet ist. Hierdurch liegt an den Wicklungen 1M und 4M von Stator und Rotor die in Fig. 5D gezeigte Spannung an, während an den

Wicklungen IA und AA die in Fig. 5E gezeigte Spannung anliegt.

Wird an die Torschaltung 8 ein Steuerimpuls für eine positive Drehung gelegt, wird dieser Impuls in

die am Flip-Flop 11 anliegende Impulsfolge eingefügt, wie in F i g. 6 C gezeigt. Hierdurch eilt die Phase der am Rotor 4 anliegenden Spannung der Phase der am Stator 1 anliegenden Spannung um einen Winkel, der einem Impuls entspricht, voraus. Folglich dreht sich der Rotor 4 schrittweise, um diese Phasendifferenz auszugleichen. Sobald die Phasendifferenz ausgeglichen ist, hält der Rotor 4 an und wird in seiner Stellung festgehalten. Wird andererseits an die Torschaltung 8 ein Impuls für eine negative Drehung gelegt, wird in der von dem Taktgeber 7 erzeugten und am Flip-Flop 11 anliegenden Impulsfolge ein Impuls gelöscht, wie in F i g. 7 B und 7 C gezeigt. Folglich eilt die Phase der um Rotor 4 anliegenden Spannung der am Stator 1 anliegenden Spannung um einen Winkel nach, der einem Impuls entspricht. Hierdurch dreht sich der Rotor 4 gegen den Uhrzeigersinn um den Winkel Θ_Μ. Das entspricht dem Winkel QfJp. Der Rotor wird dann in dieser Stellung festgehalten, wie bereits erläutert.

Die Torschaltung 8 arbeitet also beim Anliegen eines Impulses für eine positive Drehung ak Additionsschaltung und beim Anliegen eines Steuerimpulse:: für eine negative Drehung als Subtraktionsschaltung. Hierdurch wird eine digitale Steuerung des Drehwinkels des Rotors in Abhängigkeit von den an der Torschaltung 8 anliegenden positiven oder negativen Steuersignale möglich. Das heißt, entsprechend den an der Torschaltung 8 anliegenden positiven oder negativen Steuerimpulsen, c:lt die Phase der am Rotor 4 anliegenden Spannung der Phase der am Stator 1 anliegenden Spannung um einen Winkel, der einem SteuerimpuK entspricht, voraus oder nach. Die durch einen Steuerimpuls hervorgerufene Phasendifferenz Θ_Ε ergibt sich zu

q_e = 2 π — (Winkelmaß),
2ⁿ

wobei η gleich der Zahi der in Reihe geschalteten Flip-Flops und eine positive ganze Zahl ist.

Hieraus geht hervor, daß der Drehwinkel des Rotors in Abhängigkeit von einem Steuerimpuls in einem weiten Bereich veränderbar ist, wenn die Zahl der in Reihe geschalteten Flip-Flops entsprechend gewählt wird.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Flip-Flops 15 und 16. die normalerweise von der Kette der Flip-Flops in der in F i g. 4 gezeigten Steuerschaltung getrennt sind, erläutert. Werden die beweglichen Kontakte der Schalters, und S₂ von den festen Kontakten α auf die festen Kontakte b umgeschaltet, werden üic Füp-Flops 15 und 16 mit den Flip-Flops 9 und 10 bzw. 11 und 12 in Reihe geschaltet. Das heißt, die Zahl der in Reihe geschalteten Flip-Flops in jeder Spannungsversorgungsschaltung wird um eines erhöht. Hierdurch wird der Drehwinkel des Rotors um die Hälfte verringert. Durch die Zuschaltung eines weiteren Flip-Flops ist daher der Drehwinkel entsprechend obiger Gleichung abermals zu haibicren.

Die Erfindung schafft also ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen ein elektrischer Mehrphasen-Wechselstrommotor, der einen Stator und einen Rotor aufweist, als Schrittmotor verwendet werden kann. Die Ausgangssignale eines digitalen Phasenmodulators, gekennzeichnet durch einen Taktgeber und Tmpulsteilerschaiiungen, die wiederum eine Kette von in Reihe geschalteten Flip-Flop« aufweisen, werden an die Stator- bzw. Rotorwicklungen über die die Wechselspannungen erzeugenden Einrichtungen gelegt, um die umlaufenden Magnetfelder zu erzeugen. Entsprechend der Zahl der in eine vom Taktgeber erzeugten Impulsfolge eingefügten Steuerimpulse und der Art, wie diese Steuerimpulse in üie Impulsfolge eingefügt werden, wird die Anzahl der Schritte und die Drehrichtung des Rotors gesteuert. Der Drehwinkel des Rotors in Abhängigkeit von einem Steuerimpuls wird durch die Veränderung der Zahl der in Reihe geschalteten Flip-Flops in der Schaltung zur Verringerung der Impulszahl verändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum schrittweisen Antrieb eines elektrischen Mehrphasen- Wechselstrommotors, dessen Stator eine von einer Taktimpulsreihe eine erste Impulsfolge abgeleitete, mehrphasige Impulsspannung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auch dem Rotor eine von der Taktimpulsreihe über eine zweite Impulsfolge abgeleitete, mehrphasige Impulsspaiinung zugeführt wird und in eine der Impulsfolgen zusätzlich Steuerimpulse eingefügt oder in einer der Impulsfolgen Steuerimpulse unterdrückt werden und daß die mehrphasigen Impulsspannungen durch Teilung der Impulszahl pro Zeiteinheit jus den Impulsfolgen abgeleitet werden.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Taktgeber, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Taktgebers (7) einer ersten Reihenanordnung aus hintereinandergeschalteten Impulsteilerschaltungen direkt und einer zweiten Reihenanordnung aus hintereinandergeschalteten Impulsteilerschaltungen über eine Steuerimpulse hinzufügende oder Steuerimpulse unterdrückende Torschaltung (8) zugeführt ist und daß die Ausgänge der Reihenanordnungen über Wechselspannungen erzeugende Einrichtungen (13, 14) an die Stator-(IM, IA) bzw. Rotorwicklungen (4M, 4A) gelegt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der hintereinandergeschalteten Impulsteilerschaltungen veränderbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsteilerschaltungen bistabile Flip-Flop-Schaltungen (9 bis 12, 15 und 16) sind.