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"Schaltungsanordnung zur verlustarmen Ansteuerung eines Schrittmotors"
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur verlustarmen Ansteuerung eines
Schrittmotors mit hoher Grenzfrequenz in einem großen Frequenzbereich.
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Es ist bekannt, daß Schrittmotoren mit Rechteckimpulsfolgen angesteuert
werden. Die letzteren werden dabei von bekannten Steuergeräten in definierter Weise
an die Wicklungen des Schrittmotors verteilt. Die Form der dabei in den Wicklungen
auftretenden Stromimpulse soll möglichst ideal rechteckförmig sein. Es kommt jedoch,
bedingt durch
die Zeitkonstante der Motorwicklung, zu Verschleifungen
der Rechteckform, so daß die Vorderflanken der Stromimt pulse etwa wie die Funktion
I = Io (1-e r) und die t Rückflanken wie I = Io e t verlaufen. Daraus folgt ein
Abfall des effektiven Motorstromes bei steigender Frequenz. Die Grenzfrequenz des
Motors, die an sich konstruktiv bedingt ist, wird dadurch stark herabgesetzt.
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Es sind im wesentlichen drei Möglichkeiten bekannt, welche die Verschiebung
der Grenzfrequenz nach höheren Frequenzen im Sinne der obigen Darlegungen gestatten.
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Die erste besteht in einer Reihenschaltung eines relativ hohen Widerstandes
mit der Motorwicklung. Dadurch wird die Zeitkonstante gemäßY= w verringert, und
die Grenzfrequenz erhöht sich entsprechend. Schwierigkeiten bringt bei dieser Handhabung
der hohe Energieverlust vor allem im stationären Zustand mit sich, welcher durch
Spannungsabfall über dem Widerstand verursacht wird.
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Hoher Energieverlust bedeutet andererseits auch groB dimensionierte
Bauelemente, hohe Forderungen an die Wärmeabführung und damit großes Bauvolumen
der Ansteuerelektronik.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Wicklung kurzzeitig
an eine überhöhte Spannung gelegt wird. Dieses erfolgt mittels eines Verstärkers,
welcher die Motor'½ C.r lung während des Stromanstieges durch ein Zeitglied,
beispielsweise
in Form eines monostabilen liltivibrators, synchron mit der vom Impulsverteiler
gelieferten Impulsfolge kurzzeitig an eine höhere Spannung legt. Die Einschaltdauer
wird dabei einerseits konstant und zum anderen kleiner als der minimale halbe Impulsabstand
X min /2 der auslösenden Rechteckimpulsfolge gehalten.
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Die solcherart der Wicklung zugeschaltete Spannung bewirkt einen steilen
Stromanstieg an der Impulsvorderflanke und wird bei Erreichen des Nennwertes vom
entsprechend eingestellten Zeitglied wieder abgeschaltet. Dies entspricht einer
Verkleinerung der Zeitkonstante rund ermöglicht damit die Erhöhung der Betriebsfrequenz.
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Ungünstig ist es, daß das Zeitintervall, während welchem die überhöhte
Spannung an der Wicklung anliegt, konstant gehalten wird. Eine VarMerbarkeit im
Interesse von zu regelnden oder zu steuernden physikalischen Größen, nicht zuletzt
auch im Interesse der Erhöhung der Betriebafrequenz, ist nicht vorgesehen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht in der Regelung des Motorstromes,
wobei vorteilhafterweise die Motorwicklung solange an eine erhöhte Spannung gelegt
wird, bis bei Erreichen des Motornennstromes ein aus der Regelabweichung gewonnenes
Signal diese wieder abschaltet. Hierzu ist aedoch ein erhöhter Schaltungsaufwand
erforderlich.
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Der Zweck der Erfindung besteht in der Befriedigung der steigenden
Anforderungen in bezug auf minimale Baugröße in Verbindung mit einfacher Schaltungsstruktur
sowie in der Senkung der Energieverluste bei gleichzeitiger Erhöhung der Schrittgeschwindigkeit
und des Beschleunigungs-'vermö gens, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung zur verlustarmen Ansteuerung eines Schrittmotors zu schaffen,
die der Forderung nach möglichst großem Drehmoment beziehungsweise hohem Beschleunigungsvermögen
durch Gewährleistung des Motornennstromes unter Einhaltung der zulässigen Motorverlustleistung
über einen großen Frequenzbereich entspricht.
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Aus dem Netz soll im wesentlichen außer der vom Motor übertragenen
Leistung nur die sich aus Eisen- und Kupferverlusten zusammensetzende Motorverlustleistung
entnommen werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mittels mehrerer, jeweils aus zwei
Verstärkern bestehender Verstärkungssysteme in Verbindung mit einem Zeitglied und
einem Energierückführungssystem dadurch gelöst, daß der erste Verstärker die Nennspannung
der Motorwicklung durch eine Spannungsgegenkopplung im statischen Betrieb konstant
hält und der zweite Verstärker zusammen mit dem Zeitglied als Stellglied einer an
sich bekannten Steuer- und Regeleinrichtung
wirkt, wobei die Ablaufzeit
des Zeitgliedes durch eine veränderliche Spannung in definierter Weise einstellbar
ist.
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Des weiteren ist zur Lösung der Aufgabe ein mit den Motorwicklungen
über ein ODER-Glied parallelliegender Kondensator vorgesehen, welcher die Entmagnetisierungsenergie
entweder an einen Entladewiderstand oder an einen Netzkondensator abgibt. Diese
Elemente bilden das Energierückführ system. Die Anzahl der Verstärkungssysteme und
der Dioden des ODER-Gliedes ist identisch mit der Phasenzahl des Motors.
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Eine bevorzugte Schaltungsanordnung sieht ein Zeitglied vor, welches
beim Ausschalten der Motorwicklungen zwangsrückstellbar ist.
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Die Verstärker sind zweckmäßigerweise durch Dioden zu entkoppeln.
Dabei wird sowohl die überhöhte Spannung als auch die hohe Induktionsspannung der
Motorwicklungen vom Gegenkopplungszweig ferngehalten.
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Ein besonderer Vorteil besteht bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
darin, daß Mittel vorgesehen sind, welche die Ablauf zeit des Zeitgliedes während
des Beschleunigungs- und Verzögerungsvorganges durch ein logisches Signal zu erhöhen
gestatten.
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SchlieBlich sei angemerkt, daß der mit dem Zeitglied gekoppelte zweite
Verstärker als Stellglied Bestandteil einer Regeleinrichtung ist, welche die zwischen
Soll- und Istwert -des
effektiven Motorstromes bestehende Abweichung
durch einen an sich bekannten Regler ausregelt.
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Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung werden die eingangs
erwähnten Schwierigkeiten des bisherigen Standes der Technik überwunden. Sie gewährleistet
eine einfache Schaltungsstruktur und eine kleine Baugröße bei gleichzeitig erhöhter
Schrittgeschwindigkeit der Schrittmotoren.
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Diese Verbesserungen werden, technisch gesehen, durch Gewährleistung
des Motornennstromes unter einhaltung der zulässigen Motorverlustleistung über einen
großen Frequenzbereich erreichte Dabei werden dem Netz neben der vom Motor übertragenen
Leistung im wesentlichen nur die Eisen- und Kupferverluste entnommen, Die Erfindung
soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige
Zeichnung zeigt die Anordnung der Bauelemente der Ansteuerung. Im Interesse der
Ubersichtlichkeit wurden hierbei Vereinfachungen vorgenommen.
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Diese beziehen sich einerseits auf einige die Funktion nur unbedeutend
beeinflußende Bauelemente und andererseits auf Verstärkungssysteme, die in ihrer
Struktur je nach Anzahl der vorhandenen Motorwicklungen mehrfach auftreten und deshalb
nur angedeutet wurden.
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Das vorwiegend nur aus einem RC-Glied und einer iaä'oiodc
aufgebaute
Zeitglied wurde der Ubersichtlichkeit halber nur symbolisch dargestellt.
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Die Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus zwei Systemen,
einem Verstärkungssystem VS und einem Energie rückführungssystem ES. Das Verstärkungssystem
VS ist bei drei Motorwicklungen Ml, 2, 3, die der Einfachheit halber dem Ausführungsbei
spiel zugrunde gelegt wurden, dreifach vorhanden (VS1, 2, 3). Sie sind parallel
zueinander angeordnet und arbeiten jeweils auf eine Ihnen zugeordnete Motorwicklung
M1, 2, 3. Im folgenden wird nur noch das Verstärkungssystem VS1 betrachtet. Zu diesem
Verstärkungssystem VS1 gehören neben einem Zeitglied ZG zwei parallel zueinander
geschaltete Verstärker V1 und V2. Davon liegt der eine an einer niedrigen und der
andere an einer hohen Versorgungsspannung Ul, 2. Beide zusammen liegen in Reihe
mit der zugehörigen Wicklung Ml. Der erste Verstärker V1 ist spannungsgegengekoppelt
und hält im statischen Betrieb die Nennspannung UN des Motors konstant.
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Die Ansteuerung erfolgt durch eine Rechteckimpulsfolge, die von einem
an sich bekannten nicht dargestellten Impuls verteiler bereitgestellt wird.
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Der Verstärker V1 wirkt als Ein- bzw. Ausschalter für die Motorwicklung
Ml. Er ist während des halben Ansteuerungs-T impulsabstandes 2 eingeschaltet.
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Der zweite Verstärker V2 ist nur im dynamischen Betrieb jeweils bei
Zuschaltung des Wicklungsstromes kurzzeitig in Tätigkeit. Er wird von der gleichen
Impulsfolge angesteuert
wie der erste Verstärker V1. Die Ansteuerung
erfolgt äedoch nicht unmittelbar, sondern unter Zwischenschaltung des Zeitgliedes
ZG. Das Zeitglied ZG wird von der Vorderflanke der am Eingang El anliegenden Impulse
betätigt und wird entweder infolge Zwangsrückstellung bei Ausschalten der Motorwicklung
Ml oder in Abhängigkeit einer variierbaren Steuerspannung U3 wieder außer Betrieb
gesetzt.
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Die Ablauf zeit des Zeitgliedes ZG ist mit der Einschaltdauer des
zweiten Verstärkers V2 identisch. Sie ist variierbar und gestattet damit die Steuerung
oder Regelung verschiedener physikalischer GröBen, wie z.B. die des Motorstromes.
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Das Verstärkungssystem VS1 ist durch zwei Dioden Grl, 2 entkoppelt.
Die erste Diode Grl liegt zwischen den Verstärkern V1 und V2 im Wicklungsstrompfad
und hält die hohe vom Verstärker V2 geschaltete Spannung U2 vom Gegenkopplungszweig
und vom Verstärker V1 fern.
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Die zweite Diode Gr2 liegt parallel zur Motorwicklung M1 im Gegenkopplungszweig
des ersten Verstärkers V1 und hält die hohe von der Motorwicklung M1 herrührende
Induktionsspannung vom Gegenkopplungszweig fern.
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Das Energierückführsystem ES besteht aus einem Kondensator C1 und
einem Entladewiderstand R20 Beide sind parallel zur jeweiligen Motorwicklung M1
geschaltet.
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Die beim Abschalten der Motorwicklung M1 freiwerdende Entmagneti si
erungsenergie wird vom Kondensator C1 aufgenommen0
Durch Abbau
der Uberschußenergie im Entladewiderstand R2 wird die Kondensatorspannung auf einen
Wert begrenzt, der etwa die Größe von U2 hat. Dadurch wird die Zeitkonstante der
Motorstromrückflanke etwa um das gleiche Maß wie das der Vorderflanke verringert.
Die Zuführung der Energie von der Motorwicklung M1 zum Kondensator C1 erfolgt dabei
über ein entkoppelndes ODER-Glied Gar3.
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Dabei ist jeder Motorwicklung Ml, 2, 3 eine Diode des ODER-Gliedes
Gr3 zugeordnet. Eine andere Möglichkeit der Begrenzung der lnduktionsspannung der
Motorwicklungen besteht in der Rückführung der Energie an den Netzkonden~ sator
C2, welcher zwischen dem die Spannung U2 liefernden Leiter und dem Mittelpunktsleiter
Mp liegt.