DE2345874C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Anlaufenlassen eines Schrittmotors - Google Patents

Description

Durchführung des ertindungsgemaßen Verfahrens geeignete Vorrichtung sowie deren Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen In Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen.

Es zeigt

Fi g. 2 ein Blockschaltbild einer Anlaufschaltung,

Fig.3 ein vereinfachtes Schaltbild der Anlaufschaltung in Verbindung mit der rtnsteuerschaltung für einen Schrittmotor,

Fig.4 die in einer Wicklung des Schrittmotors bei Lauf und Stillstand induzierten Spannungen,

Fig. 5 die Amplitude der in den Wicklungen des Schrittmotors Induzierten Spannungen in Abhängigkeit von der Frequenz und

F i g. 6 Form und Phasenbezeichnung der für die Ansteuerung eines Schrittmotors mit vier Wicklungen benötigten Wechselspannungen.

Das Wesen der erfindungsgemäßen Vorrichtung geht aus der F i g. 2 hervor. Dem Frequenzumschalter FW wird einerseits über die Leitung Ll eine von einem nicht gezeigten Generator kommende Betriebs-Wechseispannung mit der Frequenz./^ zugeführt, die zur Speisung des Schrittmotors M dient, und andererseits über die Leitung Ll eine von einem ebenfalls nicht dargestellten Generator gelieferte Anlauf-Wechselspannung, deren Frequenz JX niedriger ist als jene des Bereichs, in dem die Betriebs-Wechselspannung normalerweise liegt. Zwischen den Frequenzumschalter FW und den Motor M ist die Ansteuerlogik AL geschaltet. Der Motor M ist weiter mit einem Diskriminator FD verbunden, dessen Ausgang an den Frequenzumschalter FW gelegt ist.

Hat die Betriebsfrequenz Jl einen Wert, bei welcher der Schrittmotor nicht mehr anlaufen kann, so wird die Speisung für den Schrittmotor automatisch auf die Frequenz JX umgeschaltet, die so klein ist, daß der Motor anläuft. Sobald er läuft, wird wieder auf die ursprüngliche Frequenz Jl umgeschaltet. Die Umschaltung wird durch den Diskriminator FD, der erkennen kann, ob der Schrittmotor läuft oder steht, ausgelöst und von dem Frequenzumschalter durchgeführt. Die Umschaltung erfolgt so rasch, daß nur einige Schaltschritte verlorengehen. Mit dieser Schaltung ist es daher möglich, mit Frequenzen anzufahren, die im Endeffekt über der Anlauffrequenz/1 liegen. Eine bessere Ausnützung des Motors « und dadurch eine Erhöhung des Ges?mtwirkungsgrades sind die Folge.

In Fi g. 3 Ist der Schrittmotor M mit einer Wicklung 1 versehen, in welcher beim Vorhandensein einer Eingangs-Wechselspannung - gleichviel ob der Motor lauft oder stillsteht - ein Signal induziert wird. Die Form des Signais gibt aber Aufschluß darüber, ob tier Motor läuft oder, wenn die Frequenz der Elngangs-Wechselspannung zu hoch gewesen sein sollte, nicht angelaufen ist und daher steht. Beim Lauf des Motors entsteht ein Spannungsverlauf FL = Ul + Ul (Fig. 4); bei Stillstand des Motors zeigt die Spannung den Verlauf FS= Ul. Die mit UX bezeichnete, vergleichsweise hohe Teilspannung entsteht durch das Unterbrechen des Steuerstromes des Motors, während die wesentlich geringere Spannung i/2, auf die der Diskriminator eigentlich ansprechen sollte, durch den Lauf des Motors entsteht. Beide Spannungen UX und Ul sind naturgemäß frequenzabhängig.

Die am Punkt 2 entstehende Spannung wird der aus dem Transistor 3 und den Widerständen 4 und 5 bestehenden Schaltung zugeführt, die am Punkt 6 eine Spannung liefert, deren Verlauf gegenphaslg ist zu jener am Punkt 2 auftretenden Spannung und die weltgehend einem Rechteck ähnelt. Der Kondensator 7 und der Widerstand 8 bilden ein Differenzlerglied, wahrend die Diode 9, der Kondensator 10 und der Widerstand U 7ur Gleichrichtung der durch die Differenzierung entstandenen Impulse bzw. zur Glättung der nach der Gleichrichtung entstehenden Spannung dienen. Durch das Differenzieren über den Kondensator 7 und den Widerstand 8 entsteht eine exponentiell abklingende Impulsspitze, die der Impulsspitze, die durch die Unterbrechung des Steuerstromes am Punkt 2 der Wicklung entsteht, entgegengesetzt gerichtet Ist und bei entsprechender Dimensionierung des Kondensators 7 und des Widerstandes 8, bei Stillstand des Motors, den gleichen zeitlichen Verlauf hat. Infolge der entgegengesetzten Richtung beider Impulsspitzen entsteht an der Verbindungsstelle des Kondensators 7 und des Widerstandes 8 die Differenzspannung »Null«. Die Diode 9 bleibt gesperrt, wodurch am Widerstand 11 keine Gleichspannung entstehen kann. Der am Verbindungspunkt 12 liegende invertierende Eingang (-) des Komparators CP Hegt daher auf Potential 0. Infolge des positiven i^tentlais am nicht invertierenden Eingang (+), vorgegeben c arch die Widerstände 13 und 14, entsteht das logische Signal L (positive Logik) am Ausgang A des Komparators. Das Überschreiten der durch die Widerstände 13, 14 vorgegebenen Spannuf-'gsschwelle wird als »Lauf«, das Unterschreiten als »Stillstand« des Motors ausgewertet. Durch die annähernd gleiche Frequenzabhängigkeit der beiden sich kompensierenden Spannungsspitzen bleibt in einem weiten Frequenzbereich die beschriebene Kompensation erhalten. Durch entsprechende Dimensionierung der Teile 7, 8 und 10 kann erreicht werden, daß die entstehende Gleichspannung innerhalb des interessierenden Frequenzbereiches weitgehend frequenzunabhängig wird. Dies kann der Fig. 5 entnommen werden, weiche die Höhe der Spannungen FL und FS in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt.

Der Ausgang A des Komparators CP ist mit dem Frequenzumschalter FW verbunden, welchem eile Eiiigangswechselspannung, z. B. mit einer Frequenz von etwa 200 Hz und die Anlaufwechselspannung mit etwa 100 Hz zugeführt werden. Die Schaltung des Frequenzumschalters ist so getroffen, daß beim Vorhandensein des logischen Signals L - d. h. der Motor steht still - am Ausgang α des Frequenzumschalters FW eine Wechselspannung von 100 Hz zur Verfügung steht. Liegt aber am Ausgang A die logische Null - d. h. der Motor läuft bereits-, dann tritt am Ausgang α des Frequenzumschalters FW eine Wechselspannung von der Frequenz der Eingangsspannung auf, also etwa 200 Hz. Mit dem Ausgang α des Frequenzumschalters FW Ist der Eingang der Ansteuerlogik AL verbunden, die - als nicht zur Erfindung gehörend - nicht weiter zu erklären Ist. Sie hat die Aufgabe, aus einem periodischen Rechtecksignai vier Signale zu bilden (vgl. Fig. 6), welche die Leistungsstufe für den Motor treiben.

Tritt also die Eingangsspannung mit der Frequenz von 200 Hz auf. so wird der Motor nicht anlaufen. In der oben schon erläuterten Welse tritt somit die Spannung FS auf, welche In den logischen Wert L umgewandelt wird. Nach wenigen Impulsen (oder Sehalt-Strornstößen) wird somit der Frequenzumschalter FW umschalten und eine Wechselspannung mit der niedrigeren Frequenz Im vorliegenden Falle mit 100 Hz - liefern. Die Ansteuerlogik bmigi damit die Antriebs-Wechselspannungen mit ebenfalls 100 Hz an den Motor M, der sohln sicher anläuft. Läuft nun der Motor, so entsteht, wie schon beschrieben, am Punkt 2 der Motorwicklung die zusätzll-

ehe, durch den Lauf induzierte Spannung Ul, der keine kompensierende Spannung gegenübersteht. Diese Spannung Ul wird über die Diode 9 gleichgerichtet und liefert eine positive Spannung an den Invertierenden Eingang (-) des Kompensator, an dessen Ausgang daher das logische Signal 0 erscheint. Der Ausgang des Komparators steuert den Frequenzumschalter, welcher auf die Frequenz von etwa 200 Hz umschaltet. Der Motor M läuft sohln mit der höheren Frequenz welter. Sollte der Motor M aus Irgendwelchen äußeren Ursachen gleich wieder langsamer werden oder gar zum Stillstand kommen, so wiederholt sich der beschriebene Vorgang von selbst, so daß sich im Endeffekt eine Anlauffrequenz zwischen den beiden festen Frequenzen einstellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anlaufenlsssen eines Schrittmotors (M) mit einer Frequenz, die zwischen einer niedrigen AnlaufTrequenz (fl) und einer hohen Betriebsfrequenz (fl) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß als Anlauf- und als Betriebsfrequenz zwei feste Frequenzwerte (fl, fl) vorgegeben werden und daß von der Anlauffrequenz (fl) automatisch sofort auf die Betriebsfrequenz (fl) umgeschaltet wird, sobald der Motor (M) anläuft, und daß von der Betriebsfrequenz (fl) automatisch sofort auf die Anlauffrequenz (fl) zurückgeschaltet wird» sobald der Motor (M) wieder stehenbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der In einer der Motorwicklungen (1) induzierten Spannungen (FS, FL) gemessen und das Über- bzw. Unterschreiten einer Spannungsschwelle als Kriterium für Lauf bzw. Stillstand ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzabhängigkeit der in der Motorwicklung (1) bei Motorstillstand induzierten Spannung (FS) kompensiert wird.

4. Verfahren nach Ansprach 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzabhängigkeit der in der Motorwicklung (1) bei Motorlauf Induzierten Spannung (FL) kompensiert wird.

5. Vorrichtung zur Durchfahrung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein r.rs'.er Oszillator, dessen feste Ausgangsfrequenz (fl) im Alauffrequenzbereich des Schrittmotors (M) Hegt, ein zweiter Oszillator, dessen feste Ausgangsfrequenz (fl) Im rietrlebsfrequenzberelch des Schrittmotors (M) liegt, ein Frequenzumschalter (FW), der jeweils eine der beiden Ausgangsfrequenzen (fl, fl) an eine dem Schrittmotor (M) vorgeschaltete Ansteuerlogik (AL) durchschaltet, und ein Diskriminator (FD), der in Abhängigkeit vom Lauf oder Stillstand des Motors (M) den Frequenzumschalter (FW) umschaltet, vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des Diskriminator (FD) die in einer Wicklung (1) des Motors (M) Induzierten Spannungen (FL, FS) zugeführt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator (FD) ein Ampllludendiskrlminator Ist, der das Überschreiten einer Spannungsschwelle durch die In der Wicklung (1) des Motors (M) induzierte Spannung (FL) als »Lauf«, das Unterschreiten der Spannungsschwelle durch die induzierte Spannung (FS) als »Stillstand« auswertet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Eingang des Diskriminator (FD) zugeführten Spannungen (FL, FS) über ein Differenzlerglied (7, 8), einen Gleichrichter (9) und ein Glattungsglled (10) am einen Eingang (-) eines Spannungskomparators (CP) anliegen, dessen anderer Eingang (+) an einer festen Schwellenspannung angeschlossen Ist.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche S bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des ersten Oszillators ein Frequenzteller vorgesehen Ist, der die Anlauffrequenz (Jl) aus der Ausgangsfrequenz ffl) des zweiten Oszillators erzeugt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlaufenlassen eines Schrittmotors mit einer Frequenz, die zwischen einer niedrigen Anlauffrequenz und einer hohen Betriebsfrequenz Hegt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahresn.

Bei einem Schrittschaltmotor ist das Anlaufdrehmoment viel geringer als das Betriebsdrehmoment, daher kann beim Anlaufen mit höheren Frequenzen die Betriebsdrehmomentenkennlinle nicht ausgenützt wer den. In Fig. 1 ist der Drehmomentenverlauf eines . Schrittmotors gezeigt. Soll mit einer Frequenz angefahren werden, die höher ist als die Grenzfrequenz fl, mit welcher der Schrittmotor mit seiner Belastung MdI noch anlaufen kann, so muß ein anderer Motor gewählt wer den, wodurch meistens eier Aufwand beträchtlich steigt. Aus einer Druckschrift der Firma Valvo GmbH, Hamburg, »Technische Information für die Industrie«, Schrittmotoren TI 161, 1971, Seite 5, ist bekannt, daß man den Schrittmotor zunächst mit der Anlaufgrenzfre quenz beschleunigt und dann die Schrittfrequenz konti nuierlich mit einer bestimmten Steigerungsrate erhöht, bis die gewünschte Betriebsfrequenz erreicht Ist. Eine Angabe, wie groß diese Steigerungsrate sein darf, ist In dieser Schrift nicht genannt.

Zur Lösung dieses Problems gibt es verschiedene Wege. K. C. Garnerbehandelt in der Zeitschrift »Control Engineering« vom August 1967 auf Seite 71 eine Schaltung, mit der es möglich ist, einen Schrittmotor für SOO Schr./sec. mit 2000 Schr./sec. zu betreiben. Von der in der Motorwicklung erzeugten Gegenspannung wird eine v-proportlonaJe Spannung abgeleitet. Diese Spannung steuert die Ausgangsfrequenz eines Oszillators. Über ein Gatter, welches von einem Komparator gesteuert wird, gelangt die nun v-proportionale Frequenz zum Schritt motor. Der Komparator vergleicht die Impulse des Ein gangs- und des Ausgangssynchro. Der Schrittmotor wird, bedingt durch die v-proportlonale Frequenz, so lange hochgefahren, bis der Komparator das Gatter sperrt. In derselben Zeltschrift auf Seite 69 beschäftigt sich

J. P. Pawletko mit diesem Problem. Er benützt die Phasenverschiebung der Steuerimpulse und der am Schrittmotor durch einen Geber erzeugten Impulse als Regelgröße. Hler sind ebenfalls ein spannungsgesteuerter Oszillator und ein mit dem Motor mechanisch gekuppel ter Impulsgeber notwendig. Diese Schaltung ist auch Gegenstand der CH-PS 4 88 328.

Theoretisch wäre es noch denkbar, den Schrittmotor mit verringerter Last anlaufen zu lassen. Dies würde aber gegenüber den elektronischen Verfahren nur dann einen

so Vorteil bringen, wenn der Motor sehr stark belastet ist. Der technische Aufwand für die notwendige ausschaltbare Kupplung wäre jedoch sehr groß, so daß diese Methode In der Praxis ausscheidet. Die obengenannten Anlaufschaltungen benötigen jeweils einen großen Aufwand und haben Ihre Berechtigung dort, wo es darauf ankommt, daß keiner der dem Schrittmotor vorgegebenen Schritte verlorengeht. Wenn es sich jedoch nur darum handelt, den Schrittmotor sicher und möglichst schnell anlaufen zu lassen, 1st der bei den bekannten Schaltungen getroffene Aufwand zu groß.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein nicht streng schritttreues, besonders einfach zu realisierendes Anlaufverfahren für einen Schritt-

^6S motor anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, eine zur