DE2414602A1

DE2414602A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung von schrittmotoren

Info

Publication number: DE2414602A1
Application number: DE2414602A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Schaeff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-03-26
Filing date: 1974-03-26
Publication date: 1975-10-02
Also published as: FR2266366B1; DE2414602B2; CH586972A5; JPS5859397U; US4035708A; SE406400B; FR2266366A1; BE827060A; JPS50129911A; NL7501602A; SE7503204L

Description

Schaltungsanordnung zur Steuerung von Schrittmotoren

Pur die Ansteuerung von Schrittmotoren unterschiedlichster Wicklungsart sind verschiedene Prinzipien bekannt, die im einzelnen in einem Artikel der Zeitschrift "Computer Design" März 1971, unter dem Titel "Drive System for Small or Large Angle PM Stepping Motors" von Thomas E. Beling zusammengefaßt sind.

In der Arbeit von Beling werden sechs Möglichkeiten aufgezeigt, nämlich

1. für die Schrittmotorensteuerung die Betriebsspannung des Motors so zu wählen, daß sich mit dem Wicklungswiderstand der Nennstrom einstellt. Das· ergibt jedoch eine relativ große Zeitkonstante.

Um demgegenüber einen möglichst steilen Stromanstieg zu erhalten, soll mit Betriebsspannungen gearbeitet werden, welche wesentlich höher liegen, als die sich aus Wicklungswiderstand und Nennstrom ergebende Spannung. In diesem Falle muß dann der Wicklungsstrom begrenzt werden.

Dazu weist Beling auf folgende Möglichkeiten hin:

2. den Wicklungsstrom vermittels eines Vorwiderstandes zu begrenzen. Dies ergibt aber eine hohe Verlustleistung,

3. die Strombegrenzung durch eine Serienregelung sicherzustellen, was ebenfalls zu einer hohen Verlustleistung führt,

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4. eine Zweipunktregelung (Chopper Regulator) vorzusehen,

5. eine Spannungsumschaltung (Bilevol Drive) vorzunehmen, nach welcher zwei, verschieden große Betriebsspannungen U.,, Up verwendet werden, wobei die höhere Betriebsspannung TL· zur Ubererregung dient und nach einer konstanten Zeit vermittels einer Zeitstufe auf die niedrigere Spannung U₂ = I^ * R umgeschaltet wird, oder

6. die höhere Spannung U^ bei Erreichen des Nennstromes vermittels eines Triggers auf die niedrigere Spannung Up umzuschalten, bei welcher der Nennstrom fließt.

Die im vorstehenden angegebenen Prinzipien 4) bis 6) zeichnen sich durch eine geringere Verlustleistung aus.

Um diese durchschnittliche Verlustleistung jedoch noch weiter abzusenken, wird - vor allem bei großer Packungsdichte von Motoren und Ansteuerungen in Anlagen mit Schrittmotoren - gefordert, den Motorwicklungsstrom bei Stillstand des Motors, also während der Steuerimpulspausen, soweit zu reduzieren, daß lediglich noch das nötige Haltemoment des Motors erzeugt wird. Ein solcher Haltestrom kann wesentlich kleiner bemessen sein als der Nennstrom, weil er lediglich dazu dient, eine zufällige Winkelverstellung des Motorrotors während der Steuerimpulspausen zu unterbinden, was möglich wäre, wenn die Motorwicklung während der Ansteuerimpulspausen überhaupt nicht oder von einem zu geringen Strom durchflossen würde.

Zur Lösung einer solchen Aufgabe geht die Erfindung von dem bekannten Prinzip der Zweipunktregelung aus, bei welcher die Motorwicklung zur Erzielung eines steilen Stromanstiegs an eine

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Überspannung anlegbar ist und der Motorwicklungsstrom vermittels eines im Zweipunktregler vorgesehenen Schwellwertglieds während der Taktperiode auf dem Nennwert gehalten wird, Die Erfindung besteht hierbei darin, Taktüberwachungsschaltmittel vorzusehen, welche bei fehlendem Takt (Motorstillstandskriterium) den Wicklungsstrom des Motors auf seinen Haltestromwert herabsetzen.

Als Taktüberwachungsschaltmittel dient zweckmäßig eine Zeitstufe, deren Eigenzeit größer eingestellt ist als die Pausenzeit zwischen zwei Taktimpulsen und die bei fehlendem Takt nach Ablauf ihrer Eigenzeit den Ansprechschwellwert des Schwellwertgliedes im Zweipunktregler so weitgehend erniedrigt, daß der Stromfluß durch die Motorwicklung auf den Haltestromwert begrenzt oder geregelt wird.

Als Zeitstufe kann eine monostabile Kippstufe vorgesehen sein, deren Eigenzeit mit jedem der aufeinanderfolgenden Taktimpulse erneut angestoßen wird und ausgangsseitig nur dann die Signalspannung wechselt, wenn bei fehlendem Takt die Eigenzeit abläuft. Diese Zeitstufe verändert durch ihre Schaltmaßnahme die Größe eines in Reihe mit der Stromwicklung des Motors an der Versorgungsspannung liegenden Meßwiderstandes,'dessen Spannungsabfall das als Triggerstufe ausgebildete Schwellwertglied des Zweipunktreglers beeinflußt.

Die gewünschte Stromreduzierung auf einen unterhalb des Nennstroms liegenden Haltestrom kann mit einer einzigen, die Überspannung liefernden Spannungsquelle realisiert werden, wenn man dafür sorgt, daß diese Spannung über einen von einem Triggerglied steuerbaren Schalter die Motorwicklung und zwei mit dieser in Reihe geschaltete Meßwiderstände speist, von denen der eine mittels eines von der Zeitstufe steuerbaren weiteren Schalters kurzschließbar ist.

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Die gewünschte Stromreduzierung kann im Bedarfsfall aber auch mit zwei Spannungsquellen für die Speisung der Motorwicklungen realisiert werden, von denen die eine Spannungsquelle eine Überspannung abgibt, welche über einen von einem Gatter steuerbaren ersten Schalter und über einen weiteren vom Taktgeber steuerbaren zweiten Schalter sowie über einen Meßwiderstand an die Motorwicklung anlegbar ist, und von denen die zweite, eine niedrigere Spannung abgebende Spannungsquelle über eine in Flußrichtung gepolte Diode an der Motorwicklung sowie an dem mit dieser in Reihe geschalteten Meßwiderstand anliegt, wobei das Gatter nur dann eine das Schließen des ersten Schalters herbeiführende Ausgangsspannung abgibt, wenn sowohl das bei vorhandener Taktfolge auftretende Ausgangssignal der vom Taktgeber beeinflußten Zeitstufe als auch das der unteren Schwelle entsprechende Ausgangssignal der Triggerstufe gleichzeitig an den beiden Gattereingängen anliegen.

Die zweite Spannungsquelle gibt eine Unterspannung ab, deren Größe so bemessen ist, daß sie bei fehlendem Takt in der Motorwicklung lediglich den Haltestrom fließen läßt.

Ausführungsbeispiel der Erfindung seien nachstehend anhand von vier Figuren näher erläutert.

In der Fig. 1 ist die Motorwicklung W veranschaulicht, welche mit den Meßwiderständen EM₁ und RM₂ in Reihe geschaltet ist. Diese Reihenschaltung aus Motorwicklung und Meßwiderständen ist über den Schalter S12 an eine Betriebsspannungsquelle anschließbar, deren positive Klemme mit +U und deren negative Klemme mit -U bezeichnet sind, wobei letztere geerdet ist. Die einzige Betriebsspannungsquelle liefert eine Überspannung, die beim Schließen des Schalters S12 in der Motorwicklung W einen Wicklungsstrom fließen lassen würde, welcher wesentlich

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größer als der Nennstrom ist. Bei geschlossenem Schalter S11 ist der Meßwiderstand HM₁ kurzgeschlossen, so daß lediglich der Meßwiderstand HMp wirksam ist. Mit demptromanstieg in der Wicklung W erhöht sich bei geschlossenem Schalter S12 der Spannungsabfall am Meßwiderstand EMp. Hat dieser Spannungsabfall eine bestimmte Größe (obere Schwelle) erreicht, dann spricht die als Schwellwertglied des Zweipunktreglers ausgebildete Triggerstufe Tr an und gibt ein Ausgangssignal an den elektronischen Schalter S12, wodurch dieser geöffnet wird. Mit dem Öffnen des Schalters S12 klingt der Strom in der Motorwicklung W sowie im Meßwiderstand RM₂ ab. Hat der Strom durch den Meßwiderstand RMp und die dabei an ihm abfallende Meßspannung einen unteren Schwellenwert erreicht, dann spricht das Schwellwertglied Tr abermals an und verausgabt ein Ausgangssignal, welches den Schalter S12 wieder schließt. Die Größe des Meßwiderstandes RMp und die beiden Ansprechschwellen des Triggers Tr sind so gewählt, daß die Motorwicklung W aufgrund dieser Zweipunktregelung im wesentlichen von ihrem Nennstrom durchflossen wird.

Der Schalter S11 ist über die Zeitstufe Z vom Taktgeber T steuerbar. Solange Taktimpulse aufeinanderfolgen, verausgabt die Zeitstufe Z ein Ausgangssignal, welches den elektronischen Schalter S11 geschlossen hält, Die Zeitstufe Z ist dabei so ausgebildet, daß sie von jedem, in sie einlaufenden Taktimpuls, erneut angestoßen wird, und ihre Eigenzeit ist so bemessen, daß sie die Pausen zwischen zwei Taktimpulsen überbrückt. Ist nach Eingang des letzten Taktimpulses ihre Eigenzeit abgelaufen, so wechselt sie ihr Ausgangssignal im Sinne einer Öffnung des Schalters S11. Da dieser Steuerzustand der Zeitstufe Z dem Motorstillstandskriterium (fehlender Takt) entspricht, wird mit dem Offnen des Schalters S11 der Meßwiderstand RM^ im Betriebsstromkreis wirksam, so daß nunmehr am Eingang des Triggers Tr der Spannungsabfall an den Widerständen RM₁ und .RMp anliegt.

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Damit wird die obere Sehaltschwelle des Triggers Tr schon bei einem wesentlich geringeren Stromfluß durch die Wicklung W erreicht. Dabei können die Größe des Meßwiderstandes EM. bzw. der Spannungsabfall an den Widerständen EM₁ uud RMp so gewählt werden, daß bei geöffnetem Schalter S11 lediglich der gewünschte Haltestrom durch die Wicklung W aufrechterhalten wird. Folgt eine neue Taktimpulsserie aus dem Taktgeber T, so schaltet mit dem ersten Taktimpuls die Zählstufe Z zurück und schließt den Schalter S11, womit in Verbindung mit der Triggerstufe Tr des Zweipunktreglers und vermittels des Schalters S12 in der Motorwicklung W wieder auf Nennstrom geregelt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 1 kann das Problem der Stromreduzierung auf den Haltewert beim Motorstillstand auch dadurch gelöst werden, daß beim Motorstillstand der Ansprechwert des Triggers Tr erniedrigt wird.

Die Regelfrequenz des Zweipunktreglers zur Aufrechterhaltung des Nennstromes in der Wicklung W bei vorhandenem Takt sowie zur Aufrechterhaltung des Haltestroms in der Wicklung W bei fehlendem Takt kann gegebenenfalls im Motor zu mechanischen Schwingungen führen, welche sich als Singen oder Pfeifen akustisch bemerkbar machen. Während des Motorlaufs, also bei Aufrechterhaltung des Nennstromes, gehen diese Schwingungen in anderen Antriebsgeräuschen unter; während des Motorstillstands dagegen, also bei Aufrechterhaltung des Haltestromes durch den Zweipunktregler würden sich solche akustischaiSignale jedoch unter Umständen störend bemerkbar machen, beispielsweise beim Einsatz solcher Schrittmotoren in Büromaschinen.

Um solchen Regelschwingungen bei Motorstillstand zu begegnen, kann man im Rahmen der Erfindung auf eine Lösung zurückgreifen, bei der im Stillstand des Motors keine Stromregelung des Halte-

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stromes angewendet wird, sondern auf eine feste Betriebsspannung umgeschaltet wird, deren Größe so gehalten ist, daß in. der Wicklung W ein permanenter, ungeregelter Haltestrom fließt.

Hierzu veranschaulicht die Pig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Nach Fig. 2 liegt die Motorwicklung W bei geschlossenem Schalter S12 in Reihe mit dem Meßwiderstand EM an der Überspannung U1 Wie im Ausführungsbeispiel nach Pig. 1 steuert der Spannungsabfall am Meßwiderstand HM den Trigger Tr, welcher ausgangsseitig den Schalters S12 beeinflußt. Bei vorhandenem Takt gibt die Zeitstufe Z ein Ausgangssignal ab, welches zusammen mit dem Ausgangssignal des Triggers Tr das Gatter G beeinflußt, dessen Ausgang den elektronischen Schalter S12 steuert. Laufen keine Taktimpuls T mehr ein und ist die Eigenzeit der Zeitstufe Z abgelaufen, dann ist die Undbedingung des Gatters G nicht mehr erfüllt und der Schalter S12 wird geöffnet, was einer Unterbrechung der Betriebsspannung U1 entspricht. Trotz geöffnetem Schalter S12 liegt in diesem Betriebszustand nunmehr eine wesentlich niedrigere Spannung U2 über die Diode D an der Motorwicklung W. Diese Spannung U2 ist so gewählt, daß sie in der Wicklung W lediglich den Haltestrom für den Motor fließen läßt. Dieser Haltestrom fließt solange, bis eine neue Taktimpulsserie eintrifft.

Das Diagramm nach Pig. 3 veranschaulicht den Verlauf des Nennstromes I„ bei der Spannung U1, die Umschaltung auf den Haltestrom Ig bei der Versorgungsspannung U2 nach Ablauf der Eigenzeit t der Zeitstufe Z während des Motorstillstands und die Rückschaltung auf den Nennstrom nach Wiederkehr des ersten Taktimpulses der nachfolgenden Taktimpulsserie.

Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen lediglich das Prinzip der erfindungsgemäßen Maßnahmen an einer einzigen Wicklung der Schrittmotoren. Häufig haben aber Schrittmotore üblicher Bauart

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drei Wicklungen, von denen zwei Wicklungen, in Serie geschaltet, zu der dritten Wicklung parallelgeschaltet sind (W1 bis W3 in Fig. 4-). Das Ausführungsbeispiel in Fig. 4 stützt sich auf das Prinzip in Fig. 2 und veranschaulicht die Überspannung U1, die Unterspannung U2, die Diode D, den Meßwiderstand Ej. den Trigger Tr, die Zeitstufe Z, das Gatter G, sowie den Schalter S12, wobei dieser durch einen elektronischen Schalter (Transistorgruppe S12) ersetzt ist. Da die Wicklungen W1 bis W3 des Motors M vermittels zugehöriger Taktimpulsserien einander überschneidend ein- und ausgeschaltet werden, ist eine Impulsverteilung JV vorgesehen, welche die aus dem Takt T erzeugten, sich überschneidenden Takte T1 bis T3 über Treiberstufen Tb₁ bis Tb, den elektronischen Schaltern S131 bis S133 zuleiten. Die Schalter S131 bis S133 sind in Fig. 4 als Gegentaktendstufen ausgeführt, die je nach Stellung der Takte T1 bis T3 Strom aus den Spannungsquellen TJ1 oder U2 an die Wicklung abgeben oder aus der Wicklung aufnehmen und dem Meßwiderstand IL. zuleiten.

7 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

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/ 1.)Schaltungsanordnung zur Steuerung von Schrittmotoren, deren Wicklungen zur Erzielung eines steilen Stromanstiegs an eine Überspannung anlegbar und mit einem ein Schwellwertglied enthältenden Zweipunktregler schaltbar sind, der den Motorwicklungsstrom während der Taktperiode auf dem Nennwert hält, dadurch gekennzeichnet, daß Taktüberwachungsschaltmittel (Z) vorgesehen sind, die bei fehlendem Takt (Motorstillstandskriterium) den Wicklungsstrom des Motors (M) auf seinen Haltestromwert herabsetzen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Taktüberwachungsschaltmittel eine Zeitstufe (Z) vorgesehen ist, deren Eigenzeit (t ) größer als die Pausenzeit zwischen zwei Taktimpulsen (T) eingestellt ist und bei fehlendem Takt (T) nach Ablauf ihrer Eigenzeit (t ) den Ansprechschwellwert des Schwellwertgliedes (Tr) im Zweipunktregler so weitgehend erniedrigte daß der Stromfluß durch die Motorwicklung (W) auf den Haltestromwert begrenzt und geregelt wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitstufe (Z) als monostabile Kippstufe ausgebildet ist, deren Eigenzeit (t ) mit jedem der aufeinanderfolgenden Taktimpulse (T) erneut angestoßen wird und ausgangsseitig nur dann die Signalspannung wechselt, wenn bei fehlendem Takt (T) die Eigenzeit (t_z) abläuft.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitstufe (Z) durch ihre Schaltmaßnahme die Größe eines in Reihe mit der Stromwicklung (W) des Motors (M) an der Versorgungsspannung (U) liegenden Meßwiderstandes (EM) verändert, dessen Spannungsabfall das als Triggerstufe ausgebildete Schwellwertglied (Tr) des Zweipunktreglers beeinflußt.

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5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 mit einer einzigen, die Überspannung liefernden Spannungsquelle (ü), dadurch gekennzeichnet, daß diese Spannung über einen von einem Triggerglied (Tr) steuerbaren Schalter (S12) die kotorwicklung (W) und zwei mit dieser in Reihe geschaltete Meßwiderstände (EM1, RM2) speist, von denen der eine (BM1) mittels eines von der Zeitstufe (Z) steuerbaren weiteren Sehalters (S11) kurzschließbar ist (Pig. 1).
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit zwei Spannungsquellen (U1, TJ2) für die Speisung der Motorwicklung (W), dadurch gekennzeichnet, daß die eine Spannungsquelle (U1) eine Überspannung abgibt, welche über einen von einem Gatter (G) steuerbaren Schalter (S12) und gegebenenfalls über einen weiteren, vom Taktgeber (T) steuerbaren Schalter (S11) sowie über einen Meßwiderstand (RM) an die Motorwicklung (W) anlegbar ist, daß die zweite, eine niedrigere Spannung abgebende Spannungsquelle (U2) über eine in Flußrichtung gepolte Diode (D) an der Wicklung (W) sowie an dem mit dieser in Reihe geschalteten Meßwiderstand (RM) anliegt und daß das Gatter (G) nur dann eine das Schließen des Schalters (S12) herbeiführende Ausgangsspannung abgibt, wenn sowohl das bei vorhandener Taktfolge auftretende Ausgangssignal der vom Taktgeber (T) beeinflußten Zeitstufe (Z) als auch das der unteren Schwelle entsprechende Ausgangssignal der Triggerstufe (Tr) gleichzeitig an den beiden Eingängen des Gatters (G) anliegen (Fig. 2).
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannungsquelle (U2) eine Unterspannung abgibt, deren Größe so bemessen ist, daß sie bei fehlendem Takt (T) in der Motorwicklung (W) lediglich den Halteetrom (I_H) fließen läßt.

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