DE2705758C2

DE2705758C2 - Schrittmotor mit Erregerschaltung

Info

Publication number: DE2705758C2
Application number: DE2705758A
Authority: DE
Inventors: Bernardus Henricus Antonius Eindhoven Goddijn
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-02-24
Filing date: 1977-02-11
Publication date: 1981-10-29
Also published as: NL7601844A; IT1082151B; DE2705758A1; SE7701862L; GB1545657A; AU507460B2; FR2342578B1; JPS5752800B2; CA1073522A; ES456146A1; FR2342578A1; US4112345A; SE433691B; AU2247977A; JPS52103617A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor mit einer Erregerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Schrittmotor ist bekannt, so z. B. aus der DE-OS 23 33 129. Dort werden beim Impulsbetrieb zwei Phasen gleichzeitig um 90° phasenverschobene Signale zugeführt. Zur Dämpfung der Rotorbewegung werden diese Signale durch impulsförmige Signale, deren relative Phasenwinkel von einem mit dem Rotor gekoppelten Analoggeber gesteuert werden, überlagert. Eine solche Dämpfungsmaßnahme ist nicht optimal, da als rotorpositionsabhängige Steuergröße nur der Phasenwinkel, nicht aber auch die Signalamplitude verwendet wird. Auch ist die Anwendung eines Analoggebers, als eines nicht-elektronischen Teiles, nicht vorteilhaft.

In der Zeitschrift »Proceedings of the I.E.E.«, Band 122, Nr. 8, August 1975, S. 819 bis 824, ist in einem Aufsatz von A. Hughes und P. J. Lawrenson die elektromagnetische Dämpfung bei Schrittmotoren beschrieben.

Es wird nachgewiesen, daß durch Anpassung von Motorparametern, wie Widerstand und Selbstinduktion der Phasenwicklungen, die Dämpfungseigenschaften des Motors verbessert werden können.

Im allgemeinen ist die Anpassung von Motorparametern in bezug auf die Dämpfungseigenschaften keine günstige Lösung, weil andere Motoreigenschaften durch diese Parameter mitbestimmt werden. Bei Schrittmotoren mit Erregung aus einer Quelle mit einem gegenüber der Impedanz der Phasenwicklungen verhältnismäßig hohen Innenwiderstand, wobei diese Erregung in bezug auf die höchsterzielbare Schrittfrequenz vorteilhaft ist, hat dies nur einen geringen Effekt.

Aus der DE-OS 23 32 648 und der DE-OS 21 28 347 sind Motoren bekannt, bei denen eine Phase jeweils erregt wird und bei denen die andere Phase zur Dämpfung benutzt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schrittmotor der eingangs genannten Art Maßnahmen zu schaffen, mit denen auf rein elektronischem Wege eine optimale rotorpositionsabhängige Dämpfung erzielt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich der Vorteil einer optimalen Dämpfung für jede Position des Rotors, die darüber hinaus auch noch von anderen Parametern, z. B. von der Rotorgeschwindigkeit und der Rotorbeschleunigung,

mit beeinflußt wird. Denn auch diese Parameter bestimmen die Gegen-EMK und dadurch die Spannungen über den Phasen. Man erhält also eine dynamische Dämpfung, während bekannte Anordnungen nur eine statische Dämpfung aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch zwei Phasenwicklungen mit Stromquellen zur Definition der Spannungen und Ströme,

Fig.2 ein Prinzipschaltbild eines Schrittmotors mit Erregerschaltung nach der Erfindung und

F i g. 3 eine Ausführungsform einer Erregerschaltung nach der Erfindung.

Die Erfindung kann bei jedem Typ eines elektromechanischen Schrittmotors verwendet werden, der für Zweiphasenerregung geeignet ist Außerdem ist das Verfahren, durch das ein schrittweiser Betrieb des Motors erhalten wird, für die Erfindung nicht wesentlich. Daher wird zur Erläuterung der Erfindung nur derjenige Teil der Steuerschaltung beschrieben, der beim Erregen zweier bestimmter Phasen aktiv ist.

F i g. 1 zeigt die Wicklungen zweier Phasen 1 und 2. Diese Wicklungen können sowohl Stator- als auch Rotorwicklungen sein. Die Phasen 1 und 2 werden aus Stromquellen 3 bzw. 4 erregt. Die Stromquelle 3 führt einen Strom I\ und die Stromquelle 4 einen Strom /2. Der Strom /| erzeugt eine Spannung U\ über der Phase 1 und der Strom /.· eine Spannung U₂ über der Phase 2. Die unterschiedlichen Spannungen und Ströme werden stets im Sinne der Erregungsströme definiert, so daß der Wickelsinn der Phasen in den Berechnungen keine Rolle spielt.

Die Stromquellen 3 und 4 führen Ströme /1 bzw. /2, die der Gleichung entsprechen:

/2

(D

U₁-U₂

— d/

(2)

abgeleitet, wobei R eine ohmsche Größe L einen

Selbstinduktionskoeffizienten und — die erste zeitliche

el/

Ableitung darstellen. Wenn mit diesen Ausdrücken für die Ströme /1 und I₂ die Dämpfungseigenschaften des Motors berechnet werden, stellt sich heraus, daß diese Dämpfungseigenschaften durch eine passende Wahl der Größen L und R optimal werden können. Um Aufschaukelungen zu vermeiden, soll stets die Größe R kleiner als die Summe der Innenwiderstände der beiden erregten Phasen sein. Die günstigsten Werte für ßund L können für jeden Motortyp sowohl experimentell als auch theoretisch ermittelt werden.

Die Impedanz Z, die die Beziehung zwischen U\ — U₂ und / ausdrückt, soll im wesentlichen einen induktiven Charakter aufweisen. Bei Motoren, bei denen die Selbstinduktion verhältnismäßig groß und der Innenwiderstand verhältnismäßig klein sind, soll die Größe L positiv sein und ist die Größe R, vorausgesetzt, daß sie verhältnismäßig klein ist, nicht kritisch und darf sogar

wobei /0 für die Erregungsströme und / für die die Dämpfung bestimmenden Ströme steht. Der Strom / wird aus den Spannungen über den Phasen 1 und 2 gemäß der Funktion:

negativ sein. Bei Motoren mit einer verhältnismäßig geringen Selbstinduktion und einem verhältnismäßig großen Innenwiderstand, wie bei Motoren mit einer selbsttragenden Wicklung als Rotor, soll R positiv sein und ist die Größe L, vorausgesetzt, daß sie verhältnismäßig klein ist, nicht kritisch und darf sogar negativ sein. Daher kann für die Impedanz Z davon ausgegangen werden, daß der Phasenwinkel zwischen —90° und + 180° liegt.

Fi g. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Erregerschaltung nach der Erfindung. Die Phasen 1 und 2 werden mit Erregungsströmen /0 aus Stromquellen 9 und 10 mit einem in bezug auf die Impedanz der Phasenwicklungen hohen Innenwiderstand gespeist. Zwischen den Verbindungspunkten 5 und 7 der Phasen 1 und 2 bzw. der Erregungsstromquellen 9 und 10 ist ein aktives Netzwerk 11 angeordnet, das abhängig von dem Spannungsunterschied U\ — U₂ den Strom /gemäß der gewünschten Funktion erzeugt. Die Ströme, die in den Phasen 1 und 2 fließen, sind dann /0+/ bzw. /0+/' Grundsätzlich brauchen die Erregungsströme der Quellen 9 und 10 und auch die gegenphasigen Dämpfungsströme / in den beiden Phasen einander nicht gleich zu sein.

Wenn eine der beiden Phasen in einem dem der anderen Phase entgegengesetzten Sinne gewickelt ist, wird im allgemeinen der Erregungsstrom für die eine Phase eine der Polarität des Erregungsstromes für die andere Phase entgegengesetzte Polarität aufweisen. Ähnliches gilt dann für die Spannungen über den Phasen 1 und 2. Um den Spannungsunterschied U\ — Ui zu messen, wird es dann nicht möglich sein, einfach ein aktives Netzwerk 11 zwischen den Punkten 5 und 7 anzuordnen.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Erregerschaltung nach der Erfindung. Die Phasen 1 und 2 sind in Reihe mit Meßwiderständen 12 bzw. 13 zwischen den Ausgängen zweier Differenzverstärker K\ bzw. K₂ und einem Punkt festen Potentials, in diesem Falle gleich Massepotential, angeordnet. Die Verbindimgspunkte 6 und 8 der Phasen 1 bzw. 2 und der Meßwiderstände 12 bzw. 13 sind über Widerstände 14 bzw. 15 mit den invertierenden Eingängen 16 bzw. 17 der Differenzverstärker K\ bzw. Ki verbunden. Diese Eingänge 16 und 17 sind über Widerstände 18 bzw. 19 mit dem Punkt festen Potentials verbunden. Die nichtinvertierenden Eingänge 20 und 21 der Differenzverstärker K\ bzw. K₂ sind über Widerstände 22 bzw. 23 mit den Ausgängen 26 bzw. 27 zweier Quellen 28 bzw. 29 verbunden, wobei diese Quellen, wenn die Phasen 1 und 2 erregt sein sollen, eine geeignete Referenzspannung an ihren Ausgängen liefern. Der Punkt 5 der Phase 1 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang 30 eines Differenzverstärkers K3 verbunden, dessen invertierender Eingang 31 mit dem Punkt 7 der Phase 2 verbunden ist. Der Ausgang 32 des Differenzverstärkers Ks ist über die Reihenschaltung einer Induktivität 33 und eines Widerstandes 34 mit dem Punkt festen Potentials verbunden. Die Induktivität 33 und der Widerstand 34 bilden eine der Impedanz Z entsprechende Impedanz. Der Verbindungspunkt 35 der Induktivität 33 und des Widerstandes 34 ist über einen Widerstand 36 mit dem nichtinvertierenden Eingang 20 des Differenzverstärkers K] und über einen Widerstand 37 mit dem invertierenden Eingang 17 des Differenzverstärkers K₂ verbunden.

Die Differenzverstärker K\ und K₂ steuern die Ströme, die durch die Phasen 1 und 2 fließen, derart, daß,

vorausgesetzt, daß der Verstärkungsfaktor der Differenzverstärker genügend groß ist, die Spannungen an ihren invertierenden Eingängen 16 bzw. 17 gleich den Spannungen an ihren nichtinvertierenden Eingängen 20 und 21 sind.

Wenn zur Erläuterung der Wirkungsweise angenommen wird, daß ι.ic Punkte 6,8, 26, 27 und 35 in bezug auf den Punkt festen Potentials die Spannungen Vj, V₂, V_n Kbzw. V₃ führen, daß die Widerslände 14,15,19,22,24, 25,36 und 37 alle einen Wert /?i aufweisen, und daß die Widerstände 18 und 23 einen Wert gleich 1/2 R₁ besitzen, ergibt die genannte Regelung die folgende Beziehung, wobei angenommen ist, daß die Eingangsimpedanzen der Differenzverstärker K\ und K2 verhältnismäßig groß in bezug auf den Widerstandswert R\ sind:

V₁ = V, + Vy

V₂= V₁- V₁

(3)

Fließen durch die Phasen 1 und 2 die Ströme /ι bzw. I₂ und weisen die Meßwiderstände 12 und 13 den Wert R₀ auf, so gilt:

(4)

Ist der Wert R₀ der Meßwiderstände 12 und 13 klein gegenüber der Impedanz der Phasen 1 und 2, so sind die Spannungen an den Punkten 5 und 7 nahezu gleich den Spannungen U\ und U₂ über den Phasen 1 bzw. 2. Wenn weiter angenommen wird, daß der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers Kj gleich A ist, daß der Wert der Induktivität 33 gleich L₃ ist und daß der Wert des Widerstandes 34 gleich R_} und verhältnismäßig klein gegenüber dem Widerstandswert R\ ist, gilt für den Ausgangsstrom /jdes Differenzverstärkers K₁:

U₁-U, = ^i A

AL·

dl

(5)

Für die Spannung V₃ gilt dann:
Ki = h fl.<

(6)

Bei Kombinationen der Ausdrücke (4), (5) und (6) und Vergleich mit dem Ausdruck (1) wird für den Erregungsstrom /0 und den Dämpfungsstrom / gefunden:

/„ = 4r

Κι

R,: Ly d_/ RyA dl

Ein Vergleich des Ausdruckes (7) mit dem Ausdruck (2) ergibt:

R =

und L =

RyA

(8)

Es leuchtet ein, daß sich die Erfindung nicht auf die dargestellte Erregerschaltung beschränkt. Für jeden Schrittmotortyp kann eine optimale Ausführung einer Erregerschaltung nach der Erfindung gefunden werden. Es ist z. B. auch möglich, die Erfindung bei Schrittmotoren mit bifilar gewickelten Phasen anzuwenden. Die Erregungsströme /0 können dann einer der Windungen der bifilaren Wicklungen zugeführt und die Dämpfungsströme können, unter Berücksichtigung des Wickelsinnes, der anderen Windung zugeführt werden. Auch ist es möglich, die Ströme k+l bzw. /„-/ einer der Windungen der bifilaren Wicklung zuzuführen und die Spannungen U\ bzw. LJ₂ über der anderen Windung zu messen.

In Fi g. 3 sind die Phasen über die Anschlußklemmen 5, 6, 7 und 8 fest mit der Schaltung verbunden. Auch können Schalter zum Schalten anderer Phasen zwischen diesen Klemmen zwischengefügt sein (wenn es sich um einen Motor mit mehr als zwei Phasen handelt).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schrittmotor mit einer Erregerschaltung zum schrittweisen Erregen jeweils gleichzeitig zweier -, Phasen, wobei zur Verbesserung der Dämpfung der Rotorbewegung bei dem zu dem betreffenden Erregungszustand gehörigen Gleichgewichtszustand den erregten Phasen Dämpfungssignale unterschiedlicher Phasenlage zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerschaltung zwei Stromquellen (9, 10) zur Lieferung von Erregungsströmen (k) an die beiden zu erregenden Phasen (1, 2) und ein von den Spannungen (Uu U₂) an den beiden erregten Phasen r, (1, 2) gesteuertes aktives Netzwerk (11) zur Erzeugung zweier Ströme (/, /'/ die nahezu gegenphasig sind und deren Amplitude eine Funktion U\ — U₂ = Zl der Differenz U]-U₂ zwischen der Spannung (U]) an der ersten Phase (1) und der Spannung (U₂) an der zweiten Phase (2) enthält, wobei Zeinem Impedanzwert mit einem Phasenwinkel zwischen -90° und +180° entspricht und wobei der Strom (I) der ersten Phase (1) und der dazu nahezu gegenphasige Strom (I') der zweiten Phase 2"> (2) zuführbar sind (F ig. 2).

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Netzwerk (11) einen Spannungs-Strom-Wandler mit zwei Spannungs-Eingängen (30,31) und zwei Strom-Ausgängen (5,7), jo wobei die Beziehung zwischen der Eingangsspannung (U) und dem Ausgangsstrom gleich U= ZI ist, erste Mittel zum Ableiten der Eingangsspannung des Spannungs-Strom-Wandlers nahezu gleichphasig zu der Differenz U-U₂ zwischen der Spannung (U]) r> an der ersten Phase (1) und der Spannung (U₂) an der zweiten Phase (2), sowie zweite Mittel enthält, mit deren Hilfe ein zu dem Ausgangsstrom des Spannungs-Strom-Wandlers nahezu gleichphasiger Strom (I) der ersten Phase (1) und ein zu diesem Strom nahezu gegenphasiger Strom (l')dzr zweiten Phase (2) zuführbar sind (F i g. 3).

3. Schrittmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Strom-Wandler einen ersten Verstärker (Ki) mit einem invertieren- 4> den (31) und einem nicht-invertierenden (30) Eingang, denen als Eingangsspannung (U) die Differenzspannung der beiden Phasen zugeführt ist, und mit einem Ausgang (32) enthält, der über eine der Impedanz Z entsprechende Impedanz (Indukti- >o vität 33, Widerstand 34) mit einem Punkt fester Spannung verbunden ist (F i g. 3).

4. Schrittmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen (9, 10) zur Lieferung der Erregungsströrne (k) mit einem « zweiten (K]) und einem dritten (K₂) Verstärker zusammenwirken, deren Eingängen ein Bezugssignal zugeführt ist und deren Ausgänge mit den Eingängen des ersten Verstärkers (Kj) und mit den Eingängen der ersten bzw. zweiten Phase (1 bzw. 2) öo in Verbindung stehen, wobei beide Verstärker (K], K₂) über Widerstände (Meßwiderstand 12, 13) zur Erfassung der Ströme (I], I₂) in den beiden Phasen gegengekoppelt sind, daß die ersten Mittel zum Ableiten der Eingangsspannung (U) des Spannungs- μ Strom-Wandlers eine Kopplung zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkers (K]) und dem nicht-invertierenden Eingang (30) des als Differenzverstärker arbeitenden ersten Verstärkers (K₃) und eine Kopplung zwischen dem Ausgang des dritten Verstärkers (K₂) und dem invertierenden Eingang (31) des ersten Verstärkers (K₃) enthalten, und daß die zweiten Mittel zum Zuführen des Stromes (I) einen Mitkopplungskreis (Widerstand 36) zwischen einem den Strom (h) durch die Impedanz (Induktivität 33, Widerstand 34) erfassenden Widerstand (34) und dem zweiten Verstärker (K{) und einen Gegenkopplungskreis (Widerstand 37) zwischen dem Widerstand (34) und dem dritten Verstärker (K₂) enthalten (F ig. 3).