DE2721630A1 - Schaltungsanordnung zur ansteuerung eines schrittmotors nach dem chopper- prinzip - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Ober-
• begriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art zur Ansteuerung eines Schrittmotors nach dem Chopper-Prinzip.
• Bei Chopper-Ansteuerungen bekannter Art wird durch verschiedene schaltungstechnische Mat3nahmen eine modulierte Spannung an die Wicklungsstränge des Schrittmotors angelegt, um auf diese Weise eine Begrenzung des Betriebsstromes zu erreichen.
• Hierzu wird die volle Spannung einer Stromversor(gun, die bis zum 20-fachen des Motor-Betriebsstro:res betragen kann, an die Wicklungen angelegt, bis der erforderliche Betriebsstrom erreicht ist. Die Spannung wird dann beschaltet und der Strom in der Statorwicklung und Anste>uerschaltung baut sich langsam ab, bis an einem Transistor, der für das Durchschalten der Spannung an die Wicklung vorgesehen ist, ein voreinestellter Spannungswert erreicht ist. Der Transistor schaltet jetzt wiederum die volle Spannung bis zum Erreichen des Betriebsstromes durch. Dieser Zyklus wiederholt sich während der ganzen Einschaltphase einer jeden Wicklung. Es werden also Spannungsimpulse an die Wicklungsstränge angelegt, die im Zeitpunkt des Anlaufens länger, dann aber von kürzerer, gleichbleibender Länge sind. Eine solche Schaltung bietet zwar die Möglichkeit, einen Schrittmotor mit einer hohen Versorgungsspannung für einen raschen Stromaufbau beim Einschalten zu betreiben obgleich der Mittelwert der Spannung den Betriebsstrom auf den erlaubten Wert begrenzt, doch gestattet sie wie auch andere bekannte Schaltungen - nur einen schrittweisen und damit ruckartigen Dauerlauf zwischen einer Start-und einer Stoppstellung, zwischen denen mehrere Schrittteilungen liegen.
• Bei anderen, den Motor nicht in gechoppten Betrieb :r.steuernden Schaltungsanordnungen, wird diew Drehbewegung durch Schrittimpulse ausgelöst, deren Frequenz und Länge variabel sind und von Stellung und Geschwindigkeit des Rotors abhängen. Diese Impulse werden beispielweise von einer auf der Motorwelle angeordneten Lochscheibe über eine fotosensitive Abtasteinrichtung erzeugt (US-PS 3 374 410). Die Variation von Impulsfrequenz und -länge soll eine gleichmäßige Beschleusigung beim Anlauf bzw. Verzögerung beiin Abbremsen bewirken. Auch hier spielt sich jedoch ein Dauerlauf in einzelnen Teilschritten ruckweise ab.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittmotor über größere, mehrere Einzelschrittpositionen umfassende Bereiche möglichst gleichmäßig und ruckfrei laufen zu lassen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst, Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit Schrittmotoren spezielle Bewegungsabläufe durchgeführt werden können. Es können auf diese Weise z. B.
• spezielle Drehmomente als Funktion der Zeit zur Verfügung gestellt werden. Verläuft der resultierende Mittelwert des Betriebsstromes gemäß einer Sinusfunktion oder einer angenäherten Sinusfunktion, so verhält sich der Schrittmotor wie ein Synchronmotor.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbiid und Figur 2 ein Signaldiagramm.
• Die Schaltungsanordnung des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles ist für die Ansteuerung eines in bekannter Weise mit vier Wicklungssträngen versehenen Schrittr,.otors 1 ausgelegt. Sie weist ein Adreßwerk 2 auf, vori dem in einer von einem Taktgenerator 3 vorgegebenen Frequenz Adressen in zyklischer Folge erzeugt werden. Das wird beispielsweise durch kontinuierliches Weiterzählen einer Startadresse um +1 bzw.
• -1 bewirkt. Mit den vom Adreßwerk 2 ausgehenden Adressen wird der Inhalt eines Speichers 4 secuentiell adressiert, und das jeweils adressierte, aus 4 Bits bestehende Bitmuster gelangt an eine Endstufe 5, in der es verstärkt wird. Die vier verstärkten Signale aus der Endstufe 5 werden an die vier Stränge des Schrittmotors 1 angelegt, wodurch eine dem Bitruster entsprechende Bestromung erfolgt. Das heißt, ein an einen Strang angelegtes O-Signal stellt keine Bestromung dar, während ein Signal eine Bestromung darstellt.
• Es ist ersichtlich, daß ein mehr oder weniger häufi!:er Wechsel des Bitmusters am Eingang der Endstufe 5 bzw. am Eingang des Schrittmotors 1 eine dementsprechende Häufigkeit in der Änderung der Bestromung der Wicklungsstränge bedeutet. Unter Zuhilfenahme der Figur 2 soll eine Bestromung des ersten Stranges des Schrittmotors 1 für eine einem Synchronnotor analoge Betriebsweise durch ein im Speicher 4 enthaltenes Programm beschrieben werden. Im oberen Teil der Figur 2 ist ein Ausschnitt aus einer Sinusschwingung dargestellt, während im unteren Teil ein Impulsmuster aufgezeichnet ist, dessen Strom- Mittelwert dieser Sinusfunktion angentihert folgt. His zum Scheitelpunkt der Kurve möge der Speicher 4 von Adrcßwerk 2 90 mal adressiert worden sein, ws durch die Skala an der Zeitachse des unteren Teils der Figur 2 angedeutet ist. Das dadurch aus dem Speicher 4 ausgelesene Programm liefert eine Bitmusterfolge an die Endstufe 5 und über diese an Gen ersten Strang des Schrittmotors 1, die für zelle Adressen, in denen auf der Zeitachse des unteren Teils der Figur 2 Impulse aufgezeichnet sind, L-Signale für den anzusteuernden Wlcklungsstrang des Schrittmotors 1 enthält, für alle anderen Adressen aber O-Signale. Die dadurch erreichte Änderung der Impulsfolge-Frequenz liefert einen Betriebsstrom an den ersten Wicklungsstrang des Schrittmotors 1, dessen (gleitender) Mittelwert in Annäherung gemäß der Sinusfunktion verläuft. Die entsprechende Bestromung der restlichen Stränge des Schrittmotors 1 erfolgt mit dem technisch notwendigen zeitlichen Versatz.
• Es ist natürlich möglich, andere Impulsfolgen entsprechend anderer gewünschter stetiger Funktionen als Programm allein oder zusätzlich zu anderen Programmen im Speicher 4 abzuspeichern. Desgleichen kann durch entsprechende Programmierung auch anstelle einer Variation der Impulsfrequenz die jeweilige Impulslänge verändert werden, indem - entsprechend der jeweils erforderlichen Impulslänge - mehr oder weniger Impulse ohne Unterbrechung adressiert werden. Die Ausgänge des Speichers 4 liefern dadurch auf den mit L-Signalen versehenen Leitungen Impulsblöcke, die jeweils als längere, nicht unterbrochene Impulse wirken, bevor eine Impulspause adressiert wird. Auch auf diese Art lassen sich also Strom-Mittelwerte bilden, die stetigen Funktionen folgen.
• Der Taktgenerator 3 der Figur 1 ist noch mit einem Eingang 7 versehen, über den sich die Taktfrequenz oucll oder von einer Maschine, in der der Schrittmotor eingesetzt ist, variieren läßt. Eine solche Variation kann für bestimmte Betriebsbedingungen zweckmäßig sein, beispielsweise um den Motoranlauf durch eine verringerte, allmählich ansteigende Taktfrequenz zu erleichtern, die ja eine dementsprechende Adreßveränderung im Adreßwerk 2 zur Folge hat. Das Adreßwerk 2 ist mit einem Eingang 8 zur Zuführung von Steuerbefehlen ausgestattet; hierbei kann es sich beispielsweise um Startbedingungen handeln, die angeben ob ein sofortiger oder ein verzögerter Start erfolgen soll, um Stoppbedingungen, die eine bestimmte Stoppposition vorgeben, um Drehrichtungsbefehle, die eine Vorwärts-oder Rückwärtszählung der Adressen und damit eine Rechts-oder Linksdrehung des Schrittmotors 1 bewirken oder auch um Befehle zur Programmselektion, die durch Setzen einer bestimmten Startadresse eines von mehreren Programmen im Speicher 4 auswählen, das einer gewünschten Betriebsweise des Schrittmotors 1 entspricht.
• Ein Statussignal wird vom Adreßwerk 2 an einen Vergleicher 9 geliefert und dort mit der tatsächlichen Stellung des Schrittmetors 1 verglichen. Diese wird beispielsweise durch eine in Verbindung mit Schrittmotoren bekannte, auf der Motorwelle angeordnete und fotoelektrisch abtastbare Codierscheibe, die hier nicht näher dargestellt und erläutert ist, gewonnen, in einem Register 10 registriert, und von dort aus ebenfalls dem Vergleicher 9 zugeführt. Stellt der Vergleicher 9 eine - z. B. durch Uberlastung des Motors bewirkte - Abweichung der Sollposition von der Istposition fest, so wird die Versorgungsspannung des Schrittmotors in der Endstufe 5 durch Veränderung der Leistungsverstärkung korrigiert. Der Ausgang des Vergleichers 9 könnte natürlich auch an den Taktgenerator 3 zwecks Veränderung der Frequenz und damit des Drehmoments des Schrittmotors 1 oder evtl. auch an das Adreßwei'k 2 geführt werden.
• Schließlich soll noch darauf hingewiesen werden, da. das Adreßwerk 2 sowie der Speicher 4 Bestandteile eines Mikrocomputers sein können, wie er in sehr viclen Gcrät, in denen ein Schrittmotor mit der erfindungsgemäßen SchaltunÒsanordnung eingesetzt werden würde, grundsätzlich bereits vorhanden ist. Das Adreßwerk 2 wäre dann Bestandteil der CPU 11, die in Figur 1 gestrichelt angedeutet und auf einem hochintegrierten Chip realisiert ist und über einen Bus 12 mit dem zugehörigen, ebenfalls hochintegrierten Speicherchip 4 in Verbindung steht.
• Durch eine entsprechende Programmierung im Speicher 4 läßt sich mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnurig auch erreichen, daß während längerer Stoppzeiten des Schrittmotors 1 innerhalb einer Maschine, die eine solche Betriebsweise erforderlich macht, der Stromverbrauch und die Wärmebelastung des Motors verringert werden. Das wird dadurch erreicht, daß ein einen längeren Stopp kennzeichnender, an das Ädreßwerk 2 gegebener Steuerbefehl eine Adresse zur Folge hat, die das Auslesen von O-Signalen an die Speicherausgänge veranlaßt.
• Während bei einem kurzzeitigen Stopp die der Ruheposition des Rotors entsprechenden Wicklungsstränge bestromt bleiben, sind bei einem längeren Stopp die Wicklungsstränge somit programmgesteuert stromlos.
• L e e r s e i t e

Claims (12)

1. Schaltungsanordnung zur Ansteureung eines Schritt:notors nach dem Chopper-Prinzip Patentansprüche: W Schaltungsanordnung zur Ansteuern eines Schrittmotors nach dem Chopper-Prinzip mit einer Steuerung des Betriebsstromes durch Modulation der Spannung, wobei den Wicklungssträgen variierbare Spannungsimpulse zugeführt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Frequenz und/oder Länge der Impulse nach Maßgabe eines Programmes derart variierbar ist, daß der(gleitende) Mittelwert des Betriebsstromes entsprechend einer vorgegebenen stetigen Funktion verläuft.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e ic h n e t , daß der aus den variierten Impulsen resultierende (gleitende) Mittelwert des Betriebsstromes gemaß einer Sinusfunktion oder einer angenäherten Sinusfunktion verläuft.
3. 3, Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 2, d A -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein von einem taktgesteuerten Adreßwerk adressierbarer Speicher vorgesehen ist, in dem ein oder mehrere Impulsvariations-Programme abgelegt sind und dessen Ausgang einer Endstufe zur Verstärkung des jeweils ausgelesenen Bitmusters und eventuellen Impulsformung zuführbar ist und daß der Ausgang der Endstufe den Wicklungssträngen des Schrittmotors zuführbar ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die das Adreßwerk steuernde Taktfrequenz veränderbar ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Vergleicher vorgesehen ist, dem die dem Adreßwerk entnehmbare Sollstellung des Schrittmotor-Rotors und dessen Iststellung zuführbar sind und daß der vom Vergleichsergebnis steuerbare Ausgang des Vergleichers der Schaltungsanordnung zur Veränderung der Betriebsgrößen zuführbar ist.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Vergleichsergebnis der Endstufe zur Steuerung der Versorgungsspannung zuführbar ist.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Vergleichsergebnis dem Taktgeber zur Steuerung der Taktfrequenz zuführbar ist.
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Endstufe eine Schaltung zur Impulsformung aufweist.
9. 9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß zur Steuerung des Schrittmotors ein Mikroprozessor vorgesehen und das Programm zur Variation der Impulse in einem Speicher des Mikroprozessors enthalten ist.
10. 10 Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Impulsfrequenz programmabhängig steuerbar ist.
11. 11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Impulslängen programmabhängig steuerbar sind.
12. 12. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß ein oder mehrere Programme zur Variation der impulse nach einem programmierten Algorithmus errechnet und abgespeichert werden.