DE2723300A1

DE2723300A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum betrieb eines schrittschaltmotors

Info

Publication number: DE2723300A1
Application number: DE19772723300
Authority: DE
Inventors: Leopold Von Braun
Original assignee: Teletype Corp
Current assignee: AT&T Teletype Corp
Priority date: 1976-06-01
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1977-12-15
Also published as: IT1115333B; JPS52146823A; US4093905A; GB1579043A; CA1077126A; JPS6120237B2

Description

D-8 München 22 München, der. 2 i. MAI 1977

Wldenmayeritraß. 4β , Τ 406

Teletype Corporation in Skokie, Illinois / V.St.A.

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Schrittschaltmotors

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Schrittschaltmotors mit einer Mehrzahl einzeln erregbarer Phasen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es sind zwei Betriebsverfahren für Schrittschaltmotoren der angegebenen Art bekannt. Im Einphasenbetrieb wird jeweils nur eine Wicklung bzw. Phase des Motors erregt und die Weiterschaltung beschieht durch aufeinanderfolgendes Erregen benachbarter Phasen. Im Zweiphasenbetrieb werden jeweils zwei benach'barte Phasen gleichzeitig erregt; eine erregte Phase erzeugt auch noch während der ganzen ersten Hälfte der nächsten Phasenerregung ein Drehmoment und ergibt so die maximale Leistung für einen Motor gegebener Größe. Dies läßt sich aber nur um den Preis eines erheblichen Energieverbrauchs durchführen. Während also die leistungsschwache Einphasenerregung sparsam im Energieverbrauch ist, erzeugt die stromfressende Zweiphasenerregung ein erheblich kräftigeres Durchziehmoment.

Die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Erfindung hat die Aufgabe, die Erzeugung eines kräftigen Drehmoments zu ermöglichen, ohne daß unnötige Energie verbraucht wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Uberlappungsintervall aufeinanderfolgender Phasen so gewählt wird, daß

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die Erregung einer Phase beendet ist, bevor die Erregung der übernächsten Phase beginnt.

Die gleichzeitige Erregung zweier aufeinanderfolgender Phasen wird erfindungsgemäß vorzugsweise auf dasjenige Intervall beschränkt, in welchem das Magnetfeld einer neuen Phase sich aufbaut. Dadurch entwickelt der Motor in diesem Intervall ein kräftiges Anzugsmoment, das aber nicht mehr benötigt wird, wenn das Magnetfeld der neuen Phase genügend kräftig geworden ist. Die gleichzeitige Erregung beider Phasen wird deshalb erfindungsgemäß nach Ablauf des erwähnten Intervalls beendet, wodurch eine erhebliche Energieeinsparung erzielt wird.

Schrittschaltmotoren können sowohl im geschlossenen Regelkreis, als auch im offenen Steuerkreis betrieben werden. In Regelkreisen wird die Drehzahl und/oder Stellung des Motorankers von einem Fühlglied überwacht und eine aus dem Fühlglied abgeleitete Regelgröße steuert den Einsatz der Antriebsimpulse, so daß Schrittfrequenz und Drehmoment geregelt werden. In einem Steuerkreis findet dagegen keine Rückkopplung statt und die Schrittfrequenz ist von der Frequenz eines äußeren Taktgebers abhängig. Im geschlossenen Regelkreis unter Verwendung verlängerter Antriebsimpulse kann die überlappungsdauer der Impulse einen festen Wert haben, so daß bei zunehmender Schrittfrequenz die relative Überlappung zunimmt, da die tatsächliche Länge der einzelnen Antriebsimpulse abnimmt. Dies fördert höhere FortschaltgeschwindigkeitBn wegen der starken Überlappung mit zunehmender Schrittfrequenz, die ein höheres Drehmoment bewirkt, und verringert den Energieverbrauch bei niedrigen Schrittgeschwindigkeiten, bei denen ein genügendes Drehmoment zur Beschleunigung der Last auch mit geringer Überlappung der Antriebsimpulse zur Verfügung steht. In offenen Steuerkreisen kann eine feste Überlappungsdauer der Antriebsimpulse angewandt werden, um stets ein höheres Drehmoment zu erzielen. Statt dessen läßt sich auch die Überlappungsdauer so variieren, daß die starke Überlappung zum

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Beschleunigen und Abbremsen mit erhöhtem Drehmoment zur Verfügung steht, daß aber für den Betrieb mit konstanter Drehzahl die Überlappung gering gemacht wird, um so Energie zu sparen. Das neue Betriebsverfahren ist also sowohl für Rückkopplungskreise, als auch für Steuerkreise anwendbar, wenn auch die zu seiner Durchführung benutzte Schaltungsanordnung in den beiden Fällen etwas abweicht. Außerdem läßt sich die Uberlappungsdauer in einfacher Weise an jeden Einzelfall anpassen.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung eines vierphasigen Schrittschaltmotors bekannter Bauart,

Fig. 2 u. 3 Impulsdiagramme für einphasige und zweiphasige Erregung der bekannten Art,

Fig. 4 Impulsdiagramme für die erfindungsgemäße Erregung,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des neuen Verfahrens in schematischer Darstellung,

Fig. 6 u. 7 Impulsdiagramme für verschiedene Stellen der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 und

Fig.8A,8B,9A u. 9B Kennlinien der Eigenschaften der Anordnung

nach Fig. 5 für verschiedene Betriebsarten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Reluktanzmotors mit vier Statorphasen erläutert. Die vier Phasen werden nacheinander erregt. Wenn jeweils nur eine Phase erregt wird, spricht man von Einphasenbetrieb, wenn ständig Swei Phasen erregt werden, handelt es sich um Zweiphasenbetrieb. Ein solcher Vierphasenmotor bekannter Art ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Das nachstehend geschilderte Betriebsverfahren ist aber genauso gut für Motoren mit anderer Phasenzahl geeignet.

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-A-

Jede Phase umfaßt zwei Pole, also 11 und II¹, 12 und 12*, 13 und 13' sowie 14 und 14'. Die Pole sind mit Wicklungen 21 bis 24 und 21* bis 24* versehen und die Wicklungen eines Polpaars, das eine Phase darstellt, werden gemeinsam derart erregt, daß ein magnetischer Kreis sich Ober den Rotor 10 schließt (siehe z.B. die Bezeichnungen N, S an den einander gegenüberstehenden Polen 11 und 11"). Der Anschluß der mit gestrichenen Bezugszeichen versehenen Pole ist nicht näher dargestellt. Die Erregung der Phasen 1 bis 4 geschieht in bestimmter Reihenfolge; um dies anzudeuten sind in Fig. 1 die Schalter SW-I bis SW-4 in die Verbindungen zwischen einer Energiequelle 27 und den Wicklungen 21 bis24 eingezeichnet. Die Erregung soll in der durch den Pfeil E angegebenen Reihenfolge stattfinden. Die benachbarten Ständerpole sind um gegeneinander versetzt, während die Rotorpole 15 einen Abstand von 60° haben. Wenn also die Phasen IUs 4 nacheinander erregt werden, dreht sich der Rotor 10 jedesmal schrittweise um 15° in Richtung des Pfeiles R.

Fig. 2 zeigt das Impulsdiagramm für einphasige Erregung des Motors nach Fig. 1. Der Antriebsimpuls Pl wird durch Schließung des Schalters SW-I erzeugt, wodurch die Wicklungen 21 und 21* erregt werden. Ebenso werden die Antriebsimpulse P2, P3 und P4 durch Schließung der Schalter SW-2, SW-3 und SW4 erzeugt. Ein vollständiger Schrittschaltzyklus (vier Schritte) erfordert die Erregung jedes der vier Polpaare des Sta-toxs nacheinander und eine fortgesetzte schrittweise Drehung des Rotors benötigt somit die fortlaufende Wiederholung der Reihen folge der vier Antriebsimpulse Pl₉ P2, P3 und P4. Die größten Dehmomente dieser Schrittbewegung werden bekanntlich zur Beschleunigung und Verzögerung der mit dem Motor verbundenen trägen Massen benötigt.

Der iweiphasenbetrieb ist in Fig. 3 dargestellt. Hier sind stets mindestens zwei Phasen gleichzeitig erregt, wahrend z.B. der Schalter SW-I geschlossen 1st und so den Antriebsimpuls P¹I

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zur Erregung der Wicklungen 21 und 21* erzeugt, wird auch bereits der Schalter SW-2 geschlossen und erzeugt den Antriebsimpuls P¹2 zur Erregung der Wicklungen 22 und 22^f, so daß beide Phasen 1 und 2 gleichzeitig angetrieben werden. Wenn einschließend Schalter SW-I geöffnet wird und den Impuls P¹I beendet, wird gleichzeitig Schalter SW-3 geschlossen und bildet den Impuls P'3, der während der ganzen restlichen Erregung der Wicklungen 22 und 22' (Impuls P'2) bestehenbleibt. Gleichzeitig mit der Beendigung des Impulses P*2 werden die Wicklungen 24 und 24' durch den Impuls P'4 erregt, weil Schalter SW-4 sich schließt, während der Impuls P*3 noch andauert, wahrend des regelmäßigen Fortschreitens des Motors sind dso stets zwei Statorphasen zugleich erregt. Da das von einer vorher erregten Phase (z.B. Phase 1) erzeugte Drehmoment während des Aufbaus des Nagnetfeldes einer neu erregten Phase (z.B. Phase 2) noch andauert, sind offensichtlich die Antriebseigenschaften des Motors im Zweiphasenbetrieb erheblich besser als im Einphasenbetrieb nach Fig. 2. Da aber ständig zwei Phasen mit Strom versorgt werden, wird der Preis für dieses bessere Durchzugsmoment mit einem erheblichen Anstieg des Energieverbrauchs erkauft.

In Fig. 4 sind die Antriebsimpulse nach dem hier vorgeschlagenen Betriebsverfahren dargestellt. Der Antriebsimpuls 2O-1 für die Phase 1 erstreckt sich fiber den normalen Endpunkt 25-1 des Einphasenbetriebs hinaus in die nachfolgende Phase, endet aber vor dem Zeitpunkt 25-2, in dem die dritte Phase 2O-3 beginnt. Entsprechendes gilt für die übrigen Phasen. Die hierdurch gebildeten Überlappungen X-I, X-2, X-3 und X-4 kompensieren weitgehend den durch Aufbau und Abklingen des Magnetfeldes in den Statorwicklungen verursachten Leistungsabfall des Motors, well durch die fortdauernde Erregung der vorhergehenden Phase das Drehmoment so lange aufrechterhalten wird. Andererseits werden die Antriebsimpulse aufeinanderfolgender

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Phasen nicht ständig gleichzeitig erzeugt; nur in kurzen Abschnitten der ganzen Periode sind tatsächlich zwei Phasen gleichzeitig erregt, so daß durch die gemeinsame Erregung zweier Phasen nur wenig Energie verlorengeht. So lassen sich die Vorteile des Einphasenbetriebs und des Zweiphasenbetriebs vereinigen und ihre Nachteile weitgehend ausschalten.

Fig. 5 zeigt die schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Antriebsimpulse entsprechend dem Diagramm in Fig. 4. Statt der dargestellten diskreten Schaltelemente könnten auch andere Ausbildungen oder auch ein Mikroprozessor mit zeitlich veränderlichen Impulslängen Verwendung finden. Der Motor 36 enthält in elektrischer Hinsicht die Statorwicklungen 21 bis 24 und die ihnen gegenüberliegenden Wicklungen 21* bis 24' (Fig. 1); die übrige in Fig. 5 dargestellte Schaltungsanordnung stellt die Schalter SW-I bis SW-4 und die Steuervorrichtung 16 (Fig. 1) für diese Schalter dar. Ein Taktsignal C , das vom Taktimpulsgenerator 30 erzeugt wird, gelangt gleichzeitig in ein vierstufiges Schieberegister 31 und einenlmpdeverlängerer 32. Das Schieberegister 31 entwickelt für je vier Impulse des Taktsignals C vier Ausgangsimpulse 18-1 bis 18-4, die nacheinander auf die vier Ausgangsklemmen Ql, 02, Q3 und Q4 gegeben werden. Der Dnpulsverlängerer 32, der als monostabiler Multivibrator 40 mit nachgeschalteten NAND-Gliedern 41-1 bis 41-4 ausgebildet sein kann, entwickelt für jeden Taktimpuls vier Ausgangsimpulse 19-1 bis 19-4, die nacheinander an vier Ausgangsklemmen Tl bis T4 auftreten. Die Impulse 18 und 19 werden in einer Logik 35 so kombiniert, daß sich die gewünschten Antriebsimpulse 2O ergeben, die zur Steuerung der Erregung der einzelnen Wicklungen bzw. Phasen des Motors 36 dienen.

In einem n-phasigen Motor umfaßt eine Schrittperiode η Taktimpulse. Für einen vierphasigen Motor benötigt also eine Schrittperiode vier Taktimpulse. Vorzugsweise wird zur Er-

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- J-'-12

zeugung der vier Antriebsimpulse ein handelsübliches Schieberegister 31 verwendet, z.E. Fairchild Nr. 93OO. Seine Stufen sind in einem geschlossenen Ring angeordnet, wobei jede Stufe mit einer Ausgangsklemme versehen ist. An eine Stufe wird anfangs ein Impuls angelegt und dieser Impuls wird dann durch die Taktimpulse 17 des Taktsignals C schrittweise von Stufe zu Stufe weitergeschoben. Bei jeder Verschiebung ergibt sich ein Ausgangsimpuls 18 an einer der Klemmen Ol bis Q4. Diese Impulse 18 werden als positiv angenommen und sind in Fig. 6 dargestellt. Wie man sieht, treten die Impulse 18-1 bis 18-4 an den ihnen zugeordneten Ausgangsklemmen 01 bis 04 in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen während je eines Viertels der Schrittperiode auf und sind jeweils mit einem der Taktimpulse 17 (Fig. 6) synchronisiert.

Der monostabile Multivibrator 40 in der Impulsverlängerungsstufe 32 kann ebenfalls als handelsüblicher Bauteil ausgebildet sein (z.B. Texas Instruments Nr. SN 74123). Er erzeugt für jeden Taktimpuls 17 einen Impuls 42 vorbestimmter Breite. Diese Impulsfolge S ist in Fig. 7 zusammen mit dem synchronisierenden Taktsignal C dargestellt. Die Breite der Impulse ist durch ein RC-Glied 45 gegeben, das mit entsprechenden Klemmen des Multivibrators und mit einer Vorspannungsquelle +V-verbunden ist. Durch Änderung der Zeitkonstante des RC-Gliedes 45, also Verstellen des Widerstandes 46 und/oder Parallelschaltung von Kondensatoren, läßt sich die Länge der Impulse verändern.

Diese Verlängerungsimpulse 42 werden vier NAND-Gliedern 41-1 bis 41-4 mit je zwei Eingängen zugeführt. Am anderen Eingang jedes NAND-Gliedes 41 liegt einer der Viertelperiodenimpulse nach Fig. 6. Der Multivibrator 40 soll einen positiven Impuls 42 erzeugen; demnach tritt am Ausgang jedes NAND-Gliedes 41 ein Signal auf, das aus nur einem negativen Impuls auf je vier

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Taktimpulse besteht. Diese negativen Impulse sind in Fig. 7 mit 19 bezeichnet, und zwar erscheint am Ausgang jedes NAND-Gliedes (entsprechend den Klemmen T) je ein solcher Impuls bei Koinzidenz des Impulses 42 und des diesem NAND-Glied zugeordneten Impulses 18. Diese negativen Impulse sind zeitlich gestaffelt und wie aus Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, entsteht der Impuls 19-4 aus der Koinzidenz der Impulse 42 und 18-1, während die Impulse 19-1, 19-2 und 19-3 durch die Impulse 18-2, 18-3 bzw. 18-4 erzeugt werden. Demgemäß sind die Ausgänge Ql, Q2, O3 und Q4 des Registers 31 mit den NAND-Gliedern 41-4, 41-1, 41-2 und 41-3 in dieser Reihenfolge verbunden.

Da die Verlängerung der Antriebsimpulse 20 eine direkte Funktion der Impulse 19 ist, werden diese negativen Impulse nachstehend als Vedängerungsimpulse bezeichnet. Die Länge der Impulse 42 wird so gewählt, daß jeder Impuls 19 kürzer als eine Viertelperiode (Länge eines Impulses 18) ist. Das längenbestimmende Glied 45 !bier ein RC-Glied) kann entsprechend der jeweiligen

SO

AnwendungAusgebildet sein, daß es entweder feste oder veränderbare Impulsverlängerungen liefert. Auch kann die Verlängerung für verschiedene Phasen verschieden gewählt werden, indem einfach die Zeitkonstante des Gliedes 45 zeitlich entsprechend verändert wird.

In der Logik 35 werden die Impulse 18 und 19 zu den vier verlängerten Antriebsimpulsen 20-1 bis 20-4 zusammengesetzt, die an den Ausgängen El bis E4 auftreten. Die Logik 35 addiert einfach den jeweiligen Verlängerungsimpuls 19 zum Ende des vorhergehenden Viertelperiodenimpulses 18. So wird der Impuls 18-1 durch einen ungekehrten Impuls 19-1 verlängert und ergibt damit den Antriebsimpuls 20-1 am Ausgang El. Ebenso werden die verlängerten Antriebsimpulse 20-2 bis 20-4 an den entsprechenden Ausgängen durch Kombination je eines Viertelperiodenimpulses 18 und eines Verlängerungsimpulses 19 gebildet. Bei den oben angegebenen Polaritäten sind in der Logik 35 Inverter 34-1 bis 34-4 zur Umkehrung der Impulse 18 erforderlich. Jeder umgekehrte Viertelperiodenimpuls wird dann auf einen Eingang eines NAND-Gliedes 33-1 bis 33-4 mit

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je zv;ei Eingängen gegeben. Der andere Eingang jedes NAND-Gliedes dient zur Zuführung des entsprechenden Ausgangsimpulses 19 vom Impulsverlängerer 32. So wird z.B. der Impuls 18-1 nach Umkehrung zusammen mit dem Impuls 19 -1 auf das NAND-Glied 33-1 gegeben. Am Ausgang desselben tritt der verlängerte Impuls 20-1 auf, der dann auf einen Transistorschalter in der Verbindungsleitung der Wicklungen 21 und 21' des Schrittschaltmotors mit einer Speisespannung +V gelangt; damit wird der Stator in der ersten Phase für die Dauer des verlängerten Impulses 20-1 erregt. Die anderen verlängerten Antriebsimpulse 20-2 bis 20-4 werden in entsprechender Weise erzeugt und auf die zugeordneten Schalter 39-2 bis 39-4 negeben, um die Ständerwicklungen 22,22' bis 24,24' nacheinander zu erregen.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, erstrecken sich die Antriebsimpulse 2O jeweils um die Länge eines Impulses 19 in das nächste Viertelperiodenintervall. Diese Überlappung eraibt die gewünschte stetige Fortsetzung des Drehmoments aus der vorher erregten Phase, so lange die anschließend erregte Phase aufgebaut wird. So werden die ständigen Verzögerungen und Beschleunigungen des Motors vermieden, sobald aber die Aufbauperiode beendet ist, wird der vorherige Impuls 20 abgeschaltet, so daß keine unnötige Energie verbraucht wird.

Wie erwähnt, können Schrittschaltmotoren in zwei verschiedenen Arten betrieben werden. Ein offener Steuerkreis, der im allgemeinen wegen der einfacheren Speiseschaltung bevorzugt wird, erfordert einen Taktgeber 30, ein Schieberegister 31 und einen Antriebsteil 36 (Fig. 5). In den einfachsten offenen Steuerkreisen mit Einphasenerregung springt der Motor jedesmal weiter, wenn ein Taktimpuls angelegt wird, um die Erregung von einer Phase zur nächsten weiterzuschalten. Die Taktfrequenz ist festgelegt und die Grenzdrehzahl des Motors ist grundsätzlich durch die Uberspringdrehzahl begrenzt; letztere

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IS'

ist diejenige Drehzahl, bei welcher der Motor der Taktfrecruenz nicht mehr folgen kann, ohne einen Schritt zu übersprinaen. Der dadurch begrenzte Arbeitsbereich des offenen Steuerkreises kann durch allmähliche Zunahme und Abnahme der Impulsfrecruenz zu Beginn und am Ende einer Impulsfolge etwas erweitert werden, aber grundsätzlich ist die erreichbare Drehzahl geringer als die im geschlossenen Regelkreis mögliche Überspringdrehzahl. Bei Zweiphasenerregung ist zwar ein höheres Drehmoment verfügbar, was eine erhebliche Drehzahlsteigerung ermöglicht, aber dementsprechend steigt, wie mehrfach erwähnt, der Energieverbrauch.

Der Betrieb im geschlossenen Regelkreis ermöolicht weit höhere Arbeitsgeschwindigkeiten als im offenen Steuerkreis. Hierzu wird die Lage oder Geschwindigkeit des Rotors überwacht und die gewonnene Information dient zur Erregung der verschiedenen Statorwicklungen genau in den richtigen Zeitpunkten. Im allgemeinen wird die Rotorstellung von einem auf der Motorwelle sitzenden Wandler überwacht. Die von dem Wandler erzeugten Signale werden auf die Speiseschaltung gegeben, um die Erregung von einer Phase zur nächsten zu schalten, z.B. durch Regelung der vom Impulsgenerator 30 (Fig. 5) ausgegebenen Taktimpulse mittels eines Rtickkopplungssignals 37. Das Rückkopplungssignal wird so ständig nachgestellt, um maximales Drehmoment und damit maximale Drehzahl zu ermöglichen.

In den meisten Anwendungen, in denen es darauf ankommt, die Übergangszeit zu einer neuen Stellung möglichst gering zu halten, wird der Betrieb im geschlossenen Regelkreis bevorzugt, weil damit die größte Überspringdrehzahl erreichbar ist. Die hier beschriebene Impulsverlängerung ergibt ein erhöhtes Drehmoment sowohl im offenen, als auch im geschlossenen Kreis ohne übermäßigen Energieverbrauch.

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In geschlossenen Regelkreisen hat die Impulsverlänaeruna X vorzugsweise feste Länqe. Beispielsweise ist sie auf 300 Mikrosekunden festgelegt, während die Länqe der Antriebsimpulse 20 bei der Beschleunigung etv/a 3 bis 4 Millisekunden beträgt. Das Drehmoment des Motors bei dieser niedrigen Schrittschaltgeschwindigkeit ist reichlich ausreichend, um die träge Masse zu beschleunigen; die Impulsverlänqerung beträgt wenicrer als 10% der Gesamtlänge eines Antriebsimpulses 20. Infolgedessen benötigt, wie Fig. 8B zeigt, die verlängerte Finphasenerregung (E0) eine Maximalleistung 52, die kaum größer als die maximale Leistung 51 für einphasige Erregung (10) ist, während die zweiphasige Erregung (20) eine Leistunqsreserve 53 erfordert, die doppelt so groß wie bei einphasiger Erregung ist. Tatsächlich ist das Drehmoment im Zweiphasenbetrieb etwa 140% desjenigen im Finphasenbetrieb, der Leistungsverbrauch ist aber doppelt so hoch.

In dem Maße, wie der Motor anläuft, wird die Taktfrequenz der Impulse 17 entsprechend dem Rückkopplungssiqnal 37 automatisch gesteigert. Demgemäß verkürzen sich die einzelnen Antriebsimpulse 20 und die Impulsverlänqerung nimmt einen immer größeren Bruchteil davon ein. Beispielsweise hat die Länge der Impulse bei der Uberspringungsdrehzahl den Wert von etwa 700 Mikro-

eekunden (ungefähr 20% der Impulslänge beim Anziehen), so daß der feste Wert der Impulsverlängerung von 300 Mikrosekunden etwa 43% der gesamten Impulslänge ausmacht. Dadurch erhält das Drehmoment des Motors einen weit höheren Wert als bei der einphasigen Erregung (siehe Fig. 8A);das bei hohen Drehzahlen erzeugte Drehmoment nähert sich, wie Fig. 8A zeigt, rasch demjenigen der zweiphasigen Erregung und demgemäß nähert sich auch die resultierende überspringungsdrehzahl derjenigen für zweiphasige Erregung.

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Wie aus Fig. 8 hervorgeht, ergibt die Impulsverlängerung, insbesondere diejenige mit fester Dauer, in einem geschlossenen Regelkreis eine erhöhte Überspringungsdrehzahl ohne wesentliche Erhöhung der Leistuncrsaufnähme. Bei geringen Drehzahlen, wenn

das infolge der großen Länge der Antriebsimpulse^vmaximale Drehmoment verfügbar ist und auch benötigt wird, um die träge Masse zu beschleunigen, wird die meiste Leistung verbraucht. Mit dem Anlauf des Motors wird aber immer weniger Drehmoment benötigt und mit zunehmender Schrittschaltfrequenz (Taktfrequenz) erhält man eine höhere Überspringungsdrehzahl als Ergebnis des höheren Drehmoments infolge laufend größerem Überlappungsanteil der Antriebsimpulse. Es stellt einen Vorteil dar, daß diese zunehmende Überlappung erst merkbar wird, wenn aus der Energiequelle überschüssige Energie zur Verfügung steht.

In manchen Anwendungen ist es vorteilhaft, von der festen Länge der Impulsverlängerung abzugehen. Es ist bei komplizierten Anordnungen mit geschlossenem Regelkreis möglich, beim Einschalten des Motors ohne Impulsverlängerung auszukommen, während mit zunehmender Geschwindigkeit die Impulsverlängerungen immer größer werden.

In Anlagen mit offenem Steuerkreis wird keine automatische Nachstellung der Schrittschaltfrequenz benutzt. Die Taktfrequenz ist festgelegt und die Einführung der einphasigen Erregung weicht infolgedessen etwas ab. Trotzdem bewirkt die Einführung der Impulsverlängerung eine Drehmomentsteigerung und damit eine Ausdehnung des Betriebsbereichs gegenüber der einphasigen Erregung und kann die langsame Iu- und Abnahme der Taktimpulse ersetzen oder bei Anwendung dieser Betriebsart den Arbeitsbereich weiter ausdehnen. Die Zu- und Abnahme der Impulsfrequenz wird nachstehend vernachlässigt, da die Phasenverlängerung bei Anordnungen mit und ohne Zu- und Abnahme der Antriebsimpulse gleichermaßen verwendbar ist.

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In Fig. 9A und 9B sind die Vorteile der verlängerten Finphasenerregung für den offenen Steuerkreis dargestellt. Die Verlängerung X in Fig. 4 habe zunächst eine feste Dauer. Die Schrittfrequenz der Impulse 17 ist konstant und wie aus Fig. 9A hervorgeht, stabilisieren sich die Drehmomente für einphasige Erregung 10, zweiphasige Erregung 20 und verlängerte Einphasenerrequng E0 nach anfänglicher Zunahme während des Anlaufs des Motors auf konstanten Niveaus. Ebenso nimmt die Drehzahl zu und stabilisiert sich nach leichtem Uberschwingen auf einem konstanten Wert. Wie aus Fig. 9B hervorgeht, benötigt das gegenüber dem Einphasenbetrieb erheblich vergrößerte Drehmoment und die größere Drehzahl bei verlängerter Phasenerregung keine v/esentlich höhere Leistungsreserve. Die maximale Leistungsanforderung 55 für Betrieb mit verlängerter Phase ist nur wenig höher als der Höchstwert für Einphasenerregung und liegt weit unterhalb des Höchstwertes 56 für Zweiphasenerregung, der doppelt so groß wie der Wert 54 ist.

Eine weitere Verbesserung kann durch zeitabhängige Veränderung der Impulsverlängerung erzielt werden. Dieses Verfahren ermöglicht die beste Anpassung des Motors an die dynamische Belastungskennlinie. Die Impulsverlängerung sollvorzugsweise beim Anlaufen und Anhalten am größten sein, weil hier die Trägheitsbelastung am größten ist; bei konstanter D^hzahl soll dagegen die Impulsverlängerung gering sein oder ganz verschwinden. Dadurch läßt sich der Leistungsverbrauch im Betrieb mit konstanter Drehzahl nochmals herabsetzen. Die Leistungsaufnahme für einen solchen Einphasenbetrieb mit optimaler Veränderung der Impulsverlängerung ist in Fig. 9B in der Kurve (E0)' dargestellt. Man könnte auch die Impulsverlängerung im Betrieb mit konstanter Drehzahl völlig weglassen, um den Energieverbrauch noch weiter herabzusetzen;

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dies ist aber nicht immer wünschenswert, weil bei einer geringen Impulsverlängerung höhere Schrittschaltgeschwindigkeiten erreichbar sind (vergl. Fig. 9A). Auf jeden Fall kann die erforderliche zeitabhängige Änderung der Impulsverlängerung durch entsprechende Beeinflussung der Eigenschaften des Impulsverlängerungsgliedes 32 in Fig. 5 (Änderung der Zeitkonstante des RC-Gliedes 45) durchgeführt v/erden.

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Claims

PattitaHWtlt •ipj.-ΐηβ. G. Weinhansea D-8 München 22 München, den 2 k. MAI Widenmayerttrae· 4β Τ 406 Tel. (Οββ) 295125 . 2 7 2 ° 3 O O Teletype Corporation in Skokie, Illinois / V.St.A. Patentansprüche

1. ) Verfahren zum Betrieb eines Schrittschaltmotors mit einer

Mehrzahl für sich erregbarer Phasen, bei dem die einzelnen Phasen nacheinander während bestimmter einander überlappender Zeitintervalle erregt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlappungsintervalle (X-I bis X-4) so gewählt sind, daß die Erregung einer Phase (El) beendet wird, bevor die Erregung der übernächsten Phase (E3) beginnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Überlappungsintervall (X) kleiner als die Hälfte einer Schrittlänge ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlappungsintervall einer bestimmten Phase feste Länge hat, die Schrittlänge dieser Phase aber veränderlich ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlappungsintervall für eine bestimmte Phase veränderliche Länge hat, die Schrittlänge dieser Phase aber fest ist.

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5. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Schrittschaltmotor mit einer Mehrzahl für sich erregbarer Phasen nach dem Verfahren des Anspruchs 1 mit Schaltmitteln zur Erregung der einzelnen Phasen derart, daß die erregten Phasen einander teilweise überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß das Uberlappungsintervall der Schaltmittel so gewählt ist, daß die Erregung einer Phase beendet ist, bevor die Erregung der übernächsten Phase beginnt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen Taktgeber (30), einen vom Taktgeber gesteuerten Antriebsimpulserzeuger (31) für die aufeinanderfolgenden Phasen und Stufen (32, 35) zur Verlängerung jedes Antriebsimpulses über den Beginn des nachfolgenden Antriebsimpulses hinaus enthält.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Uberlappungsintervall für eine bestimmte Phase feste Länge hat und die Taktlänge dieser Phase veränderlich ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Uberlappungsintervall einer bestimmten Phase veränderliche Länge hat und die Taktlänge dieser Phase fest ist.

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9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5-8 für einen abrittschaltmotor mit η Phasen, die in jeder Schrittschaltperiode je einmal erregt werden, gekennzeichnet durch einen Impulserzeuger (31) zur Erzeugung von η verschiedenen Phasensignalen, die je aus einer Impulsreihe bestehen, deren Impulslänge gleich l/n der Schrittperiode ist, einen Impulserzeuger (32) zur Erzeugung von η verschiedenen Verlängerungssignalen, die je aus einer Impulsreihe bestehen, deren Länge wesentlich geringer als l/n der Schrittschaltperiode ist, einen Taktgeber (30) und eine Kombinationsstufe (35), worin einander entsprechende Phasensignale (18) und Verlängerungssignale (19) synchron mit dem Taktsignal (17) kombiniert werden, um η Antriebssignale (20) für die einzelnen Motorphasen (21 - 24) zu bilden , wobei jedes Antriebssignal aus Antriebsimpulsen besteht, deren Impulslänge gleich der Summe der Impulslängen eines Phasensignalimpulses und eines Verlängerungssignal impulses ist, die Antriebsimpulse in regämäßiger Reihenfolge nacheinander beginnen und jeder Antriebsimpuls eines Phasensignals den Antriebsimpuls des nächstfolgenden Phasensignals um die Länge des entsprechenden Verlängerungsimpulses überlappt.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Stufe (45) zur Beeinflussung des Impulserzeugers (32)

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für die Verlängerunassignale (19) derart, daß deren Länae geändert werden kann.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Rückkopplung (37) zur Beeinflussung des Taktgebers (30) im Sinne einer Frequenzänderung des Taktsianals (17).

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (32) für das Verlängerungssignal eine feste Impulslänge für alle Verlängerungsimpulse aufrechterhält.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (30) so ausgebildet ist, daß er ein Taktsignal (17) fester Frequenz abgibt und daß ein Kreis (45) zur Veränderung der Impulslänge der Verlängerungssignale (19) vorgesehen ist.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulslänge der Verlängerungsimpulse für mindestens eines der η Verlängerungssignale von der Impulslänge der anderen Verlängerungssignale abweicht.

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15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Impulserzeuger (32) für die Verlängerungssignale einen monostabilen Multivibrator (40) und ein frequenzbestimmendes Glied (45) für die Multivibratorperiode enthält.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Erzeuger (31) der Phasensignale ein n-stufiges Schieberegister enthält.

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Rückkopplung (37) zur Beeinflussung der Länge der Phasenimpulse in Abhängigkeit von der Schrittgeschwindigkeit des Motors.

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