DE2810456A1 - Schaltungsanordnung zum regeln von durch wicklungen fliessenden stroemen bei schrittmotoren - Google Patents
Schaltungsanordnung zum regeln von durch wicklungen fliessenden stroemen bei schrittmotorenInfo
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Description
Schaltungsanordnung zum Regeln von durch Wicklungen fliessenden Strömen bei Schrittmotoren
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln von durch Wicklungen fliessenden Strömen bei Schrittmotoren,
wobei die Schrittmotoren nur Zugang zu einem gemeinsamen
Wicklungssternpunkt oder zu partiellen Sternpunkten haben.
Bekanntlich werden Schrittmotoren als Achsantriebe für Werkzeugmaschinen,
Computer-Peripheriegeräte oder dgl. eingesetzt. Solche Schrittmotoren erfordern eine Schaltung, die einerseits
den Strom in den einzelnen Motorwicklungen in vorgeschriebener Reihenfolge schnell auf den benötigten Wert ansteigen lässt
und andererseits nach einer bestimmten vorgeschriebenen Zeit den Strom schnell wieder auf Null sinken lässt.
Zur Erfüllung dieser Erfordernisse kennt man folgende Schaltungen:
- R-L-Schaltung: In Serie mit der Motorwicklung wird ein
ohmischer Widerstand geschaltet und diese Kombination wird an eine hohe Spannung gelegt.
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Der Widerstand hat zweierlei Wirkung. Er begrenzt den Strom auf den benötigten Wert und sorgt gemäss dem Gesetz
t = ■= für eine kleine Motorzeitkonstante, was einen
schnellen Stromanstieg ergibt. Um eine schnelle Stromabschaltung zu bekommen, wird auch im Freilaufkreis ein
Widerstand oder eine Zenerdiode in Serie mit einer normalen Diode geschaltet. Diese Schaltung ist beschrieben im Buch
"Das Schrittmotoren-Handbuch" der Firma Sigma Instruments, Europäisches Büro, Jahrgang 1973, Druckerei G. Schubert &
Cie München 5, *266223 auf den Seiten 46 und folgende. Die auf Seite 47 des erwähnten Buches beschriebenen Schaltungen
b, c und d müssen hier nicht betrachtet werden, da sie Motoren voraussetzen, welche Zugang zu allen Wicklungsenden
separat gestatten.
- Andere Schaltungen für Motoren mit Sternpunkt benützen das Chopperprinzip (beschrieben S. 58), verwenden aber im Freilaufkreis
immer noch Vorwiderstände oder Zenerdioden. Der Wirkungsgrad dieser Schaltungen ist natürlich tief, da der
Motorstrom in den Vorwiderständen des Einschalt- und Freilaufkreises Verlustwärme erzeugt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Schrittmotoren, welche nur Zugang zum Wicklungs-Sternpunkt erlauben, eine
Schaltung zu betreiben, welche schnelles Einschalten des Stromes auf den gewünschten Wert, kleine Verluste während
der gewünschten Stromflusszeit und schnelles Abschalten des Stromes zu einem beliebig wählbaren Zeitpunkt mit ähnlich
hohem Wirkungsgrad gestattet, wie dies in der Schaltung auf S. 58 des zitierten Buches beschrieben ist. In der letzten
Schaltung wird aber der freie Zugang zu allen Wicklungsenden des Motors vorausgesetzt!
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass während der erwünschten Stromflusszeiten jeder einzelnen Motorwicklung
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ein elektronischer Schalter einen verlustarmen Freilaufkreis zuschaltet, und dass ein für alle Motorwicklungen gemeinsamer
Stromkreis vorgesehen ist zum schnellen Abschalten des Stroms in den Motorwicklungen sowie zur Rückgewinnung der in den
Motorinduktivitäten gespeicherten Energie.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die aus fertigungstechnischen Gründen
wesentlich billigeren Motoren, welche nur Zugang zum Wicklungssternpunkt erlauben, mit praktisch gleich gutem
Wirkungsgrad und ebenso guten dynamischen und statischen Eigenschaften betrieben werden können wie jene Motoren,
welche elektrischen Zugang zu allen Wicklungsenden erlauben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung;
Figuren 2-10 die hauptsächlichsten Strom- und Spannungsformen, die an besonderen Punkten der Schaltung nach
Fig. 1 auftreten.
In der Fig. 1 ist ein Schrittmotor mit einer Anzahl von Wicklungen 10a, 10b, 10c usw. dargestellt. Zu jeder Motorwicklung
ist parallel ein Freilaufkreis vorgesehen, der aus einer Freilaufdiode 17a, 17b, 17c usw. besteht. Dieser Freilaufkreis
wird durch einen Transistor 18a, 18b, 18c usw. in den Kreis der zugeordneten Motorwicklung ein- bzw. ausgeschaltet.
Die Freilaufdiode 17a, 17b, 17c usw. ist so eingefügt, dass ihre Anode an einem Ende der Motorwicklung, und ihre
Katode am Verbindungspunkt zum Emitter des zugehörenden Transistors 18a, 18b, 18c usw. sowie an der Trenndiode 19a,
19b, 19c, 19d usw. angeschlossen ist. Die letztgenannten "Dioden sind Trenndioden zwischen jedem Freilaufkreis und dem für alle
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Motorwicklungen und Freilaufkreise gemeinsamen Kondensator 100 einschliesslich Transistor 102. Der gemeinsame Stromkreis
besteht ferner aus der Induktivität 103, der Freilaufdiode 104, dem Pufferkondensator 105 und aus dem Komparator
101. In der Fig. 1 besitzt jede Motorwicklung 10a, 10b, 10c eine Stromreglerschaltung. Diese Stromreglerschaltung ist
der Einfachheit halber nur für die Motorwicklung 10a dargestellt und enthält einen Komparator 16a, Transistor 11a,
Widerstände 12a, 15a, Diode 13a und Kondensator 14a. Die Speisespannung für den Schrittmotor, d.h. für die Motorwicklungen
ist mit 106 bezeichnet. Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung der Fig. 1 gemeinsam
anhand der Figuren 2-10 näher erläutert.
Es sei nun angenommen, dass eine elektronische Schaltung, welche nicht dargestellt ist und die zur eigentlichen Erfindung
auch nicht gehört, auf der Leitung 20a ein statisches, logisches Steuersignal abgibt. In der Fig. 2 ist das Steuersignal
20 dargestellt. Wird das Steuersignal auf der Leitung 20a von seinem Wert "1" auf "0" geändert, so schliesst der
Schalter 18a im Zeitpunkt tO. Hierdurch wird der spätere Fluss des Basisstroms 28a vorbereitet. Gleichzeitig wird dem
Komparator 16a des Stromreglers der Stromsollwert 20a entsprechend dem Wert Il vorgegeben. In diesem Zeitpunkt beginnt
nun auch der Motorstrom 22a in der Wicklung 10a, dargestellt in Fig. 3, als Folge des nun fliessenden Basisstromes 21a,
von Null an zu steigen, bis der Messwiderstand 12a über die Diode 13a dem Komparator 16a meldet, dass der Stromistwert Il
zum Zeitpunkt ti dem Sollwert 20a entspricht. Nun wird zum Zeitpunkt ti der Basisstrom 21a.unterbrochen, was den Kollektorstrom
23a, dargestellt in Fig. 4, sofort auf Null bringt. Der Motorstrom 22a nimmt nun als Folge der in der Motorinduktivität
1OaL gespeicherten Energie seinen Weg über die Diode 17a und den geschlossenen elektronischen Schalter 18a,
dessen Strom 24a in Fig. 5 dargestellt ist, wobei er ausser
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ORfGSMAL INSPECTED
der Spannung am ohmschen Innenwiderstand 1OaR nur noch einen Dioden- sowie einen Kollektor-Emitter-Spannungsabfall am
gesättigten Transistor oder Darlingtontransistor 18a entwickeln muss. Infolge dieser kleinen Zusatzverluste der Freilaufdiode
17a und des Transistors 18a wird der Strom in der Motorwicklung 10a nur langsam, etwa entsprechend der Motorzeitkonstante TMot (TMot = ) abnehmen bis auf den
Wert 12 im Zeitpunkt t2 (Fig. 3). Im Zeitintervall ti, t2
fliesst auch der Basisstrom 28a, der das logische Signal 2Ba. nicht beeinflusst.
Die zum Zeitpunkt ti des Ausschaltens von Schalter 11a am
Kondensator 14a anliegende Spannung nimmt ebenfalls ab, gemäss der elektrischen Zeitkonstante TMess (TMess = C (14a) ·
R (15a + 12a)) des RC-Kreises 12a, 15a, 14a, die der Motorzeitkonstante ΤΜο|. bei geschlossenem Schalter 18a entspricht.
Wenn nun die Kondensatorspannung am Kondensator 14a eine durch die einstellbare Hysterese des Komparators 16a gegebene
untere Grenze zum Zeitpunkt t2 erreicht, so wird der Basisstrom 21a wieder eingeschaltet und somit der Schalter 11a
wieder geschlossen, so dass die Speisespannungsquelle 106 vom Werte Uo den Motorstrom wieder erhöht bis der dem Sollwert
20a entsprechende Istwert Il wieder erreicht ist. Die Vorgänge entsprechend Zeitpunkt ti und t2 wiederholen sich nun solange
wie das Steuersignal 20a seinen Wert Null behält.
Wenn nun das logische Steuersignal 20a im Zeitpunkt t3 seinen Wert von Null auf Eins ändert, so werden sowohl der Basisstrom
28a für Schalter 18a unterbrochen, was letzteren öffnet, als auch der Stromsollwert 20a am Komparator 16a auf Null gesetzt,
was den Basisstrom 21a ebenfalls unterbricht und Schalter 11a öffnet. Der Motorstrom 22a fliesst nun bis zum Zeitpunkt t4
über die Diode 17a zu Diode 19a, deren Strom 25 in Fig. 6 dargestellt ist und von dort in den Kondensator 100, dessen
Strom 26 in Fig. 7 gezeigt ist. Der Stromkreis schliesst sich
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über die Speisespannungsquelle 106. Die im Zeitintervall t3, t4 der Motorinduktivität entzogene Energie gelangt zum grössten
Teil auf den für alle Wicklungen gemeinsamen Kondensator 100, wodurch natürlich seine Spannung UC, dargestellt in
Fig. 8, angehoben wird.
Ueberschreitet nun die Kondensatorspannung UC im Zeitpunkt t4 den durch die Referenz 111 dem Komparator 101 vorgegebenen
Wert, so wird der Schalter 102 mittels des durch den Komparator 101 gezogenen Basisstromes 34 geschlossen. Der Motorstrom
22a teilt sich nun auf und fliesst einerseits (Fig. 7) weiter in abnehmender Weise bis zum Zeitpunkt t5 über die
Elemente 100, 106, 10a, 17a, 19a, andererseits in von Null aus zunehmender Weise bis zum Zeitpunkt t5 als Strom 32 und
27 gemäss Fig. 9 und 10 über die Elemente 102, 103, 10a, 17a, 19a. Im Zeitpunkt t5 ist der Motorstrom 22a auf den Wert 15
gesunken und der. Strom 27 in der Drossel 10 3 auf den Wert 15 gestiegen. Das bedeutet, dass in diesem Augenblick der Strom
26 des Kondensators 100 auf Null gesunken und somit sein Spannungsmaximum Uc max erreicht ist.
Die vom Zeitpunkt t5 an wieder sinkende Spannung Uc am Kondensator
100 lässt den Strom 27 in der Induktivität 103 weiterhin ansteigen, wobei ein wachsender Anteil des Stromes
32 infolge der hohen Spannung und des rasch sinkenden Motorstromes
aus der Kapazität 100 kommt. Die im Zeitintervall t5, t6 dem Kondensator 100 entzogene Energie — · C · (Uc^max U62)
wird praktisch vollständig über den Kreis der Elemente 100, 102, 103 in den Pufferkondensator 105 zurückgeführt. Zum
Zeitpunkt t6 ist der Motorstrom in der Wicklung 10a auf Null gesunken, was bedeutet, dass ab diesem Zeitpunkt der grosse
in der Induktivität 103 fliessende Strom in den Pufferkondensator 105 zurückfliesst. Die Spannung Uc am Kondensator 100
hat im Zeitintervall t6, t7 noch einen Wert, der grosser ist als der durch die Hysterese und die Referenz 111 gegebene
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Wert am Komparator 101. Dadurch steigt der Strom 27 in der Induktivität 103 weiter an bis zum Wert 16 im Zeitpunkt t7
(Fig. 9, 10), zu welchem der Schalter 102 mittels des Komparators 101 wieder geöffnet wird. Der zum Zeitpunkt t7
in der Induktivität 103 fliessende Strom 17 nimmt nun seinen Weg über den Pufferkondensator 105 und die Diode 104. Der
linear abnehmende Strom 27 und 28 überführt die im Zeitpunkt t7 in der Induktivität 103 gespeicherte Energie bis
zum Zeitpunkt t8 praktisch vollständig in den Pufferkondensator 105.
Der Wert der Induktivität 103 sollte mindestens jenen der Motorwicklung 10a erreichen, um eine Abschaltfunktion wie
oben beschrieben zu erhalten. Die Wirkungsweise der in Fig. gezeigten Schaltung wurde anhand der einen Motorwicklung 10a
beschrieben. Selbstverständlich können durch die nicht gezeigte elektronische Schaltung die logischen Steuersignale
20b, 20c usw. in entsprechender Weise vom Wert "1" auf den Wert "0" geändert werden, so wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
Die Ströme in den Motorwicklungen 10a, 10b, 10c usw. können in beliebiger zeitlicher Reihenfolge und Frequenz abgeschaltet
werden, solange nur gewährleistet ist, dass die notwendige Spannungsfestigkeit der elektronischen Schalter erhalten
bleibt und die Induktivität 103 nicht in den Bereich der Sättigung gelangt.
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Le e rs e i t e
Claims (1)
- gotthardstr/LPatentansprüchej 1. !schaltungsanordnung zum Regeln von durch Wicklungen fliessenden Strömen bei Schrittmotoren, wobei die Schrittmotoren nur Zugang zu einem gemeinsamen Wicklungssternpunkt oder zu partiellen Sternpunkten haben, dadurch gekennzeichnet, dass während der erwünschten Stromflusszeiten (to - t3) jeder einzelnen Motorwicklung (10a, 10b, 10c....) ein elektronischer Schalter (18a, 18b, 18c....) einen verlustarmen Freilauf-■ kreis (17a, 17b, 17c...) zuschaltet, und dass ein für alle Motorwicklungen (10a, 10b, 10c...) gemeinsamer Stromkreis (100, 102, 103, 104, 105, 101, 111) vorgesehen ist zum schnellen Abschalten des Stroms in den Motorwicklungen sowie zur Rückgewinnung der in den Motorinduktivitäten gespeicherten Energie.2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilaufkreis eine Diode (17a, 17b, 17c...) enthält, deren Kathode am Emitter des den Freilaufkreis steuernden elektronischen Schalters (18a, 18b, 18c...) und an der Anode einer weiteren Diode (19a, 19b, 19c, 19d...) angeschlossen ist, wobei die weitere Diode mit dem gemeinsamen Stromkreis (100, 102) verbunden ist.3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Stromkreis aus einem Kondensator (100), einem Schalter (102), einer Induktivität (103), einer Freilaufdiode (104), einem Pufferkondensator (105), einem Komparator (101) besteht.27.1.1978 Gp/rg/lf809843/0608
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OAP | Request for examination filed | ||
OD | Request for examination | ||
D2 | Grant after examination | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |