DE2833764B2

DE2833764B2 - Schaltungsanordnung zum verlustarmen Steuern und zur Erzeugung kurzer Stromanstiegs- und -abfallzeiten von durch die Motorwicklungen eines Schrittmotors fließenden Strömen

Info

Publication number: DE2833764B2
Application number: DE2833764A
Authority: DE
Inventors: Walter Losone Bei Locarno Meier (Schweiz)
Original assignee: Agie Charmilles SA
Current assignee: Agie Charmilles SA
Priority date: 1978-03-08
Filing date: 1978-08-01
Publication date: 1980-06-04
Also published as: GB2016226B; SE7809125L; US4253052A; FR2419608B1; JPS54125426A; DE2833764C3; FR2419608A1; IT1098723B; SE438949B; IT7827198A0; GB2016226A; CH615305A5; DE2833764A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum verlustarmen Steuern und zur Erzeugung kurzer Stromanstiegs- und -abfallzeiten von durch die Motorwicklungen eines Schrittmotors fließenden Strömen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 40 25 859 bekannt. Dort wird eine Anordnung zum Speichern von Energie beim Umschalten von einer Motorwicklung auf die nächste Motorwicklung beschrieben. Als Energiespeicher werden Kondensatoren verwendet. Der Nachteil dieser Umschaltung liegt in den vagabundierenden Strömen, die durch die transformatorische Kopplung der verschiedenen Motorwicklungen und durch die Bildung von EMK's entstehen und die ungewollt bzw. unkontrolliert in der gesamten Schaltung fließen.

In einer aus der US-PS 34 44 447 bekannten Schaltungsanordnung fließen ebenfalls vagabundierende Ströme und verhindern eine wirklich gewünschte Strompause in der abzuschaltenden Motorwicklung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die durch die Motorwicklungen des Schrittmotors fließenden Ströme verlustarm zu steuern und kurze Stromanstiegszeiten und Stromabfallzeiten zu erzeugen, wobei die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnung, insbesondere die vagabundierenden Ströme, vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung steuert Schrittmotore, die Zugang zu sämtlichen Wicklungsenden aufweisen. Während der gewünschten Stromflußzeit in der Motorwicklung treten während der gewünschten Stromflußzeit praktisch keine Wärmeverluste auf. Forner wird der Strom schnell zu einem beliebig wählbaren Zeitpunkt abgeschaltet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand

fjcr Zcichnuⁿⁱ⁷'*ⁿ nähpr f'Häntprt Fc 7Piort

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung für den Halbschrittbetrieb von Schrittmotoren,

F i g. 2 die hauptsächlichsten Strom- und Spannungsformen, die an besonderen Punkten der Schaltung nach F i g. 1 bei Halbschrittbetrieb auftreten,

Fig.3 die Steuersignale sowie die an bestimmten Punkten der Schaltung nach F i g. 1 auftretenden Strom- und Spannungsformen für einen Ein- und Ausscha.tvorgang der Motorphase 120a im Detail.

F i g. 1 icigt einen Schrittmotor, dargestellt mit den 4 Motorwicklungen 120a, 1206,120c und 120c/, weiche je aus den 4 Wicklungsinduktivitäten 12OaL, 1206L, 12OcL, 12OdL und den c.hmschen Wicklungswiderständen 12OaR, 12ObR, 12OcR, 12OdR bestehen. Das als Hilfsphase 102 wirkende Element besteht aus einer Induktivität 102L mit ihrem ohmschen Innenwiderstand 102R und einem für die Stromanpassung dienenden veränderbaren Serienwiderstand 102RS. Alle Motorwicklungen 120a, 1206,120c, 120d sowie die Hilfsphase 102 sind über Dioden 127a, 1276, 127c, 1274 sowie Diode 106 auf den beim Abschalten des ganzen Systems wirksam werdenden gemeinsamen Freilaufzweig geschaltet, welcher aus der Diode 104 und der Zenerdiode 105 besteht Beim Einschalten einer oder zweier der 4 Motorwicklungen 120a, 1206, 120c, 12Od und der Hilfsphase 102 mittels Steuersignalen 10a, 106.10c, 10c/ und 11, welche auf die Basen der in F i g. 1 als Transistor ausgebildeten elektronischen Schalter 123a, 1236, 123c, 123c/ und 101 wirken, treibt eine Spannungsquelle 100 mit der Quellenspannung i/o einen oder zwei der jo Ströme 13a, 136,13c, 13c/sowie den Strom 14 über eine oder zwei der Dioden 126a, 1266,126c, 126c/sowie 104 in eine oder zwei der genannten Motorwicklungen sowie in die Hilfsphase und über einen oder zwei der elektronischen Schalter 123a, 1236, 123c, 123c/ sowie 101. Die Steuersignale 10a, 106, 10c und 1Od werden einem Festwertspeicher 117 entnommen, dessen Adressensignale 4, 5, 6 die Ausgangssignale eines vorwärts und rückwärts zählenden Binärzählers 118 sind.

Wenn mittels des Betriebs-Steuersignals 1 der Betrieb des Schrittmotor-Steuersystems freigegeben wurde, schaltet das Steuersignal 11 den Schalter 101 immer dann ein, wenn eine der Motorwicklungen ausgeschaltet wird. Der elektronische Schalter 101 führt dann den Strom 14 bis eine nächste Motorwicklung eingeschaltet wird, zu welchem Zeitpunkt das Signal 11 den Schalter 101 ausschaltet.

Die Erzeugung des Steuersignals 11 aus den Steuersignalen 1, 10a, 106, 10c, 10c/ mittels der UND-Tore 113,114,115,116,119, der ODER-Tore 111, 112 und des NOR-Tores 110 geht aus Fig. 1 und Impulsdiagramm Fig.2 deutlich hervor. Der als Ringzähler arbeitende Binärzähler 118 wird angesteuert von den logischen Signalen 2, welches die Schrittfre- r> quenz darstellt und vom Zählrichtungssignal 3, welches die Drehrichtung des Motors bestimmt. Das Signal 3 dient zusätzlich als Steuersignal für den Datenselektor 109 und bestimmt, ob die an den Eingängen IA, 2A, 3A, AA anstehenden logischen Signale oder die an den to Eingängen Iß, 2ß, 3B, AB anstehenden logischen Signale auf die Ausgänge 1 Y, 2 Y, 3 Y, 4 Y geschaltet werden. T sei die Periodendauer der Schrittfrequenz. Die Steuersignale 12a, 126, 12c, 12c/schalten zu Beginn der für die einzelnen Motorwicklungen gewünschten Stromfluß- b^r> zeiten der Länge 3 · 7*während einer Periodendauer T die Schalter 121a, 1216,121c, 121c/ein, welche ihrerseits für dieselbe Dauer über die Widerstände 124a, !246, 124c, 124c/ die entsprechenden elektronischen Schalter 122a, 1226, 122c, 122c/ für den Stromfluß geschlossen halten.

Die über die Schalter 122a, 1226, 122c, 122c/ fließenden Ströme 15a, 156,15c, 15c/teilen sich auf in die Teilströme 16a, 166,16c, 16c/einerseits und 17a,, 176,17c, 17c/ andererseits. Die Teilströme 16,a, 166, 16c, 16c/ fließen in die als Energiezwischenspeicher dienenden Kapazitäten 125a, 1256, 125c, 1254 welche nach dem Nulldurchgang der Ströme 16a, 16Z), 16c, 16c/ ihre Ladung wieder abgeben. Beim Ausschalten eines der Schalter 123a, 1236, 123c, 11234 gesteuert durch die Signale 10a, 106,10c, 10c/wird die in der entsprechenden Motorwicklung gespeicherte Energie über eine der Dioden 127a, 1276, 127a 1274 mittels des als Energiezwischenspeicher dienenden Kondensators 108 auf die Hilfsphase 102 umgeladen.

Nach der Energieumladung übernimmt die Diode 103 den Stromfluß in der Hilfsphase und hält somit deren Energieniveau aufrecht

Die als bipolare Transistoren dargestellten elektronischen Schalter 121a, 1216,121c; 1214 122a, 1226, 122c, 1224 123a, 1236,123c, 1234,101 können prinzipiell auch als Darlingtontransistoren, Feldeffekttransistoren oder Thyristoren ausgebildet sein.

Es sei nun angenommen, daß eine elektronische Steuerschaltung oder ein elektronischer Rechner, welche nicht dargestellt sind und die zur eigentlichen Erfindung auch nicht dazugehören, die Eingangssignale 1, 2 und 3 liefern gem. F i g. 1 und F i g. 2. Das logische Steuersignal 1, welches das; Betriebssteuersigr.al ist, bewirkt mit seinem logischen Wert 1, daß die am Festwertspeicher 117 anliegenden Adreß-Signale 4, 5 und 6 wirksam sind und der Festwertspeicher 117 somit auf seinen Ausgangsleitungen die Signale 10a, 106, 1Oc₁ 104 führt. Im weiteren erlaubt derselbe Zustand des Betriebs-Steuersignals, daß das im NOR-Tor 110 erzeugte Ausgangssignal als Signal 11 erscheint und den Schalter 101 steuern kann. Das Betriebssteuersignal 1 wirkt im weiteren in der Weise auf den Binärzähler 118, daß beim Übergang von logisch Null auf logisch 1 des Signals 1 der Binärzähler 118 an seinen Ausgängen mit einem vom nicht dargestellten elektronischen Steuersystem vorgegebenen Wert 7, welcher hier eine ganze Zahl zwischen 0 und 7 sein kann, zu zählen beginnt.

Bei Vorgabe der in F i g. 2 gezeigten konstanten Schrittfrequenz mit der Periodendauer T, werden mittels Binärzähler 118 und Festwertspeicher 117 die Steuersignale 10a, 106, 10c, 104 erzeugt. Dies bedarf keiner näheren Erläuterung. Eine ganze Schaltsequenz dauert für den dargestellten Schrittmotor, welcher im Halbschrittbetrieb arbeitet, 8 Perioden der Länge T.

Man sieht, daß eine Motorwicklung jeweils für die Zeitdauer der Länge 3 T Strom führen sollte, gefolgt von einer Pausendauer der Länge 5 T. Weiter gehört zum Funtionieren des Motors, daß die Wicklungsfolge ebenfalls periodisch abläuft und für Rechtslauf z. B. der Sequenz ad, a, ab, 6, 6c, c, cd, d entspricht. Der nächste Schaltzustand wäre wieder ad. Für Linkslauf muß die Schaltsequenz lauten: 4, cd, c, bc, b, ab, a, ad. Die Hilfsphase muß immer dann Strom führen, wenn nur eine Motorwicklung Strom führt, unabhängig von der gewünschten Drehrichtung des Motors. Das hierzu benötigte Steuersignal 11 wird mittels der ODER-Tore 111, 112 und des NOR-Tores 110 und der UND-Tore 113, 114, 115, 116 gewonnen. Die für die Steuerung der Schalter 121a, 1216, 121c, 121c/notwendigen Steuersi-

UN D-Verknüpfungen und drehrichtungsabhängiger Auswahl aus den Steuersignalen 10a, 10b, 10c, 10c/ gewonnen.

Die Ein- und Ausschaltvorgänge einer Motorwicklung sollen nun am Beispiel der Motorwicklung 120a im Detail beschrieben werden. Mittels des veränderbaren Serienwiderstandes 102AS sei der stationäre Stromwert in der Hilfsphase derart eingestellt, daß ihr Energieinhalt jenen der Motorwicklungen übersteigt, um beim Einschalten der letzteren die Verluste zu kompensieren und darüber hinaus noch eine Einschaltstromspitze von 150% des stationären Wertes zu erreichen.

F i g. 2 zeigt die Stromverläufe 18a in der Motorwicklung 120a, den Freilaufstrom 15a der Hilfsphase, den Teilstrom 17a, den Strom 16a des Energiezwischenspeichers 125a wie auch den Diodenstrom 19a. Im weiteren sind der Strom 23 durch die Hilfsphase 102, der Strom 21 im Zwischenspeicher 108, sowie die Kollektor-Emitterspannung 25a des Schalttransistors 123a dargestellt.

Fig.3 zeigt die Steuersignale sowie einige Strom- und Spannungsverläufe der beteiligten Elemente beim Ein- und Ausschaken der Motorwicklung 120a im Detail.

Im Zeitpunkt fo werden mittels der Steuersignale 10a und 12a die Schalter 123a und 122a geschlossen und gleichzeitig mittels des Steuersignals 11 der Schalter 101 geöffnet Der bis zu diesem Zeitpunkt in der Hilfsphase 102 auf seinen stationären Endwert I_MAx angestiegene Strom 23 nimmt nun im Zeitintervall (tu t₂) gezwungenermaßen seinen Weg durch einen ersten Kreis über die Elemente Diode 107, Schalter 122a, Zwischenspeicher-Kondensator 125a, Diode 103 sowie durch einen zweiten Kreis über die Elemtne Diode 107, Schalter 122a, Motorwicklung 120a, Schalter 123a, Speisespannungsquelle 100, Diode 103. Über dem Zwischenspeicherkondensator 125a entwickelt sich ein sinusförmiger Spannungsverlauf und ein cosinusförmiger Stromverlauf. Zum Zeitpunkt fi erfährt der Kondensator 125a seinen Strom-Nulldurchgang und sein Spannungs- und somit Energiemaximum. Der in der neu eingeschalteten Motorwicklung fließende Strom 18a und der aus der Hilfsphase stammende Strom 15a sind in diesem Moment genau gleich groß. Mit fortschreitender Zeit entlädt sich nun der Kondensator 125a im Zeitintervall (tu t₂) vollständig durch einen 3. Kreis über die Elemente Kondensator 125a, Motorphase 120a, Schalter 123a, Speisespannungsquelle 100. Bis zum Ende desselben Zeitintervalls erreicht auch der Strom 15a über den schon im ersten Zeitintervall (tu t₂) wirksamen zweiten Kreis 107, 122a, 120a, 123a, 100, 103, 102 den Wert Null. Der Strom in der neu eingeschalteten Motorwicklung 120a ist bis zum Zeitpunkt t₂ auf seinem Maximalwert Imax gestiegen, welcher z. B. 50% höher als der Nominalwert Is sein kann. Im Zeitintervall (t₂, t₃), welches der Dauer T, der Motorzeitkonstante entspricht

auf den Wert

/.v

-O⁺i)

und strebt im Intervall (t₃, U) weiter seinem stationären Wert /yvzu.

ίο Bevor zum Zeitpunkt U der Ausschaltvorgang der Motorwicklung 120a beginnt, wird mittels der Hilfsphase und den Steuersignalen 1Oi/und 11 die Motorwicklung 120c/schnell abgeschaltet und mit den Steuersignalen 106, 126 und 11 die Motorwicklung 1206 schnell eingeschaltet.

Zum Zeitpunkt to + T wird der Schalter 122a geöffnet, welcher nach Fig.3 schon zum Zeitpunkt

to + -j keinen Strom mehr führte.

Im Zeitintervall (t₂, u) fließt der Motorstrom 18a nur durch einen 4. Kreis über die Elemente 120a, 123a, 100, 126a. Zum Zeitpunkt U, wird der Schalter 123a mittels des Steuersignals 10a geöffnet und der Schalter 101 mittels des Steuersignals 11 geschlossen.

Der zu diesem Zeitpunkt in die Motorwicklung 120a fließende Strom 18a vom Wert In teilt sich gezwungenermaßen im Zeitintervall (U, ts) auf und fließt durch einen fünften Kreis über die Elemente Diode 127a Speicherkondensator 108, Diode 126a und durch einer sechsten Kreis über die Elemente Diode 127a Hilfsphase 102, Schalter 101, Speisespannungsquelle

100, Diode 126a. Über dem als Energiezwischenspeichei dienenden Kondensator 108 entwickelt sich ein sinusförmiger Spannungsverlauf und ein cosinusförmi ger Stromverlauf nach F i g. 3. Der Kondensatorstrom 21 hat zum Zeitpunkt i₅ seinen Nulldurchgang und die Kondensatorspannung ihr Maximum. Der ansteigende Strom 23 in der Hilfsphase und der abfallende Strom 18; der abzuschaltenden Motorwicklung sind in diesen* Zeitpunkt /₅ gleich groß. Mit fortschreitender Zeil entlädt sich nun der Kondensator 1OS im Zeitinterval (ts, fe) vollständig durch einen siebenten Kreis über die Elemente Kondensator 108, Hilfsphase 102, Schaltei

101, Speisespannungsquelle 100. Bis zum Ende dessel ben Zeitintervalls erreicht auch der Strom 20 über der schon im Zeitintervall (u, is) wirksamen sechsten Kreis 127a, 102,101,100,126a, 120a den Wert Null. Der Stroir in der neu eingeschalteten Hilfsphase 102 ist bis zuir Zeitpunkt fe nicht ganz auf den Wert I_n angestiegen, wei auch noch Verluste in den Elementen auftreten.

Vom Zeitpunkt fc an, treibt die Speisespannungsquelle 100 den Strom 23 in der Hilfsphase durch einen achter Kreis über die Elemente Diode 103, Hilfsphase 102 Schalter 101, Speisespannungsquelle 100 seinem statio nären Endwert Imax entgegen. Die dabei wirksam« Zeitkonstante ^ergibt sich zu

/ _ 120flL\ V 12OaRy-

102 L

(102 R + 102 RS)

fällt nun der Motorstrom 18a um den Wert

Im Zeitpunkt ti beginnt sich der eben beschrieben«

_b5 Vorgang zu wiederholen, jedoch für die Motorphasi 120c; wenn Rechtslauf vorausgesetzt wird und für dii Motorphase 1204 wenn Linkslauf verlangt ist (siehi Fig. 2).

Nach dem Abschalten aller Motorwicklungen sowie der Hilfsphase mittels des Betriebssteuersignals 1 (Übergang von logisch Eins auf logisch Null in Fig. 2) fließen die Freilaufströme der Motorphasen 120a und 1206 in den Kondensator 108 sowie durch einen neunten Kreis über die Elemente Zenerdiode 105 und Diode 104, wenn die Kondensatorspannung die Zenerspannung plus Dioden-Flußspannung erreicht hat.

Wenn die Ströme 18a und t&b den Wert Null erreicht

haben, trägt der Kondensator 108 vom Wert Cnoch die Energie

in sich, wo Uz die Zenerspannung bedeutet. Die Kapazität kann sich mittels Diodenleckströme oder über einen in F i g. 1 nicht eingezeichneten, zu ihr parallelgeschalteten Widerstand entladen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum verlustarmen Steuern und zur Erzeugung kurzer Stromanstiegsund -abfallzeiten von durch die Motorwicklungen eines Schrittmotors fließenden Strömen, bestehend aus zahlenmäßig der Anzahl der Motorwicklungen entsprechenden, an eine Gleichspannungsquelle geschalteten Parallelzweigen, die jeweils eine erste in Durchlaßrichtung gepolte, an den ersten Pol der Gleichspannungsquelle geschaltete Diode, eine der Motorwicklungen sowie einen von einer Steuereinrichtung gesteuerten, an den zweiten Pol der Gleichspannungsquelle gescheiteten ersten elektronischen Schalter aufweisen, einem jedem Parallelzweig zugeordneten und mit einem der Wicklungsenden und dem einen Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen ersten Kondensator und mit weiteren Schaltungselementen, die jeweils beim Einschalten einer Motorwicklung eine Verbindung zwischen dem ersten Wicklungsende der einzuschaltenden Motorwicklung und dem zweiten Wicklungsende einer stromführenden und abzuschaltenden Motorwicklung und dem dieser Motorwicklung zugeordneten ersten Kondensator herstellen, dadurch , gekennzeichnet, daß die weiteren Schaltungselemente einen zweiten elektronischen Schalter (122a bis \22d) enthalten, der von der Steuerschaltung derart gesteuert ist, daß zusätzlich zu der Verbindung der ersten und zweiten Wicklungsenden nacheinander anzuschaltender Motorwicklungen (120a bis \20d) die abzuschaltende Motorwicklung mit mindestens einer für alle Motorwicklungen r> gemeinsamen induktiven Hilfsphase (102) verbindbar ist, der ein zweiter Kondensator (108) zugeordnet ist und die als weiterer Parallelzweig mit einer an den ersten Pol ( + ) der Gleichspannun^squelle (100) in Durchlaßrichtung geschalteten zweiten Diode (103) und einem an dem zweiten Pol ( —) der Gleichspannungsquelle (100) geschalteten, von der Steuereinrichtung (S) gesteuerten dritten elektronischen Schalter ausgeführt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch 4 ^r> gekennzeichnet, daß jeder erste Kondensator (125a bis 1254) einerseits zwischen den ersten Pol (+) der Gleichspannungsquelle (100) und andererseits mit dem ersten Wicklungsende der zugeordneten Motorwicklung (120a bis \20d) sowie mit der 5« Leistungsstrecke der zweiten Schalter (122a bis \22d) verbunden ist, daß der zweite Kondensator (108) einerseits mit dem ersten Pol ( + ) der Gleichspannungsquelle (100) und andererseits mit dem ersten Wicklungsende der Hilfsphase (102) und ^r>> über entgegen der Durchlaßrichtung gepolte dritte Dioden (127a bis \2Jd) mit den Verbindungen zwischen den Motorv.icklungen (120a bis 120djund den ersten Schaltern (123a bis \23d) und über eine entgegen der Durchlaßrichtung gepolte vierte w) Diode (106) mit der Verbindung zwischen der Hilfsphase und dem dritten Schalter (101) sowie über die Reihenschaltung einer entgegen der Durchlaßrichtung gepolten fünften Diode mit dem ersten Pol ( + ) der Gleichspannungsquelle verbunden ist und t" daß die Leistungsstrecken aller zweiten Schaller (122a bis 122c/jüber eine entgegen der Durchlaßrichiung gepölte sechste Diode (107) i

zwischen der Hilfsphase und dem dritten Schalter (101) verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsphase (102) aus einer Reihenschaltung aus einer Induktivität (102Lj mit einem Innenwiderstand (102Sj und einem einstellbaren Widerstand (102RSJbesteht

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der ersten Hilfsphase (102) eine zweite Hilfsphase mit entsprechend gleichen Bauteilen vorgesehen ist

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor durch zusätzliche elektronische Steuermittel wahlweise im Halbschritt- oder im Vollschrittbetrieb betreibbar ist