-
Beschreibung
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zum Betrieb eines Synchronmotors der Bauart mit einem Permanentmagnetrotor. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren sowie eine 5.r^rrichtung zum Betrieb
eines Synchronmotors derart, daß es möglich ist, den Drehmomentwert zu steuern,
mechanische Schwingungen zu vermeiden und elektrische Leistung einzusparen, wobei
ferner durch genaue Steuerung einer Antriebsstromimpulsbreite Drehfluktuationen
und Geräusche vermindert werden.
-
Der Ausdruck "Synchronmotor der Permanentrotorbauart" wird hier in
seinem allgemeinen Sinne verwendet und umfaßt Motore, die in Kombination folgendes
aufweisen: Erregerstatoren, ausgerüstet mit einer großen Anzahl von Magnetpolzähnen
sowie mit Wicklungen für deren Anregung, und einen Rotor mit mehrere Pole aufweisenden
magnetisierten Permanentmagneten, wobei der Rotor synchron mit Eingangsimpulsen
in Drehung versetzt wird. Der obengenannte Ausdruck umfaßt auch einen Schrittschaltmotor,
einen in der gleichen Weise wie der Schrittschaltmotor aufgebauten Motor, der ausschließlich
im kontinuierlichen Betriebsbereich verwendet wird, und schließlich einen Motor,
der mit einem Schwungrad zur Minimierung ungleichmäßiger Rotation ausgerüstet ist.
-
Der Stand der Technik und dessen Probleme werden beispielhaft unter
Bezugnahme auf das Einphasen-Erregersystem eines Vierphasen-Schrittschaltmotors
beschrieben, der in seinem Aufbau der einfachste ist. Gemäß Fig. 1 besteht die Betriebsschaltung
des Schrittschalt- oder Schritt-Motors 1 aus einer
Erregeungsart-Formungsschaltung
2 und einer Treiberschaltung 3. Die Erregungsart-Formungsschaltung 2 ist eine Schaltung,
welche die Eingangsimpulse Ip auf jede Phase in der durch die Anzahl der Phasen
und durch das Erregungssystem bestimmten Art verteilt. Da dieses Beispiel die Einphasen-Erregung
des Vierphasen-Schrittmotors verwendet, werden--die Erregungsimpulse 1 bis #4 mit
sequentiell verschobenen Zeitsteuerungen gegeneinander für vier Erregungssignalleitungen
erzeugt.
-
Die Treiberschaltung 3 empfängt diese Erregungssignale und liefert
Stromimpulse an die Statorwicklungen des Schrittmotors 1 für Zeitperioden, die jeweils
der Impulsbreite der Erregungssignale #1 bis rd4 entsprechen. Im allgemeinen werden
Leistungstransistoren zum Schalten des Wicklungsstroms in der Endstufe der Treiberschaltung
3 verwendet.
-
Immer dann, wenn der Eingangsimpuls Ip angelegt ist, wird daher das
Erregungssignal und somit der Treiberstromimpuls 4 geändert, so daß der Schrittmotor
sich incremental um Ein- / schritt-Winkel verdrehen kann.
-
Die Bewegung des Rotors bei Bewirkung der Einschritt-Erregung (oder
die Beziehung zwischen dem Drehwinkel und der Zeit) ist jedoch, wie in Fig. 2 dargestellt,
von schwingungsmäßiger Natur (oszillatorisch). Das Ausmaß der Dämpfung der Schwingung
(Oszillation), d.h. die mechanische Schwingung, ändert sich, abhängig von der Motorart
und der Erregungsart, dem in Serie an die Wicklungen angelegten Widerstandwert usw.,
wobei in jedem Falle das Schwingungsauftreten nicht vermeidbar ist.
-
Das Auftreten der Rotorschwingung oder Oszillation kann aber bei der
praktischen Anwendung des Schrittmotors nicht vernachlässigt werden, weil dies zu
einer Ungenauigkeit bei der Drehposition, einem Energieverlust, der Erzeugung von
Wärme usw. führt. Zur Aufnahme der Oszillation ist es üblich, einen Dämpfer unter
Verwendung einer Viskositäts- oder Magnetkupplung zu verwenden, oder aber man legt
elektrisch eine umgekehrte Phasensteuerung oder Gegenphasenwirkung an. Der Einbau
eines
Dämpfermechanismus läßt sich jedoch nicht leicht einem kleinen Motor anpassen, weil
zusätzlicher Einbauraum für diesen Mechanismus notwendig und es darüberhinaus schwierig
ist, zu allen Zeiten einen optimalen Dämpfungseffekt zu erhalten. Das elektrische
Anlegen der umgekehrten Phasensteuerung ergibt einen komplizierten Schaltungsaufbau,
und in jedem Falle ist der Energieverlust groß.
-
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zum Betrieb
eines Motors der oben beschriebenen Art anzugeben, wobei dieses Verfahren gestattet,
die bekannten Verfahren und Vorrichtungen innewohnenden Probleme und Nachteile zu
vermeiden. Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Betrieb des Motors in der Weise,
daß durch eine außerordentlich einfache Konstruktion das Auftreten von Rotorvibrationen
oder Schwingungen verhindert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des
Motors minimiert ferner den Energieverlust und die Wärmeerzeugung. Weiterhin sieht
die Erfindung eine neue Vorrichtung vor, um die oben erwähnten Ziele der Erfindung
zu erreichen.
-
Um diese Ziele zu erreichen, machen esdas erfindungsgemäße Verfahren
sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen Treiberstrom unmöglich, die beim
Stand der Technik während der Periode von einem Eingangsimpuls zum anderen weiter
zu fließen; die Erfindung sieht vielmehr vor, daß die Breite des Treiberstromimpulses
durch Bewirkung einer impulsbreiten Steuerung verschmälert wird und der Treiberstrom
in der Zwischenspanne der periodischen Zeit der Eingangsimpulse derart gestoppt
wird, daß der Rotor (Last) seinen stabilen Punkt unter Verwendung seiner eigenen
Trägheit erreicht.
-
Kurz gesagt, sieht das Verfahren zum Betrieb eines Synchronmotors
der Bauart mit einem Permanentmagnetrotor einen Schritt vor, um die Impulsbreite
des Treiberstromimpulses
kUrzer einzustellen als eine periodische
Zeit des Eingangsimpulses. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Erregungsart-Formungsschaltung
auf, um die Eingangsimpulse an jede Phase in einer Art oder Betriebsart, bestimmt
durch die Anzahl der Phasen und durch das Erregersystem, zu verteilen, wobei die
Vorrichtung ferner eine Treiberschaltung zum Empfang der Erregungssignale und zur
Formung von für die Erregung des Synchronmotors erforderlichen Stromimpulsen aufweist,
und wobei ferner ein UND-Gatter für jede Erregungssignalleitung zwischen der Erregungsart-Formungsschaltung
und der Treiberschaltung vorgesehen ist, und wobei schließlich eine Impulsbreitensteuerschaltung
vorhanden ist. Die UND-Gatter sind gemeinsam und gleichzeitig der Tast-Steuerung
mittels der Ausgangsgröße der Impulsbraitensteuerschaltung in der Weise ausgesetzt,
daß die Breite des Treiberstromimpulses verschmälert wird, und daß die Lieferung
der Treiberstromimpulse in einer Zeitperiode kürzer als die periodische Zeit der
Eingangsimpulse beendet wird.
-
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt: Fig. 1 und 2 eine übliche Betriebsvorrichtung,
wobei Fig. 1 ein Blockdiagramm einer üblichen Schrittmotor-Betriebsvorrichtung ist,
während Fig. 2 ein Diagramm zeigt, welches die Beziehung zwischen dem Drehwinkel
und der Impulsfolge bei einer Einzelschritt-Erregung der Vorrichtung gemäß Fig.
1 darstellt; Fig. 3 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig.
4 ein Zeitsteuerdiagramm der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung; Fig. 5 ein die Beziehung
zwischen dem Drehwinkel und der Impulsfolge bei einer Einschritt-Erregung darstellendes
Diagramm; Fig. 6 ein Diagramm einer elektrischen Schaltung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 7 ein Zeitsteuerdiagramm der in Fig. 6 gezeigten
elektrischen Schaltung.
-
Im folgenden sei die Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig.
-
3 bis 7 beschrieben. Zunächst sei auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen,
wo ein Vierphasen-Schrittmotor 1 der Einzelphasen-Erregung unterworfen wird. Das
Ausführungsbeispiel umfaßt die Treiberschaltung 3 zur Bildung der für die Erregung
der Motorwicklungen 4 erforderlichen S romimpulse, und die Erregungsart-Formschaltung
2. Dieser Aufbau ist insoweit der gleiche wie beim Stand der Technik, und sowohl
die Erregungsart-Formungsschaltung 2 als auch die Treiberschaltung 3 können die
gleichen Schaltungen wie beim Stand der Technik sein. Beispielsweise kann die Erregungsart-Formungsschaltung
2 durch einen 2-Bit-Binärzähler und dessen Ausgangssignal-Decodierer gebildet sein.
Bei der vorliegenden Erfindung sind UND-Gatter 5 in den Erregungssignalieitungen
zwischen der Erregungsart-Formungsschaltung 2 bzw. der Treiberschaltung 3 angeordnet,
und sie werden gemeinsam und gleichzeitig zum Zwecke der Tastung oder Ansteuerung
mittels einer Impulsbreitensteuerschaltung 6 gesteuert. Jedes UND-Gatter 5 gehört
zur Bauart mit zwei Eingangen, wobei der eine Eingang mit der entsprechenden Erregungssignalleitung
(# 4)verbunden ist,
während eine Ausgangsklemme an der Eingangsklemme
der entsprechenden Treiberschaltung 3 liegt. Die andere Eingangsklemme jedes UND-Gatters
5 ist gemeinsam mit der Ausgangsklemme der Impulsbreitensteuerschaltung 6 verbunden.
Diese Impulsbreitensteuerschaltung 6 kann von einer solchen Bauart sein, wie sie
z.B. durch einen monostabilen IvIurtivibrator dargestelltMird, und nach der Auslösung
oder Triggerung durch den Eingangsimpuls Ip erzeugt sie einen Tast- oder Gate-Impuls
Gp für eine vorbestimmte Zeitspanne. Wie man aus der Zeitdarstellung der Fig. 4
erkennt, erzeugt die Erregungsart-Formungsschaltung 2 sequentiell das Erregungssignal
# 4 in jeder Phase immer dann, wenn der Eingangsimpuls Ip daran angelegt wird. Gleichzeitig
beim Empfang des Eingangsimpulses Ip erzeugt die Impulsbreitensteuerschaltung 6
einen Gate-oder Tastimpuls Gp in einer vorbestimmten Impulsbreite T. Die Impulsbreite
ist ein Zeitintervall, das kürzer ist als die Zeit des nächsten ankommenden Eingangsimpulses,
oder kürzer als die Zeit, in der der Rotor des Motors sich durch den Einschrittwinkel
verdreht.
-
Da jedes Erregungssignal 1 - 4 durch den Gateimpuls Gp getastet wird,
wird die Breite des an die Treiberschaltung 3 angelegten Treibersignals 1 4 durch
den Gate- oder Tastimpuls Gp reduziert. Das Treibersignal d, 4' welches der Basisstrom
jedes Leistungstransistors ist, -schaltet den Leistungstransistor ein, um Strom
durch eine Wicklung fließen zu lassen. Es wird daher eine Lieferung des Treiberstromimpulses
vollendet, bevor der nächste Eingangsimpuls ankommt, oder bevor der nächste Treibervorgang
bewirkt wird. Daraufhin verdreht sich der Rotor (Last) in einem gewissen Ausmaß
infolge seiner eigenen Trägheit noch weiter und kommt zu einem Stillstand oder wird
weiter durch den nächsten Zingangsimpu1s verdreht. Demgemäß kann das Auftreten einer
Oszillation, nämlich die in der Nähe seiner vorbestimmten stabilen Position auftretende
Rotorvibration, wie in Fig. 5 gezeigt,
dadurch verhindert werden,
daß man in geeigneter Weise die Impulsbreite des Gate- bzw. Tastimpulses Gp einstellt,
durch BerUcksichtigung bzw. Einstellung der Motorarten, des Erregungsverfahrens,
der Last usw.
-
Fig. 6 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung. Es wird ein Vierphasen-Motor ven^endet, und dessen IYicklungen sind mit
Treiberelementen in einer Brücke zusammengeschaltet, um einen zweiphasigen bipolaren
Betrieb auszuführen. Eine Treiberschaltling qer Brückenbauart ist an sich bereits
bekannt. Bei diesem Ausführungsbeisl;iel werden zwei Master-slave-Filp-Flops miteinander
kombiniert, um Zweiphasen-Erregungssignale d, 4 zu erhalten, die sodann durch die
UND-Gatter 5 zum Erhalt von Treibersignalen 4 - 4 geleitet werden. Jedes UND-Gatter'
nungs- und Schließ-Steuerung durch einen monostabilen Multivibrator (Impulsbreitensteuerschaltung)
6 unterworfen, der durch den Eingangs impuls 1p getriggert wird. Die Impulswellenform
an jedem Teil ist in Fig. 7 dargestellt. Anders ausgedrückt gilt folgendes: Wenn
der Motor auf der Basis der Eingangsimpulse derart angetrieben ist, daß der Rotor
sich seiner stabilen Position nähert, so existiert eine Periode, in der die Einspeisung
des Treiberstromimpulses lediglich gestoppt wird. Während dieser Periode dreht sich
der Rotor (Last) infolge seiner eigenen Trägheit, wodurch es möglich gemacht wird,
das Auftreten der Rotoroszillation zu verhindern.
-
Wenn ein solcher Zweiphasen-Bipolar-Betrieb verwendet wird, so kann
gleichzeitig der folgende Vorteil erhalten werden.
-
Es ist nämlich auch eine Verhinderung einer Schädigung der Leistungstransistoren
der Treiberschaltung 3 zu erwarten.
-
Im Falle des üblichen Zweiphasen-Bipolarbetriebs werden die Erregungssignale
8, 4 als solche an die Treiberschaltung gemäß dem Zeitdiagramm der Fig. 7 angelegt.
Wenn der Eingangsimpuls
#2 2 eintritt, so werden beispielsweise
2 und augenblicklich umgewechselt. Anders ausgedrückt gilt folgendes: Wenn man die
Leistungstransistoren betrachtet, so werden Q2 und Qz eingestaltet, wohingegen Q4
und Q4 ausgeschaltet werden, so daß der I4-Strom auf den I2-Strom ungewechselt wird.
Es besteht jedoch die Gefahr, daß die Transistoren Q2 und Q42 und Q4 und Q2t, die
jeweils in Serie geschaltet sind, leitend werden und so einen Kurzschluß zwischen
der Leistungsquelle und Erde hervorrufen, und zwar während einer kurzen vorübergehenden
Zeitperiode des EIN-AUS-Schaltens, was einen Uberstrom zur Folge hat und die Leistungstransistoren
schädigt. Um diesen Uberstrom zu verhindern, war es üblich, einen Widerstand zwischen
jedem Transistorpaar vorzusehen oder aber eine Verzögerungsschaitung anzuordnen,
um die Einscha-ltzeit in der vorausgehenden Stufe zu verzögern.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau fällt jedoch der Tastimpuls
Gp vor Ankunft des nächsten Eingangsimpulses lp, und es existiert für jede Treibersignalleitung
ein Zustand, in dem überhaupt kein Treibersignal vorhanden ist (d.h. ein Zustand,
in dem kein Treiberstrom durch sämtliche Motorwicklungen 4 fließt). Demgemäß ist
die erfindungsgemäße Schaltung in vollkommener Weise frei von der Möglichkeit des
Auftretens des Uberstroms während des-Ubergangszustands, ohne daß dazu irgendwelche
besonderen Maßnahmen erforderlich wären. Anders ausgedrückt dient der erfindungsgemäße
Schaltungsaufbau auch als eine Überstrom-Verhinderungsschaltung.
-
Im oben erwähnten Ausführungsbeispiel werden die UND-Gatter gemeinsam
und gleichzeitig der Öffnungs-- -und Schließ-Steuerung durch die--Ausgangsgröße
der Impulsbreitensteuerschaltung ausgesetzt. Anders ausgedrückt ist der Schaltungsaufbau
des Ausführungsbeispiels derart ausgelegt, daß die Treiberstrombreite mittels "hardware"
verschmälert oder eingeengt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Treibersignale
mit einer schmalen Breite durch "software" unter Verwendung eines--Steuerprogramms
eines
Mikroprozessors zu erzeugen.
-
Wenn die Breite des Steuerimpulses in ordnungsgnmäßer Weise eingestellt
und entsprechend der Anwendung. und Belastung (Lastart und Lastgröße) erfindungsgemäß
gesteuert ist, so kann die ein Niveau bezüglich eines vorbestimmten erforderlichen
Drehmoments übersteigende Energieeinspeisung abgeschnitten werden, und die mechanische
Schwingung infolge eines nicht verfügbaren Drehmoments kann reduziert werden, und
zwar insbesondere bei einem Schrittmotçr mit einer Trägheitsbelastung, wie beispielsweise
einem auf dem Rotor angepaß"~n Schwungrad, um auf diese Weise die Fluktuation bei
der Drehung zu minimieren. Die Oszillation in der Drehrichtung (Fluktuation der
Rotation) kann ebenfalls minimiert werden durch Steuerung der Treiberstrombreite
entsprechend der Trägheitsgröße des einzubauenden Schwungrads. Die Erfindung macht
es auf diese Weise möglich, in effektiver Weise einen Synchronmotor der Permanentmagnetrotorbauart
in der Weise zu betreiben, daß eine geringere Fluktuation bei der kontinuierlichen
Rotation auftritt, oder aber daß man ausgezeichnete t'Jaule/Flatter-Eigenschaften"
(geringe Gleichlaufschwankungen) erhält.
-
Gemäß der Erfindung kann das Auftreten der Rotoroszillation durch
eine außerordentlich einfache Schaltung erreicht werden. Erfindungsgemäß ist es
möglich, den Energieverlust und auch die Wärmeerzeugung zu minimieren, und es wird
ferner elektrische Leistung eingespart.