DE3302209A1

DE3302209A1 - Stepping motor

Info

Publication number: DE3302209A1
Application number: DE19833302209
Authority: DE
Inventors: Göran Lund Cewers
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-01-24
Filing date: 1983-01-24
Publication date: 1984-07-26

Abstract

In order to switch a stepping motor onwards by one step, said motor is driven for a time duration which is short in comparison with the time duration between the steps by a current in accordance with a function such that the energy supplied to the motor (10, 30) per unit time increases with time. A current pulse sequence where the length of the current pulses increases successively is particularly suitable for this purpose. <IMAGE>

Description

SchrittmotorStepper motor

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor, insbesondere zur Weiterschaltung des Motors um einen Schritt.Derartige Motoren sind beispielsweise aus dem Stepper Motor Handbook (Airpax) oder der DE-A 30 19 997 bekannt.The invention relates to a stepper motor, in particular for indexing of the motor by one step. Such motors are, for example, from the stepper Motor Handbook (Airpax) or DE-A 30 19 997 known.

Unabhängig von der Art des verwendeten Schrittmotors erfolgt die Weiterschaltung stets dadurch, dass an die unterschiedlichen Windungen des Stators ein Stromimpuls gegeben wird. Bei einem kontinuierlich drehenden Motor ist dabei die kleinste mögliche Impulszeit durch die maximale Schrittgeschwindigkeit festgelegt. Ein üblicher Wert dafür ist ca.3 ms.Switching takes place regardless of the type of stepper motor used always by the fact that a current pulse is applied to the different windings of the stator is given. In the case of a continuously rotating motor, this is the smallest possible Pulse time determined by the maximum step speed. A common value this is about 3 ms.

Soll der Schrittmotor hingegen nur um einzelne Schritte oder allgemein langsam weitergeschaltet werden, so sind derart kurze Stromimpulse dazu nicht geeignet. Das beruht auf dem Einschwingverhalten des Rotors für jeden Schritt. Ueblicherweise lässt man die jeweiligen Windungen daher bis zum nächsten Schritt stromführend und ändert dann lediglich die Phasen.Durch die durch den Strom verursachten magnetischen Kräfte wird verhindert, dass der Rotor trotz seiner Bewegungsenergie den Bereich des gewählten Schrittes verlässt. Würde man mit kurzen, hinreichend starken Strom impulsen arbeiten, die den Schrittmotor aus einer Ruhelage sicher einen Schritt weiterschaltet, so würde das Abbrechen des Stromes während der Einschwingphase die magnetischen Kräfte, die den Rotor am Platz zu halten versuchen, erheblich vermindern. Dadurch entstünde das Risiko, dass der Rotor seinen Platz verlässt und einen oder mehrere Schritte in einer beliebigen Richtung macht.On the other hand, should the stepper motor only increase individual steps or in general are switched slowly, such short current pulses are not suitable. This is based on the transient behavior of the rotor for each step. Usually leave the respective windings energized until the next step Then only changes the phases, due to the magnetic effects caused by the current Forces is prevented that the rotor despite its kinetic energy the area of the selected step. One would with short, sufficiently strong electricity pulses work that safely take the stepper motor from a rest position one step continues, the interruption of the current during the transient phase would die Magnetic forces that try to hold the rotor in place, significantly reduce. This creates the risk that the rotor leaves its place and take one or more steps in any direction.

Nach der Einschwingphase könnte der Strom bei stabiler Lage des Rotors abgeschaltet werden. Diese Phase beträgt bei üblichen Schrittmotoren, die in einzelnen Schritten weitergeschalet werden, ca. 60ms. Wie aus der DE-A 30 19 997 dazu bereits bekannt ist, kann anstelle eines einzelnen Impulses mit einer Dauer, die der Einschwingzeit entspricht, auch ein Sammelimpuls mit mehreren aufeinanderfolgenden Impulsen verwendet werden. Die genannte Gefahr des undefinierten Weglaufens des Rotors bei nur einem kurzen Impuls wird auf diese Weise verhindert.After the settling phase, the current could with a stable position of the rotor be switched off. In conventional stepper motors, this phase amounts to in individual Steps can be switched on, approx. 60ms. As from DE-A 30 19 997 on this already is known, can be used instead of a single pulse with a duration equal to the settling time a collective pulse with several consecutive pulses is also used will. The mentioned risk of undefined runaway of the rotor with only one short impulse is prevented this way.

Ein Nachteil der bekannten Betriebsarten zum langsamen Weiterschalten des Schtittmotors ist der hohe Energieverbrauch, der in-sbesondere den netzunabhängigen Betrieb stark einschränkt.A disadvantage of the known operating modes for slow switching of the stepping motor is the high energy consumption, especially the off-grid Operation severely restricted.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem eingangs genannten Schrittmotor den Energiebedarf auf einfache Weise wesentlich zu sen-ker, ohne das einwandfreie und sichere Weiterschalten um definierte Schritte zu verschlechtern.The present invention is therefore based on the object in a Stepper motor mentioned at the beginning significantly reduces the energy requirement in a simple manner to lower without flawlessly and safely advancing through defined steps to deteriorate.

Diese Aufgabe wird erfindungsgess dadurch gelöst, dass an die jeweils zur Weiterschaltung dienenden Statorwicklungen für eine im Verhaltnis zur Zeitdauer zwischen zwei Schritten kurze Zeitdauer ein Strom nach einer derartigen Funktion angelegt wird, dass die dem Motor pro Zeiteinheit zugefü'rte Energie mit der Zeit zunimmt.This object is achieved according to the invention in that to the respective stator windings used for switching for one in relation to the duration a stream after such a function for a short period of time between two steps is applied so that the energy supplied to the motor per unit of time over time increases.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass der Rotor nicht mit Ueberschussenergie aus seiner Ruhelage herausbewegt werden sollte,damit grosse Einschwingamplituden und dass damit verbundene unkontrollierte Weiterschalten am Ende der Stromzufuhr zu den Windungen vermieden werden. Bei dieser energiesparenden Ansteuerung kann unter Umständen die Anfangsenergie so klein sein, dass der Rotor zwar in Bewegung kommt, aber nicht bis in die neue Lage hinüberschwingt. Zu einem späteren Zeitpunkt ist die Energie dann jedoch ausreichend dazu, aber auch nicht wesentlich grösser, so dass der Rotor nur geringe Tendenz zum Oszillieren aufweist.The invention is based on the knowledge that the Rotor should not be moved out of its rest position with excess energy so that large transient amplitudes and the associated uncontrolled switching be avoided at the end of the power supply to the windings. With this energy-saving Under certain circumstances, the initial energy can be so small that the rotor is activated although it starts moving, it does not swing over into the new position. To a Later on, however, the energy is sufficient for this, but also not much larger, so that the rotor has little tendency to oscillate.

Eine vorteilhafte Ansteuerung des Schrittmotors, bei dem ein Impulszug mit mehreren aufeinander folgenden Stromimpulsen zur Weiterschaltung um einen Schritt verwendet wird, sieht vor, dass die Stromimpulse zumindest teilweise unterschiedlich lang sind. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Länge der Stromimpulse sukzessive zunimmt.An advantageous control of the stepper motor, in which a pulse train with several consecutive current pulses to advance by one step is used, provides that the current pulses at least partially different are long. In particular, it is provided that the length of the current pulses is successive increases.

Eine weitere Möglichkeit bestent darin, dass zur Weiterschaltung ein sagezahn- oder treppenförmig anwachsender Stromimpuls verwendet wird.Another possibility is that to forward a Sage-tooth or stair-shaped increasing current pulse is used.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus den im folgenden anhand von 8 Figuren näher beschriebenen und erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt bzw.Further details and advantages result from the following Exemplary embodiments described and explained in more detail with reference to 8 figures. It shows or

zeigen Fig.1 eine mögliche Impulsfolge zum Ansteuern eines Schrittmotors, Fig.2 beispielhaft und schematisch einen unipolaren Schrittmotor, Fig.3 eine Ansteúersequenz für einen Schrittmotor gemäß Fig.2, Fig.4 das Einschwingverhalten dieses Motors bei herkömmlicher Ansteuernung, Fig.5 in einem Vergleich das Einschrwingverhalten bei herkömmlicher und erfindungsgem3sser Ansteuerung, Fig.S in einem weiteren Vergleich das Ansteuern abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen, Fig.7 - eine weitere Ansteuermöglichkeit und Fig.8 die entsprechende Sequenz.Fig. 1 shows a possible pulse sequence for controlling a stepper motor, FIG. 2 shows an example and schematically a unipolar stepper motor, FIG. 3 a control sequence for a stepper motor according to Fig. 2, Fig. 4 the transient response this motor with conventional control, Fig. 5 in a comparison of the transient response with conventional and inventive control, Fig. 5 in a further comparison the control alternately in opposite directions, Fig.7 - another Control option and Fig. 8 the corresponding sequence.

Die Fig.2 zeigt schematisch einen Schrittmotor 10 mit einem Rotor 20 und zwei Paaren von Statorwicklungen 1-4, deren eines Wicklungsende jeweis an eine gemeinsame Anschlussklemme 5 angeschlossen ist und deren andere Wicklungsenden über Schalter S1-S4 mit Masse verbunden sind. Durch entsprechendes Durchsteuern bestimmter Schalter kann der Schrittmotor in bekannter Weise weitergeschaltet erden.2 shows schematically a stepping motor 10 with a rotor 20 and two pairs of stator windings 1-4, one winding end of which is on a common connection terminal 5 is connected and its other winding ends are connected to ground via switches S1-S4. By steering accordingly the stepper motor can be switched further in a known manner using certain switches.

Fig.3 zeigt dazu den zeitlichen Stromverlauf durch die Wicklungen 1-4 für eine normale 4 Schritt-Sequenz.Für den ersten Schritt fliesst durch die Wicklungen 2 und 4 Strom, für den zweiten Schritt durch die Wicklungen 1 und 4 usw. Wie man dieser Darstellung entnehmen kann, liegt der Strom bei dieser bekannten Ansteuerung die gesamte Zeit bis zu einem neuen Schritt an den Wicklungen an.3 shows the current course over time through the windings 1-4 for a normal 4 step sequence. For the first step flows through the Windings 2 and 4 current, for the second step through windings 1 and 4 etc. As can be seen from this illustration, the current is in this known one Control the entire time up to a new step on the windings.

In der folgenden Fig.4 ist in einem Diagramm der zeitliche Verlauf des Schrittwinkels für drei Schritte dargestellt. Dabei ist der Schrittmotor in einem zeitlichen Abstand von ca. 240 ms zwei Schritte weitergeschaltet worden.Wie diese Figur deutlich zeigt,haben Schrittmotoren mit einer derartigen Ansteuerung eine erhebli- che Einschwingphase von in diesem Beispiel ca. 50 ms und einer grossen, nahezu der Hälfte der Schrittweite entsprechenden Amplitude. Dadurch, dass auch während der Pausen zwischen den Schritten Strom durch die Windungen fliesst, ist der Energieverbrauch dieses Schritt motors unbefriedigend hoch.In the following FIG. 4, the course over time is shown in a diagram the step angle for three steps. The stepper motor is in a time interval of approx. 240 ms has been switched two steps further This figure clearly shows, have stepper motors with such a control a considerable The settling phase in this example is approx. 50 ms and a large amplitude, which corresponds to almost half the step size. This means that electricity flows through the windings even during the breaks between steps flows, the energy consumption of this step motor is unsatisfactorily high.

In der Fig.1 ist nun die erfindungsgemässe Ansteuerung in einem Diagramm dargestellt, in dem z.B. der Strom I durch die Wicklung 3 gemäss Fig.? über der Zeit aufgetragen ist. Anstelle den Strom die ganze Zeit zwischen zwei Schritten durch die Wicklungen - hier die Wicklung 3 - fliessen zu lassen, wird nunmehr ein Impulszug mit im Beispiel 4 Impulsen mit steigender Impulsbreite an die Wicklung gelegt. Die Breite des gsamten Impulszuges ist dabei bereits kleiner als der zeitliche Abstand zwischen zwei Schritten. Entscheidender für den Energie gewinn ist aber, dass die Zeitspanne, in der die Wicklung stromführend ist, auf einen Bruchteil der ansonsten aufgewendeten Zeit schrumpft. Im vorl legenden Beispiel beträgt diese zusammengefasste Zeit 7 ms im Vergleich zu ca. 60 ms, die bei konventioneller Weiterschaltung mindestens nötig sind, um ein unkontrolliertes Weglaufen zu verhindern. Trotz dieser kurzen Zeit wird der Motor sicher einen Schritt weitergeschaltet, ohne nennenswert überzuschwingen.Bereits bei dem ersten kurzen Impuls beginnt sich der Rotor zu bewegen. Wegen der geringen übertragenen Bewegungsenergie ist die Tendenz zum Oszillieren sehr klein. Es ist möglich, dass der Rotor bei dem ersten Impuls noch noht in die neue Stellung übergeht. Der folgende Impuls ist aber bereits etwas langer und es folgen noch wetter und noch längere Impulse und wenn der letzte Impuls vorbei ist, hat der Rotor mit Sicherheit seine neue Lage ohne grossen Einschwingvorgang eingenommen.The control according to the invention is now shown in a diagram in FIG shown, in which, for example, the current I through the winding 3 according to Fig.? above the Time is plotted. Instead of the current all the time between two steps to let flow through the windings - here the winding 3 - is now a Pulse train with in the example 4 pulses with increasing pulse width to the winding placed. The width of the entire pulse train is already smaller than the temporal one Distance between two steps. But more decisive for the energy gain is that the time span in which the winding is live is a fraction of the otherwise time expended is shrinking. In the example below, this is Total time 7 ms compared to approx. 60 ms with conventional forwarding are at least necessary to prevent uncontrolled running away. Despite this for a short time the motor is safely switched one step further without noticeable The rotor begins to move as soon as the first short pulse occurs. Because of the low kinetic energy transferred, there is a tendency to oscillate tiny. It is possible that the rotor is still not moving with the first pulse new position passes. The following impulse is already a bit longer and it wetter and longer impulses follow and when the last impulse is over, the rotor has definitely assumed its new position without a large transient process.

Durch diesen Impulszug mit Impulsen unterschiedlicher Dauer sucht sich der Rotor zum Weiterschreiten in die neue Stellung quasi immer den Impuls mit der gerade ausreichenden Energie neraus.Searches through this train of impulses with impulses of different duration the rotor almost always takes the impulse with it to move on to the new position of just enough energy.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Impulse im Impulszug u.U. auch anders aussehen können.It should be noted at this point that the pulses in the pulse train may look different.

So ist es auch möglich, dass zwei Impulse die gleiche Dauer haben oder dass zwischen Impulsen mit anwachsender Impulsdauer hin und wieder ein kurzer Impuls eingeschoben ist. Weiterhin soll die Ansteuerung nicht auf unipolare, hier nur beispielhaft herangezogene Schrittmotoren oder auf die aufgezeigten Sequenzen beschränkt sein.It is also possible for two impulses to have the same duration or that between impulses with increasing impulse duration a short one every now and then Impulse is inserted. Furthermore, the control should not be unipolar, here Stepper motors used only as examples or the sequences shown be limited.

Fig.5 zeigt in einem vergleichenden Diagramm den zeitlichen Verlauf des Schrittwinkels während eines Schrittes sowohl mit der bekannten (untere Kurve) als auch mit der erfindungsgemässen Ansteuerung mit dem Impulszug (obere Kurve). Dieses Diagramm wurde durch Versuche mit dem gleichen mm tor bei unterschiedlicher Ansteuerung erhalten. Die gesamte stroniführence Zeit bei Verwendung des Ipmulszuges betrug wieder 7ms. Der Uebergang des Rotors von der einen Lage in die andere erfolgt hierbei praktisch ohne Einschwingphase.5 shows the course over time in a comparative diagram the step angle during a step both with the known (lower curve) as well as with the control according to the invention with the pulse train (upper curve). This diagram was made through tests with the same mm tor at different Control received. The entire stroniführence time when using the pulse train was again 7ms. The transition of the rotor from one position to the other takes place practically without a settling phase.

Noch deutlicher werden die Vorteile der e;findungsgemessen Ansteuerung durch das in Fig.6 dargestellt Diagramm, in dem über der Zeit die Reaktion des Schrittmotors auf eine alternierende Ansteuerung in wechselnden Richtungen gezeigt ist. Die Kurve im oberen Teil der Fig. gilt wieder für die Ansteuerung mit einen Impulszug, bei den die stromfi*ihrene Zeit 7ms beträgt, die Kurve im unteren Teil der Fig. gilt für eine kon- ventionelle Ansteuerung, bei der jedoch der Strom nach jeweils ebenfalls 7ms unterbrochen wurde. Energiemässig liegen die gleichen Verhältnisse vor, doch wie sich zeigt, ist durch die Ansteuerung mit einem einzigen kräftigen Impuls keine eindeutige Weiterschaltung in der einen oder anderen Richtung zu erzielen. Die üoerschüssige Bewegungsenergie führt zu einem unkontrollierbaren Weglaufen des Rotors.The advantages of the inventive control become even clearer by the diagram shown in Fig. 6, in which the reaction of the stepper motor over time to an alternating control in alternating directions is shown. The curve In the upper part of the figure applies again to the control with a pulse train, at the current-flowing time is 7 ms, the curve in the lower part of the figure applies for a con- conventional control, but with the current was also interrupted after each 7ms. In terms of energy they are the same Relationships before, but as it turns out, is through the control with a single strong impulse no clear switching in one direction or the other to achieve. The üoerschüssige kinetic energy leads to an uncontrollable Running away of the rotor.

In Fig.7 ist eine weiter Möglichkeit zur sicheren und energiesparenden Ansteuerung dargestellt. Schematisch ist wieder ein Schrittmotor 30 gezeigt, dessen Wicklungen auf einen Seite geerdet und auf der anderen über eine Schalteinheit 40 an einen Spannungsgeber 50 angeschlossen sind. Als Spannungsgeber 50 dient ein Rampengenerator, der beispielsweise einen sägezahnförmigen Strom durch die angeschlossenen Wicklungen treibt. Der Rampengenerator kann seine maximale Spannung z.B. nach 10-20ms erreichen. Daran kann sich unter Umständen auch noch ein kurzes Plateau von beispielsweise 1-5 ms anschliessen. Ueber ein Logigglied 60 wird sowohl der Spannungsgeber 50 als auch das Schaltglied 40 entsprechend der gewünschten Sequenz betätigt.In Fig.7 is another possibility for safe and energy-saving Control shown. A stepper motor 30 is again shown schematically, its Windings grounded on one side and via a switching unit 40 on the other are connected to a voltage transmitter 50. A ramp generator serves as voltage generator 50, for example, a sawtooth-shaped current through the connected windings drives. The ramp generator can reach its maximum voltage e.g. after 10-20ms. A short plateau of for example Connect 1-5 ms. Via a logic element 60, both the voltage generator 50 and the switching element 40 is also actuated in accordance with the desired sequence.

Entsprechend der Fig.3 zeigt die letzte Flug.8 wieder eine normale 4 Schritt-Sequenz mit den durch die Wicklungen des Schrittmotors 30 fliessenden Strömen.According to FIG. 3, the last flight 8 shows a normal one again 4 step sequence with those flowing through the windings of the stepper motor 30 Stream.

4 Patentansprüche 8 Figuren4 claims 8 figures

Claims

Claims 1. Pacemaker, especially for relaying of the motor by one step, that is to say, that to the each used for switching stator windings (1-4) for one in the ratio at the time between two steps, a current after such a short time period Function is applied that the energy supplied to the motor (10,30) per unit of time increases over time.

2. Stepper motor according to claim 1, wherein a pulse train with several consecutive current pulses are used to advance by one step it will be shown that the current pulses at least are sometimes of different lengths.

3. Stepper motor according to claim 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c N e t that the length of the current pulses increases successively.

4. Stepping motor according to claim 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c H n e t that for further switching an s =>; increasing in the form of a tooth or a stair step Current pulse is used.