DE3305306A1

DE3305306A1 - Anordnung zur steuerung eines elektrischen schrittmotors

Info

Publication number: DE3305306A1
Application number: DE3305306A
Authority: DE
Inventors: Claude Oudet; geb. Agenes Danielle 25000 Besançon Regnier
Original assignee: Portescap SA
Current assignee: Portescap SA
Priority date: 1982-02-16
Filing date: 1983-02-16
Publication date: 1983-09-01
Also published as: US4516064A; JPS58207899A; GB2119185A; CH647129GA3; GB2119185B; GB8304031D0; FR2521799B1; FR2521799A1

Description

Anordnung zur Steuerung eines elektrischen Schrittmotors

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung eines elektrischen Zwei- oder Mehrphasenmotors für Schrittbetrieb .gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist aus der deutschen Patentanmeldung P30 34 413 bekannt. Sie hat insbesondere zum Ziel, einen Schrittmotor der eingangs/genannten Art , insbesondere einen Uhrenmotor mit Hilfe von Antriebsimpulsen beschränkter Dauer zu betreiben, nämlich mit Antriebsimpulsen deren Dauer im allgemeinen kürzer ist, als die bei gleicher Amplitude notwendige Höchstdauer, welche ein einwandfreies Arbeiten des Motors im ungünstigsten Fall gewährleistet, d.h. bei grösstmöglichen Abweichungen der magnetischen, mechanischen und elektrischen Kennwerte der Motoren einer Serie. Die bekannte Anordnung erlaubt insofern eine gewisse Einsparung an elektrischer Energie und eine entsprechende Verlängerung der Lebensdauer der zur Speisung des Motors verwendeten' Batterien.

Es stellt sich jedoch heraus, dass die mit der erwähnten bekannten Anordnung erreichbare Energieeinsparung nicht das' Optimum erreicht und dass die Herstellungstoleranzen ziemlich eng sein müssen, um ein einwandfreies Arbeiten des Motors zu gewährleisten. ·

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerungsanordnung zu schaffen, die einerseits ein Höchstmass an Energieeinsparung beim Antrieb des Motors und andererseits eine Erweiterung der Toleranzgrenzen bei der Motorherstellung ermöglicht, unter gleichzeitiger Erhöhung der

-: sr-

Zuverlässigkeit des Motors im Schrittbetrieb.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Anordnung gelöst, welche die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale aufweist. Weitere Merkmale der erfindungsgemässen Anordnung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 beschrieben.

Die erfindungsgemasse Lösung erlaubt es, einen Schrittmotor der eingang^genannten Art mit einem Minimum an elektrischer Antriebsenergie zu betreiben und dabei sicherzustellen, dass bei jedem Antriebsimpuls tatsächlich ein Schritt und nur ein einziger Schritt erfolgt. Ferner v/erden relativ grosse Abweichungen in den magnetischen, mechanischen und elektrischen Kennwerten der Motoren zulässig,ohne das sichere Arbeiten dieser Motoren zu beeinträchtigen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigen :·

Figur 1 eine Draufsicht auf einen Motor mit permanentmagnetischem Läufer wie er im Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Anordnung verwendet werden kann,

Figur 2 einen Schnitt durch den Motor nach Figur 1 entlang der gebrochenen Linie II-II,

Figur 3 die Abhängigkeit der Magnetflüsse und der in einem idealen Motor entsprechend Figur 1 und 2 bei Zweiphasen Betrieb auftretenden Drehmoment-Anteile_/ von der Winkelstellung des Läufers,

Figur 4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Anordnung,

die Figuren 5 bis 7 detaillierte Schaltbilder von Teilen der Anordnung nach Figur 4, .'

Figur 8 ein Blockschema eines anderen Teiles der Anordnung nach Figur 4, und

Figur 9 ein Schema des Funktionsablaufes der Anordnung nach Figur 4. . ' ■

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Motor- weist einen scheibenförmigen Läufer 1 auf, der in Axialrichtung magnetisiert ist, derart, dass auf jeder seiner Oberflächen abwechselnd positive und negative magnetische Pole auftreten. Die strichpunktiert voneinander abgegrenzten und jeweils mit N und S bezeichneten Teile stellen die Pole dar, welche- auf der Oberseite des multipolaren Läufermagneten auftreten. Im vorliegenden Beispiel sind dies N = 10 Polpaare. "Figur 1 zeigt ferner zwei getrennte Standermagnetkreise 2 und 3, welche jeweils ein U-förmiges Teil 4, 5 aus magnetisch hoch_permeablem Material aufweisen, wobei die freien Enden der U-förmigen Teile die Polstücke des entsprechenden magnetischen Kreises darstellen. Wicklungen 6,. 7 sind auf je einem Arm jedes U-förmigen Teils angeordnet und elektrisch mit einer in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellten " . Steuerungsanordnung verbunden.

Die Läuferwelle 8 und die Standermagnetkreise sind auf einer Trägerplatte 9 befestigt, wobei die»U-förmigen Teile in entsprechende Nuten der Trägerplatte eingreifen und durch ein ringförmiges Befestigungsteil 10, das in einem Stück mit der Trägerplatte 9 hergestellt ist, festgehalten v/erden.

Die Standermagnetkreise sind dabei radial angeordnet und zwar derart, dass die Läuferpole den Luftspalt zwischen den jeweiligen Polstücken jedes Kreises durchlaufen. Der Winkelabstand zwischen den radialen Symmetrieebenen dieser Magnetkreise·beträgt oc = 117 und der entsprechende elektrische Winkel NeL = 1170° = 3 χ 360° + 90°.

Die erfindungsgemässe Anordnung dient zur Steuerung eines Schrittmotors wie er beispielsweise anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, und zwar entsprechend-einem bekannten Zweiphasen-Betrieb, wonach Antriebsimpuls"e abwechselnd den Wicklungen der den beiden Phasen zugeordneten Magnetkreise zugeführt werden. Die beiden Phasen werden nachstehend als Phase 1 und Phase 2 bezeichnet und die entsprechenden Wicklungen mit b.. und b anstelle der Bezugsziffern 6 und 7 in Figur 1. Im allgemeinen Fall können b, und b jeweils auch durch mehrere Wicklungen gebildet werden, die einer entsprechenden oder kleineren Anzahl von .Ständermagnetkreisen entsprechen.

Figur 3 zeigt in Abhängigkeit vom Drehwinkel oC des Läufers .die Flussänderungen und die Drehmoment-Anteile entsprechend den beiden Phasen 1 und 2 des hier als ideal betrachteten Motors. Die Ausgangs-Ruhestellung des Läufers wurde mit Q^₀ bezeichnet und entspricht einem Extremwert des durch einen Strom in der Phase 1 erzeugten Drehmoments. Dieses Drehmoment, welches beim Durchgang eines Stromes i durch die η Windungen aufweisende Wicklung b,, also durch ni Amperewindungen erzeugt wird, wird mit Cni, bezeichnet. Der Läufer dreht sich unter Einwirkung dieses Drehmoments und kommt in einem Punkt C^_n +ΤΓ/2Ν zur Ruhe, welcher ein durch das Haltemoment des Motors bestimmter Punkt stabilen

.8·

Gleichgewichts ist. Dieses in Figur 3 mit C bezeichnete Haltemoment ist rein magnetischen Ursprungs und wirkt auf den Läufer ohne Vorhandensein eines elektrischen Stromes. Dieses Haltemoment besitzt die vierfache Frequenz der Frequenz des vom Strom erzeugten Drehmoments. Der magnetische Fluss, der durch die Lauferbewegung ' im Kern der.·Wicklung b„ während des beschriebenen ""ersten Schrittes induziert wird, folgt der Kurve J ₂ von Figur 3. Es wird hier angenommen, dass der Antriebsstrom i. konstant ist und bis zu demjenigen Zeitpunkt aufrechterhalten wird, in dem der Läufer durch die Gleichgewichtsstellung o(^ _ +ΤΓ/2Ν geht."

Zur Ausführung eines neuerlichen Schrittes wird in ähnlicher Weise die Wicklung b_ gespeist, während die Wicklung b, in dem entsprechenden Zeitabschnitt nicht gespeist wird. Beaufschlagt man demnach die Wicklung b₂ mit ni₂ Amperewindungen, so wirkt auf den Läufer ein stromabhängiges Drehmoment Cni ein und er bewegt sich neuerlich um einen WinkelTrV2N weiter bis er in der folgenden Gleichgewichtsstellung entsprechend dem Drehwinkel OC _ + T»/N zu Stillstand kommt. Während der Läüfer.bewegung wird irt der Wicklung b. ein magnetischer Fluss

5' induziert,
al - -. . _ '

Um den folgenden Schritt durchzuführen, wird die Wicklung b₁ nunmehr mit einem Strom -i beaufschlagt, d.h. mit einem Strom entgegengesetzter Richtung im Vergleich zu demjenigen, der in der .Stellung ÖL _ zugeführt wurde. Dies" erzeugt ein stromabhängiges Drehmoment das mit C-ni bezeichnet wird, wobei die Wicklung b_ in dem entsprechenden Zeitabschnitt nicht gespeist wird.

Um schliesslich den vierten Schritt dieses Zyklus auszuführen, wird die Wicklung b_ mit einem Strom -i_ beauf-

schlagt und ein Drehmoment C-ni„ erzeugt. Für die weiteren Schritte wiederholt sich der Funktionsablauf in analoger Weise zu dem beschriebenen Zyklus, wobei der Motor im Punkt Od + 2ΤΓ/Ν in gleicher Weise wie in <χ gespeist wird und sich die Vorgänge mit der Periode 2ΤΓ/Ν wiederholen.

Die eben beschriebene grundsätzliche Betriebsweise des Zweiphasen-Schrittmotors wird durch die Verwendung der erfindungsgemässen Anordnung im Hinblick auf die folgenden Betrachtungen abgeändert. Es ist.bekannt, dass es nicht notwendig ist, den Antriebsstrom v/ährend der gesamten Dauer der Läuferbewegung aufrechtzuerhalten, da dieser die nächste stabile Gleichgewichtsstellung auch mit Hilfe eines kürzeren Strömimpulses erreicht und zwar aufgrund seiner kinetischen Energie und des Vorhandenseins des Drehmoments C ., welches in der Richtung des Fortschreitend des Läufers in der zweiten Hälfte des einem Schritt entsprechenden Drehwinkels wirkt. Es wurde daher vorgeschlagen, den Antriebsimpuls zu unterbrechen, sobald der Läufer eine bestimmte Stellung, wie zum Beispiel den Punkt A der Figur 3 erreicht hat. Man benützt dazu die in der nicht gespeisten Wicklung induzierte Spannung, wobei der magnetische Fluss beispielsweise entsprechend 1[ ~ entsteht, und man unterbricht den Antriebsstrom sobald man feststellt, dass die induzierte Spannung einen bestimmten, der vorgegebenen Stellung entsprechenden Bezugswert erreicht. ;

Es zeigt sich jedoch, dass die in grossen Serien hergestellten Motoren ziemlich starke Schwankungen ihrer Kennwerte aufweisen, was sich insbesondere durch eine Ungenauigkeit der stabilen Gleichgewichtslagen und eine Verzerrung des Verlaufes des Haltedrehmoments im Vergleich zu dem Idealfall

Copy I

einer sinusförmigen Abhängigkeit entsprechend Figur 3 auswirkt. Eine Verschiebung der Ruhelage des Läufers und demnach des Ausgangspunktes für die Integration des induzierten Signals beeinflusst jedoch sehr stark den Zeitpunkt der Stromunterbrechung. Ferner bedeutet eine Schwankung der magnetischen, mechanischen und elektrischen Kennwerte von einem Motor- zum anderen, dass ein relativ grosser Sicherheitsfaktor in die Impulsdauer eingerechnet· werden muss, um sicherzustellen, dass auch im ungünstigsten Fall ein Läuferschritt ausgeführt wird. Die.s beschränkt naturgemäss die mögliche Energieeinsparung. Schliesslich sind die derart gesteuerten Motoren auch dafür anfällig, einen doppelten Schritt auszuführen, dann nämlich,wenn die dem Läufer erteilte Geschwindigkeit gross genug ist, um ihn über die gewünschte Gleichgewichtslage derart hinauszubewegen, dass er die darauffolgende Gleichgewichtslage erreicht, anstatt eine gedämpfte Bewegung zu der vorhergehenden Gleichgewichtslage auszuführen.

Um die Funktionssicherheit der Motoren zu verbessern, könnten diese nach entsprechend strengen Massstäben im Hinblick auf ihre Kennwerte sortiert werden, was jedoch den Gestehungspreis pro Motor sehr stark erhöhen würde.. Theoretisch käme auch ein individuelles Einstellen jeder Steuerungsanordnung in Frage, was selbstverständlich bei einer Grossserien-Herstellung nicht durchführbar ist.

Die nachstehend beschriebene Anordnung beruht auf einer praktisch vollständigen Nachregelung des Motorantriebs unter Berücksichtigung der Stellung und der Geschwindigkeit des Läufers zu verschiedenen Zeitpunkten seiner Bewegung.

. ΊΊ·

Figur 4 zeigt das Blockschema eines Ausführungsbeispiels einer solchen Steuerungsanordnung.

Die mit b. und b. bezeichneten Wicklungen stellen eine oder mehrere Wicklungen dar, die jeweils verschiedenen Phasen des Motors zugeordnet sind und demnach mit getrennten magnetischen Kreisen gekoppelt sind. Im Fall des hier als Beispiel beschriebenen Zweiphasen-Motors werden die den beiden Phasen 1 und 2 zugeordneten Wicklungen mit Hilfe einer Schaltvorrichtung CC entweder an eine elektrische Energiequelle V oder an eine Auswertevorrichtung CD angeschlossen. Dieser Anschluss wird im folgenden mit + bezeichnet, wenn er einem Speisestrom in einer ersten Richtung oder einer induzierten Spannung einer ersten Richtung entspricht, er wird dagegen mit - bezeichnet, wenn er einem Stromfluss oder einer induzierten Spannung in der entgegengesetzen Richtung entspricht. Ferner stellen die Wicklungen b.^ und b. je nach dem Zustand innerhalb des Steuerzyklus die Wicklung der Phase 1 oder die Wicklung der Phase 2 dar, so dass i und j die Werte ±1 und ±2 annehmen können. Daraus ergibt sich für den Anschluss der Wicklungen in den vier Zuständen 1, 2, 3, 4 eines Steuerungszyklus folgendes Bild :

Zustand ^^"-\^^	b.	b.
1	_b+	_b
2	^b ₊2	^b-l
3	^b-l	^b-2
4	b „	b
	-2

• /fa-

Gemäss dem Blockschaltbild von Figur 4 liefert die Schaltvorrichtung CC ein Ausgangssignal e, welches die in der einen oder anderen Wicklung induzierte Spannung darstellt, und der Auswertevorrichtung CD zugeführt wird. Diese liefert ihrerseits logische Signale c , c , c an einen logischen Steuerkreis CLw CL , CL .

Ein Taktimpulsgeber G erzeugt Taktimpulse Sy. mit einer

Dauer von t_n . , beispielsweise t . = 2,44msec, und lmin ^r lmin

mit einer Periode T, beispielsweise T=I see. Diese Taktsignale gelangen einerseits an den logischen Steuerkreis und andererseits an den Impulsgenerator PG. Dieser letztere erzeugt programmierte Steuerimpulse S₁, S , S_, S₄, die eine programmierte Impulsfolge bilden, wobei die Impulse S , S_, S , S. jeweils die Dauer'T haben.und in der genannten Reihenfolge jeweils von der Vorderflanke eines entsprechenden Impulses Sy₁ ausgelöst.werden.

Der Impulsgenerator PG kann durch eine integrierte Schaltung vom Typ SANYO PMM 8713 gebildet werden, wobei die Anschlüsse 10 bis 13 die Impulse S₁ bis S. liefern: Die Impulse Sy. werden an die Eingangsklefnme 3 dieser Schaltung angelegt. Die Klemme 4 ist mit einem Umschalter DR verbunden, welcher durch Anlegen entweder eines Potentials V., ■zum Beispiel V₁ = 5 V oder durch Anlegen des Massepotentials, d.h. 0 V an den entsprechenden Eingang von PG die Drehrichtung des Motors bestimmt. Je nach der Stellung des Umschalters DR werden nämlich die Impulse Sw S , S , S in dieser Reihenfolge, die einem Drehsinn entspricht, oder in der umgekehrten Reihenfolge S , S , S , S , die dem entgegen gesetzten Drehsinn entspricht, erzeugt. Die Steuerimpulse S₁ bis S. werden dem logischen Steuerkreis CL., CL», CL zugeführt. Dieser liefert an seinen Ausgängen

Schalt-Steuersignale D,, nämlich D bis D , D bis D und D,_n bis Df die der Schaltvorrichtung CD zugeführt werden. Der logische Steuerkreis liefert ferner Auswerte-Steuersignale nämlich rs und Q- + Q₁ an die Aüswertevorrichtung.

Die Figuren 5 bis 8 zeigen im einzelnen die Ausführung der Anordnung nach Figur 4. In Figur 5 sind die Motorwicklungen b+.-! ' k₊2 ^{sowie die} Schaltvorrichtung CC und die Auswertevorrichtung CD dargestellt. Jede Wicklung kann in üblicher Weise in der einen oder der anderen Richtung an die Klemmen der elektrischen Energiequelle V angeschlossen werden, und zwar über entsprechende MOS-Transistoren M, bis M und M bis M . Die Spannung der elektrischen Quelle V, deren eine Klemme hier an Masse liegt, beträgt beispielsweise 1,5 V. Die Wicklungen können mit Hilfe der genannten MOS-Transistoren auch kurzgeschlossen werden. Der Leitungszustand der Transistoren wird durch die Schalt-Steuersignale D bis. D und D bis D bestimmt, welche der logische Steuerkreis liefert.

Vier zusätzliche Schalter vom Typ "analog switch" sind mit AS. bis AS₁- bezeichnet und werden von entsprechenden Schalt-Steuersignalen D bis D gesteuert. Dies erlaubt es, die eine oder die andere Wicklung in der einen oder der anderen Richtung an den Eingang der Auswertevorrichtung CD anzuschliessen. Man erhält somit an diesem Eingang ein Signal e welches der in der entsprechenden Wicklung induzierten elektromotorischen Kraft entspricht.

Die Auswertevorrichtung CD weist einen Integrierkreis I auf, der wie in Figur 5 gezeigt aus einem Operationenverstärker OP und einem zwischen die negative Eingangsklemme und die Ausgangsklemme desselben geschalteten Kondensator von 0,0G^iF besteht. Der Integrator kann mit Hilfe einer Reset-

Vorrichtung RS, die vorzugsweise aus einem Schalter vom Typ "analog switch" AS^ besteht, auf Null zurückgestellt werden. Dieser Schalter wird von einem der Auswertevorrichtung CD zugeführten Auswerte-Steuersignai rs ausgelöst. Wenn das Signal e an den Eingang des Integrierkreises I angelegt wird, liefert dieser ein Ausgangssignal e^, welches an die Eingänge der beiden Komparatorkreise C und C, angelegt wird. Diese Komparatorkreise weisen jeweils einen Operationenverstärker OP-. bzw. OP auf, an deren · zweiten Eingängen jeweils Bezugsspannungen U bzw. U angelegt sind. Am Ausgang der Komparatorkreise C und 'C er-· scheinen entsprechende logische Signale c„ und c .

Das Eingangssignal e gelangt ferner an einen ersten Eingang. eines Operationenverstärkers OP., der ein Inhibitionsorgan darstellt. Die gewünschten Inhibitionsintervalle werden durch ein Auswerte-Steuersignai Q,. + Q₁ bestimmt, mit dem

DJ..

der zweite Eingang des Verstärkers OP. beaufschlagt wird. Ausserhalb dieser Inhibitionsintervalle erscheint ein Signal e am Ausgang von OP. und wird einem Eingang eines Komparatorkreises C₁ zugeführt. Der Komparator C wird· durch einen Operationenverstärker OP gebildet ,.· an dessen zweitem Eingang eine Bezugsspannung U anliegt. Am Ausgang von C erscheint ein entsprechendes logisches Signal c .

Figur 6 zeigt einen ersten Teil CL, des logischen Steuerkreises. Das Signal c wird der Klemme 13 eines monostabilen Multivibratorkreises MS₁₁ zugeführt. Dieser Multivibrator wird durch einen Teil einer integrierten Schaltung HEF 4 528 BP des französischen Herstellers RADIO TECHNIQUE COMPELEC und einen an die Klemmen 14, 15 desselben angeschlossenen äusseren RC-Kreis gebildet. MS . bestimmt ein Zeitintervall t

von ungefähr 12 msec. Das Potential V wird an die Klemme ■der genannten integrierten Schaltung angelegt, während den Klemmen 12 und 13 jeweils die Signale Sy, und c zugeführt werden. Ein Ausgangssignal Q₁ erscheint an der Klemme 10 dieses Kreises.

Ein anderer Teil der selben integrierten Schaltung bildet einen monostabilen Multivibrator MS ,der in Figur 7 gezeigt ist,und in analoger Weise dienen die Teile von drei weiteren integrierten Schaltungen HEF 4528 BP zur Bildung von entsprechenden monostabilen Multivibratoren MS ^und MS₂₂, MS-, und MS- sowie MS. , wobei die beiden letzten Multivibratoren im Schaltbild von Figur 7 sichtbar sind. Die Multivibratoren MS ₂, MS₃₁, MS₃₃, MS₃₁, MS₃₂ und MS₄₁ bestimmen jeweils entsprechende Zeitintervalle t„ = 0,49 msec,

t. = 0,12 msec, t_c, t. . = 1,46' msec, t- und t_r = 0,61 msec, υ b 4mm / · 6

Es ist zu bemerken, dass die monostabilen Multivibratoren MS₁ und MS praktisch im wesentlichen als bistabile Kippschaltungen arbeiten, da die Rückstellsignale c und J im allgemeinen vor Ablauf des Zeitintervalls t_ an den entsprechenden Eingangsklemmen 13 und 3 auftreten.

Aus den Figuren 6 und 7 gehen die Anschlüsse der verschiedenen monostabilen Multivibratoren sowie der verwendeten logischen Schaltelemente hervor, nämlich der OR-Gatter OU,, OU₂, OU und OU., der AND-Gatter ET₁, ET₃, ET₃ und ET₄ sowie der Inverter J , J , J , J und J . Die Figur 7 zeigt dabei als Ganzes einen zweiten Teil CL des logischen Steuerkreises. Der Teil CL, dieses Steuerkreises weist ferner einen Impulsgeber G„ auf, der vom Signal J ausgelöst wird und jeweils einen Impuls der Dauer t~ von etwa t = 2,93 msec abgibt.

Figur 8 zeigt schematisch den dritten Teil des logischen Steuerkreises/ nämlich den Schaltblock CL , dessen Eingangsklemmen einerseits die Signale S bis S₄ und andererseits die Signale Q,, Q_n, Q,, Q_c, K und Sy_ zugeführt werden, welche an den entsprechenden Ausgängen der Teile CL- und CL„ auftreten. Der Schaltblock CL ist so ausgebildet, dass er an seinen Ausgängen die folgenden Steuersignale abgibt, welche den nachstehend angegebenen logischen Gleichungen gehorchen :

D₁	^{= Sy}2	• ^si	^SY-, s, η	HQ₂ κ	» JaO _
^D2	= ^S4 ⁺	Q₁ S +
^D3	^{= Sy}2	• ^S3	Sy₂ S₁ η	^Q₂,	Y KS₃
^D4	= ^S2 ⁺	Q₁ S. + 1 4

^D6 ^{= Sy}2 * ^S2

D₇ = S₁ + Q₁ S₃ + Sy₂ S_{4 +} Q_{3 +} K

^D8 ⁼

^D10 = ^S3 ^Ql ^{+ Ü}i ^S4

^Dll = ^S2 ^Ql ⁺ Q₁ ^S3

^D12 = ^S4 ^Ql ⁺ Ql ^Sl

^D13 =_^S1 ^Ql ^{+ Q}l ^S2
^Q6 ^{+ Q}l

KS₄

Das Steuersignal rs zum auf Null Stellen des Integrierkreises I wird an einem Ausgang des dem Schaltbild von Figur 6 erhalten^

kreises I wird an einem Ausgang des Teils CL entsprechend

Es ist zu bemerken, dass die Schaltbilder der Figuren 5 bis 8 ein Ausführungsbeispiel darstellen, in dem die Kreise teilweise in diskreter Form, verwirklicht sind,

copy ■

während für die Grossserien Fertigung vorzugsweise praktisch vollständig integrierte Schaltungsanordnungen verwendet werden.

Die Funktionsweise der Steuerungsanordnung entsprechend den Figuren 4 bis 8 lässt sich anhand des in Figur 9 dargestellten Funktionsablaufes erläutern. Figur 9 stellt dabei den zeitlichen Ablauf innerhalb eines Zeitintervalls T dar, der einem Schritt des Motors entspricht.

Zum Anfangszeitpunkt t = 0 sei beispielsweise i = 4-1 und j = +2, wobei jedoch zu bemerken ist, dass der darge-'stellte Funktionsablauf ganz allgemein auch für Anfangszeitpünkte,die bei einem Vielfachen der Periode T liegen, und für die entsprechenden Zustände 1 bis 4 des Steuerzyklus gültig ist.

Zum Zeitpunkt t = 0 ist der Läufer in der Ausgangsstellung

o^- von Figur 3 in Ruhe. Der Integrierkreis I und der Komparatorkreis C, sind an die Wicklung b„ angeschlossen.? der Schalter RS ist offen, so dass der Integrierkreis funktionsbereit ist. In diesem Zustand wird die Wicklung b.. durch einen Antriebsimpuls gespeist und zwar während einer

Dauer t_n , die gleich der minimalen Dauer t.. . ist, welche 1 _ lmm

im Fall eines normalen Motors das. Ausführen eines Schrittes erlauben sollte. Während dieser Dauer vergleicht der Komparatorkreis' C₁ den Absolutwert ejr !^i' ^m^^t ^^em Absolutwert von ^ül' l^Ull ' ^wel^cner einen Geschwindigkeits-Bezugswert darstellt. Wenn dieser Wert nicht erreicht wird, wird der Antriebsimpuls t.. so lange verlängert, bis der Absolutwert von e gleich dem Absolutwert von U wird, d.h. bis die

COPY ]

vom Läufer erreichte Geschwindigkeit genügend gross ist, um den begonnenen Schritt vollständig auszuführen. Wenn die obige Bedingung nicht innerhalb der Höchstdauer tj. erfüllt ist, so handelt es sich um einen defekten Motor.

Am Ende der Geschwindigkeitskontrolle wird die Wicklung b, während t kurzgeschlossen, um ein Abfliessen der in der Wicklung gespeicherten Selbstinduktivitäts-Energie zu erlauben. Wird in diesem Stadium die Grenzzeit t,. erreicht, so wird die Wicklung b_ ebenfalls kurzgeschlossen und der Komparatorkreis C bis zum Zeitpunkt t = T inhibiert, wobei der Integrierkreis I abgetrennt und mit Hilfe des Reset-Schalters RS auf Null zurückgestellt wird. Ein neuer Versuch zum Zeitpunkt t = T ist in einem solchen Fall wahrscheinlich ebenfalls erfolglos und der Motor ist nicht funktionsfähig.

Im Normalfall ist t in diesem Stadium noch wesentlich kleiner als t und C, wird daher lediglich während eines Zeitintervalls t, inhibiert, welches grosser ist als t„ _f

ο λ

um zu vermeiden, dass die zu diesem Zeitpunkt stark von der Eigeninduktivität und von der gegenseitigen Induktivität der Wicklungen beeinflusste Induktionsspannung eine Fehlinformation über die Läufergeschwindigkeit liefert.

Nach dem Kurzschliessen während der Dauer t wird die. Wicklung b.. abgetrennt. Sobald der Komparatorkreis C₁ nach Ablauf von t,. neuerlich funktionsbereit ist, wird

ο ·

durch ihn kontrolliert, ob die Läufergeschwindigkeit noch immer grosser als die dem Bezugswert U, entsprechende Geschwindigkeit ist. Der Komparatorkreis C , v/elcher mit

der Ausgangsspannung des Integrierkreises e beaufschlagt wird, vergleicht diese mit einem Stellungs-Bezugswert U,. Dieser Wert ist dann erreicht, wenn der Läufer die Lage unstabilen Gleichgewichts ⁰^₀ ⁺ ^V4N deutlich überschritten hat und zum Beispiel den Punkt A gemäss Figur 3 erreicht hat.

Wenn der Absolutwert von e„ , grosser bleibt als der Absolutwert von U. und zwar bis zum Zeitpunkt in dem der Absolutwert von e., den Absolutwert von U erreicht, so ist die Funktionsweise völlig normal und das Ausgangssignal c des Komparatorkreises C löst eirJKurzschliessen der. Wicklung b aus, wodurch die Läuferbewegung gedämpft wird. Das Signal c löst ferner das Rückstellen auf Null des Integrierkreises aus und zwar während der gerade notwendigen Zeitdauer t_, sowie ferner das Anschliessen des Integrierkreises an die Wicklung b, und das neuerliche öffnen des Schalters der Reset-Vorrichtung RS. Der Komparatorkreis C₁ bleibt inhibiert bis zum Ende des laufenden Abschnitts, d.h. bis t = T. Dahingegen wird nun der Komparatorkreis C dazu benützt, das Integral der in der Wicklung b. induzierten elektromotorischen Kraft auszuwerten, um die Stellung des Läufers am Ende des Schrittes zu kontrollieren. Man verwendet in diesem Stadium die Wicklung b, da der Fluss £ in der stabilen Gleichgewichtsstellung ¹^_n ⁺ "^/2N maximal ist, während der Fluss ^ in dieser Stellung einen Nulldurchgang aufweist _t wie Figur 3 zeigt.

Wenn der Laufer_yanstelle sich in der Umgebung der Stellung Cs^ + TC/2N mit einer gedämpften Bewegung in die Gleichgewichtslage zu bewegen, bis in eine Stellung B der Figur weiter dreht, d.h. bis ^ + 3 «74N, so besteht die Gefahr, dass er einen weiteren Schritt ausführt, also insgesamt

einen Doppelschritt statt eines Einzelschritts. Dies kann sogar bei relativ geringer Läufergeschwindigkeit geschehen, beispielsweise im Fall eines relativ kleinen Haltedrehmoments in der Umgebung der folgenden Gleichgewichtsstellung ei + T/N. Es ist daher notwendig die Stellung und nicht die Geschwindigkeit des Läufers zu kontrollieren.

Wenn {e } grosser wird als der Stellungs-Bezugswert jU_j , bevor die Nachregelsteuerung zu Ende gegangen ist, d.h. solange t kleiner ist als t,.» wird der Integrierkreis von der Wicklung b. abgetrennt und auf Null.zurückgestellt, und wird die Wicklung b₁ während eines Zeitintervalls t_ gespeist. Der Speisestrom fliesst in der gleichen Richtung wie der Speisestrom, welcher zum Antrieb diente, doch bewirkt er jetzt ein Bremsen des Läufers. Wie Figur 3 zeigt, ist das Drehmoment Cni. nämlich nach der Gleichgewichtsstellung οι - + 7Γ/2Ν negativ und stellt daher .ein Bremsmoment dar. Der Läufer kommt dadurch in der gewünschten Stellung <$L + "ΐϊ"/2Ν zur Ruhe, die Steuerung ist beendet und die Anordnung bleibt in Ruhe bis zum Beginn eines neuen Abschnitts am Ende der Periode T.

Sollte nach einem ersten Antriebs impuls der Dauer t.. die Läufergeschwindigkeit kleiner geworden sein als die dem Bezugswert J U.!entsprechende Geschwindigkeit, d.h.Je |<|u bevor die Stellung A erreicht wurde, in der | e J = j Uj, so wird die Wicklung b.. mit einem neuen Antriebsimpuls gespeist, dessen minimak Dauer t. . beträgt. Wenn sich diese Dauer als unzureichend erweist, d.h. wenn |e_| kleiner . bleibt als j U.j , so wird die Dauer t. des Antriebsimpulses verlängert bis der Komparatorkreis C₃ den Durchgang durch

. AA-

die Stellung A meldet. Am Ende dieses Antriebsimpulses wird die Wicklung b, während t kurzgeschlossen wie am Ende des ersten Antriebsimpulses und die Kontrolle der Endstellung erfolgt wie im Normalfall, wobei gegebenenfalls wieder ein Bremsimpuls ausgelöst wird. Die Steuerung endet in jedem Fall im Zeitpunkt t = t^ und setzt wieder ein,sobald ein neuer Taktimpuls auftritt.

Die erfindungsgemässe Anordnung, die hier im Zusammenhäng mit der Steuerung eines Zweiphasen-Motors beschrieben wurde, kann in ähnlicher Weise bei einem Mehrphasen.-Motor Anwendung finden, unter der Voraussetzung, dass mindestens eine der Phasen nicht gleichzeitig mit den anderen gespeist wird, damit die Wicklungen dieser Phase als Sensorwicklungen für die von der Läuferbewegung induzierte elektromotorische Kraft dienen können.

Leerseite

Claims

Haft · Berngruber · Czybulka.:.^:-^{: :} »"·· *··* '··' Patentanwälte

1 0940

Anordnung zur Steuerung eines elektrischen Schrittmotors

PORTESCAP, La Chaux-de-Fonds, Schweiz

■ " Patentansprüche

(L) Anordnung zur Steuerung eines elektrischen Zwei- oder . 'Mehrphasenmotors für Schrittbetrieb, wobei der Motor einen permanentmagnetischen Läufer und mindestens zwei •getrennte Ständermagnetkreise aufweist, die jeweils mit mindestens einer Wicklung (b., b.) versehen sind, und wobei die Anordnung zur Steuerung des Motors eine elektrische Energiequelle (V) enthält, die über eine Schaltvorrichtung (CC) an die Wicklungen jedes der getrennten Ständermagnetkreise anschliessbar ist um diesen Wicklungen Stromimpulse zuzuführen, sowie ferner einen von einem Taktimpulsgeber (G,) gesteuerten Impulsgenerator (PG), der programmierte Steuerimpulse (S₁ bis S) liefert, die mindestens einer programmierten Impulsfolge angehören, eine Auswertevorrichtung (CD), die mit mindestens einem Eingang über die Schaltvorrichtung an die Wicklungen jedes der getrennten Ständermagnetkreise anschliessbar ist und die mindestens einen mit einer Reset-Vorrichtung Intedie mindestens einen mit einer Reset-Vorrichtung (RS) versehenen Integrierkreis (I), mindestens einen ersten Kompara-

COPY

torkreis (C,) um zumindest zeitweise das Ausgangssignal (e.,) des Integrierkreises mit einem ersten Stellungs-Bezugswert (U₃) _t zu vergleichen, sowie einen logischen Steuerkreis (CL,, ' CL₀r CL_) aufweist, der mit seinen Eingängen an den Taktimpulsgeber, an den Impulsgenerator und an die Ausgänge der Auswertevorrichtung angeschlossen ist', wobei, der logische Steuerkreis'über seine Ausgänge Schalt-Steuersignale (D₁ bis D., O_c bis D) an die Eingänge der Schaltvorrichtung, sowie Auswerte-Steuersignale (rs,

Q,+Q,) an die Auswertevorrichtung liefert, dadurch gekenn^- 6 1 '

zeichnet, dass die Auswertevorrichtung mindestens einen zweiten. Komparatorkreis (C, ) aufweist, um zumindest zeitweise, ein von den genannten Wicklungen stammendes Geschwindigkeitssignal (e~) mit einem Geschwindigkeits-Bezugswert (U,) zu vergleichen, und dass der logische Steuerkreis so ausgebildet ist, dass er die Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Komparatorkreise derart steuert, dass der Motor zu bestimmten Zeitpunkten mit Antriebsimpulsen bestimmter Dauer gespeist wird, die eine gewünschte Arbeitsweise des Motors gewährleisten.
2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung einen dritten Komparatorkreis (C„) aufweist, um zumindest zeitweise das Ausgangssignal (eO des Integrierkreises mit einem zweiten Stellungs-Bezugswert (U₂) zu vergleichen, wobei der logische Steuerkreis so ausgebildet ist, dass er die Schaltvorrichtung derart steuert, dass der Motor, im Bedarfsfall, zu bestimmten Zeitpunkten mit Bremsimpulsen beaufschlagt wird.

Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet,, dass der logische Steuerkreis mehrere Vorrichtungen zur Bestimmung von Zeitintervallen t_, t_o, t_,t. . , t_, t-

υ 2 J 4min D 6

aufweist, wobei die Taktimpulse eine Dauer t. . und eine Periode T besitzen und die folgenden Beziehungen zwischen den genannten Zeitintervallen bestehen t_n + t. . + t. + t_o + t - + 2t- < t_ < T

0 lmin 2 3 4mm 6 5 ^

und t₂ <t₆,

und dass die Anordnung gesamthaft entsprechend dem zeitlichen Funktionsablauf nach Figur 9 ausgebildet ist, wobei t die Zeit, b. und b. die jeweils den beiden Phasen zugeordneten Wicklungen, I den Integrierkreis mit der Reset-Vorrichtung RS, C. den zweiten Komparatorkreis, e das genannte Geschwindigkeitssignal, e das Ausgangssignal des Integrierkreises und U,, U₀, U-. jeweils die genannten Bezugswerte des zweiten, des dritten und des ersten Komparatorkreises, nämlich den Geschwindigkeists-Bezugswert sowie den zweiten und den ersten Stellungs-Bezugswert bezeichnen.