DE3525220A1 - Treiberschaltung fuer einen zweiphasen-permanentmagnet-schrittmotor - Google Patents

Treiberschaltung fuer einen zweiphasen-permanentmagnet-schrittmotor

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DE3525220A1
DE3525220A1 DE19853525220 DE3525220A DE3525220A1 DE 3525220 A1 DE3525220 A1 DE 3525220A1 DE 19853525220 DE19853525220 DE 19853525220 DE 3525220 A DE3525220 A DE 3525220A DE 3525220 A1 DE3525220 A1 DE 3525220A1
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phase
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push
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DE19853525220
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Manfred Dr.-Ing. DDR 5060 Erfurt Kuchenbecker
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Robotron VEB
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Robotron VEB
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00Arrangements for controlling dynamo-electric motors of the kind having motors rotating step by step
    • H02P8/12Control or stabilisation of current
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00Arrangements for controlling dynamo-electric motors of the kind having motors rotating step by step
    • H02P8/32Reducing overshoot or oscillation, e.g. damping

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)

Description

  • Titel der Erfindung
  • Trei berschalt ung für einen Zweiphasen- Permanentmagnet-Schrittmotor Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für einen Zwei p nas en- Permanentmagnet-Schrit tmotor vorzugsweise für den Betrieb des Motors mit einem Positionsgeber in einem geschlossenen Regelkreis, der sowohl die Kommutierung der Spulenströme übernimmt sowie auch die Positions- und Geschwindigkeitsinformation für den Regelkreis liefert.
  • Die Erfindung kann auch zur Ansteuerung von Zweiphasen-Elektronikmotoren Verwendung finden.
  • Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Für die Ansteuerung von SchriL bmotorwicklunyen mit Stromquellen sind bereits eine Reihe von Lösungen entwickelt worden.
  • Bekannt ist auch die Ansteuerung von Schrittmotoren mit yechopperten Stromquellen, die beispielsweise in der Firmenschrift Power-li near actuators" SGS Ates, auf den Seiten 50 - 57, 80 - 90 und 207 - 222 beschrieben wird, siehe dazu auch Fig. 1. Nachteilig ist bei den bekannten Lösungen jedoch, daß die Wicklungen durch für jede Wicklung separate Treiberschaltungen angesteuert werden, wodurch eine Ausnutzung der Rotations-EMK zur Schwingungsdämpfung des Systems verhindert wird.
  • Weiterhin ist eine Treiberschaltung für einen Vierphasen-Schrittmotor bekannt, bei der die vier Wicklungen des Motors in einer Kreuzkonfiguration so angeordnet sind, daß je eine von zwei Wicklungen durch elektronische Schalter mit dem negativen Pol und je eine der beiden anderen Wicklungen mit dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden werden kann, wie beispielsweise in der EP-PS 00 48 405 veröffentlich wurde, siehe dazu Figur 2.
  • Auf diese beschriebene Weise sind in jedem Betriebszustand des Motors zwei Wictclungell in Reihe geschaltet. Bei Verwendung einer Spannungssteuerung ermöglicht die Reihenschaltung eine gute Dämpfung des Systems, was jedoch nicht Gegenstand der schon genannten EP-PS 00 48 405 ist.
  • Die Forderung nach einer Umkehrbarkeit der Ströme ist bei dieser Lösung nur unzureichend erfüllt, weil nur der Betrag des Stromes steuerbar ist, die Umkehr muß durch Vertauschen der Zuordnung der Kommutierungssignale zu den Wicklungen bewirkt werden.
  • Durch die voneinander getrennte Steuerung von Betrag und Richtung der Wicklungsströme ist aber ein Versatz zwischen Stromnul 1 durc hgang und R ic ht ungsumschalt ung infolge von unvermeidlichen Bauelementetoleranzen gegeben, der im geschlossenen Regelkreis zu Instabilität im Bereich der Zielfunktion oder zu einer toten Zone führt, siehe dazu Figuren 3, 4 und 5.
  • Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, eine Treiberschaltung für einen Zweiphasen- Permanentm agnet-Schrit tmotor zu entwickeln, die bei vergleichbarem Aufwand, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Lösungen, eine Steuerung der Spulenströme mit hoher Dynamik ermöglicht. Anstelle der Verstellung der Spulenströme soll auch die Steuerung der Spannungen über den Spulen gewährleistet werden.
  • Darlegung des Wesens der Erfindung Die technische Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Treiberschaltung für einen Iveiphasen- Permanentmagnet-Schrittmotor, mit der eine Steuerung des Stromes in den durch einen elektronischen Kommutator eingeschalteten Wicklungen, abhängig von einem Strom- oder Spannungssteuersignal, ,: kontinuierlich zwischen einem positiven und einem negativen Maximalwert möglich und gleichzeitig auch eine Spannungssteuerung mit einer für die Regelkreisdimensionierung günstigen Eigendämpfung des Motors realisierbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Zzveiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotor durch einen mit der Motorwelle verbundenen Positionsgeber in einem geschlossenen Regelkreis so gekoppelt ist, daß der Positionsgeber die Kommutierung der Spulenströme übernimmt sowie die Positions- und Geschwindigkeitsinformation für den Regelkreis liefert.
  • Durch die Verwendung eines Motors mit mittenangezapften Wicklungen für beide Phasen Ph 1 und Ph 2 wird eine Steuerung des Stromes in den durch den elektronischen Kommutator eingeschalteten Wicklungshälften abhängig vom Spannungs steuersignal US mit hoher Dynamik möglich, wobei die Mittenanzapfungen direkt oder über einen zusätzlichen Widerstand R mit elnander und die Wicklungsenden mit vier durch die Kommutierungssignale K1, K1 und K2, K2 auswählbaren Gegentaktschaltungen T1, T2, T3 und T4 verbunden sind und die jeweils zwei ausgewählten Gegentaktschaltungen durch ein im Tastverhältnis veränderbares Spannungssteuersignal US so angesteuert werden, daß das Spannungssteuersignal US die Polarität der an den ausgewählten Phasenwicklungsenden anliegenden Spannung bestimmt. Stellgröße j.m Regelkreis ist dabei der Strom in den durch die Kommutierungsschaltung ausgewählten Spulen, mit dem eine porportionale Verstellung des Drehmomentes erreicht wird.
  • Eine Verstellung der Spannung über den Spulen anstelle der Veränderung des Spulenstromes bewirkt die Ausnutzung der Rotations-EMK des Motors zur Schwingungsdämpfung des Systems (ähnlich der Spannungsstellung bei Gleichstrommotoren), da sich bei der erfindungsgemäßen Lösung die Rotations-EtiK bei der eingeschalteter Wicklungshälften in ihrer Wirkung zu einer resultierenden geschwindigkeitsabhängigen Spannung addiert, de nur eine geringe Welligkeit aufweist.
  • Ausführungsbeispiel Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für die Ansteuerung eines Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotors wird nachstehend anhand der vorteilhaften Ausführungsform einer entsprechenden Treiberschaltung riiit Hilfe von Schaltbild und Diagrammen beschrieben.
  • Die Zeichnungen 1 bis 7 stellen dar: Fig. 1 Schaltungsaufbau nach der r Firmenschrift "Power-linear actuatorsZ SGS Ates S. 50 ff, 80 ff und 207 ff für ei ne Phase, bei Zweiphasen-Permenentmagnet-Schrittinotoren gilt die gleiche Schaltung für die zweite Phase Fig. 2 Schaltungsanordnung nach der EP-PS 00 48 405 Fig. 3 Zielfunktion I (US) bei kontinuierlicher Stromstellung Fig. 4 Stromstellung I (Us) nach Betrag und Richtung Fig. 5 in den Wicklungen wirksamer Strom (US) bei Strom-Stellung nach Betrag und Richtung Fig. 6 erfindungsgemäß zu realisierende Treiberschaltung für einen Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotor Fig. 7 grafische Darstellung des Spannungssteuersignals US (t) Figur 6 gibt den Gesamtüberblick über die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Dabei gilt die Voraussetzung, daß ein Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotor wit den Phasenviicklungen Ph 1 und Ph 2 verwendet wird. Die Phasen Ph 1 und Ph 2 sind über i.1ittenanzapfungen direkt oder über einen zusätzlichen Widerstand R, mit dem die gewünschte elektrische Zeitkonstante des Motors eingestellt werden kann, verbunden. Die vier Wicklungshälften der beiden Phasenwicklungen Ph 1 und Ph 2 sind mit den Ausgängen der Gegentaktschaltungen T1, T2,- T3 und T4 gekoppelt, die jeweils aus zwei Transistoren TR 1 un TR 2 bestehen und die über je zwei UND-Glieder, deren Eingänge mit den Kommutierungssignalen K1, K1 und K26 K2 und dem Spannungssteuersignal US sowie dessen Negation belegt werden, direkt ansteuerbar sind.
  • Die Phasenströme werden mit Hilfe der Meßwiderstände RM1 und RM2 gesteuert und über den Operationsverstärker OPV mjt der üblichen Beschaltung vorzeichenrichtig ausgewertet.
  • Durch die Kommutierungssignale K1, K1 und K2, K2 werden jeweils zwei der vier Phasenwicklungshälften ausgewählt. Die Stromrichtung in diesen Wicklungen wird durch das Spannungssteuersignal US in der Weise bestimmt, daß je nach dem logischen Zustand des Spannungssteuersignals von den durch die Kommutj.brungssignale bestimmten Gegentaktschaltungen für die Phase 1 der obere Transistor und für die Phase 2 der untere Transistor leitend wird und unigekehrt.
  • Wird das Spannungssteuersignal mit hinreichend hoher Schaltfrequenz, vorzugsweise mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereiches, umgeschaltet, so ist durch die Größe des Tastverhältnisses eine kontinuierliche Veränderung der Phasenspannungen und damit auch der Phasenströme ohne Unstetigkeiten in der Umgebung des Spannungs- bzw. Strom-Nullpunktes möglich, siehe dazu Figur 3.
  • Beispielsweise bedeutet das Tastverhältnis tE = 1 positiven Maximalwert des Phasenstromes, T tE = 0 negativen Maximalwert des Phasenstromes und T t = 0,5 Phasenstrom gleich Null T Zur Steuerung des Phasenstromes kann mit Hilfe der Meßwiderstände RM1 und RM2 sowie des Operationsverstärkers ein vorzeichenrichtiger Strom-Istwert UI gewonnen werden.
  • Das Tastverhältnis des Spannungssteuersignals US ist in diesem Fall eine Funktion der Differenz zwischen dem Strom-Istwertsignal und dem Stromsollwertsignal.
  • Mit dem zwischen die Mittelpunkte der Phasenwicklungen Ph 1 und Ph 2 geschalteten Widerstand R kann bei Spannungssteuerung die elektrische Zeitkonstante des Motors verändert und damit das gewünschte Dämpfungsverhalten eingestellt werden.
  • Bei Anwendung der unterlagerten Stromregelung kann durch Vorgabe eines spannungsabhängigen Stromsollwertes ein gleicher Effekt erzielt werden, was der Vorgabe eines definieten Innen,viderstandes der Treiberschaltung entspricht, wobei in diesem Fall die in dem Widerstand R auftretende Verlustleistung entfällt.
  • Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen K1, K1, K2, K2 Kommutierungssignale T1, T2, T3, T4 Gegentaktschaltungen TR1, TRz Transistoren einer Gegentaktschaltung Ph 1 Phasenwicklung 1 Ph 2 Phasenwicklung 2 R Widerstand RM1, RM2 Meßwiderstände US Steuerspannung UB Betriebs span nullg U1 Stromistwertsignal OPV Operationsverstärker - L e e r s e i t e -

Claims (4)

  1. Erfindungsansprüche 1. Treiberschaltung für einen Zweiphasen-Per;,lanentmagnel;-Schrittmotor mit elektronischer Kommutierung durch einen mit der Motorwelle verbundenen Positionsgeber und Gegentaktschaltungen für die Ansteuerung der Motorwicklungen gekennzeichnet durch die Verwendung eines Motors mit mittenangezapften Wicklungen für beide Phasen Ph 1 und Ph 2, wobei die Mittenanzapfungen miteinander und die vier Wicklungsenden mit. vier durch die Kommutierungssignale K16 K1, K2 K2 auswählbaren Gegentaktschaltungen T1, T2y T3 und T4 verbunden sind und die jeweils zwei ausgewählten Gegentaktschaltungen durch ein im Tas tverhältn is veränderbares Spannungssteuersignal U8 so angesteuert werden, daß das Spannungssteuersignal die Polarität der an den ausgewählten Wicklungen anliegenden Spannung bestimmt.
  2. 2. Treiberschaltung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Meßwiderständen RM1 und RM2 und weitere an sich bekannte eldotronische Mittel das Tastverhältnis des Spannungssteuersignals US in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Stromsoll- und -istwert gebildet wird.
  3. 3. Treiberschaltung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Mittenanzapfungen der beiden Phasenwicklungen Ph 1 und Ph 2 ein zusätzlicher Widerstand R geschaltet wird.
  4. 4. Treiberschaltung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsollwertsignal in Abhängigkeit von der an der Reihenschaltung der Wicklungen anliegenden Spannung gebildet wird.
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