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Titel der Erfindung
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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.
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Die Erfindung kann auch zur Ansteuerung von Zweiphasen-Elektronikmotoren
Verwendung finden.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Für die Ansteuerung
von SchriL bmotorwicklunyen mit Stromquellen sind bereits eine Reihe von Lösungen
entwickelt worden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Phasenströme werden mit Hilfe der Meßwiderstände RM1 und RM2 gesteuert
und über den Operationsverstärker OPV mjt der üblichen Beschaltung vorzeichenrichtig
ausgewertet.
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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.
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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.
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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.
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Das Tastverhältnis des Spannungssteuersignals US ist in diesem Fall
eine Funktion der Differenz zwischen dem Strom-Istwertsignal und dem Stromsollwertsignal.
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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.
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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.
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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
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L e e r s e i t e -