DE3704765A1 - Drehmomentsteuerung fuer schrittmotore - Google Patents

Description

Titel der Erfindung

Drehmomentsteuerung für Schrittmotore

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Steuerung des Motormomentes von Schrittmotoren und dient der optimalen Gestaltung des dynamischen Verhaltens und der Energiebilanz von Schrittmotoren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannte Schrittantriebe schalten die Motorwicklungen gechoppert oder ungechoppert an eine konstante Gleichspannungsquelle. Das Motormoment nimmt nach dem Ansteigen des Wicklungsstromes einen konstanten Wert an. Die Chopperung, d. h. die impulsmäßige Zuschaltung einer Gleichspannungsquelle mit erhöhter Spannung sichert eine höhere Stromanstiegsgeschwindigkeit in den Wicklungen, wobei nach dem Stromanstieg ebenfalls ein im Mittelwert konstanter Motorstrom und damit konstantes Motormoment eingestellt wird. Eine Verringerung von Rotorschwingungen und der Leistungsaufnahme von Schrittantrieben kann durch teilweise Verringerung des Motormomentes innerhalb der Schrittausführungszeit erreicht werden. Die Steuerung des Motormomentes innerhalb der Schrittausführungszeit zwischen Null und dem Maximalmoment mit frei steuerbarem Zeitverlauf ist mit den bisher bekannten Anordnungen nicht möglich.

Anordnungen zur Erhöhung des Haltemomentes von Schrittmotoren werden in der DE-OS 32 08 636 mittels Parallelwiderständen zu den Treiberstufen von Unipolar-Schrittmotoren und in der DE-OS 34 39 925 mittels Umschaltung der Treiberstufen an eine verringerte Betriebsspannung angegeben. Diese Anordnungen erlauben nur den Betrieb des Schrittmotors mit zwei fest vorgegebenen Momenten, dem maximalen Drehmoment und einem reduzierten Haltemoment. Nachteilig sind weiterhin das Auftreten von zusätzlichen elektrischen Verlusten und die Notwendigkeit zusätzlicher Betriebsspannungsquellen. Eine Anordnung zur Erzeugung eines treppen- oder sägezahnförmig zunehmenden Motorstromimpulses wird in der DE-OS 33 02 209 beschrieben. Es wird eine spezielle und fest eingestellte Ansteuerimpulsform für den Einzelschrittbetrieb von Schrittmotoren angegeben.

Diese Anordnung ist nur anwendbar zur Verringerung des Einschwingens beim Einzelschrittbetrieb von Schrittmotoren.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Größe des Motormoments von Schrittmotoren innerhalb der Ansteuerungszeit zur Ausführung eines Schrittes frei zu steuern. Dabei soll ein optimales dynamisches Verhalten und eine optimale Energiebilanz des Schrittmotors erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, den Verlauf des Motormomentes eines Schrittmotors während der Schrittausführung frei zu steuern, wobei der Momentenverlauf von Schritt zu Schritt beliebig zwischen einem Maximalwert und Null geändert werden kann. Bekannterweise besteht eine Schrittmotorsteuerung aus Treiberstufen, denen von einem Schrittimpulsgenerator mit nachfolgendem Impulsverteiler Schrittimpulse zugeführt werden und die den Schrittmotor antreiben. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen dem Impulsverteiler 2 und den Treiberstufen 4 Gatter 3 angeordnet sind, deren Eingänge mit dem Ausgang eines gesteuerten Tastimpulsgenerators 6 und dem Ausgang des Schrittimpulsgenerators 1 verbunden sind. Über das Tastverhältnis der Impulse des gesteuerten Tastimpulsgenerators 6 wird in Abhängigkeit von der anliegenden Steuerspannung die Größe des Motormomentes bestimmt. Die Steuerung des Tastverhältnisses der Impulse des gesteuerten Tastimpulsgenerators 6 bestimmt damit den Verlauf des Motormomentes über der Zeit t.

Das maximale Motormoment kann bei Speisung der Motorwicklung mit konstanter Gleichspannung, d. h. bei ungechopperten Betrieb oder bei Speisung der Motorwicklungen mit Chopperimpulsen erzeugt werden.

Im ersten Fall bewirkt die Tastung einer der Chopperung vergleichbare Impulsspeisung der Motorwicklungen mit dem Unterschied, daß Wicklungsstrom und Motormoment von 0 bis 100% steuerbar sind.

Im zweiten Fall, dem Chopperbetrieb, wird die freie Steuerung des Verlaufs des Motormomentes durch Schmälerung der Breite der Chopperimpulse realisiert.

Die Steuerung des Motormomentenverlaufs über die Tastimpulse des gesteuerten Tastimpulsgenerators 6 kann sowohl in Abhängigkeit von der Zeit t, wie auch weitere Größen erfolgen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit Schrittimpulsgenerator und nachfolgendem Impulsverteiler,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung mit Mikrorechner anstelle des Schrittimpulsgenerators mit nachfolgendem Impulsverteiler,

Fig. 3 a bis d Impulsdiagramme für den zeitlichen Verlauf der Spannungs- und Stromimpulsfolgen an den Wicklungen eines Schrittmotors.

In Fig. 1 ist bekannterweise einem Schrittimpulsgenerator 1 ein Impulsverteiler 2 nachgeschaltet, der bei bekannten Schrittantrieben direkt mit Treiberstufen 4 verbunden ist, wobei den Treiberstufen 4 der Schrittmotor 5 nachgeordnet ist. Erfindungsgemäß sind zwischen Impulsverteiler 2 und Treiberstufen 4 Gatter 3 angeordnet, deren Eingänge mit dem Ausgang des Schrittimpulsgenerators 1 und dem Ausgang eines gesteuerten Tastimpulsgenerators 6 verbunden sind.

In Fig. 2 sind vorteilhafterweise der Schrittimpulsgenerator 1 und der Impulsverteiler 2 durch einen Mikrorechner 8 ersetzt, so daß der Mikrorechner 8 unmittelbar an die Gatter 3 die Schrittimpulse für den Schrittmotor 5 abgibt und einen Tastimpulsgenerator 7 ansteuert, welcher die Tastimpulse zur freien Steuerung des Motormomentes erzeugt und mit einem Eingang der Gatter 3 verbunden ist. Der Tastimpulsgenerator 7 in Fig. 2 besitzt somit die gleiche Funktion wie der gesteuerte Tastimpulsgenerator 6 in Fig. 1.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 wird nachfolgend anhand der Impulsdiagramme in Fig. 3 a bis d erläutert.

Fig. 3 a zeigt den Spannungsimpulsablauf an der ersten Motorwicklung,

Fig. 3 b den Stromimpulsverlauf an der ersten Motorwicklung,

Fig. 3 c den Spannungsimpulsverlauf an der zweiten Motorwicklung und

Fig. 3 d den Stromimpulsverlauf an der zweiten Motorwicklung

jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t. Der zeitabhängige Verlauf der dargestellten Impulsdiagramme in Fig. 3 a bis 3 d entspricht der zeitabhängigen Steuerung des Tastimpulsgenerators 6 bzw. 7, woraus sich ein entsprechender zeitabhängiger Motormomentenverlauf des Schrittmotors 5 ergibt. Es wären aber auch Steuerungen des Tastimpulsgenerators 6 bzw. 7 in Abhängigkeit anderer Größen denkbar, z. B. in Abhängigkeit von der Größe einer durch den Schrittmotor 5 bewegten Last. Die in Fig. 3 a bis 3 d dargestellten Impulsdiagramme zeigen den Spannungs- bzw. Stromimpulsverlauf an den beiden Motorwicklungen des Schrittmotors 5 für einen reduzierten Motorstrom 11, den maximalen Motorstrom 12 und für kontinuierlich abnehmenden Motorstrom 15. Die Größe des jeweiligen Motormomentes ergibt sich bekannterweise aus der Größe des Motorstroms I.

Dabei beginnt jeder Schritt zum Zeitpunkt 10 zunächst mit reduziertem Motorstrom 11 und nach einer vorher festgelegten Zeit wird auf den maximalen Motorstrom 12 zum Zeitpunkt 9 umgeschaltet und so der Schritt vollendet. Es sind jedoch beliebige Verläufe des Motormomentes zwischen den Zeitpunkten 10 durch entsprechende Ansteuerung des Tastimpulsgenerators 6 bzw. 7 realisierbar. Ein kontinuierlich abnehmender Motorstrom 15 realisiert z. B. ein kontinuierlich abnehmendes Motormoment, was sich aus einer Spannungsimpulsfolge 14 mit abnehmendem Tastverhältnis der Impulse des Tastimpulsgenerators 6 bzw. 7 ergibt. Ebenso ist mit zunehmendem Tastverhältnis der Impulse des Tastimpulsgenerators 6 bzw. 7 ein kontinuierlich zunehmendes Motormoment realisierbar.

Die Spannungsimpulsfolge 13 ergibt entsprechend dem Tastverhältnis der Impulse des Tastimpulsgenerators 6 bzw. 7 ein reduziertes Motormoment.

Die Steuerung des Tastverhältnisses der Impulse des Tastimpulsgenerators 7 erfolgt vorteilhafterweise mittels Mikrorechner 8. Ist ein Mikrorechner 8 nicht verfügbar, ist die Steuerung des Tastimpulsgenerators 6 auf andere Art und Weise, z. B. mittels Programmablaufsteuerung zu realisieren.

• Aufstellung über die verwendeten Bezugszeichen  1 Schrittimpulsgenerator
   2 Impulsverteiler
   3 Gatter
   4 Treiberstufen
   5 Schrittmotor
   6 Tastimpulsgenerator
   7 Tastimpulsgenerator
   8 Mikrorechner
   9 Zeitpunkt
  10 Zeitpunkt
  11 reduzierter Motorstrom
  12 maximaler Motorstrom
  13 Spannungsimpulsfolge
  14 Spannungsimpulsfolge
  15 abnehmender Motorstrom
  I Motorstrom
  t Zeit

Claims (2)

1. Anordnung zur Steuerung des Motormomentes von Schrittmotoren derart, daß im Zeitabschnitt vom Einschalten zur Ausführung eines Schrittes bis zum Umschalten auf den folgenden Schritt der zeitliche Verlauf des Motormomentes zwischen Null und einem Maximalwert frei steuerbar ist, wobei die von einem Schrittimpulsgenerator mit nachfolgendem Impulsverteiler erzeugten Schrittimpulse auf Treiberstufen, denen der Schrittmotor nachgeschaltet ist, gegeben werden, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Impulsverteiler (2) und den Treiberstufen (4) Gatter (3) angeordnet sind und daß der Ausgang eines gesteuerten Tastimpulsgenerators (6) und der Ausgang des Schrittimpulsgenerators (1) mit Eingängen der Gatter (3) verbunden sind.

2. Anordnung zur Steuerung des Motormomentes von Schrittmotoren nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Mikrorechner (8) anstelle des Schrittimpulsgenerators (1) mit nachfolgendem Impulsverteiler (2) vorhanden ist, daß die Mikrorechnerausgänge mit Eingängen der Gatter (3) und Eingängen eines Tastimpulsgenerators (7) verbunden sind und der Ausgang des Tastimpulsgenerators (7) mit einem Eingang der Gatter (3) verbunden ist.