DE3713148A1

DE3713148A1 - Mikroschrittschalt-antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE3713148A1
Application number: DE19873713148
Authority: DE
Inventors: David J Dipl Ing Ettelman; John C Dipl Ing Floresta
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Priority date: 1986-04-17
Filing date: 1987-04-14
Publication date: 1987-10-29
Also published as: GB8708228D0; GB2189358B; US4703243A; EP0242673A2; EP0242673A3; GB2189358A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikroschrittschalt-Antriebseinrichtung mit verringertem Oberwellengehalt zur Erzielung exakter Mikro-Schaltschritte, bestehend aus einem Schrittschaltmotor und dessen Stromversorgungs- Steuerteil.

Übliche Schrittschalt-Antriebseinrichtungen bestehen aus einem Zweiphasen-Synchron-Schrittschaltmotor und einem Phasenschalt-Stromversorgungsteil. Die vollen Grundschaltschritte des Schrittschaltmotors werden erzielt, indem beispielsweise zunächst der Phase A des Motors ein positives Signal zugeführt wird, um nach deren Abschalten ein positives Signal der Phase B zuzuführen, worauf nach deren Abschalten zunächst Phase A und anschließend Phase B mit einem negativen Signal beaufschlagt werden, und diese Schaltfolge bis zum Erreichen der gewünschten Anzahl von Schritten wiederholt wird. Bei jedem Phasenwechsel wird die Motorwelle um einen vollen Schaltschritt schrittweise weiterbewegt. Der Läufer des Motors wird vorzugsweise mit einer Vielzahl von Polen ausgestattet, um so zu erreichen, daß jeder Drehung um 360° eine große Anzahl von Grundschaltschritten entspricht.

Ein derartiger Motor wird beispielsweise im US-Patent 43 30 727 beschrieben.

In einer Weiterentwicklung wird eine Phasenstromsteuertechnik benutzt, die bewirkt, daß die Motorwelle anstelle von vollen Grundschaltschritten Mikroschaltschritte ausführt und so in einer Vielzahl von Stellungen zwischen jenen, die den Grundschaltschritten entsprechen, positioniert werden kann.

Die Zahl der Mikroschaltschritte und damit der erzielbaren Motorwellen-Positionen wird hierbei vom Phasenschalt- Stromversorgungsteil bestimmt.

Die Zwischenstellungen zwischen den Grundschaltschritten werden durch dosierte Beaufschlagung beider Motorphasen, A und B, mit dem jeweiligen Steuersignal erzielt, wodurch sich jeweils ein der gewünschten Läuferposition und damit Wellenstellung entsprechender Feldvektor ergibt.

Da diese Art der Steuerung im Grundsatz nicht digital, sondern analog ist, hat die Anwesenheit von Oberwellen im sich ergebenden Drehmoment wesentlichen negativen Einfluß auf die Läuferpositionierung und damit die erzielbare Steuergenauigkeit.

Es wurden bereits verschiedene Verfahren zum Herabsetzen des Oberwellengehaltes bzw. zum Unterdrücken der Oberwellen vorgeschlagen. Eines wird beispielsweise im US- Patent 45 18 883 beschrieben. Danach werden symmetrische Gruppen von Statorpolen ausgewählt und gegeneinander um einen Winkel von Pi/H elektrische Grad verschoben angeordnet, wobei H die zu unterdrückende Oberwelle ist. Die Anzahl von Oberschwingungen, die danach unterdrückt werden kann, wird durch die Zahl der unabhängigen symmetrischen Statorpolgruppen bestimmt. Beträgt die Anzahl N = 2^u, so können danach U Oberschwingungen im wesentlichen unterdrückt werden.

Ein offenbarer Nachteil dieses Konzeptes ist, daß die Anzahl von unterdrückbaren Oberschwingungen von der Anzahl unabhängiger Polgruppen bestimmt bzw. limitiert wird. Weiterhin ergibt sich ein unerwünscht hoher, von der Zahl der unterdrückten Oberwellen abhängiger Drehmomentverlust.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Oberwellen-Unterdrückung, das nicht auf dem Verschieben von Polen im Bezug auf symmetrische Polgruppierungen beruht. Weiterhin gestattet die vorliegende Erfindung, den Grad der Oberwellenunterdrückung zu wählen und das von der Grundschwingung bedingte Drehmoment zu maximieren. Die Aufgabe nach der Erfindung wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In bekannten Schrittschaltmotoren sind die Polzähne auf Mittellinien angeordnet, die voneinander um 2 Pi elektrische Grad getrennt sind. Mit dieser Anordnung wird der beste Motor-Wirkungsgrad erzielt; andererseits bewirkt sie auch eine Maximierung des von Oberschwingungen bedingten Drehmomentanteils.

Das Verschieben der Polzähne von den dem Normalabstand von 2 Pi entsprechenden Positionen verringert sowohl die Drehmoment-Vektorsumme der Oberschwingungen als auch jene der Grundschwingung.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, den Einfluß auf die Grundschwingung ebenso wie jenen auf jede der Oberschwingungen für jede Verschiebung der Polzahn-Positionen zu berechnen. Weiterhin können Polzähne individuell oder in Gruppen verschoben positioniert angeordnet werden.

An sich ist es möglich, ausgewählte Oberschwingungen vollständig zu unterdrücken. Dies geschieht jedoch auf Kosten des Grundschwingungs-Drehmoments. Es ist daher wünschenswert, Oberschwingungen nur im jeweils für den Anwendungszweck erforderlichen Umfang zu unterdrücken. Das Ausmaß der erforderlichen Unterdrückung hängt einerseits vom für den betreffenden Schrittschaltmotor im unkompensierten Zustand charakteristischen Oberschwingungsgehalt des Drehmoments ab, und andererseits von der für den betreffenden Anwendungszweck erforderlichen Positionierungsgenauigkeit. In der Regel sind bestimmte Oberschwingungen schwach und bedürfen daher zumeist keiner oder nur geringer Unterdrückung. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, ausgewählte Oberschwingungen in einem gewünschten Umfang zu unterdrücken und damit den Einfluß auf das Grundschwingungs-Drehmoment zu minimieren.

In der Regel treten in Schrittschaltmotoren vor allem die 3., 4. und 5. Oberschwingung betont auf. Deren vollständige Unterdrückung reduziert das Ausgangsdrehmoment auf etwa 76% des ursprünglichen Wertes. Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, diese genannten Oberschwingungen auf ein praktisch unbedeutendes Maß zu verringern und gleichzeitig ein Drehmoment zu erzielen, das größer als 80% ist und in den meisten Fällen größer als 86%.

In bestimmten Fällen kann es wünschenswert sein, bestimmte Oberwellen nicht oder nicht weitgehend zu unterdrücken. Dies gilt beispielsweise für die 5. Oberschwingung, um ein hohes Haltemoment zu erzielen, oder für ungerade Oberschwingungen, um eine abgeflachte Drehmoment-Charakteristik zu erreichen. Nach der Erfindung können bestimmte Oberschwingungen im gewünschten Ausmaß unterdrückt und andere nach Wunsch aufrecht erhalten und damit vorgegebene Motorcharakteristiken erzielt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Beispielen und Zeichnungen sowie den nachfolgenden Ausführungen.

Fig. 1 ist ein Zweiphasen-Schrittschaltmotor nach einer Ausführungsform der Erfindung in axialer Teilansicht entlang der Linie I-I in Fig. 2.

Fig. 2 ist eine Teilansicht des Motors entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Fig. 3 stellt in Aufsicht ein Element des Magnetkreises mit zugehörigem Läufer dar.

Fig. 4 ist eine diagrammatische Darstellung der abstandsmäßigen Statorpolzahn-Anordnung nach dem Stand der Technik.

Fig. 5A bis 5D sind eine Reihe von Darstellungen des Effektes der Verschiebung der Statorpol-Positionen zur Unterdrückung des Oberwellengehaltes.

Die Fig. 6 und 7 geben in schematischer Blockdiagrammdarstellung Schaltbilder für die Phasensteuerung-Stromversorgung der Mikroschaltschritt-Antriebseinrichtung nach der Erfindung wieder.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Schrittschaltmotor dargestellt mit einem ringförmigen Scheibenrotor 1, der mittels zweier Ansatzstücke 3 und 4 auf der Motorwelle 2 befestigt ist und aus permanentmagnetischem Material besteht. Die beiden Ansatzstücke 3 und 4 sind auf die Motorwelle 2 aufgepreßt. Die einander gegenüberstehend angeordneten Tragteile 5, 6 aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Plastik, werden mittels ringförmiger Flansche 7, 8 und Schrauben 9, 9′ und 9″ zusammengehalten. Die Motorwelle 2 ist in den Lagern 10, 11 drehbar gelagert.

Eine Mehrzahl von Magnetkreis-Elementen 12 (nachfolgend auch als ′Magnetgrundkreise′ bezeichnet) ebenso wie elektrische Wicklungsspulen 13′, 13″, 14′ and 14″ werden von den Tragteilen 5 und 6 gehalten.

Jedes Magnetkreis-Element 12 enthält zwei einander axial gegenüberstehend angeordnete, dünne, U-förmige Statorpolstücke 12′, 12″ aus Material hoher magnetischer Permeabilität. Der äußere Schenkel jedes U-förmigen Polstücks 12′ ist mit seiner Endfläche in Kontakt mit der entsprechenden Endfläche des äußeren Schenkels des gegenüberliegenden Polstückes 12″, wobei die Endflächen dieser Polstücke einen sie trennenden Luftspalt 15 bilden. Die Polstücke können aus massiven Weicheisen bestehen oder, zur Verbesserung der Qualität des Magnetkreises, eine laminierte Struktur aufweisen.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Magnetkreis-Elemente in zwei Gruppen, 12 A und 12 B, aufgeteilt, wobei jede dieser Gruppen zehn Polstücke umfaßt, die - wie dargestellt - in der Grundposition des unkompensierten Motors gleichmäßig voneinander um den Kreiswinkelbetrag 2 Pi k/N getrennt angeordnet sind, wobei k eine ganze Zahl und N die Zahl der Läufer-Magnetpolpaare ist. In der dargestellten Ausführungsform ist k = 1 und N = 25. Wie nachfolgend beschrieben, sind zumindest einige der Polstücke beim Motor der Mikroschrittschalt-Antriebseinrichtung nach der Erfindung aus ihrer Grundposition verschoben angeordnet.

Die Gruppen von Magnetkreiselementen sind winkelmäßig gegeneinander um 2 Pi r / N + Pi / pN verschoben angeordnet, wobei p die Zahl der Phasen und r eine ganze Zahl ist. Im gezeigten Beispiel ist r = 3 oder 4 + p = 2. Je zwei Phasenwicklungsspulen sind mit jedem der Magnetkreiselemente verbunden. Die zehn Magnetkreiselemente (nachfolgend auch mit Magnetgrundkreisen bezeichnet) der Gruppe 12 A sind mit den Wicklungsspulen 14′ und 14″ gekoppelt, während die zehn Magnetgrundkreise der Gruppe 12 B mit 13′ und 13″ gekoppelt sind. Die Wicklungen der Spulen umschließen jene Enden der zugeordneten U-förmigen Statorteile, die jeweils den Luftspalt bilden. Die Form der Wicklungen und Spulen erlaubt, diese in engem Kontakt mit den zugehörigen Statorteilen anzuordnen. Ringe 16 und 17 dienen als Halterung für die Spulen. Wahlweise kann auch eine Vergußmasse zum Festlegen der Spulen benutzt werden. Die Drahtenden bzw. Anschlußdrähte der Spulenwicklungen werden durch Lochungen 18 in den Flanschen 7 nach außen geführt.

Fig. 3 zeigt einen einzelnen magnetischen Grundkreis, 12′, 12″, aus lamelliertem Material, dessen Endteile den Luftspalt einschließen sowie, in schematischer Darstellung, eine periphere Zone des Läufers aus permanent- magnetischem Material, das in axialer Richtung derart magnetisiert ist, daß 2 N Magnetpole mit abwechselnder Polarität, mit "N" und "S" bezeichnet, ausgebildet werden.

Fig. 4 ist die Querschnittansicht eines Motors mit "normaler" Anordnung der Statorpole nach dem Stand der Technik. Wie bereits erwähnt, sind die Statorpolstücke um 360 elektrische Grad (2 Pi) voneinander getrennt. In den nachfolgend beschriebenen Beispielen bedeutet ein positiver Winkel eine Verschiebung im Uhrzeigersinn und ein negativer Winkel eine Verschiebung entgegen dem Uhrzeigersinn. In den Beispielen wird die Verschiebung der Polstücke nach der Erfindung dargestellt und beschrieben.

Wie vorstehend ausgeführt, ist es nach US-Patent 45 18 883 Stand der Technik, durch Verschieben der Position von symmetrischen Polgruppen den Oberwellengehalt bestimmter Oberwellen zu verringern bzw. diese vollständig zu unterdrücken. Stehen beispielsweise vier Polpositionen zum Verschieben zur Verfügung, können zwei symmetrische Untergruppen je aus einem Polpaar gebildet werden. Wird sodann eine dieser Gruppen gegenüber der anderen um Pi/5 elektrische Grad verschoben, so bewirkt dies die Unterdrückung der 5. Oberwelle. Werden die einzelnen Pole weiterhin in symmetrische Gruppen unterteilt und diese um Pi/3 elektrische Grad gegeneinander verschoben, so wird die 3. Oberwelle unterdrückt. Die Methode nach dem Stand der Technik deruht darauf, symmetrische Gruppen gegeneinander verschoben anzuordnen, wobei der jeweilige Betrag der Verschiebung bestimmt, welche Oberwelle unterdrückt wird.

Nach der Erfindung werden im Gegensatz hierzu nicht zuvor ausgewählte, symmetrische Gruppen, sondern einzelne Polstücke gegeneinander verschoben angeordnet. Die Polstücke werden einzeln und um verschiedene Beträge versetzt (im folgenden als "nicht-symmetrische" oder "unsymmetrische" Verschiebung bezeichnet). Entsprechend der Erfindung wird der Effekt für jede einzelne Position berechnet, ebenso wie der individuelle Effekt auf das Ausgangsdrehmoment und die Größe des resultierenden Grundwellen- Drehmoments sowie des Anteils an Oberwellen. Obgleich diese Berechnungen manuell ausgeführt werden können, ist es zweckmäßig, hierzu einen Computer zu benutzen, um so schnell durch Probe-Berechnungen die bevorzugten Pol-Positionen zu ermitteln.

Hierzu werden die Werte für schrittweise gering verschobene Positionen errechnet, um so die Position auszuwählen, die die Herabsetzung des Oberwellengehaltes in gewünschter Weise bewirkt.

Die nicht-symmetrische Verschiebung hat gegenüber der symmetrischen Verschiebung von Gruppen nach dem Stand der Technik die folgenden Vorteile:

(1) Die Anzahl der Oberwellen, die unterdrückt bzw. verringert werden können, ist nicht begrenzt durch die Zahl der bildbaren symmetrischen Gruppen. Sind beispielsweise vier Statorpolstücke verfügbar, so können nach dem Stand der Technik lediglich zwei Oberwellen unterdrückt werden, während nach der Erfindung die ausreichende Verringerung von drei oder mehr Oberwellen möglich ist.
(2) Sowohl nach dem Stand der Technik als auch nach der Erfindung führt die Oberwellen-Unterdrückung zur Verringerung des Ausgangsdrehmoments. Mit der nicht-symmetrischen Verschiebung nach der Erfindung kann die Herabsetzung des Oberwellengehalts auf das für den Anwendungszweck erforderliche Ausmaß beschränkt und damit die Verringerung des Ausgangsdrehmoments minimiert werden.
(3) Mit dem Konzept der nicht-symmetrischen Verschiebung kann der Grad der Oberwellen-Unterdrückung an den Betrag angepaßt werden, mit dem diese zunächst vorhanden ist. Damit können Oberwellen mit großer Amplitude entsprechend stark und solche mit geringer Amplitude nur geringfügig oder nicht unterdrückt werden.

Die Fig. 5A-5D zeigen das von jedem Pol eines Polstück- Paares produzierte Ausgangsdrehmoment, nachdem deren gegenseitiger Abstand um den Betrag von "S" elektrische Grad verändert wurde. Dabei stellt Fig. 5A den Effekt auf die Grundwelle dar, während die Fig. 5B, 5C und 5D die Auswirkung auf die 3., 4. und 5. Oberwelle zeigen.

Wie in Fig. 5A für die Grundwelle dargestellt, erzeugt ein Stator-Polstück ein Drehmoment, das in Phase ist (durchgehende Linie). Wird ein anderes Stator-Polstück um "S" elektrische Grad von der einer gegenseitigen Entfernung von 2 Pi entsprechenden Normalposition verschoben angeordnet, so ergibt sich ein Drehmoment, das der gestrichelten Linie entspricht. Die Wirkung für jedes einzelne Polstück kann einzeln im Bezug auf jede Phase berechnet werden, die Wirkung auf das Gesamtdrehmoment ergibt sich durch Summieren der Beiträge der einzelnen Polstücke. Werden die jeder Phase entsprechenden Polstücke ähnlich verschoben, so ist es nicht erforderlich, das Gesamtausgangsdrehmoment durch Vektorsummierung der einzelnen Phasendrehmomente zu berechnen, da die Berechnung für eine Phase bereits Auskunft über die prozentuale Verringerung des Ausgangsdrehmoments liefert. Für die Drehmomentsummierung für eine Phase gilt:

H ₀ = sin (wt + S ₁) + sin (wt + S ₂) -sin (wt + S ₃) + --- (1)

wobei S ₁, S ₂ und S ₃ --- die verschiedenen Verschiebungswinkel sind.

Wie die Gleichung (1) zeigt, ist das Ausgangsdrehmoment gleich der Vektorsumme unter Berücksichtigung der durch die Verschiebung der Position der einzelnen Polstücke bedingten Phasenverschiebung.

Daraus ergibt sich der Beitrag per Phase für die 3., 4. und 5. Oberwelle aus den folgenden Gleichungen:

H ₃ = sin (wt + 3S ₁) + sin (wt + 3S ₂) + sin (wt + 3S ₃) + --- (2)
H ₄ = sin (wt + 4S ₁) + sin (wt + 4S ₂) + sin (wt + 4S ₃) + --- (3)
H ₅ = sin (wt - 5S ₁) + sin (wt + 5S ₂) + sin (wt + 5S ₃) + --- (4)

Das Maß der Oberwellen bzw. deren Verringerung ergibt sich danach gleichfalls durch Vektorsummierung. Zur Berechnung des Prozentsatzes verbleibender Oberwellen kann die Summe durch die Zahl der Pole geteilt und mit 100 multipliziert werden.

Verringerung der Oberwellen tritt immer dann ein, wenn die Komponenten bei der Frequenz der betreffenden Oberschwingung sich gegenseitig aufheben bzw. verringern. Dies wird für ein Paar von Statorpolen dann erreicht, wenn ein Statorpol um 180 elektrische Grad für die betreffende Frequenz verschoben angeordnet wird. Werden drei Polstücke benutzt, so ergibt sich entsprechend die Unterdrückung des von diesen stammenden Oberwellenbeitrages in analoger Weise, wenn einer der Pole um 120 elektrische Grad verschoben angeordnet wird. In analoger Weise kann Oberwellen-Unterdrückung durch verschobene Anordnung großer Gruppen erzielt werden. Die sich entgegenstehenden Bedingungen für das Unterdrücken verschiedener Oberwellen machen es in der Regel schwierig, wenn nicht unmöglich, perfekte Auslöschung für alle Oberwellen zu erzielen. Die vorliegende Erfindung vereinfacht jedoch die Motorkonstruktion mittels der rechnerischen, systematischen Positionsverschiebung zur Ermittlung der für die gewünschte Oberwellen-Unterdrückung optimalen Position.

An sich hängt die Amplitude der einzelnen Oberwellen von Konstruktionsdetails des Motors ab. Typische Werte für die 3., 4. und 5. Oberwelle und einen Zweiphasen- Motor nach den Fig. 1 bis 3 sind jedoch
25% für die 3. Oberwelle
15% für die 4. Oberwelle
10% für die 5. Oberwelle

Die Zweiphasen-Konstruktion neigt zur Auslöschung der 2. Oberwelle und weist in der Regel höhere Oberwellen jenseits der 5. Oberwelle nur in vernachlässigbarem Umfang auf.

Allgemein kann ausgeführt werden, daß eine Verringerung einer Oberwelle auf weniger als 3% dazu führt, daß ihr Einfluß unbedeutend wird. Wird die 3. Oberwelle auf 12%, die 4. auf 2% und die 5. auf 30% des Ausgangswertes reduziert, so liegen ihre Werte unter 3% und können damit in der Regel vernachlässigt werden.

Vorzugsweise sollte die Summe der Oberwellen weniger als 5% betragen. Der Gesamtoberwellengehalt oder die totale, harmonische Verzerrung (THD) ergibt sich annäherungsweise aus den Prozentwerten für die 3., 4. und 5. Oberwelle zu

Da die Unterdrückung der Oberwellen zur Verringerung des Ausgangs-Drehmoments führt, wird vorzugsweise eine solche nur im erforderlichen Umfang bewirkt. Die Verschiebungswinkel werden hierzu derart gewählt, daß nur die erforderliche Herabsetzung des Oberwellengehalts erzielt und damit eine Minimierung der Verringerung des Ausgangsdrehmoments erreicht wird.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurden die Statorpole in um die in der Spalte "Verschiebung" aufgeführten Winkel verschobenen Positionen angeordnet. Die Winkelwerte sind in elektrischen Grad angegeben und entsprechen dem Betrag der Verschiebung gegenüber der Normalposition für den nicht kompensierten Motor. Hierbei bedeutet ein positiver Wert eine Verschiebung im Uhrzeigersinn und ein negativer Wert eine solche entgegen dem Uhrzeigersinn. (Tabelle I). Die Spalten R1 und I1 in Tabelle I enthalten die reellen und imaginären Vektorkomponenten für die Grundschwingung. Entsprechend enthalten die Spalten R3, R4 und R5 sowie I3, I4 und I5 die berechneten Werte der reellen bzw. imaginären Vektorkomponenten für die 3., 4. und 5. Oberwelle. Die Werte für die einzelnen Pole werden zunächst summiert (SUM), sodann quadriert (SQUARE). Die quadrierten Werte werden summiert (SUM : SQR) und aus der Summe die Quadratwurzel (SQRT) gezogen, um so den Wert für den Summenvektor zu erhalten. Dieser Wert wird durch die Zahl der Polstücke geteilt (/10), um so den Wert für den normalisierten Summenvektor zu berechnen.

Mit den in Tabelle I aufgeführten Verschiebungswinkel- Werten wird die 3. Oberwelle auf 5.08%, die 4. Oberwelle auf 9.63% und die 5. Oberwelle auf 2.25% des jeweiligen Ausgangswertes verringert. Geht man von üblichen Ausgangswerten von 25%, 15% und 10% für die 3., 4. bzw. 5. Oberwelle aus, so ergeben sich Endwerte für diese von 1.2%, 1.45% und 0.22%. Die totale harmonische Verzerrung (THD) beträgt damit 1.94% und ist vernachlässigbar. Gleichzeitig verringert sich der Wert der Grundwelle lediglich auf 82.92% des Ausgangswertes.

Tabelle I

Beispiel 2

In diesem Beispiel werden die Statorpole um die in Tabelle II aufgeführten Werte verschoben angeordnet. Dieses Beispiel ist geeignet, um das Ergebnis zu zeigen, wenn alle zehn verfügbaren Statorpol-Positionen erfindungsgemäße verschoben werden.

An sich ist das Ausmaß der Oberwellen-Unterdrückung im Beispiel 2 geringer als in Beispiel 1. Sie ist jedoch ausreichend, um den Wert für jede Oberwelle unter 3% des Wertes der resultierenden Grundschwingung zu bringen und den Wert für die totale harmonische Verzerrung (THD) auf weniger als 5%.

Gleichzeitig wird aufgrund der Begrenzung der Oberwellen- Unterdrückung auf einen geringeren, jedoch ausreichenden Wert erreicht, daß ein höherer Wert für die resultierende Grundschwingung von 85.01% erzielt wird.

Beispiel 3

Die in diesem Beispiel benutzten Verschiebungswinkel- Werte ergeben sich aus Tabelle III. Mit diesen Werten werden die einzelnen Oberwellen auf Werte von unter 0.4% des Wertes für die Grundwelle verringert (0.08%, 0.39% und 0.35%). Gleichzeitig verringert sich allerdings der Endwert für die Grundschwingung auf 77.66% des Ausgangswertes.

Tabelle II

Tabelle III

Beispiel 4

Der Motor in diesem Beispiel weist nur vier Statorpole auf, deren Position wählbar ist. Entsprechend der symmetrischen Verschiebung der Statorpol-Positionen nach dem Stand der Technik werden die Statorpole 2 und 4 jeweils um Pi/5 (36°) elektrische Grad gegenüber den Statorpolen 1 und 3 verschoben angeordnet, um so die 5. Oberwelle zu unterdrücken. Weiterhin werden die Statorpole 3 und 4 als Gruppe um Pi/3 (60°) elektrische Grad in Bezug auf die Gruppe aus den Statorpolen 1 und 2 verschoben angeordnet, womit die 3. Oberwelle unterdrückt wird. Tabelle IV enthält die entsprechenden Verschiebungswinkel von 0°, 36°, 60° und 96°. Wie sich dort weiter ablesen läßt, werden zwar die 3. und 5. Oberwelle wirksam unterdrückt, die 4. Oberwelle beträgt jedoch 15.45% des Ausgangswertes. Der Wert der Grundwelle ergibt sich hierbei zu 82.36% des Ausgangswertes.

Tabelle IV

Beispiele 5 und 6

Für diese Beispiele wurde der Motor nach Beispiel 4 mit vier für die Verschiebung zur Verfügung stehenden Statorpolen benutzt, jedoch das Konzept der nicht-symmetrischen Verschiebung der Statorpole angewendet. Danach können die Statorpole, wie in den Tabellen V und VI aufgeführt, so verschoben werden, daß keine der Oberwellen mehr als 3% des Ausgangswertes hat. Gleichzeitig steigt der Anteil der Grundwelle von 82.36% nach Beispiel 4 auf 85% des Ausgangswertes an.

Table V

Table VI

Eine Ausführungsform des Stromversorgungs-Steuerteils (nachstehend auch mit Antriebsschaltung bezeichnet) für die Antriebseinrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt.

Schrittschaltmotor 100 weist zwei Phasenwicklungen 102 und 104 auf. Zähler 106 erhält "Vorwärts"- (FWD) und "Rückwärts"- (REV) Zählimpulse, um die Schritte des Schrittschaltmotors 100 aufwärts und abwärts zu zählen. Das digitale Ausgangssignal des Zählers dient als Addresse für einen Sinus-programmierbaren Lesespeicher (PROM) 107 sowie einen solchen Cosinus-Lesespeicher PROM 117.

Die digitalen Ausgangssignale von PROM 107 und PROM 117 werden Digital/Analog- (D/A) Konvertern 108 bzw. 118 zugeführt, die ihrerseits analoge Steuersignale für die Leistungsverstärker 109 und 119 liefern. Verstärker 109 versorgt Motorwicklung 102 und Verstärker 119 Motorwicklung 104. Die Leistungsverstärker werden vorteilhaft als Impulsbreiten-modulierte (PWM) bzw. "Chopper"- Verstärker ausgeführt.

Das digitale Zählsignal am Ausgang des Zählers 106, das der gewünschten Mikroschritt-Läuferposition entspricht, wird in den Lesespeichern PROM 107 und 117 in entsprechende digitale Sinus- bzw. Coinus-Werte umgesetzt. Diese Signale können nur dann zur exakten Steuerung der Mikroschaltschritte und damit der Läuferposition benutzt werden, wenn die Motordrehmoment-Charakteristik frei von Oberwellen störender Größe ist. Wie ausgeführt, ist die Drehmoment-Charakteristik des Motors der Mikroschrittschalt- Antriebseinheit nach der Erfindung praktisch frei von störenden Oberwellen; damit kann exaktes Mikroschaltschritt- Positionieren mittels Sinuswellen-Quadratur-Proportionierung der dem Motor zugeführten Phasenströme erzielt werden.

Eine weitere Erhöhung der Positionierungs-Genauigkeit kann durch Anpassen der in den PROMs gespeicherten Proportionierungswerte an die Drehmoment-Charakteristik des Motors erreicht werden. Da die Drehmoment-Charakteristik des gegenständlichen Motors frei von signifikantem Oberwellengehalt ist, ist die Abweichung vom idealen sinusförmigen Proportionierungssignal gering; so kann eine hohe Positionierungs-Genauigkeit über einen weiten Drehmoment- sowie Geschwindigkeits-Bereich erzielt werden.

Eine weitere Ausführungsform der Antriebsschaltung ist in Fig. 7 dargestellt. In dieser wird ein Mikroprozessor 120 zum Errechnen der proportionierten Steuersignale benutzt.

Der Mikroprozessor 120 wird mit einem der gewünschten Kreiswinkel-Position α entsprechenden Digitalsignal beaufschlagt und liefert an seinen beiden Ausgängen Digitalwerte für Sinus-α und Cosinus-α; diese werden den Haltevorrichtungen 122 und 132 zugeführt, um deren Wert während nachfolgender Kalkulation in 120 festzuhalten. Der Digitalausgang von 122 wird in D/A Umsetzer 124 in das entsprechende Analogsignal umgesetzt und dieses zur Steuerung des Stromversorgungs-Verstärkers 126 benutzt, desses Ausgang die Motorwicklung 102 versorgt. In entsprechender Weise wird das digitale Ausgangssignal von 132 in D/A Umsetzer 134 in das entsprechende Analogsignal umgesetzt, das seinerseits zur Steuerung des mit der Motorwicklung 104 verbundenen Verstärkers 136 dient.

Obgleich der Mikroprozessor entsprechend programmiert werden kann, um die Sinus- und Cosinus-Werte zu errechnen, ist ein einfacherer und schnellerer Weg die Verwendung einer im Speicher des Mikroprozessors gespeicherten Nachschlage-Tabelle. Dies ermöglicht auch in einfacher Weise die Anpassung der Proportionierungs-Werte an die tatsächliche Drehmoment/Schrittschalt-Charakteristik des Motors.

Claims

1. Mikroschrittschalt-Antriebseinrichtung mit einem Digitalglied, das Multiphasen-Signale liefert, die einer Vielzahl von Schrittwerten für Motorwellenpositionen zwischen 0 und 2 Pi elektrischen Graden entsprechen; sowie einer Multiphasen-Stromversorgungseinrichtung zur Lieferung von den genannten Schrittwerten entsprechenden Motorerregungsströmen; und einem Schrittschaltmotor mit mindestens zwei, mit der genannten Stromversorgungseinrichtung verbundenen Phasenwicklungen und einer Mehrzahl von den genannten Phasenwicklungen zugeordneten, den Arbeitsluftspalt des Motors bildenden Polstücken mit Polzähnen, sowie einem Magnetkreis zum Verkoppeln der genannten Wicklungen mit den Polstücken und einem im genannten Arbeitsluftspalt angeordneten Rotor, dessen Position jeweils jenem Multiphasensignal entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verringern des Oberwellengehaltes der Drehmoment- Schrittschaltcharakteristik des Schrittschaltmotors zumindest einige der genannten Polzähne unsymmetrisch angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Digitalglied gelieferte Signal Sinus-Quadratwerten entspricht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Digitalglied gelieferte Signal der Drehmoment/Drehschritt-Charakteristik mit teilweise unterdrückten Oberwellen entspricht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiterhin eine Zählvorrichtung für die Schaltschritte und damit die Rotorposition aufweist, sowie einen Lesespeicher zur Lieferung der Schrittwerte, die den Signalen der Zählvorrichtung und damit der Rotorposition entsprechen.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, deren Schrittschaltmotor einen Stator mit einer Vielzahl von Stator- Polstück-Zähnen sowie mindestens zwei elektrische Phasenwicklungen und eine Statormagnetkreis-Anordnung zum Verkoppeln derselben mit jenen Phasenwicklungen sowie einen Rotor mit N Magnetpolen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Polstücke um Pi elektrische Grad gegenüber der Normalstellung verschoben angebracht ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Polstücke bzw. Zähne derart unsymmetrisch verschoben angebracht sind, daß keine der dritten, vierten und fünften Oberwelle 3% des Betrages der Grundwell übersteigt.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Polstücke bzw. Zähne derart unsymmetrisch verschoben angeordnet sind, daß der Gesamtwert an Oberwellen 5% der Grundwelle nicht übersteigt.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Grundwelle mindestens 80% des Ausgangswertes beträgt.