DE4002158C2 - Schaltvorrichtung zum Schalten einer Stromerregung der Statorwicklungen eines elektronisch kommutierbaren Elektromotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Schalten einer Stromerregung der Statorwirkung eines elektronisch betriebenen Schrittmotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Schaltvorrichtung ist aus der US-4,109,593 bekannt. Dabei besteht die Kommutiereinrichtung aus einer Anzahl von UND-Gattern, über die mit den Kommutiersignalen eine Vielzahl von Transistoren nacheinander durchgeschaltet werden, um einen Stromfluß in den jeweiligen Statorwicklungen zu ermöglichen. Die Stromregeleinrichtung ist im wesentlichen dafür vorgesehen, während des Durchschaltens eines jeweiligen Transistors den Strom auf einen Nennstrom zu begrenzen. Die Stromregeleinrichtung umfaßt hierbei eine Monoflop-Schalteinrichtung, die das Ausgangssignal des Komparators empfängt, wobei über die Monoflop-Zeitkonstante die Freilaufzeit der jeweiligen Statorwicklung eingestellt werden kann. Um eine gewisse Synchronisation des Schaltens der Stromflüsse durch die jeweiligen Statorwicklungen zu ermöglichen, wird gleichzeitig mit der Kommutation der Schalteinrichtung ein Rücksetzimpuls an das Monoflop ausgebeben. Damit wird sichergestellt, daß gleichzeitig mit einem neuen Schrittimpuls eine Einschaltung des Stromflusses durch ein nächste Statorwicklung ermöglicht wird. Eine Synchronisation ist jedoch nicht zu allen Schaltzeitpunkten möglich, da bei einer gewissen Schaltverzögerung der Vergleichswirkung des Komparators verhindert wird, daß eine Rücksetzung des Monoflops ein entsprechendes Steuersignal an der Kommutiereinrichtung erzeugt. Die in der US-4,107,593 gezeigte Schaltvorrichtung besitzt weitere Nachteile.

Während der Stromaufrechterhaltung hängt das Tastverhältnis von der Zeitkonstanten des Monoflops ab und kann somit nicht für verschiedene Spannungen und Induktivitäten eingesetzt werden, ohne dabei die Parameter der Schaltungskomponenten, insbesondere die Zeitkonstante des Monoflops zu ändern. Wenn die Schaltung flexibel auf verschiedene Statorwicklungen von verschiedenen Schrittmotoren angewendet werden soll, müssen somit die Parameter immer an die Parameter des jeweiligen Schrittmotors, beispielsweise an die verwendete Versorgungsspannung und die Induktivität angeglichen werden. Insbesondere wenn die Schaltvorrichtung für einen Zwei-Phasenmotor verwendet werden soll, müssen jeweils Monoflops und Komparatoren für jede Phase verwendet werden. Dies macht den Aufbau kompliziert, teuer und erlaubt weniger Flexibilität in der Anwendung.

Ferner beschreibt der Aufsatz von B. Schwager mit dem Titel "Ein IC als Verbindungsglied zwischen Mikroprozessor und Schrittmotor" in Bull. ASE/UCS 77 (1986 H. 19 Seite 1232 bis 1237 den Aufbau und die Funktion von einem Schrittmotor, bei dem wie in der US-4,107,593 ein Komparator und ein Monoflop zum Erzeugen einer Kippschaltung beschrieben ist, die den Nennstrom durch eine Statorwicklung begrenzt. Dieser Aufsatz beschreibt außerdem eine Schaltvorrichtung zum Schalten der Stromerregung von Statorwicklungen eines Schrittmotors, bei der die Kippschaltung aus einem Taktgenerator mit nachgeschaltetem Monoflop besteht. Diese Schalteinrichtung besitzt jedoch keinerlei Synchronisationseinrichtung, um eine Angleichung der Stromeinschaltzeitpunkte zu den Schrittimpulsen zu gewährleisten. Es wird hier lediglich beschrieben, daß der Taktgenerator zu einem unter Umständen vorzusehenden weiteren Taktgenerator in der Chopper-Frequenz synchronisiert werden kann.

Ferner wird in dem Aufsatz von Herbert Sachs mit dem Titel "Verlust an Ansteuerung von Aktuatoren" in der Zeitschrift Elektronik vom 13. 11. 1987 auf Seiten 142 bis Seite 152 eine Schaltvorrichtung mit einem Taktgenerator beschrieben wie in der beiliegenden Fig. 1 dargestellt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besitzt auch diese Schaltvorrichtung den wesentlichen Nachteil, daß beim Einschalten der Kommutierungssignale eine bistabile Kippstufe einen beliebigen Zustand besitzen kann, d. h. es ist keinerlei Synchronisation vorgesehen, um das Setzen der bistabilen Kippstufe an den Einschaltvorgang des Kommutations­ signals anzugleichen. Wenn eine derartige Schaltung zum Steuern von mehreren Statorwicklungen verwendet wird, können Inteferenzerscheinungen auftreten, weil die erzeugte Kippfrequemz von zwei Statorwicklungen nicht übereinstimmt.

Somit zeigen alle herkömmlichen oben beschriebenen Schaltvorrichtungen das wesentliche Problem, das in bestimmten Betriebsbereichen Momentanschwankungen, ein unrunder Lauf, Instabilitäten und Indifferenz- und Resonanzerscheinungen auftreten können. Außerdem sind bei den oben beschriebenen mit einer Synchronisation ausgerüsteten Schaltvorrichtungen das Tastverhältnis zwingend von der Monoflop-Zeitkonstanten abhängig, so daß keine flexible Anpassung an eine Vielzahl von verschiedenen Statorwicklungsinduktivitäten sowie Versorgungsspannungen möglich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

• - eine Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die für den Elektromotor einen ruhigen Lauf mit gleichmäßigerem Drehmoment gewähr­ leistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung werden eine Vielzahl von wesentlichen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Wenn die Schaltvorrichtung auf einen beliebigen Schrittmotor angewendet wird, wird immer ein runder, ruhiger Lauf ohne Geräuschentwicklung gewährleistet. Die gleichmäßigere Drehmomententwicklung läßt sich nicht nur messen, sondern ist auch hörbar.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil, daß auch für mehrere Kommutiereinrichtungen bzw. Stromregeleinrichtungen für eine Vielzahl von Statorwicklungen lediglich ein Taktgenerator vorgesehen werden muß. Dadurch, daß der Taktgenerator das führende Element zum Setzen der bistabilen Kippstufe ist, werden beispielsweise bei einem Zweiphasenmotor die Kippfrequenzen stabil angeglichen, so daß keine Inteferenzen auftreten können. Erfindungsgemäß bestimmt also nicht die bistabile Kippstufe die Synchronisation, sondern die Zurücksetzung bzw. das Neustarten des Taktgenerators.

Ein wesentlicher Vorteil ist, daß die Freilaufdauer für die Entladung des Stroms lediglich von der Periodendauer des Taktgenerators abhängt. Somit kann durch Änderung der Periodendauer des Taktgenerators in einfacher Weise ein anderer Nennstrom für die Statorwicklungen eingestellt werden. Somit ist die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung auch flexibel auf verschiedene Arten von Schrittmotoren mit verschiedenen Induktivitätswerten der Statorwicklungen bzw. für verschiedene Versorgungsspannungen flexibel anwendbar, ohne daß eine Änderung von Parametern oder zusätzliche Schaltungselemente vorgesehen werden müßten.

Eine vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.

Vorzugsweise besteht die Kommutiereinrichtung aus einer Anordnung von logischen UND-Gattern, die die Kommutiersignale und das Steuersignal der bistabilen Kippstufe empfangen und entsprechende Schaltsignale an die Schalteinrichtung abgeben.

Im folgenden wird die Erfindung der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Schaltvorrichtung zum Schalten einer Zwei-Phasen-Statorwicklung mit einer mittels eines Taktgenerators getakteten Stromregeleinrichtung;

Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm zur Gegenüberstellung von Taktsignalen und Phasenströmen bei einer bekannten Schalteinrichtung einerseits und einer erfindungsgemäßen Einrichtung andererseits;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung zum Schalten der Erregung von Statorwicklungen eines kommutierbaren Elektromotors mit einer Stromregeleinrichtung, die von einem Taktgenerator getaktet wird; und

Fig. 4 ein Zeitablaufdiagramm zur Gegenüberstellung der Umdrehungsgeschwindigkeiten eines Schrittmotors bei einem Positioniervorgang mit herkömmlicher bzw. erfindungsgemäßer Schaltvorrichtung.

Im folgenden sei anhand von Fig. 1 eine bekannte Schaltvorrichtung zum Schalten einer Stromerregung einer Elektromotor-Phasenwicklung W mittels einer Stromregeleinrichtung, die von einem Taktgenerator bzw. Oszillator OSC getaktet wird. Die in Fig. 1 gezeigte bekannte Schaltvorrichtung entspricht der eingangs in dem Aufsatz von Herbert Sachs in der Zeitschrift "Elektronik" gezeigten bekannten Schaltvorrichtung mit einem Oszillator, der ein RS-Flip-Flop taktet. Des weiteren besteht in Fig. 1 die Schalteinrichtung S1, S2 aus zwei steuerbaren Umschaltern, die in Abhängigkeit von logischen Ausgangssignalen zweier zugeordneter UND-Glieder G1 bzw. G2 der Kommutiereinrichtung die Statorphasenwicklung W entweder in einer ersten Stromflußrichtung an die Versorgungsspannung V_S oder in der entgegengesetzten Stromflußrichtung an die Versorgungsspannung V_S anlegen oder die Phasenwicklung so kurz schließen, daß diese frei laufen kann.

Liegt die Phasenspannung W an der Speisespannung V_S, baut sich in der Phasenwicklung W ein Stromfluß auf, d. h. die Induktivität der Phasenwicklung W wird geladen, und zwar so lange, bis der Strom einen vorgebbaren Soll­ wert erreicht. Das Erreichen des Sollwerts wird im vor­ liegenden Beispiel festgestellt, indem der Spannungsab­ fall an einem Strommeßwiderstand R_S abgegriffen, einem Komparator K zugeführt und dort mit einer Referenzspan­ nung V_REF verglichen wird. Sobald der abgegriffene Span­ nungabfall die Referenzspannung V_REF erreicht oder übersteigt, erzeugt der Komparator K an seinem Ausgang einen Impuls und liefert diesen an den Rücksetzeingang R einer bistabilen Kippstufe FF in Form eines RS-Flip-Flops, deren Ausgangssignal Q daraufhin seinen logischen Zustand wechselt. Damit wech­ selt im vorliegenden Beispiel auch das UND-Glied G1 sei­ nen logischen Zustand und steuert den Umschalter S1 um, so daß die Phasenwicklung W kurzgeschlossen wird und freiläuft, wobei der in ihr fließende Strom abfällt.

Von einem vorzugsweise mit fester Frequenz oder alterna­ tiv mit variabler, z. B. steuerbarer Frequenz schwingen­ den Oszillator OSC trifft dann nach einer längstens eine Oszillator-Taktperiode T betragenden Sperrzeit ein Oszillator-Impuls am Setzeingang S der bistabilen Kipp­ stufe FF ein, die daraufhin wiederum ihren logischen Zu­ stand wechselt und damit - ceteris paribus - auch wieder das UND-Glied G1 und den Umschalter S1 umsteuert, so daß die Phasenwicklung W wieder mit dem Strom aus der Speise­ spannungquelle V_S geladen wird usw. Die Zyklusdauer, d. h. die Summe aus Ladedauer und Sperrzeit, ist gleich der Oszillator-Taktperiode T und kann somit zusammen mit dieser z. B. konstant sein (Festfrequenz).

Die logischen Zustände der UND-Glieder G1, G2 hängen auch noch von Kommutationssignalen x, y ab, welche mit­ tels des Umschalterpaares S1, S2 die Stromflußrichtung in der Phasenwicklung W in Abhängigkeit von der Rotor­ stellung des Elektromotors festlegen, um das von mehre­ ren Phasenwicklungen W des Stators erzeugte drehmoment­ bildende Magnetfeld mit dem Rotor umlaufen zu lassen. Bei einem Schrittmotor entspricht diese Kommutation, d. h. Umkehrung oder ggf. Ausschaltung von Strömen in Phasenwicklungen W, dem Begriff einer Drehfeldweiter­ schaltung.

Der bekannten Einrichtung haftet nun der Nachteil an, daß während der Sperrzeit - d. h. während der Zeit bis zum Eintreffen eines nächsten Taktimpulses vom Oszilla­ tor OSC der Fig. 1 - ein Übergang auf den ladenden Schaltzustand nicht möglich ist.

Im ungünstigsten Fall kann jedoch unmittelbar nach dem Erreichen eines ersten Stromsollwerts, d. h. nach einem Rücksetzimpuls des Komparators K, an die bistabile Kippstufe FF ein anderer Stromsoll­ wert erforderlich werden, weil z. B. im Fall eines Schrittmotors ein Schrittimpuls eingetroffen ist, der eine Drehfeldweiterschaltung, d. h. eine Kommutation über die Kommutiereinrichtung der UND-Gatter be­ fiehlt. Die mit dem Schrittimpuls erforderliche Strom­ änderung kann somit aber erst nach Ablauf der Sperr­ zeit, d. h. mit Eintreffen eines nächsten Taktimpulses, ausgeführt werden. Die auftretende Verzögerung (Totzeit) beträgt in diesem Fall bis zu einer Taktperiode.

Der Großteil der zur Zeit am Markt befindlichen Schritt­ motorsteuerungsendstufen für Mehrphasen-Schrittmotoren arbeitet nach dem Prinzip einer mit konstanter Frequenz getakteten Stromquelle (Chopper). Die Taktfrequenz liegt dabei im allgemeinen über dem hörbaren Frequenzbereich (also über 18 kHz). Die Festfrequenz der Stromregelung und die Schrittfrequenz, d. h., die Frequenz der Drehfeld­ weiterschaltung, stehen in keiner festen Phasenbeziehung zueinander. Schrittfortschaltung und Stromtaktung mit Festfrequenz laufen somit asynchron. Dadurch kommt es zu den vorgenannten Nachteilen, die nun im Zusammenhang mit Fig. 2 weiter veranschaulicht werden.

Das Zeitdiagramm gemäß Fig. 2 zeigt als oberste Kurve eine Folge von Schrittimpulsen 1 zur Drehfeldweiter­ schaltung. Ganz unten ist eine Folge von Taktimpulsen 2a eines Oszillators OSC dargestellt, wobei die Taktimpul­ se 2 periodisch im zeitlichen Abstand T aufeinanderfol­ gen, aber - wie ersichtlich - ohne Synchronisation auf die Schrittimpulse 1.

Die Kurven 3a, 3b beschreiben den Verlauf getakteter Ströme in einer ersten Phasenwicklung W, die Kurven 4a, 4b den Verlauf getakteter Ströme in einer zweiten Pha­ senwicklung W, die gegenüber der ersten versetzt ange­ ordnet ist.

Kurz vor dem Auftreten des zweiten dargestellten Schrittimpulses 1 lag ein Taktimpuls 2a vor und führte zur Aufladung der beiden vorgenannten Phasenwicklungen W. Bei Eintreffen des besagten Schrittimpulses 1 ist dann aber mit den bekannten Einrichtungen nur eine um ein Intervall δt verzögerte Kommutation möglich, wie aus dem Verlauf der gestrichelten Kurven 3a, 4a gegenüber dem idealen, unverzögerten Verlauf der durchgezogenen Kurven 3b, 4b ersichtlich ist. Die Totzeit δt resultiert daraus, daß die getaktete Stromquelle bis zum Eintreffen des nächsten Taktimpulses 2a wartet, bevor sie die je­ weilige Phasenwicklung W wieder zu laden beginnt.

Dadurch kommt es zu einer Verringerung der nutzbaren Stromzeitfläche um den schraffiert dargestellten Betrag F. In der Folge treten Momentenschwankungen, rauher Lauf, Resonanzanregungen etc. auf.

Die Auswirkungen der Totzeit δt halten sich in Grenzen, wenn sie relativ klein ist gegenüber den Abständen zwi­ schen aufeinanderfolgenden Schrittimpulsen 1. Beträgt die Schrittimpulsrate beispielsweise 100 Hz und die Taktfrequenz 20 kHz, bedeutet dies einen geringen Jitter von maximal 0,5 Prozent. Bei mittleren und hohen Schrittimpulsraten kann der Jitter jedoch schnell große Werte annehmen: Für einen 200-schrittigen Motor mit ei­ ner Schrittimpulsrate von 10 kHz (3000 Upm) kann der Jitter bei einer Taktfrequenz von wiederum 20 kHz Werte bis zu 50% annehmen.

Die Totzeit δt, somit der Jitter und die dadurch hervor­ gerufenen Auswirkungen werden durch die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung, wie sie nachfolgend un­ ter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 erläutert werden, ausgeschaltet. Die Schaltvorrichtung eignet sich für elektronisch kommutierte, getaktet gespeiste Elektromotoren beliebiger Bauart und Phasenzahl, betrie­ ben in unipolarer oder bipolarer Betriebsart.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Spei­ sung einer Elektromotor-Phasenwicklung W aus einer mit­ tels Oszillator OSC getakteten Stromquelle. Für Teile, die Entsprechungen in Fig. 1 besitzen, gelten die glei­ chen Bezugszeichen.

Der Oscillator OSC besitzt nunmehr einen Triggerein­ satz Z, über den durch einen Synchronisations-Impuls der Oszillator OSC auch während des laufenden Betriebs neu gestartet werden kann, das heißt, zur vorzugsweise so­ fortigen Ausgabe eines Oszillator-Taktimpulses 2b an die bistabile Kippstufe FF veranlaßt werden kann, auch wenn der vorhergehende Oszillator-Taktimpuls 2b um weniger als eine Periodendauer T zurückliegt.

Ferner enthält die Einrichtung eine Schaltungsanordnung C zur Erzeugung eines Synchronisations-Impules in Ab­ hängigkeit vom Eintreffen eines Schrittimpulses 1. Trifft ein solcher Befehl zur Drehfeldfortschaltung/ Kommutation an der Schaltungsanordnung C ein, erzeugt sie sowohl die Kommutationssignale x, y für die UND- Glieder G1, G2 der Kommutiereinrichtung als auch einen Synchronisations- oder Trigger-Impuls, den sie an den Triggereingang Z des Os­ zillators OSC leitet, um diesen neu zu starten, d. h. dessen nächsten Taktimpuls 2 b auf den Kommutationszeit­ punkt zu synchronisieren.

In Fig. 2, zweite Kurve ersieht man solche, auf Schrittimpulse 1 synchronisierte Taktimpulse 2b des Os­ zillators OSC; es sind diejenigen Taktimpulse 2b, die zu ihrem jeweiligen Vorläufer einen geringeren Abstand als die Periodendauer T aufweisen.

Wie anhand der durchgezogenen dargestellten Stromverläufe 2b, 4b zweier Phasenwicklungen W verdeutlicht ist, wer­ den Kommutationsbefehle (Schrittimpulse 1) infolge der unverzögerten Ausgabe neu synchronsierter Taktimpulse 2b der Stromregelung unverzögert befolgt, so daß auch die schraffiert eingezeichnete Stromzeitfläche genutzt wird und eine gleichmäßigere sowie ruhigere Drehmoment­ entwicklung erzielt wird.

Fig. 4 zeigt ein Zeitdiagramm zur Gegenüberstellung der Rotorgeschwindigkeiten eines Schrittmotors bei einem Positioniervorgang mit herkömmlicher (Diagramm A) bzw. erfindungsgemäßer (Diagramm B) Stromregeleinrichtung.

Wie ersichtlich, verläuft die Rotorgeschwindigkeit eines erfindungsgemäß gespeisten Elektromotors (s. untere Kurve B) wesentlich gleichmäßiger und glatter als an einem herkömmlich gespeisten Elektromotor (s. obere Kurve A). Dementsprechend läuft ein solcherart gespeister Elektro­ motor runder und ruhiger.

Claims (2)

1. Schaltvorrichtung zum Schalten einer Stromerregung der Statorwicklungen (W) eines elektronisch betriebenen Schrittmotors, umfassend die folgenden Merkmale:

• a) eine Sequenzerschaltung zum Erzeugen von Kommutiersignalen (x, y) und von Synchronisierimpulsen im Ansprechen auf einen Schrittimpuls (1);
• b) eine Kommutiereinrichtung (G1, G2) zur Kommutation einer Schalteinrichtung (S1, S2) zum Schalten des Stromflusses durch die jeweilige Statorwicklung (W) im Ansprechen auf die Kommutiersignale (x, y):
• c) eine Stromregeleinrichtung (Rs, K, FF, OSC) zum Regeln des jeweiligen Stromflusses durch die Statorwicklung (W) auf einen vorgegebenen Wert, mit einem Komparator (K) zum Ausgeben eines Vergleichssignals bei Überschreiten des vorgegebenen Wertes, wobei die Stromregeleinrichtung auf der Grundlage des Vergleichssignals ein Steuersignal an die Kommutiereinrichtung (G1, G2) zum Unterbrechen des Stromflusses in der jeweiligen Statorwicklung (W) ausgibt; und
• d) eine Synchronisationseinrichtung verbunden mit der Stromregeleinrichtung (Rs, K, FF, OSC) zur Synchronisation des Schaltens des Stromflusses in einer jeweiligen Statorwicklung (W) auf jeden Synchronisierimpuls (1);
  dadurch gekennzeichnet, daß
• e) die Stromregeleinrichtung (Rs, K, FF, OSC) umfaßt:
  • - eine bistabile Kippstufe (FF), deren Rücksetzeingang (R) das Vergleichssignal des Komparators (K) empfängt und deren Ausgang (Q) das Steuersignal an die Kommutiereinrichtung (G1, G2) ausgibt; und
  • - einen triggerbaren Taktgenerator (OSC) zum Liefern einer Impulsfolge (2a, 2b) an einen Setzeingang (S) der bistabilen Kippstufe (FF); und
• f) die Synchronisationseinrichtung mit dem Triggereingang des Taktgenerators (OSC) verbunden ist, zum Triggern des Taktgenerators (OSC) im Ansprechen auf jeden Synchronisierimpuls (1).

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutiereinrichtung (G1, G2) aus zwei UND-Gattern (G1, G2) besteht, die jeweils an ihren ersten Eingang ein Kommutiersignal (x, y) empfangen und an ihrem zweiten Eingang das Steuersignal der Stromregeleinrichtung, wobei die UND-Gatter (G1, G2) Schaltsignale an steuerbare Umschalter (S1, S2) der Schalteinrichtung abgeben, um einen Stromfluß durch die Statorwicklung (W) in einer ersten Stromflußrichtung oder in der entgegengesetzten Stromflußrichtung zu ermöglichen.