DE4003522A1 - Motor, insbesondere schrittmotor mit regler sowie verfahren zum betreiben von diesem motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor, insbesondere einen Schrittmotor mit einem dem Motor vorgeschalteten, einen Sollwert- und einen Istwerteingang aufweisenden Regler, insbesondere einem Stromregler.

Schrittmotore werden meist stromgeregelt betrieben, wo­ bei die einzelnen Motorphasen mit konstantem Strom ge­ speist werden. Mit zunehmender Drehzahl nimmt etwa pro­ portional hierzu die Gegen-EMK zu, die der Betriebs­ spannung entgegen gerichtet ist. Der Stromregler stellt die Betriebsspannung immer höher ein, bis eine physikalische Grenze (vorhandene Maximalspannung) erreicht ist und die Spannung konstant bleibt. Durch die mit zunehmender Dreh­ zahl größer werdende Gegen-EMK wird die resultierende, wirksame Spannung kleiner, so daß ab einer bestimmten Drehzahl der vorgegebene Konstantstrom nicht mehr auf­ recht erhalten werden kann und kleiner wird. Das Dreh­ moment des Motors sinkt ebenfalls. Der fließende Motor­ strom ist nun vollständig von der EMK und der angelegten Spannung abhängig.

Ab diesem Bereich besteht verstärkt die Gefahr, daß ins­ besondere bei geringer Last Drehmoment- und Drehzahlschwan­ kungen bzw. Resonanzen auftreten, die unter Umständen auch zum Ausrasten des Motors führen können, da ab diesem Bereich ein Regeleingriff nicht mehr vorhanden ist.

Bei einer Störung im System tritt entsprechend eine Drehzahl­ änderung ein, die sich sofort auf die EMK und den Motorstrom auswirkt. Hieraus resultiert wiederum eine Drehmomentschwankung und damit verbunden eine weitere Drehzahländerung. Es ergibt sich eine unstabile Arbeitsweise.

Es sind bereits Schaltungen bekannt, die Motorresonanzen weit­ gehend verhindern. Dabei wird der Motorstrom überwacht und beim Auftreten von Resonanzen enthält dieser Strom eine Wechselkomponente mit der Resonanzfrequenz des Motors. Aus diesem Signal wird eine Steuerspannung gewonnen, welche durch Beeinflussen der Motorgeschwindigkeit einer Drehzahländerung entgegenwirkt. Hiermit gelingt es zwar, die Resonanzen zu dämpfen und einen stabileren Motorlauf zu bewirken, jedoch müssen hier Resonanzen zunächst in einem Maß auftreten, daß entsprechend reagiert werden kann. Nachteilig ist hierbei auch, daß der erforderliche Aufwand vergleichsweise groß ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Laufverhalten eines Motors der eingangs erwähnten Art, insbesondere eines Schrittmotors zu verbessern, wobei der Arbeitsbereich mit stabilem Laufverhalten auf Bereiche mit höheren Drehzahlen erweitert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen, daß dem Stromregler ein Zusatzregler zur Über­ wachung der Aussteuergrenze des Stromreglers und zur Redu­ zierung des Strom-Sollwertes bei Annäherung an die Aus­ steuergrenze des Stromreglers vorgeschaltet ist. Dadurch bleibt der Regeleingriff des Reglers und somit dessen Arbeitsbereich über den gesamten Drehzahlbereich des Motors erhalten, so daß der Regler in der Lage ist, auch im oberen Drehzahlbereich Störungen im System, die sonst zu unerwünsch­ ten Resonanzen führen, auszuregeln. Damit wird eine Instabili­ tät wirksam unterbunden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Zusatz­ regler einen Integralregler sowie ein Summierglied mit einem Sollwerteingang und einem Istwerteingang für den Motorstrom beinhaltet.

Am Sollwerteingang des Summiergliedes kann ein maximal mög­ licher Stromwert vorgegeben werden. Die am Istwerteingang, der mit dem Ausgang des Stromreglers verbunden ist, anstehen­ de Meßgröße wird mit dem Sollwert verglichen und die Differenz steuert den Integralregler. Dieser reduziert ggf. den vorgegebenen Nennstrom des Motors soweit, daß der Strom­ regler in seinem Arbeitsbereich und somit unterhalb der Aus­ steuergrenze bleibt.

Zwischen den Zusatzregler und den Stromregler ist ein Summier­ glied geschaltet, das einen Eingang zur Vorgabe des Motor- Nennstromes, einen mit dem Ausgang des Zusatzreglers verbun­ denen weiteren Eingang sowie einen an den Sollwert-Eingang des Stromreglers angeschlossenen Ausgang aufweist.

Bei diesem Summierglied erfolgt ein Vergleich zwischen dem vorgegebenen Nennstrom und einem eventuell vorhandenen, am Ausgang des Zusatzreglers anstehenden Korrektursignal, wobei der Sollstrom des Motors ggf. soweit reduziert wird, daß der Stromregler noch unterhalb seiner Aussteuergrenze arbeitet.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum geregelten Be­ treiben eines Elektromotors, insbesondere eines Schrittmotors, wobei der Motor mit durch einen Sollwert vorgegebenem Kon­ stantstrom betrieben wird und wobei dieser Strom durch die der Betriebsspannung entgegen gerichtete EMK beim Erreichen der Regler-Aussteuergrenze abfällt. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren ist dadurch gekennzeichnet, daß bei abfallendem Strom- Istwert der Strom-Sollwert mit einem vorgebbaren Abstand zur Aussteuergrenze reduziert wird. Es ergeben sich dadurch die bereits eingangs beschriebenen Vorteile, wobei durch die Re­ duzierung des Strom-Sollwertes Abstand zur Aussteuerungs­ grenze des Reglers geschaffen wird.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfin­ dung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt:

Ein Blockschaltbild mit Motor, Regler und Zusatzregler.

Das Blockschaltbild zeigt einen Motor M mit einem Reglerblock 1 sowie einem Zusatzregler 2.

Der Motor M, der beispielsweise ein Schrittmotor sein kann, enthält eine Motorwicklung 3, die sich wie eine Induktivität mit ohmschem Anteil verhält. Der drehende Motor erzeugt eine EMK, die durch einen Generator G dargestellt ist.

Der Reglerblock 1 und der Zusatzregler 2 sind jeweils zur Verdeutlichung strichpunktiert umgrenzt. Innerhalb des Reglersystemes 1 befindet sich ein Stromregler 4, diesem nachgeschaltet ein Summierglied S1 sowie dem Stromregler vorgeschaltet ein Summierglied S2.

Der in der Motorwicklung 3 fließende Strom bildet sich am Ausgang 5 des Summiergliedes S1 aus einer am Ausgang 6 des Stromreglers anstehenden Betriebsspannung abzüglich der am Minus-Eingang 7 des Summiergliedes S1 anstehenden, der Betriebsspannung entgegen gerichteten EMK, die von dem Generator G kommt. Der Stromregler-Ausgang 6 ist an den Plus- Eingang des Summiergliedes S1 angeschlossen.

Der in die Wicklung 3 fließende Motorstrom wird gemessen, über die Leitung 11 dem Summierglied S2 zugeführt und dort mit dem am Solleingang 9 von S2 anstehenden Soll-Stromwert verglichen. Die Differenz wird dem Stromregler 4 zugeführt und dieser stellt die Spannung am Ausgang 6 entsprechend so ein, daß der gewünschte Motorstrom fließt.

Wenn die Drehzahl des Motors gesteigert wird, steigt etwa proportional hierzu die EMK mit an. Entsprechend stellt der Stromregler die Spannung zum Ausgleich immer höher ein. Bis­ her erfolgte dies solange, bis eine physikalische Grenze durch die vorgegebene Versorgungsspannung erreicht wurde und dann die Spannung konstant blieb. Als Folge hiervon sinkt bei steigender Drehzahl der Motorstrom ab und das Drehmoment fällt. Ab dieser Drehzahl befindet sich der Stromregler an seiner Aussteuergrenze und ist nicht mehr in der Lage, etwa auftretende Instabilitäten im Motorlauf auszuregeln.

Wie im Blockschaltbild erkennbar wird zur Verbesserung des Laufverhaltens bei höheren Drehzahlen der Sollwert des Strom­ reglers 4 durch einen übergeordneten Zusatzregler 2 so nach­ geführt, daß die zu regelnde Größe von dem Zusatzregler 2 bestimmt wird.

Der Zusatzregler 2 beinhaltet im Ausführungsbeispiel einen Integralregler 10 und ein Summierglied S4.

Zwischen den Zusatzregler 2 und den Regler 1 ist noch ein Summierglied S3 geschaltet. Die Ausgangsgröße des Strom­ reglers 4 (Ausgang 6) wird dem Plus-Eingang 8 des Summier­ gliedes S4 zugeführt und am Minus-Eingang dieses Summier­ gliedes steht ein vorgegebener, maximal möglicher Stromwert an. Der sich aus diesen Eingangsgrößen des Summiergliedes S4 er­ gebende Differenzwert steuert den Integralregler 10, so daß dieser den vorgegebenen, am Plus-Eingang des Summiergliedes S3 anstehenden Nennstromwert des Motors nach dem Summier­ glied S3 soweit reduziert, daß der Stromregler 4 in seinem Arbeitsbereich mit Abstand zu seiner Aussteuergrenze ver­ bleibt. Er ist somit in der Lage, Störungen im System aus­ zuregeln und damit Instabilitäten wirksam zu unterbinden. Bevorzugt handelt es sich im vorliegenden Falle um eine Schrittmotorsteuerung mit Stromregelung. Der Stromregler 4 arbeitet nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation, wobei die Betriebsspannung mit konstanter Frequenz und variablem Tastverhältnis an die Motorwicklung 3 geschaltet wird, so daß sich der gewünschte Motor-Nennstrom einstellt. Vor dem Stromregler 4 findet bei dem Summierglied S2 ein Soll-Ist-Wert-Vergleich statt und der Stromregler 4 stellt aus der Regeldifferenz das Tastverhältnis ein. Die EMK wirkt bei drehendem Motor der angelegten Betriebsspannung entgegen. Wenn die Drehzahl gesteigert wird, steigt auch die EMK und der Stromregler würde das Tastverhältnis auf immer höhere Werte bis zu maximal 100% einstellen. Dieses Kriterium wird herangezogen um festzustellen, wann der Stromregler 4 in die Nähe seiner Aussteuergrenze kommt, wobei er Abstand zur Regel­ grenze am Minus-Eingang des Summiergliedes S4 vorgebbar ist. Bei dem Summierglied S4 erfolgt mit diesem vorgegebenen, maximalen Tastverhältnis von z. B. 95% ein Vergleich mit dem am Plus-Eingang anstehenden, tatsächlich vorhandenen Tastver­ hältnis (Ausgang 6). Die am Ausgang des Summiergliedes S4 anstehende Regeldifferenz steuert den Integralregler 10, der gleichzeitig auch eine Glättung des von dem Summierglied S4 kommenden Signales bewirkt. Das am Ausgang des Integralreglers 10 anstehende und an den Minus-Eingang des Summiergliedes S3 angeschlossene Ausgangssignal einerseits und der Wert des Nennstromes werden in S3 verglichen und als Ausgangsgröße des Summiergliedes S3 ergibt sich ein ggf. reduzierter Sollstrom des Motors, der damit in einem Bereich gehalten wird, so daß der Stromregler 4 unterhalb seiner Aussteuergrenze im Arbeitsbereich verbleibt.

Messungen an Versuchsaufbauten haben gezeigt, daß das Lauf­ verhalten des Motors wesentlich verbessert werden konnte, wobei insbesondere dieses gute Laufverhalten auf den ge­ samten Drehzahlbereich des Motors, also auch bei höheren Drehzahlen, erweitert werden konnte. Die erfindungsgemäße Lösung erfordert dabei keinen Eingriff in die zugeführte Pulsfolge bei Verwendung eines Schrittmotors bzw. vermeidet einen Eingriff in die Drehzahlregelung eines Motors, wobei das Auftreten von Resonanzen verhindert wird, im Gegensatz zu bisher, wo erst auf Resonanzen reagiert wird. Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich mit vergleichs­ weise geringem und gegenüber bisherigen Lösungen erheblich reduzierten Aufwand realisieren.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (7)

1. Motor, insbesondere Schrittmotor, mit einem dem Motor vorgeschalteten, einen Sollwert- und einen Istwert­ eingang aufweisenden Regler, insbesondere einem Strom­ regler, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromregler (4) ein Zusatzregler (2) zur Überwachung der Aussteuergrenze des Stromreglers und zur Reduzierung des Strom-Sollwertes bei Annäherung an die Aussteuergrenze des Stromreglers (4) vorge­ schaltet ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelabstand zur Aussteuergrenze des Stromreglers (4) über den gesamten Betriebsbereich gleich oder größer ist als während des Betriebes auftretende Störgrößen.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (4) mit Pulsbreitenmodulation arbeitet und daß das Tastverhältnis kleiner als 100%, vorzugsweise z. B. 95% beträgt und gegebenenfalls ein­ stellbar ist.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zusatzregler (2) einen Integralregler (10) sowie ein Summierglied (S4) mit einem Sollwert­ eingang und einem Istwerteingang für den Motorstrom oder dergleichen beinhaltet.

5. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen den Zusatzregler und den Strom­ regler (1) ein Summierglied (S3) geschaltet ist, das einen Eingang (Plus-Eingang) zur Vorgabe des Motor-Nenn­ stromes, einen mit dem Ausgang des Zusatzreglers (2) ver­ bundenen, weiteren Eingang (Minus-Eingang) sowie einen an den Sollwert-Eingang (9) des Stromreglers (1) ange­ schlossenen Ausgang aufweist.

6. Verfahren zum geregelten Betreiben eines Elektromotors, insbesondere eines Schrittmotors, wobei der Motor mit durch einen Sollwert vorgegebenem Konstantstrom be­ trieben wird und wobei dieser Strom durch die der Be­ triebsspannung entgegen gerichtete EMK bei Erreichen der Regler-Aussteuergrenze abfällt, dadurch gekennzeichnet, daß bei abfallendem Strom-Istwert der Strom-Sollwert mit einem vorgebbaren Abstand zur Aussteuergrenze reduziert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor von einem pulsbreiten-modulierten Regler ange­ steuert wird und daß das Tastverhältnis unter der Aus­ steuergrenze gehalten wird.