DE4003522C2 - Schrittmotor im Konstantstrombetrieb und im spannungsgeführten Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor im Konstantstrombetrieb und im spannungsgeführten Betrieb mit einem dem Motor vorgeschalteten Stromregler, dem ein Strom-Sollwert vorgegeben wird.

Schrittmotoren werden meist stromgeregelt betrieben, wobei die einzelnen Motorphasen mit konstantem Strom gespeist werden (vgl. Mäser, W.: Einführung in die Probleme des Schrittmotorantriebes, STZ, Nr. 48, 1973, Seiten 969 bis 976). Zur Regelung der Wicklungsströme werden Stromregler verwendet, die beispielsweise als Zweipunktregler ausgebildet sein können, die mittels Halbleiterschaltern durch schnelles Ein- und Ausschalten des Stromes die Wicklungsstromstärke regeln (vgl. DE 30 08 312 C2).

Mit zunehmender Drehzahl nimmt etwa proportional hierzu die Gegen-EMK zu, die der Betriebsspannung 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 Drehzahl größer werdende Gegen-EMK wird die resultierende, wirksame Spannung kleiner, so daß ab einer bestimmten Drehzahl der vorgegebene Konstantstrom nicht mehr aufrecht erhalten werden kann und kleiner wird. Das Drehmoment des Motors sinkt ebenfalls. Der fließende Motorstrom ist nun vollständig von der EMK und der angelegten Spannung abhängig.

Ab diesem Bereich besteht verstärkt die Gefahr, daß insbesondere bei geringer Last Drehmoment- und Drehzahlschwankungen 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 Drehzahländerung 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 weitgehend 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 Resonanz 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.

Aus DE-AS 19 06 836 ist bereits ein überlagerter Regler bekannt, der die Verstärkung eines einem Stellmotor zugeordneten Reglers überwacht und beim Überschreiten der Aussteuerungsgrenzen dieses Reglers dessen Verstärkung reduziert. Ein solcher Regler ist jedoch relativ aufwendig, da ein Regelverstärker mit steuerbarem Verstärkungsfaktor benötigt wird.

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

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß dem Stromregler ein Zusatzregler zur Reduzierung des Strom-Sollwertes bei Annäherung an die Aussteuergrenze des Stromreglers vorgeschaltet ist , wobei dem Zusatzregler als Istwert ein der Aussteuerung des Stromreglers entsprechender Meßwert vorgegeben wird und als Sollwert ein Vorgabewert so vorgegeben wird, daß der Regelabstand zur Aussteuergrenze des Stromreglers über den gesamten Betriebsbereich mindestens so groß ist, daß während des Betriebes auftretende Störgrößen ausgeregelt werden.

Dadurch bleibt der Regeleingriff des Reglers und somit dessen Arbeitsbereich über den gesamten Drehzahlbereich des Schrittmotors erhalten, so daß der Regler in der Lage ist, auch im oberen Drehzahlbereich Störungen im System, die sonst zu unerwünschten Resonanzen führen, auszuregeln. Damit wird eine Instabilität wirksam unterbunden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Zusatzregler ein Integralregler ist. Dem Integralregler kann ein Summierglied mit einem Sollwerteingang und einem Istwerteingang für den Motorstrom vorgeschaltet sein.

Am Sollwerteingang des Summiergliedes kann ein maximal möglicher Stromwert vorgegeben werden. Die am Istwerteingang, der mit dem Ausgang des Stromreglers verbunden ist, anstehende Meßgröße wird mit dem Sollwert verglichen und die Differenz steuert den Integralregler. Dieser reduziert ggf. den vorgegebenen Nennstrom des Motors soweit, daß der Stromregler in seinem Arbeitsbereich und somit unterhalb der Aussteuergrenze bleibt.

Zwischen den Zusatzregler und den Stromregler ist ein Summierglied geschaltet, das einen Eingang zur Vorgabe des Motor-Nennstromes, einen mit dem Ausgang des Zusatzreglers verbundenen 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.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt:

Ein Blockschaltbild mit Schrittmotor, Regler und Zusatzregler.

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

Der Schrittmotor M enthält eine Motorwicklung 3, die sich wie eine Induktivität mit ohmschem Anteil verhält. Der drehende Schrittmotor 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 Reglerblocks 1 befindet sich ein Stromregler 4, diesem nachgeschaltet ein Summierglied S 1 sowie dem Stromregler vorgeschaltet ein Summierglied S 2.

Der in der Motorwicklung 3 fließende Strom bildet sich am Ausgang 5 des Summiergliedes S 1 aus einer am Ausgang 6 des Stromreglers anstehenden Betriebsspannung abzüglich der am Minus-Eingang 7 des Summiergliedes S 1 anstehenden, der Betriebsspannung entgegen gerichteten EMK, die von dem Generator G kommt. Der Stromregler-Ausgang 6 ist an den Pluseingang des Summiergliedes S 1 angeschlossen.

Der in die Wicklung 3 fließende Motorstrom wird gemessen, über die Leitung 11 dem Summierglied S 2 zugeführt und dort mit dem am Solleingang 9 von S 2 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 Schrittmotors gesteigert wird, steigt etwa proportional hierzu die EMK mit an. Entsprechend stellt der Stromregler die Spannung zum Ausgleich immer höher ein. Bisher 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 Stromreglers 4 durch einen übergeordneten Zusatzregler 2 so nachgeführt, daß die zu regelnde Größe von dem Zusatzregler 2 bestimmt wird.

Der Zusatzregler 2 beinhaltet im Ausführungsbeispiel einen Integralregler 10 und ein Summierglied S 4.

Zwischen den Zusatzregler 2 und den Regler 1 ist noch ein Summierglied S 3 geschaltet. Die Ausgangsgröße des Stromreglers 4 (Ausgang 6) wird dem Plus-Eingang 8 des Summiergliedes S 4 zugeführt und am Minus-Eingang dieses Summiergliedes steht ein vorgegebener, maximal möglicher Stromwert an. Der sich aus diesen Eingangsgrößen des Summiergliedes S 4 ergebende Differenzwert steuert den Integralregler 10, so daß dieser den vorgegebenen, am Plus-Eingang des Summiergliedes S 3 anstehenden Nennstromwert des Motors nach dem Summierglied S 3 soweit reduziert, daß der Stromregler 4 in seinem Arbeitsbereich mit Abstand zu seiner Aussteuergrenze verbleibt. Er ist somit in der Lage, Störungen im System auszuregeln und damit Instabilitäten wirksam zu unterbinden. 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 S 2 ein Soll-Ist-Wert-Vergleich statt und der Stromregler 4 stellt aus der Regeldifferenz das Tastverhältnis ein. Die EMK wirkt bei drehendem Schrittmotor 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 der Abstand zur Regelgrenze am Minuseingang des Summiergliedes S 4 vorgebbar ist. Bei dem Summierglied S 4 erfolgt mit diesem vorgegebenen, maximalen Tastenverhältnis von z. B. 95% ein Vergleich mit dem am Plus- Eingang anstehenden, tatsächlich vorhandenen Tastverhältnis (Ausgang 6). Die am Ausgang des Summiergliedes S 4 anstehende Regeldifferenz steuert den Integralregler 10, der gleichzeitig auch eine Glättung des von dem Summierglied S 4 kommenden Signales bewirkt. Das am Ausgang des Integralreglers 10 anstehende und an den Minuseingang des Summiergliedes S 3 angeschlossenen Ausgangssignal und der Wert des Nennstromes werden in S 3 verglichen und als Ausgangsgröße des Summiergliedes S 3 ergibt sich ein ggf. reduzierter Sollstrom des Schrittmotors, 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 Laufverhalten des Schrittmotors wesentlich verbessert werden konnte, wobei insbesondere dieses gute Laufverhalten auf den gesamten Drehzahlbereich des Schrittmotors, also auch bei höheren Drehzahlen, erweitert werden konnte. Die erfindungsgemäße Lösung erfordert dabei keinen Eingriff in die dem Schrittmotor zugeführte Pulsfolge bzw. vermeidet einen Eingriff in die Drehzahlregelung des Schrittmotors, wobei das Auftreten von Resonanzen verhindert wird, im Gegensatz zu bisher, wo erst auf Resonanzen reagiert wird. Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich mit vergleichsweise geringem und gegenüber bisherigen Lösungen erheblich reduzierten Aufwand realisieren.

Claims (3)

1. Schrittmotor im Konstantstrombetrieb und im spannungs­ geführten Betrieb, mit einem dem Motor vorgeschalteten Stromregler, dem ein Strom-Sollwert vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromregler (4) ein Zusatzregler (2) zur Reduzierung des Strom-Sollwertes bei Annäherung an die Aussteuergrenze des Stromreglers (4) vorgeschaltet ist, wobei dem Zusatzregler (2) als Istwert ein der Aussteuerung des Stromreglers (4) entsprechender Meßwert vorgegeben wird und als Sollwert ein Vorgabewert so vorgegeben wird, daß der Regelabstand zur Aussteuer­ grenze des Stromreglers (4) über den gesamten Betriebs­ bereich mindestens so groß ist, daß während des Betriebes auftretende Störgrößen ausgeregelt werden.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (4) mit Pulsbreitenmodulation arbeitet und daß das Tastverhältnis kleiner als 100%, vorzugsweise zum Beispiel 95% beträgt und als Vorgabewert einstellbar ist.

3. Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zusatzregler (2) ein Integralregler (10) ist.