DE4434577A1

DE4434577A1 - Stepper motor with step-angle monitoring

Info

Publication number: DE4434577A1
Application number: DE4434577A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Ing Hans; Johann Von Der Dipl Ing Heide; Eberhard Dipl Ing Wuensch
Original assignee: PM DM GmbH; Precision Motors Deutsche Minebea GmbH
Current assignee: PM DM GmbH; Precision Motors Deutsche Minebea GmbH
Priority date: 1994-09-28
Filing date: 1994-09-28
Publication date: 1996-04-04

Abstract

The stepping motor comprises a rotor (1) and a stator (2) with stator coils (4). It contains a control sensor coil (5) firmly connected to the stator, with the sensor coil pref. of annular shape. It is typically orthogonally arranged w.r.t. the stator coils. The sensor coil may be located within the rotor. Alternatively it may be located within the stator and serves for the control of the stepping sequence and the step angular precision. The sensor coil can be subsequently fitted to the stepping motor in the rotor between both stack halves.

Description

Bei einem Schrittmotor (Stepper) muß das mechanische System recht genau sein, damit die Schrittwinkelgenauigkeit gut ist, das heißt, insbesondere die Zähne der Statorbleche und die Zähne des Rotors müssen mechanisch genau sein. Um die Schrittwinkelgenauigkeit bzw. den Ausfall einzelner Schritte zu überprüfen und gegebenenfalls nachzuregeln, werden z. B. optische Sensorsysteme verwendet, die die Einhaltung des Schrittwinkels überprüfen. Diese Sensoren verursachen einen erheblichen Aufwand, da die Systeme mindestens die gleichen Genauigkeit aufweisen müssen, wie das mechanische System, um Abweichungen des Schrittwinkels zu erkennen.With a stepper motor (stepper) the mechanical system be quite accurate so the step angle accuracy is good is, that is, in particular the teeth of the stator laminations and the teeth of the rotor must be mechanically accurate. About the step angle accuracy or the failure of individual Check steps and adjust if necessary, z. B. optical sensor systems used Check compliance with the step angle. These sensors cause a lot of effort since the systems must have at least the same accuracy as the mechanical system to detect step angle deviations to recognize.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schritt motor mit einem Sensorsystem vorzuschlagen, welches unter Ausnutzung der ohnehin schon vorhandenen mechanischen Genauigkeit des Schrittmotors eine Überwachung der Schritt winkelgenauigkeit bzw. des Ausfalls einzelner Schritte ermöglicht.The object of the present invention is a step propose motor with a sensor system, which under Exploitation of the already existing mechanical Accuracy of the stepper motor monitoring the step angular accuracy or the failure of individual steps enables.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruches 1 genannten Merkmal gelöst.According to the invention, this object is characterized by the solved the part of claim 1 mentioned feature.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daß nun im Motor selbst ein Sensorsystem in Form einer ringförmigen Wicklung vorgesehen ist. Dieses Wicklung kann an unter schiedlichen Stellen des Steppers, z. B. im Rotor oder Stator angeordnet sein. Vorzugsweise verläuft diese Wick lung orthogonal zu den Phasenwicklungen, da sich dadurch die beste Genauigkeit und der stärkste Signalpegel er gibt. Natürlich kann die Wicklung, falls notwendig, auch in einem gewissem Grad von der rechtwinkligen Anordnung gegenüber den Phasenwicklungen abweichen.An essential feature of the invention is that Motor itself a sensor system in the form of an annular Winding is provided. This winding can go on under different places of the stepper, e.g. B. in the rotor or Be arranged stator. This wick preferably runs lung orthogonal to the phase windings, because the best accuracy and the strongest signal level gives. Of course, the winding can, if necessary to some extent from the right angle arrangement differ from the phase windings.

Erfindungsgemäß ist die Sensorwicklung in einem gewöhn lichen Stepper zusätzlich in den Rotor zwischen den beiden Stackhälften eingebaut. Die Wicklung ist fest mit der Innenseite des Stators verbunden und ragt in einen Spalt des Rotors, das heißt sie rotiert nicht mit.According to the invention, the sensor winding is common stepper into the rotor between the two Stack halves installed. The winding is tight with the Connected inside the stator and protrudes into a gap of the rotor, that is, it does not rotate with it.

Dabei gibt es einmal die Möglichkeit, diese Wicklung di rekt als Sensorwicklung zu benutzen. Ein Teil des Stator magnetfeldes durchdringt über den Luftspalt und durch den Rotor diese Sensorwicklung. Die einzelnen Schritte des Steppers induzieren in der Sensorwicklung eine Span nung, die ein Abbild der einzelnen Schritte des Steppers darstellt. Die in der Sensorwicklung induzierte Span nung kann im einfachsten Fall über einen einfachen Filter und einen nachgeschalteten Komparator ausgewertet werden. Auf diese Weise kann man z. B. nur Erkennen, daß der Stepper "außer Tritt gefallen" ist. Es wäre auch denkbar, den Ausfall eines einzelnen Schrittes zu erkennen, jedoch wird hier der Filteraufwand für das Sensorsignal aufwendiger.There is once the possibility of this winding di right to use as a sensor winding. Part of the stator magnetic field penetrates through the air gap and through the rotor this sensor winding. The individual steps of the stepper induce a chip in the sensor winding which is an image of the individual steps of the stepper represents. The span induced in the sensor winding in the simplest case, a simple filter and a downstream comparator can be evaluated. In this way you can e.g. B. only recognize that the stepper "fell out of step". It would also be conceivable the failure recognizing a single step, however, here the filter effort for the sensor signal is more complex.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Sensorwicklung ähnlich einem Resolver als Erregerwicklung zu nutzen, das heißt man koppelt über diese Wicklung eine Wechsel spannung (z. B. 10-15 Kiloherz) in den Rotor und über den Luftspalt in die Statorwicklungen ein. Dieses "höher frequente Signal" kann jetzt in den Statorwicklungen aus gewertet werden, um die Lage des Steppers zu erkennen. Diese Methode erfordert aber gegenüber der oben beschrie benen Methode einen relativ großen, elektronischen Auf wand, ähnlich einer Resolverauswerteschaltung.Another possibility is the sensor winding similar to a resolver to use as a field winding that is, a change is coupled via this winding tension (e.g. 10-15 kilo heart) in the rotor and over the air gap in the stator windings. This "higher Frequent signal "can now be made in the stator windings be evaluated to recognize the position of the stepper. This method requires compared to the one described above This method uses a relatively large, electronic task wall, similar to a resolver evaluation circuit.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die ringförmige Sensorwicklung nicht in den Rotor hineinragen zu lassen, sondern im Bereich des Stators anzuordnen. Hierbei kann die Sensorwicklung z. B. außen, in der Mitte oder nahe des Rotors im Stator angeordnet sein. Auch hier wird bei Schrittbetrieb eine Spannung in der Sensorwicklung indu ziert, jedoch ist die Signalhöhe geringer, als bei Anord nung der Wicklung im Rotorspalt, und das Signal insgesamt dadurch "verrauschter". Da der Signalverlauf derselbe ist, wie bei der Rotoranordnung, können die Signal auch in gleicher Weise ausgewertet werden.Another embodiment provides for the ring-shaped Not to let the sensor winding protrude into the rotor, but to be arranged in the area of the stator. This can the sensor winding z. B. outside, in the middle or close of the rotor in the stator. Here too Step operation a voltage in the sensor winding indu adorns, but the signal level is lower than with Anord voltage of the winding in the rotor gap, and the signal as a whole thereby "noisier". Since the waveform is the same, as with the rotor arrangement, the signals can also be in can be evaluated in the same way.

Es ist also möglich, diese Sensorwicklung prinzipiell also innerhalb des Rotors oder des Stators anzuordnen, jedoch muß diese Wicklung rechtwinklig (zumindest in einem gewissen Grade) zu den Phasenwicklungen angeordnet sein.So it is possible, in principle, this sensor winding thus to be arranged within the rotor or the stator, however, this winding must be rectangular (at least in one certain degrees) to the phase windings.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zwei Ausführungsbeis piele darstelle Zeichnungen erläutert.In the following the invention is based on two examples piele represent drawings explained.

Dabei zeigenShow

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Sensorwicklung, angeordnet im Rotor des Steppers, Fig. 1 shows a first embodiment of the sensor coil disposed in the rotor of the stepper

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Sensorwicklung, angeordnet im Stator des Steppers, Fig. 2 shows another embodiment of the sensor winding arranged in the stator of the stepper

Fig. 3 Darstellung des Sensorsignals bei kleiner Last des Motors, Fig. 3 representation of the sensor signal at a low load of the engine,

Fig. 4 Darstellung des Sensorsignals bei großer Last des Motors, Fig. 4 representation of the sensor signal at a high load of the engine,

Fig. 5 Darstellung des Sensorsignals bei zu großer Last des Motors, Fig. 5 representation of the sensor signal due to excessive load of the engine,

Fig. 6 Darstellung des Sensorsignals bei Betriebsgrenz frequenz des Motors. Fig. 6 representation of the sensor signal at the operating limit frequency of the motor.

Fig. 7 Meßdiagramm des Motors bei Betriebsgrenzfrequenz. Fig. 7 measurement diagram of the engine at the operating limit frequency.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Anordnung der Sensorwicklung innerhalb des Schrittmotors. Man erkennt den Stator 2, in welchem sich die Achse 3 mit Rotor 1 dreht. Weiterhin erkennt man die Statorwicklungen 4. In einer ersten Ausfüh rungsform befindet sich nun die Sensorwicklung 5 innerhalb der beiden Hälften des Rotors 1, ragt also in den Spalt des Rotors hinein. Der Sensor 5 ist aber am Stator 2 befestigt, dreht sich also nicht mit. Gemäß Fig. 2 ist die Sensorwick lung 5 nur im Bereich des Stators 2 angeordnet, in diesem Beispiel am äußeren Umfange des Stators 2. Es ist natürlich jede beliebige Position der Sensorwicklung, insbesondere auch am Innenumfang des Stators 2, denkbar. Figs. 1 and 2 show the arrangement of the sensor coil within the stepper motor. The stator 2 can be seen , in which the axis 3 rotates with the rotor 1 . The stator windings 4 can also be seen. In a first embodiment, the sensor winding 5 is now located within the two halves of the rotor 1 , that is to say it projects into the gap of the rotor. However, the sensor 5 is attached to the stator 2 , so it does not rotate with it. Referring to FIG. 2, the sensor is lung Wick 5 are arranged only in the region of the stator 2 in this example, on the outer circumference of the stator 2. Any position of the sensor winding is of course conceivable, in particular also on the inner circumference of the stator 2 .

Wichtig bei beiden Ausführungsformen ist, daß die Sensor wicklung 5 etwa rechtwinklig zu den Phasenwicklungen des Motors angeordnet ist und gut vom Magnetfeld durchdrungen wird.It is important in both embodiments that the sensor winding 5 is arranged approximately at right angles to the phase windings of the motor and is well penetrated by the magnetic field.

Die Fig. 3 bis 7 zeigen verschiedene Meßdiagramme des Motors unter verschiedenen Belastungen und unterschied lichen Betriebsfrequenzen. Dabei erkennt man im unteren Teil der Diagramme die Erregerspannung 7, das heißt die am Schrittmotortestgerät angelegte Schrittfolge-Frequenz. Im oberen Bereich der Diagramme erkennt man die Sensoraus gangsspannung 8. FIGS. 3 to 7 show various measurement diagrams of the engine under various loads and different current operating frequencies. The excitation voltage 7 , that is to say the step sequence frequency applied to the stepper motor test device, can be seen in the lower part of the diagrams. The sensor output voltage 8 can be seen in the upper area of the diagrams.

Fig. 3 zeigt den Betrieb des Steppers bei kleiner Last und kleiner Schrittfrequenz, etwa 100 Hertz. Dabei er kennt man, daß das Sensorsignal 8 dem Erregersignal 7 folgt, das heißt der Motor ist in Tritt. Wird die Last vergrößert, wie in Fig. 4 zu erkennen ist, kann man dem Sensorsignal 8 entnehmen, daß der Motor nach wie vor in Tritt ist. Fig. 3 shows the operation of the stepper at low load and low step frequency, about 100 Hertz. He knows that the sensor signal 8 follows the excitation signal 7 , that is, the motor is in step. If the load is increased, as can be seen in FIG. 4, it can be seen from the sensor signal 8 that the motor is still in step.

Wird die Last noch mehr vergrößert, wie im Diagramm nach Fig. 5 dargestellt ist, so ist es dem Motor nicht mehr möglich, der angelegten Erregerfrequenz 7 zu folgen und der Motor gerät außer Tritt. Dies erkennt man nun deutlich am Verlauf des Sensorsignales 8, welches keine regelmäßige Ausgangsspannung mehr liefert. Dieses unregelmäßige Sensor signal ist mit geringem Aufwand relativ leicht auszuwerten, so daß entsprechende Maßnahmen gegen das "außer Tritt sein" des Motor ergriffen werden können.If the load is increased even further, as is shown in the diagram according to FIG. 5, the motor is no longer able to follow the excitation frequency 7 applied and the motor gets out of step. This can now be clearly seen in the course of the sensor signal 8 , which no longer provides a regular output voltage. This irregular sensor signal is relatively easy to evaluate with little effort, so that appropriate measures can be taken against the "being out of step" of the engine.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Meßdiagramme, welche das Verhalten des Motors bei Betriebsgrenzfrequenz zeigen. Die Betriebs grenzfrequenz ist diejenige Schrittfrequenz, die dem Motor noch maximal zugemutet werden kann, ohne daß dieser außer Tritt gerät. Im Beispiel nach Fig. 6 ist die Betriebsgrenz frequenz bei ca. 500 Hertz erreicht. Im unteren Teil des Diagrammes erkennt man wieder die Erregerfrequenz 7. Be trachtet man nun das Sensorausgangssignal 8, so wird deutlich, daß der Motor bei dieser Frequenz außer Tritt gerät. Bei geringer Belastung, wie bei der Messung nach Fig. 7, verarbeitet der Motor wesentlich höhere Schrittfrequenzen, so daß er, nach Fig. 7, erst bei ca. 5 Kilohertz außer Tritt gerät, wie das Sensorsignal 8 von Fig. 7 zeigt. FIGS. 6 and 7 show measuring diagrams showing the behavior of the engine during operation limit frequency. The operating cut-off frequency is the step frequency that the motor can still be expected to a maximum without this getting out of step. In the example of Fig. 6, the operating limit frequency is reached at about 500 Hertz. The excitation frequency 7 can be seen again in the lower part of the diagram. Be now looking at the sensor output signal 8 , it is clear that the motor is out of step at this frequency. At low loads, as in the measurement according to FIG. 7, the motor processes significantly higher step frequencies, so that, according to FIG. 7, it does not come out of motion until about 5 kilohertz, as the sensor signal 8 from FIG. 7 shows.

Durch die erfindungsgemäße Sensorwicklung ist es mit ein fachen Mitteln möglich, das einwandfreie Arbeiten eines Steppers zu überprüfen.Due to the sensor winding according to the invention, it is one possible means, the flawless work of a Check steppers.

BezugszeichenlisteReference list

1 Rotor
2 Stator
3 Achse
4 Statorwicklung
5 Sensorwicklung
6 Magnet
7 Erregerspannung
8 Sensorsignal 1 rotor
2 stator
3 axis
4 stator winding
5 sensor winding
6 magnet
7 excitation voltage
8 sensor signal

Claims

1. stepper motor with a rotor ( 1 ) and a stator ( 2 ) with stator windings ( 4 ), characterized in that the stepper motor has a sensor winding development ( 5 ) which is fixed to the stator ( 2 ).

2. Stepper motor according to claim 1, characterized in that the sensor winding ( 5 ) is approximately annular.

3. Stepper motor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the sensor winding ( 5 ) is arranged approximately orthogonally to the stator windings ( 4 ).

4. Stepper motor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sensor winding ( 5 ) is arranged within the rotor ( 1 ).

5. Stepper motor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sensor winding ( 5 ) is arranged within the stator ( 2 ).