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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Motorsteuerschaltung für einen
redundanten Schrittmotor mit: einem Satz primärer Motorwicklungen; einer
primären
Spannungsquelle; einem ersten Satz von Leistungsschaltern, die die
primäre
Spannungsquelle mit den primären
Motorwicklungen verbindet, wobei jeder Schalter in dem ersten Satz
von Leistungsschaltern mit einer jeweiligen Motorwicklung in dem Satz
von primären
Motorwicklungen verbunden ist; einem ersten Schalttreiber, der mit
dem ersten Satz von Leistungsschaltern verbunden ist; einem Satz von
redundanten Motorwicklungen; einer redundanten Spannungsquelle;
einem zweiten Satz von Leistungsschaltern, die die redundante Spannungsquelle mit
dem Satz von redundanten Motorwicklungen verbinden, wobei jeder
Schalter in dem zweiten Satz von Leistungsschaltern mit einer jeweiligen
redundanten Motorwicklung in dem Satz von redundanten Motorwicklungen
verbunden ist; einem zweiten Schalttreiber, der mit dem zweiten
Satz von Leistungsschaltern verbunden ist; einer Schrittbefehlsquelle,
die mit den ersten und zweiten Schalttreibern verbindbar ist; einer
Phasensynchronisierungseinrichtung, die mit dem ersten Schalttreiber
und dem zweiten Schalttreiber zum Errichten eines Verhältnisses
zwischen vorbestimmten primären
und redundanten Motorwicklungen verbunden ist; einem ersten Leitwegschalter zum
Steuern der Lieferung von Schrittbefehlen von der Schrittbefehlsquelle
an den ersten Schalttreiber; und einem zweiten Leitwegschalter zum
Steuern der Lieferung von Schrittbefehlen von der Schrittbefehlsquelle
an den zweiten Schalttreiber.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum gleichzeitigen
Betreiben von primären und
redundanten Motorwicklungen in einem redundanten Schrittmotorsystem
mit: einem Satz von primären
Motorwicklungen, einem Satz von redundanten Motorwicklungen, einem
Satz von Leistungsschaltern für
jeden Satz von Motorwicklungen, einem Schalttreiber für jeden
Satz von Leistungsschaltern, einem Leitwegschalter für jeden
Schalttreiber und einer Phasensynchronisierungsein richtung, wobei
das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Schließen von
beiden Leitwegschaltern; Initialisieren eines ersten Schalttreibers,
um vorbestimmte Wicklungen der primären Motorwicklungen mit Energie
zu versorgen; Initialisieren eines zweiten Schalttreibers, um vorbestimmte
Wicklungen der redundanten Motorwicklungen mit Energie zu versorgen;
Errichten eines Phasenverhältnisses
zwischen primären
und redundanten Motorwicklungen; wobei das Motordrehmoment und der
Energieverbrauch durch die Phasenbeziehung zwischen vorbestimmten
primären
und redundanten Motorwicklungen bestimmt sind.
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Ein
derartiges Verfahren und eine derartige Motorsteuerschaltung sind
aus
US 4,434,389 bekannt.
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Ein
Schrittmotor-Steuersystem wird in der
US
3,648,144 offenbart. Ein derartiges Schrittmotor-Steuersystem
für Motoren
weist zumindest zwei Pole auf, wobei jeder Pol eine bifilare Wicklung
mit zwei Eingangspunkten aufweist, wobei Energie wahlweise an die
zwei Eingangspunkte in Übereinstimmung
mit einer vorbestimmten Sequenz angelegt wird.
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Die
vorliegende Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung getätigt. Die
US-Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Motorsystem mit redundanten
Motorwicklungen und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Manipulieren
einer Motorleistung und eines Motordrehmoments eines Motorsystems
mit redundanten Motorwicklungen.
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Ein
Schrittmotor ist eine elektromagnetische Vorrichtung, die eine Reihe
von Eingangsenergieimpulsen bzw. -schritten in diskrete Winkelbewegungen wandelt.
Die sequentiellen Energieimpulse werden aufeinanderfolgend an verschiedene
Wicklungen in dem Motor geliefert.
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Zum
Verbessern einer Zuverlässigkeit
können
Schrittmotoren redundante Motorwicklungen und eine Treiberelektronik
aufweisen. Ein redundanter Schrittmotor weist primäre Motorwicklungen
und redundante Motorwicklungen auf. Jeder Satz von Wicklungen weist
eine Treiberelektronik auf, die damit verknüpft ist. Die redundanten Motorwicklungen
und die Treiberelektronik ermöglichen
eine Sicherung bzw. ein Backup für
die primären
Wicklungen und die Treiberelektronik im Falle eines Ausfalls bzw.
Versagens.
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Es
stellt allgemein gängige
Praxis dar, ein Motorsystem mit einer Fähigkeit zu mehr Drehmoment
zu konstruieren, um unvorhergesehene Ausfälle oder Verschlechterungen
im System handzuhaben, das der Motor antreibt. Bei Anwendungen von redundanten
Motorsystemen resultiert diese Praxis in großen, schweren und teuren Motorsystemen.
Im Wesentlichen weist ein redundantes Motorsystem doppelt so viele
Komponenten auf. In der Praxis werden die Komponenten üblicherweise
größer als
erforderlich dimensioniert, um unvorhergesehenen Widerständen oder
Belastungsanforderungen Rechnung zu tragen, die auftreten können, obwohl
diese redundanten Systeme im Wesentlichen ungenutzt sind, bis ein
Fehler auftritt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Erhöhen eines
Energieverbrauchs, und in einigen Fällen eines Motordrehmoments,
durch gleichzeitiges Betätigen
von primären und
redundanten Motorwicklungen und einer Treiberelektronik in einem
redundanten Schrittmotorsystem dar. Die vorliegende Erfindung betreibt
gleichzeitig vorbestimmte primäre
und redundante Motorwicklungen und errichtet ein Phasenverhältnis, um
das durch die Wicklungen erzeugte Drehmoment zu kombinieren. Der
Energieverbrauch wird unabhängig
von der Phasenbeziehung zwischen den vorbestimmten Motorwicklungen
erhöht.
Die Phasenbeziehung zwischen Wicklungen ist in Phase, um das Drehmoment zu
erhöhen,
und außer
Phase, um ein Drehmoment von Null zu bewirken.
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Verschiedene
Kombinationen der primären und
redundanten Motorwicklungen sind abhängig von dem gewünschten
Ergebnis möglich.
Ein Betreiben der primären
und redundanten Motorwicklungen in Phase miteinander wird das Motor drehmoment und
den Energieverbrauch verdoppeln. Diese Anwendung kann verwendet
werden, um eine Hemmung oder eine andere höhere Drehmomentsbelastung zu überwinden.
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Ein
Betreiben der primären
und redundanten Motorwicklungen mit einem Verhältnis einer 90°-Phasenverschiebung
wird den Energieverbrauch verdoppeln und das Drehmoment um weniger
als 50% erhöhen.
Diese Anordnung ist für
Anwendungen nützlich, wenn
ein erhöhtes
Motordrehmoment gebraucht wird, jedoch besteht ein Beschädigungsrisiko
für die Systemkomponenten,
falls das Drehmoment verdoppelt wird.
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Ein
Betreiben der primären
und redundanten Wicklungen außer
Phase wird den Energieverbrauch verdoppeln und in einem Drehmoment
von Null resultieren. Dieser Betriebsmodus ist zum Erzeugen von Wärme für den Motor
oder seine Umgebung nützlich, wobei
kein Drehmoment erzeugt wird. Im Falle eines fehlerhaften Wärmesteuersystems
wird dieses Verfahren beispielsweise Wärme erzeugen, ohne einen Motorverschleiß hervorzurufen.
Auch ist es möglich, die
Temperatur eines Motors zu erhöhen,
um eine Hemmung zu überwinden,
ohne den zyklischen Verschleiß zu
induzieren, der aus einem blockierten Motorsystem resultiert, das
mit einer Drehmomentserzeugung fortfährt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nützlichkeit
von redundanten Schrittmotor-Steuersystemen zu verbessern. Es ist
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen zusätzlichen
Energieverbrauch und ein zusätzliches Motordrehmoment
durch gleichzeitiges Betreiben von primären und redundanten Treiberschaltungen zu
ermöglichen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dem Motorsystem
Wärme bereitzustellen, ohne
ein Drehmoment durch gleichzeitiges Betreiben von vorbestimmten
primären
und redundanten Motorwicklungen zu induzieren, die außer Phase
sind.
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Weitere
Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich,
wenn man sie im Licht der detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen und den angehängten
Ansprüchen
sieht.
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Dies
wird durch ein Motorsteuersystem der eingangs erwähnten Art
erzielt, wobei die Phasensynchronisierungseinrichtung eingestellt
ist, um das Verhältnis
zwischen vorbestimmten primären
und redundanten Motorwicklungen derart zu errichten, dass die Wicklungen
außer
Phase zueinander arbeiten, wobei ein Energieverbrauch verdoppelt
und kein Drehmoment erzeugt wird.
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Dies
wird des Weiteren durch das Verfahren der eingangs erwähnten Art
erzielt, wobei der Schritt eines Errichtens einer Phasenbeziehung
zwischen den Motorwicklungen des Weiteren ein Betreiben vorbestimmter
primärer
und redundanter Motorwicklungen außer Phase umfasst, wobei ein
Energieverbrauch verdoppelt und kein Drehmoment erzeugt wird.
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Damit
die Erfindung gut verständlich
ist, werden nun einige Ausführungsformen
derselben im Wege eines Beispiels beschrieben werden, wobei auf die
beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
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1 ein
schematisches Diagramm der Motorsteuerschaltung der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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2 ein
Satellitensystem darstellt, das die Motorsteuerschaltung der vorliegenden
Erfindung umfasst.
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1 stellt
ein schematisches Diagramm des redundanten Schrittmotorsystems 10 einschließlich einer
Steuerschaltung 11 der vorliegenden Erfindung dar. Ein
redundanter Schrittmotor 12 mit vier primären Motorwicklungen 14A, 14B, 14C und 14D und
vier redundanten Motorwicklungen 16A, 16B, 16C und 16D erzeugt
ein Motordrehmoment, wenn jede Motorwicklung mit Energie versorgt
wird. Das Drehmoment ändert
sich sinusförmig
als Funktion der Winkelstellung des Rotors (nicht gezeigt) des Motors.
In einem typischen Schrittmotor ist das in jeder Wicklung erzeugte
Drehmoment um 90° phasenverschoben
zu seinem Nachbar. Deshalb kann man den Motor durch aufeinanderfolgendes
unter Energie setzen von jeder Wicklung drehen lassen.
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Bei
dem redundanten Schrittmotor-Steuersystem der vorliegenden Erfindung
ist eine primäre Spannungsquelle 18 mit
primären
Motorwicklungen 14A–14D durch
einen Satz von Leistungsschaltern 20A–20D verbunden. Eine
redundante Spannungsquelle 22 ist mit den redundanten Motorwicklungen 16A–16D durch
einen Satz von Leistungsschaltern 20A–20D verbunden. Ein
Schalttreiber 26 steuert den Betrieb der Leistungsschalter 20A–20D für die primären Motorwicklungen 14A–14D.
Ein separater Schalttreiber 28 steuert den Betrieb der
redundanten Motorwicklungen 16A–16D durch den zugehörigen Satz
von Leistungsschaltern 20A–20D.
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Die
Schalttreiber 26 und 28 empfangen Schrittraten-
und Schrittrichtungsbefehle von einer Schrittbefehlsquelle 30.
Die Schrittbefehle werden mittels eines primären Leitwegschalters 32,
der mit dem Schalttreiber 26 für die primären Motorwicklungen 14A–14D verbunden
ist, und eines redundanten Leitwegschalters 34 geleitet,
der mit dem Schalttreiber 28 für die redundanten Motorwicklungen 16A–16D verbunden
ist. Wenn der primäre
Leitwegschalter 32 geschlossen ist, ist die primäre Motortreiberschaltung
aktiv, und wenn der redundante Leitwegschalter 34 geschlossen
ist, ist die redundante Motortreiberschaltung aktiv.
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Eine
Phasensynchronisierungseinrichtung 36 errichtet die Betriebsbedingungen
für die
Motorsteuerschaltung 11. Die Phasensynchronisierungseinrichtung 36 steuert
die Konfiguration der Schalttreiber 26 und 28 und
steuert, welcher der mit jedem Treiber verknüpften Schalter beim Empfang
der Schrittbefehle von der Schrittbefehlsquelle 30 geschlossen
wird.
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In
der Motorsteuerschaltung 11 der vorliegenden Erfindung
sind die Schalter 32 und 34 beide geschlossen
und die primären
und redundanten Motorwicklungen werden gleichzeitig betrieben. Die Phasensynchronisierungseinrichtung 36 steuert
das Phasenverhältnis
zwischen den Schalttreibern 26 und 28. Eine Manipulation
des Phasenverhältnisses zwischen
den Schalttreibern, während
die primären und
redundanten Motorschaltungen gleichzeitig aktiv sind, ermöglicht eine
Steuerung eines Motordrehmoments und des Energieverbrauchs.
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Wenn
die primären
und redundanten Motorwicklungen gleichzeitig unter Energie gesetzt
sind, ist die Motorleistung verdoppelt. Wenn die primären und redundanten
Wicklungen in Phase zueinander sind, d.h. 14A und 16A bzw. 14A und 16B,
wird das von jeder erzeugte Motordrehmoment kombiniert werden. Dies
ermöglicht
es dem redundanten Motorsystem, dem primären Motorsystem eine Sicherung
durch Vorsehen von zusätzlichem
Drehmoment in Situationen bereitzustellen, wenn es angefordert wird.
Da die Motoren gleichzeitig betätigt
werden, um das erforderlich zusätzliche
Drehmoment zu erreichen, müssen
die Motoren nicht überdimensioniert
werden. Deshalb ist das Motorsystem leichter und weniger teuer im
Vergleich zu redundanten Motorsystemen gemäß dem Stand der Technik, die
entweder den primären
Motor oder den redundanten Motor betreiben.
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Bei
der Motorsteuerschaltung der vorliegenden Erfindung sind die primären und
redundanten Motorwicklungen in Phase miteinander synchronisiert.
Ein unter Energie setzen z.B. der primären Motorwicklungen 14A und
der redundanten Motorwicklung 16A in Phase resultiert darin,
dass das Motordrehmoment und der Energieverbrauch verdoppelt werden.
Es versteht sich, dass in Abhängigkeit
von der besonderen Motorkonstruktion die magnetische Schaltung des
Motors in Sättigung
gehen könnte, was
in weniger als einer Drehmomentsverdopplung resultiert.
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Ein
gleichzeitiges Betreiben der primären und redundanten Motorwicklungen
in Phase ist insbesondere von Vorteil bei Anwendungen, die eine hohe
Drehmomentsbelastung erfordern, wenn es z.B. notwendig ist, eine
Hemmung in Motoren zu überwinden,
die in Satellitenanwendungen eingesetzt werden. 2 stellt
ein Beispiel eines Satellitensystems 100 dar, das redundante
Schrittmotoren (nicht gezeigt) verwendet. Redundante Schrittmotoren
könnten
z.B. verwendet werden, um eine Bewegung der Antennen 102 und
der Solarfelder 103 zu bewirken. Es ist festzustellen,
dass 2 lediglich ein Beispiel darstellt und nicht dazu
gedacht ist, die vorliegende Erfindung zu beschränken.
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Bei
der Motorsteuerschaltung der vorliegenden Erfindung können die
primären
und redundanten Motorwicklungen mit einer 90°-Phasenverschiebung relativ
zueinander betrieben werden. Unter Rückbezug auf 1 wird
z.B. eine 90°-Phasenverschiebung
erzielt, indem die primäre
Wicklung 14A und die redundante Wicklung 16B gleichzeitig
unter Strom gesetzt werden. Der Energieverbrauch des Motors wird
verdoppelt, und das Drehmoment wird um weniger als 50% erhöht. Dieses
Verfahren ist insbesondere für
Anwendungen von Vorteil, wenn es notwendig ist, eine hohe Drehmomentsbelastung
zu überwinden,
ein zu hohes Drehmoment aber möglicherweise eine
Beschädigung
hervorrufen könnte.
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Bei
der Motorsteuerschaltung der vorliegenden Erfindung können die
primären
und redundanten Wicklungen außer
Phase relativ zueinander betrieben werden. Ein gleichzeitiges Unter-Strom-Setzen z.B.
der primären
Wicklung 14A und der redundanten Wicklung 16C kann
eine doppelt so große
Motorleistung erzeugen, das Motordrehmoment wird jedoch Null sein.
Dieses Verfahren erzeugt Wärme
ohne den Motor zu bewegen, so dass eine Anwendung, die Wärme für den Motor
oder seine Umgebung braucht, aus diesem Betriebsmodus einen Vorteil
ziehen würde.
Ein Fehler im Wärmesteuersystem
eines Satelliten würde
z.B. einen Vorteil aus diesem Betriebsmodus ziehen. Es ist auch
möglich,
die Temperatur eines blockierten Motors zu erhöhen, um eine Hemmung zu überwinden,
die die zyklische Abnutzung induzieren würde, die aus einem Motor resultiert,
der fortfährt,
ein Drehmoment zu erzeugen, während
er blockiert ist.
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Während besondere
Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, werden dem Fachmann
zahlreiche Abwandlungen und alternative Ausführungsformen einfallen. Dementsprechend
ist es beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch die angehängten Ansprüche begrenzt
ist.