DE69313929T2

DE69313929T2 - Steuersystem für Synchronmotor mit Dauermagnetläufer

Info

Publication number: DE69313929T2
Application number: DE69313929T
Authority: DE
Inventors: Michel Guinet; Jean-Francois Hilaire
Original assignee: Crouzet Automatismes SAS
Current assignee: Crouzet Automatismes SAS
Priority date: 1992-06-12
Filing date: 1993-06-09
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2013-06-10
Also published as: EP0574339B1; EP0574339A3; EP0574339A2; FR2692417B1; FR2692417A1; DE69313929D1; US5434492A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor mit magnetisiertem (d.h. Dauermagnet-)Läufer, wie beispielsweise einen Schrittschaltmotor, sowie ein Steuersystem ohne Sensor bzw. Meßfühler für einen derartigen Motor. Ein derartiges Steuersystem benutzt die in den Wicklungen des Motors auftretenden elektromotorischen Gegenkräfte zur Gewinnung von Informationen, welche im wesentlichen die Stellung des Motors anzeigen.
Die meisten Steuersysteme ohne Sensor bzw. Meßfühler werden mit Dreiphasenmotoren verwendet, die Bipolarmotoren sind, d. h. deren Wicklungen von Strömen in beiden Richtungen durchflossen werden.
Die Europäische Patentanmeldung 0 433 219 beschreibt ein Steuersystem mit Detektion der elektromotorischen Gegenkraft (Gegen-EMK) in Anwendung auf einen bipolaren Schrittschaltmotor zur Gewährleistung einer Selbstkommutation des Motors. Die Motoren vom Schrittschalttyp sind Zweiphasenmotoren. Allgemein gesprochen, besteht eine Selbstkommutierung eines Motors darin, daß man dem Motor einen neuen Rotationsbefehl erteilt (ihn zu einem neuen Schritt veranlaßt), sobald durch Detektion festgestellt ist, daß der vorhergehende Befehl (der vorhergehende Schritt) ausgeführt ist.
Ein Nachteil der Verwendung eines Bipolarmotors, wie dies in der Anmeldung 0 433 219 erscheint, besteht darin, daß er zwei Strominverter (oder vier Unterbrecherschalter) je Wicklung benötigt, was die Steuerschaltung kompliziert und teuer macht (acht Unterbrecherschalter im Falle der Anmeldung 0 433 219).
Ein weiterer Nachteil des Systems der Anmeldung 0 433 219 besteht darin, daß die Schaltverbindung der Motorwicklungen in besonderer Weise ausgeführt ist und die Verwendung eines Motors mit acht Speiseadern benötigt. Diese Motoren mit acht Adern sind wenig gebräuchlich und stehen daher in Standardausführung wenig zur Verfügung.
Ein weiterer Nachteil des Systems der Anmeldung 0 433 219 besteht darin, daß während der Erholungsphasen, während welchen die Ströme in den Wicklungen sich umkehren (bei jeder Schrittschaltung), die von dem System gemessenen Spannungen schwierig zu verwerten sind und wenig vorhersehbare Reaktionen des Systems hervorrufen können.
Die Steuerung eines Unipolar-Synchronmotors (d. h. eines Motors, dessen Wicklungen von Strömen nur in einer Richtung durchflossen werden) benötigt nur einen Unterbrecherschalter je Wicklung. Es gibt Steuersysteme ohne Sensoren bzw. Meßfühler für Unipolar-Motoren; sie beruhen jedoch, wie für die Dreiphasenmotoren, auf einer diskontinuierlichen Speisung bzw. Strombeaufschlagung der Wicklungen und gestatten daher keine volle Ausnutzung des Leistungsvermögens (Drehmoment, Wirkungsgrad) des Motors.
Ein Synchronmotor mit einem magnetisierten (Dauermagnet-)Läufer und einem Stator mit zwei Wicklungspaaren, welche im wesentlichen die gleiche Impedanz haben, ist in der Französischen Patentanmeldung 2 600 467 beschrieben. Dieser Motor weist einen frei flottierenden gemeinsamen Punkt auf, mit welchem erste Anschlüsse der Wicklungen verbunden sind, wobei der zweite Anschluß jeder ersten Wicklung eines Paars jeweils über einen entsprechenden ersten Schalter mit einem ersten Speise- bzw. Versorgungsanschluß verbunden ist, und der zweite Anschluß jeder zweiten Wicklung eines Paars über einen zweiten entsprechenden Unterbrecherschalter mit einem zweiten Speise- bzw. Versorgungsanschluß verbunden ist.
Das Steuersystem dieses Motors ist vorgesehen, um die Unterbrecherschalter derart zu steuern, daß sie eine Sequenz von Kombinationen gleichzeitiger Schließzustände eines ersten betreffenden Schalters und eines zweiten betreffenden Schalters bewirken, wobei der Übergang von einer Schließkombination zu einer anderen dazu vorgesehen ist, eine Rotordrehung um einen vorgegebenen Winkel herbeizuführen.
Ein Ziel bzw. Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Gewinnung einer Information über elektromotorische Gegenkräfte ohne Störung in einem herkömmlich verwendeten Standard- Unipolar-Motor.
Ein Ziel bzw. Zweck der vorliegenden Erfindung ist auch die Schaffung eines besonders einfachen Steuersystems in der Betriebsart mit Autokommutation oder in der Schrittschalt- Betriebsart eines Synchronmotors.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Systems, welches während Erholungsphasen einen einwandfreien Betrieb gewährleistet.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, in einem derartigen, bei einem Unipolar-Motor vom Schrittschalttyp angewandten System einen Nachweis der effektiven Ausführung der dem Motor befohlenen Schritte vorzusehen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Systems, das den Nachweis eines Kurzschlusses oder einer Unterbrechung der Wicklung oder des Schalters oder einer zufälligen Verbindung eines Wicklungsanschlusses mit einem Speiseanschluß gestattet.
Gemäß der Erfindung werden diese Ziele durch das Steuersystem nach Anspruch 1 erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung zum Nachweis dafür vorgesehen, daß die mittlere Spannung an dem Mittenpunkt sich der einen oder der anderen an den genannten Speise- bzw. Versorgungsanschlüssen anliegenden Spannung annähert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung dazu vorgesehen, in einem vorgegebenen Zeitintervall zwischen zwei Schritt- Kommutationen das Vorzeichen der Wechselkomponente der Mittenpunkt-Spannung mit einem durch die Parität der Schritt- Kommutierung vorgegebenen Vorzeichen zu vergleichen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung mit der Steuerschaltung verbunden, um für jeden Durchgang der Spannung im flottierenden Mittenpunkt durch einen vorgegebenen Wert eine Schritt-Kommutierung vorzunehmen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung einen Fenster-Komparator auf.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die ersten und die zweiten Wicklungen wechselseitig magnetisch gekoppelt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß jeder Schalter jeweils mit einer Erholungsdiode versehen ist und daß die Steuerschaltung Mittel zum Nachweis der Spannungsumkehr an den Anschlüssen eines Schalters und zum Öffnen wenigstens des benachbarten Schalters aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verbindungsstelle zwischen einem Schalter und einer Wicklung mit dem Steueranschluß des benachbarten Schalters über eine Diode verbunden, die im normalen Betrieb in Sperrrichtung geschaltet ist.
Diese und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungsfiguren näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau und die Schaltverbindung der Wicklungen eines herkömmlichen Unipolar-Synchronmotors mit magnetisiertem (Dauermagnet-)Läufer,
Fig. 2 die Wellenform herkömmlicher Steuersignale für die Wicklungen zum Antrieb des Motors in dem einen oder im anderen Sinn,
Fig. 3 eine Schaltverbindung der Wicklungen eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten Unipolar-Synchronmotors,
Fig. 4 die Wellenformen von Steuersignalen für die Wicklungen und die Spannung in einem Knotenpunkt der Vorrichtung aus Fig. 3,
Fig. 5 ein Beispiel einer Nachweis- bzw. Detektionsschaltung für nicht ausgeführte Schrittegemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 die Wellenformen von an verschiedenen Knotenpunkten der Schaltung aus Fig. 5 auftretenden Signalen,
Fig. 7 einen Aufbau eines Autokommutiersystems eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figg. 8A und 8B Ströme in den Wicklungen des Motors bei einer Umschaltung bzw. Kommutierung von einem Schritt zum folgenden, und
Fig. 9 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Vermeidung eines mit dem Fließen von Erholungsströmen in den Motorwicklungen verbundenen Nachteils.
Vor der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird zunächst ein herkömmlicher Unipolar-Synchronmotor mit magnetisiertem (Dauermagnet-)Läufer sowie eine herkömmliche Schaltung seiner Wicklungen nach dem Stande der Technik beschrieben.

Herkömmlicher Unipolar-Synchronmotor

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Unipolar-Synchronmotors mit magnetisiertem (Dauermagnet-)Läufer. Der Motor weist einen Dauermagnetläufer 10 mit einer Nordpolseite N und einer Südpolseite S auf. Ein Magnetjoch oder Stator 11 umgibt den Rotor 10; er weist um 90 º gegeneinander versetzte und sich in Richtung auf den Rotor erstreckende, als Polschule 12 bezeichnete Elemente auf. Zwei Wicklungen, A (voll ausgezogen dargestellt) und A* (gestrichelt dargestellt), sind im gleichen Wicklungssinn auf zwei gegenüberliegenden Polschuhen 12 vorgesehen. Somit sind diese Wicklungen A und A* untereinander stark magnetisch gekoppelt. Zwei weitere Wicklungen, B (voll ausgezogen dargestellt) und B* (gestrichelt dargestellt), sind in gleicher Weise auf den beiden verbleibenden gegenüberliegenden Polschuhen gewickelt.
Im Bereich jedes Polschuhs sind zwei Drähte angeordnet, deren jeder jeweils mit einer der beiden Wicklungen auf dem Polschuh verbunden ist. Ein erster Draht ist mit einem festen Potential, beispielsweise der Masse G, verbunden, der zweite mit einer Speisespannung VM, und zwar über einen betreffenden Schalter KA, KB, KA* und KB*. Somit liegen die Wicklungen in Sternschaltung an Masse.
Herkömmlicherweise verfügt ein derartiger Motor über sechs Speise- bzw. Versorgungsleitungen bzw. -drähte. Vier Drähte entsprechen denen, die mit den Unterbrecherschaltern verbunden sind. Fünfte und sechste Speise- bzw. Versorgungsleitungen sind mit den Anschlüssen verbunden, die mit der Masse der Wicklungen A und A*, bzw. mit den Anschlüssen, die mit der Masse der Wicklungen B und B* verbunden sind.
Im folgenden ist ein Steuersignal eines Schalters K mit demselben Bezugszeichen wie die zugehörige Wicklung bezeichnet.
Fig. 2 veranschaulicht die Wellenformen der Steuersignale A, B, A* bzw. B* für einen Drehsinn S des Rotors und einen entgegengesetzten Drehsinn -S.
Die Signale A, A* und B, B* sind jeweils in Gegenphase.
Für die Rotation im Drehsinn S steht das Signal A beispielsweise in Phasennacheilung von 90 º gegenüber dem Signal B; für den Drehsinn -S weist das Signal A eine Phasenvoreilung von 90 º auf. Derartige Steuersignale werden am häufigsten verwendet, da man es vorzieht, jeweils beide Wicklungen gleichzeitig zu speisen. Die Arbeits- und Funktionsweise des Motors ist dann, in sehr vereinfachter Weise, wie folgt.
In einem Zeitpunkt t&sub0; sind die Wicklungen A und B* beauf schlagt. Der Rotor 10 geht dabei, beispielsweise, in die Stellung von Fig. 1 über. In einem Zeitpunkt t&sub1; nimmt man eine Kommutation oder Umschaltung der Drehung vor, und nunmehr werden die Wicklungen A und B beaufschlagt. Der Rotor 10 verdreht sich dann um 90 º im Drehsinn S. In einem Zeitpunkt t&sub2; wird eine neue Rotation kommutiert, und nunmehr werden die Wicklungen A* und B beaufschlagt; der Rotor 10 verdreht sich erneut um 90 º im Drehsinn S ... .
Ein Unipolar-Motor vom Schrittschalttyp ist ein Synchronmotor, welcher den gleichen Aufbau mit vier Wicklungen wie der Motor aus Fig. 1 besitzt, mit dem Unterschied, daß er einen Rotor mit einer großen Anzahl von Polpaaren N und S aufweist. Bei der Drehansteuerung eines Motors vom Schrittschalttyp dreht dieser sich um einen Schritt statt um 90 º. Angesichts dieser Ähnlichkeit zwischen den Schrittschaltmotoren und den Synchronmotoren wird im folgenden nur von Schrittschaltmotoren gesprochen, mit der Maßgabe jedoch, daß alles, was für diese Schrittschaltmotoren gesagt wird, in gleicher Weise für Synchronmotoren gilt.

Unipolar-Motor im Rahmen des Systems gemäß der Erfindung

Fig. 3 veranschaulicht schematisch eine Schaltverbindung der Wicklungen eines Unipolar-Schrittschalt- oder -Synchronmotors. In dieser Figur sind die gleichen Elemente wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Wicklungen A, B, A* und B* sind kreuzförmig mit einem frei flottierenden Mittelpunkt PM verbunden (und nicht, wie beispielsweise aus der Anordnung aus Fig. 1, mit einem festen Potential).
Die Steuerschalter KB und KB* der Wicklungen B und B* sind mit einem festen Potential, beispielsweise mit der Masse G, verbunden, die Steuerschalter KA und KA* der Wicklungen A und A* mit einem Speise- bzw. Versorgungspotential VM. Dieser Motor ist aus dem Dokument FR-A- 2 600 467 bekannt.
Ein Vorteil dieser Schaltungsart besteht darin, daß bei ihr die Wicklungen nur die halbe Versorgungsspannung VM auszuhalten brauchen, während sie im Falle der Schaltung nach Fig. 1 die Spannung VM aushalten müssen. Daraus ergibt sich, daß die Wicklungen weniger Windungen umfassen und daher billiger zu wickeln sind.
Ein weiterer Vorteil dieser Schaltungsart besteht darin, daß man hierbei einen vollen Kurzschluß zwischen den Versorgungsanschlüssen vermeidet, falls eine der Wicklungen A und A* oder B und B* zufällig kurzgeschlossen wird.
Man erkennt, daß die in dieser Konfiguration verwendeten Verbindungsleitungen die gleichen wie in der herkömmlichen Konfiguration von Fig. 1 (Motor mit sechs Leitungen bzw. Adern) sind. Daher ist es zur Steuerung von Motoren dieses Typs nicht erforderlich, zusätzliche Verbindungsleitungen in einem herkömmlichen Motor, der zur Schaltung nach Fig. 1 vorgesehen ist, vorzusehen. Außerdem sind nur vier Leitungen zur Versorgung dieses Motors erforderlich, falls eine Ausnutzung der im Punkt PM auftretenden Spannung nicht vorgesehen ist.
Ein weiterer von der Anmelderin festgestellter Vorteil dieser Schaltverbindung besteht darin, daß im Mittenpunkt PM eine Spannung auftritt, deren Änderungen repräsentativ für die in den Wicklungen auftretenden elektromotorischen Gegenkräfte (Gegen-EMK's) sind. Gemäß der Erfindung kann diese Spannung auf verschiedene Weisen, wie weiter unten beschrieben wird, durch eine Nachweis- bzw. Detektionsschaltung genutzt werden, um eine Diagnostikfunktion und/oder eine Steuerfunktion zu gewährleisten.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß beim Auftreten eines Defekts, wie beispielsweise eines Kurzschlusses oder eines Bruchs einer Wicklung oder eines Schalters oder einer zufälligen Verbindung zwischen einem Wicklungsanschluß und einem Versorgungsanschluß, die Spannung im Mittenpunkt PM stark aus dem Gleichgewicht gebracht wird und zum Nachweis dieses Defekts oder Fehlzustands verwendet werden kann.
Die den Schaltern K zuzuführenden Steuersignale A, B, A* und B* stimmen mit den herkömmlichen Signalen der Fig. 2 überein. Die Signale werden von einer Steuerschaltung 16 (CTRL) geliefert, welche ein Taktsignal CLK zur Bestimmung der Schritt-Kommutations- bzw. -Umschaltfrequenz des Motors zugeführt erhält.
Fig. 4 zeigt die Wellenform der Steuersignale A und B (die Signale A* und B* sind jeweils entsprechend komplementär zu den Signalen A und B) und des Taktsignals CLK zur Umschaltung bzw. Kommutierung mehrerer Schaltschritte. Ebenfalls dargestellt ist die entsprechende Wellenform der im Mittelpunkt PM auftretenden Spannung.
In Zeitpunkten t&sub1; bis t&sub9; werden aufeinanderfolgende Schaltschritte des Motors entsprechend den Hinterflanken des Taktsignals CLK kommutiert. Die Spannung PM schwankt um einen Mittelwert VO = VM/2, falls die Motorwicklungen identische Eigenschaften und Charakteristiken haben. Man erkennt, daß die Spannung PM, zwischen zwei Umschalt- bzw. Kommutier-Zeitpunkten, eine Wellenform weitgehend ähnlich einem Teil einer Sinusschwingung aufweist, wobei dieser Teil der Schwingung von einem Schritt zum folgenden einen Vorzeichenwechsel bezüglich dem Wert VO erfährt. Im folgenden wird bevorzugt auf die Spannung PM-VO Bezug genommen, welche die Wechselkomponente der Spannung PM darstellt.

Detektion bzw. Nachweis ausgelassener Schritte in einem Schrittschaltmotor

Ausgehend vom Zeitpunkt t&sub5;, tritt eine Anomalie auf, die mit Hilfe der Spannung PM (oder PM-VO) nachgewiesen werden kann. Im Zeitpunkt t&sub5; wird das Widerstands- bzw. Gegenmoment des Motors genügend hoch, daß der Motor sich nicht mehr um den durch die Steuersignale befohlenen Schritt verdrehen kann. Der Wellenformbruchteil zwischen den Zeitpunkten t&sub5; und t&sub6; erfährt eine Phasenverschiebung, die sich auch in den Intervallen t&sub6;-t&sub7;, t&sub7;-t&sub8; sowie t&sub8;-t&sub9; wiederholt, übrigens mit zufallsartigen Amplitudenschwankungen.
Bei der normalen Betriebsweise (im Bereich zwischen den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub5;) ist die Spannung PM-VO am Ende jedes beispielsweise ungeradzahligen Wellenbruchteils (t&sub1;-t&sub2;, t&sub3;-t&sub4;) negativ, und entsprechend positiv am Ende des geradzahligen Sinusschwingungsbruchteils (t&sub2;-t&sub3;, t&sub4;-t&sub5;). Vom Zeitpunkt t&sub5; an kehrt sich das Vorzeichen der Spannung PM-VO gegenüber den vorhergehenden Bedingungen um, d. h. daß die Spannung an jedem Ende eines ungeradzahligen Schwingungsbruchteils positiv und am Ende jedes geradzahligen Schwingungsbruchteils negativ wird.
Somit kann man durch Überwachung und Nachweis des Vorzeichens der Spannung PM-VO am Ende (oder am Anfang) eines Schwingungsbruchteils gegebener Parität anzeigen, ob ein befohlener Schritt ausgefallen ist.
Eine Anzeige eines Schrittausfalls kann einfach zur Anzeige eines Fehlers verwendet werden und beispielsweise zum Anhalten des Motors. Jedoch kann diese Anzeige auch zur Anzeige der erreichten Motorstellung verwendet werden, indem man von der Anzahl der befohlenen Schritte die Anzahl der ausgefallenen Schritte abzieht.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Detektor- bzw. Nachweisschaltung 20, welche die Abgabe eines Fehlersignals ERR gestattet, das für jeden ausgefallenen Schritt einen Impuls aufweist. In dieser Schaltung werden die Spannung PM sowie die Steuersignale A und B der Schalter KA und KB sowie ein Kadenzsignal C der Schritt-Kommutierungen verwertet.
Die Spannung PM wird am einen Anschluß eines Widerstands R angelegt, dessen anderer Anschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen zwei Kapazitäten C1 und C2 verbunden ist, die in Reihe zwischen der Spannung VM und Masse liegen. Das Vorzeichen der Wechselkomponente des so an den Anschlüssen des Widerstands R auftretenden Signals PM wird von einem Komparator 30 festgestellt. Das Ausgangssignal S1 des Komparators 30 wird dem einen Eingang eines Exklusiv-ODER-Gatters 32 zugeführt. Ein anderer Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 32 erhält das Ausgangssignal S2 eines Exklusiv-ODER-Gatters 34, das an seinen beiden Eingängen die Signale A bzw. B zugeführt erhält. Das Ausgangssignal S3 des Gatters 32 wird dem einen Eingang eines UND-Gatters 36 zugeführt, dessen anderer Eingang das Kadenzsignal C zugeführt erhält.
Das Kadenzsignal C hat die Form positiver Impulse, deren Breite kleiner als die halbe Periode des Signals C ist. Die (durch Pfeile markierten) Hinterflanken des Signals C fallen mit den Schritt-Kommutierungen zusammen. Ein derartiges Signal C kann aus einem Rechteck-Taktsignal (CLK) abgeleitet werden, vermittels einer monostabilen Kippschaltung und höchstens zwei Invertern.
Fig. 6 veranschaulicht die Wellenformen der Signale S1, S2, S3, C und ERR in der Situation von Fig. 4. Die Signale von Fig. 4 wurden in die Fig. 6 übertragen.
Bei der Schaltkonfiguration von Fig. 5 hat das Signal S1 den Wert 1, sobald die Spannung PM den Wert VO übersteigt, und den Wert 0 im entgegengesetzten Fall. Das Signal S2 oszilliert zwischen 0 und 1 für jede Schrittumschaltung (Schritt- Kommutation). Das Signal S3 hat den Wert 1 immer dann, wenn die Signale S1 und S2 voneinander verschiedene Werte besitzen. Dies ist der Fall, wenn die Bruchstücke von Sinuswellenformen über dem Wert VO liegen, im Falle ungeradzahliger Schritte, bzw. unterhalb dem Wert VO bei den geradzahligen Schritten, d. h. jeweils unmittelbar nach jedem der Zeitpunkte t&sub1; bis t&sub4; und unmittelbar vor jedem der Zeitpunkte t&sub6; bis t&sub9;. Somit sind in den Zeitpunkten t&sub1; bis t&sub5; die Impulse S3 und C nicht in Überdeckung, und die Ausgangsgröße ERR des UND-Gatters 36 bleibt auf dem Wert 0. In den Zeitpunkten t&sub6; bis t&sub9; hingegen überdecken die Impulse S3 und C einander, und das Signal ERR liefert dann gleichzeitig Impulse, deren jeder anzeigt, daß ein Schritt ausgefallen ist.
Falls der Motor zwei durch ein Richtungssinnsignal bestimmte Drehrichtungssinne besitzt, wird in der Schaltung ein zusätzliches Exklusiv-ODER-Gatter zwischen den Gattern 32 und 34 vorgesehen, dem das Richtungssinnsignal an einem Eingang zugeführt wird.

Auto-Kommutation eines Schrittschalt- oder Synchronmotors

Fig&sub5; 7 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform des Aufbaus eines Systems gemäß der Erfindung zur Auto-Kommutierung eines Motors. In der Zeichnung finden sich die gleichen Elemente wie in Fig. 3 wieder, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Detektor- bzw. Nachweisschaltung 20 ist hier ein Komparator (der ein Fenster-Komparator sein kann), welcher die Spannung PM-VO des frei flottierenden Mittelpunkts mit einer Bezugsspannung Vref vergleicht, die gegebenenfalls Null sein kann. Das Ausgangssignal des Komparators 20 wird in einem Sequenzer 22 ausgewertet, der ein Schrittkadenz-Signal C an Stelle und am Ort des Taktsignals CLK an die Steuerschaltung 16 der Unterbrecherschalter K liefert.
Es sei angenommen, daß in einer ersten Zeit der Motor in einem stationären Betrieb läuft. Gemäß Fig. 4 ruft man im Zeitpunkt t&sub1; eine Schritt-Kommutierung (nach einem ersten Impuls C) hervor. In einem Zeitpunkt t&sub1;&sub1; stellt der Komparator-Detektor 20 fest, daß die Spannung PM-VO die Spannung Vref erreicht. Der Sequenzer 22 wartet dann während eines geeigneten Zeitintervalls (t&sub1;&sub1;-t&sub2;, gegebenenfalls Null), bevor er einen Impuls C für die Kommutierung des nächsten Schritts im Zeitpunkt t&sub2; liefert. In einem Zeitpunkt t&sub2;&sub2; erreicht die Spannung PM-VO erneut den Wert Vref, usw.
Falls gemäß einer Ausführungsform die Spannung Vref mit dem Wert Null gewählt wird, weist der Komparator-Detektor 20 die Null-Durchgänge der Spannung PM-VO nach. In diesem Fall muß man eventuelle Übergangsphänomene, welche unmittelbar nach der Schritt-Umschaltung (Kommutation) auftreten, ignorieren, beispielsweise mit Hilfe eines Tiefpaßfilters zwischen dem Punkt PM und dem Komparator 20, oder durch verzögerte Inbetrachtziehung des Ausgangssignals des Komparators.
Falls der Motor mit einer geringeren Drehzahl als vorgesehen läuft, beispielsweise bei einem Start- oder Anlaufvorgang, ist die elektromotorische Gegenkraft zu schwach für eine Verwertung. In diesem Fall muß dann eine Start- bzw. Anlauflogik 24 vorgesehen werden, die durch ein Taktsignal CLK gesteuert wird und die mittels des Sequenzers 22 eine Schritt-für-Schritt-Arbeitsweise des Motors hervorruft, solange der Motor noch nicht genügend schnell läuft. Das Signal CLK kann ein Signal mit zunehmender Frequenz (beispielsweise eine Beschleunigungsrampe) sein, das innerhalb der Start- bzw. Anlauflogik 24 erzeugt wird.

Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung

Man kann unschwer feststellen, vermittels eines weiteren Fensterkomparators, ob die Spannung PM sich der Spannung VM (beispielsweise 2/3 von VM) oder dem Wert Null (1/3 von VM) annähert, als Anzeige, daß eine Wicklung kurzgeschlossen oder unterbrochen ist, oder auch, daß ein Unterbrecherschalter dauerhaft geöffnet oder geschlossen bleibt, oder auch, daß eine zufallsartige Verbindung beispielsweise zwischen einem der Versorgungsanschlüsse und einer der Leitungsadern des Motors stattgefunden hat.
Bisher wurde angenommen, daß die Wicklungen des Schrittschaltmotors keine Energiespeicherung von einem Schritt zum nächsten zeigen. Die Figg. 8A und 8B veranschaulichen, was sich bei der Kommutierung von einem Schritt zum nächsten wirklich abspielt. In diesen Figuren ist jedem der Unterbrecherschalter KA, KB, KA* und KB* eine Erholungs- bzw. Regenerierungsdiode DA, DB, DA*, DB* zugeordnet, die parallel zu dem Unterbrecherschalter in Sperrichtung angeordnet ist.
Fig. 8A gibt den Zustand der Unterbrecherschalter bei der Kommutierung eines ersten Schritts wieder. Die Schalter KA und KB sind beispielsweise geschlossen und die Schalter KA* und KB* geöffnet. In den Wicklungen A und B stellt sich ein Strom I ein, der durch die Schalter KA und KB fließt.
Fig. 8B gibt den Zustand der Schalter bei der Kommutierung des nächsten Schritts wieder. Der Schalter KA bleibt geschlossen, der Schalter KB wurde geöffnet, und der Schalter KB * wurde geschlossen. Unmittelbar nach der Kommutierung kann der in der Wicklung B kumulierte Strom I nicht mehr durch den Schalter KB fließen, und er fließt daher infolge der magnetischen Kopplung zwischen den Wicklungen B und B* in umgekehrter Richtung in die Wicklung B*. Desgleichen strömt der in der Wicklung A gespeicherte Strom I nunmehr in entgegengesetzter Richtung in der Wicklung A*, infolge der Kopplung zwischen den Wicklungen A und A*. Es fließt daher ein Strom I zwischen Masse, dem Schalter KB* oder der Diode DB*, den Wicklungen B* und A* sowie der Diode DA*. Der Strom I beginnt mehr oder weniger schnell abzunehmen, je nach dem Betrag der Spannung VM und den unterschiedlichen Spannungsabfällen über den Anschlüssen der Dioden und der durchströmten Schalter.
Da gleichzeitig der Schalter KA weiterhin geschlossen ist, tritt ein Strom i auf, der durch die Wicklungen A und A* zu fließen beginnt.
Somit arbeitet während einer Erholungs- bzw. Regenerationsphase unmittelbar nach einer Kommutierung der Schalter die Kreuzanordnung (wie übrigens die Anordnung gemäß der weiter oben genannten Anmeldung 0 433 219) nicht mehr ausgeglichen, und die Spannung im Mittelpunkt PM variiert in schwierig auswertbarer Weise.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, der nicht verwertbaren Schwankung der Spannung im Punkt PM während einer Erholungs- bzw&sub0; Regenerationsphase abzuhelfen. Die Lösung besteht, beispielsweise im Fall der Fig. 8B, darin, wenigstens den Schalter KA zu öffnen, solange die Spannung über den Anschlüssen des Schalters KA* negativ ist.
Tatsächlich beginnt während der in Fig. 8B dargestellten Erholungs- bzw. Regenerationsphase ein Strom in der Diode DA* zu fließen, die so angeordnet ist, daß sie normalerweise sperrt. Somit kehrt sich die Spannung an den Anschlüssen dieser Diode (und des zugeordneten Schalters KA*) um.
Fig. 9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, welche das Öffnen eines geeigneten Schalters während der Existenz der Erholungsströme ermöglicht. Diese Schalter KA und KA* sind PNP-Transistoren, deren Emitter mit der Versorgungsspannung VM verbunden ist. Die Schalter KB und KB* sind NPN-Transistoren, deren Emitter mit Masse verbunden ist. Jede der Erholungsdioden D wird tatsächlich von einem Diodenpaar gebildet, die in Reihe im gleichen Leitungssinn angeordnet sind. Die Verbindungsstelle zwischen den Dioden eines einem ersten Transistor (KA*) zugeordneten Paars (beispielsweise DA*) ist mit der Basis des benachbarten Transistors (KA) verbunden, d. h. des anderen Transistors, der mit dem gleichen Versorgungspotential (VM) wie der erste Transistor verbunden ist.
Somit durchfließt, wenn man den Fall von Fig. 8B zugrunde legt, der Erholungsstrom I+i das Diodenpaar DA*. Die Schwellspannung, welche über den Anschlüssen der parallel zum Basis-Emitter-Übergang des Transistors KA angeordneten Diode auftritt, spannt diesen Übergang in Sperrichtung vor, was die Sperrung des Transistors KA hervorruft.
In Reihe zwischen den Basisanschlüssen der Transistoren K und den Steueranschlüssen A, B, A* und B* der Transistoren sind Widerstände R1 vorgesehen, damit die Transistoren trotz des Anliegens von Steuersignalen gesperrt werden können.
Eine Abwandlung der Schaltung aus Fig. 9 besteht, wie in den Figg. 8A und 8B, darin, daß man für jeden Transistor nur eine Erholungsdiode vorsieht, wobei der Kollektor eines Transistors mit der Basis des benachbarten Transistors über eine andere Diode verbunden ist, die so angeordnet ist, daß sie außerhalb der Erholungsphasen sperrt. Somit wird während einer Erholungsphase, wenn die Erholungsdiode eines Transistors leitend wird, die Basis-Emitter-Spannung des benachbarten Transistors im wesentlichen Null, wodurch der Transistor gesperrt wird. Diese Abwandlung eignet sich insbesondere zur Anwendung bei MOS-Transistoren, welche von Haus aus eine "Erholungs"-Diode zwischen der Drain- und der Source-Elektrode aufweisen.
Eine andere Abwandlung der Schaltung von Fig. 9 besteht darin, daß man an den Anschlüssen von zwei benachbarten Unterbrecherschaltern Komparatoren vorsieht, welche die Sperrung sämtlicher Schalter bewirken, wenn die Spannung an den Anschlüssen eines Schalters sich umkehrt.
Die vorliegende Erfindung gestattet zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen, wie für den Fachmann ersichtlich ist, insbesondere hinsichtlich der Ausführung der Detektorschaltung 20 und der Steuerlogik für die Öffnung der Schalter während der Erholungsphasen.

Claims

1. System zur Steuerung eines Unipolar-Synchronmotors mit einem magnetisierten (Dauermagnet- Läufer und einem mit zwei Wicklungspaaren (A,B; A*,B*) versehenen Stator, das System umfassend:

- einen frei flottierenden gemeinsamen Punkt (PM), mit welchem erste Anschlüsse der Wicklungen verbunden sind, wobei der zweite Anschluß jeder ersten Wicklung (A,A*) eines Paars jeweils über einen entsprechenden ersten Schalter (KA,KA*) mit einem ersten Speise- bzw. Versorgungsanschluß (VM) verbunden ist und der zweite Anschluß jeder zweiten Wicklung (B,B*) eines Paars jeweils über einen entsprechenden zweiten Schalter (KB,KB*) mit einem zweiten Speise- bzw. Versorgungsanschluß (G) verbunden ist;

- eine Steuerschaltung (16) zur Steuerung der Schalter derart, daß sie eine Sequenz von Kombinationen gleichzeitiger Schließzustände eines ersten betreffenden Schalters und eines zweiten betreffenden Schalters bewirken, wobei der Übergang von einer Schließkombination zu einer anderen eine Rotordrehung um einen vorgegebenen Winkel nach sich zieht;

dadurch gekennzeichnet, daß das System wenigstens eine Nachweis- bzw. Detektionsschaltung (20) aufweist, welche an dem flottierenden gemeinsamen Punkt auftretende Spannungsänderungen zum Nachweis wenigstens eines Betriebs- bzw. Funktionszustands des Motors ausnutzt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung (20) zum Nachweis dafür vorgesehen ist, daß die mittlere Spannung an dem Mittenpunkt (PM) sich der einen oder der anderen an den genannten Speise- bzw. Versorgungsanschlüssen anliegenden Spannung annähert.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung (20) dazu vorgesehen ist, in einem vorgegebenen Zeitintervall zwischen zwei Schritt- Kommutationen das Vorzeichen der Wechselkomponente (PM-VO) der Mittenpunkt-Spannung (PM) mit einem durch die Parität der Schritt-Kommutierung vorgegebenen Vorzeichen zu vergleichen.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung (20) mit der Steuerschaltung (16) verbunden ist, um für jeden Durchgang der Spannung im flottierenden Mittenpunkt (PM) durch einen vorgegebenen Wert eine Schritt-Kommutierung vorzunehmen.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung einen Fenster-Komparator aufweist.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Wicklungen wechselseitig magnetisch gekoppelt sind.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schalter jeweils mit einer Erholungsdiode (DA, DB, DA*, DB*) versehen ist und daß die Steuerschaltung (16) Mittel zum Nachweis der Spannungsumkehr an den Anschlüssen eines Schalters und zum Öffnen wenigstens des benachbarten Schalters aufweist&sub9;

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle zwischen einem Schalter und einer Wicklung mit dem Steueranschluß des benachbarten Schalters über eine Diode verbunden ist, die im normalen Betrieb in Sperrichtung geschaltet ist.