SE514951C2 - Förfarande och anordning för styrning av en motor - Google Patents

Description

20 25 30 35 514 951 2 På senare tid har därför ett helt annat sätt att dri- va en motor börjat användas. Detta drivsätt kallas driv- ning med pulsbreddsmodulerad spänning. De halvperioder där drivspänningen är till matas lindningen inte med en kon- stant spänning utan med ett pulståg av spänningspulser.

Pulsernas amplitud är avsevärt högre än amplituden hos den konstanta spänningen, varför lindningsströmmen stiger be- tydligt snabbare. Pulsernas varaktighet, dvs pulsbredden, måste därför styras så att lindningsströmmen aldrig når över sitt största tillåtna värde. Å andra sidan kan pul- serna tillföras tätt, varför lindningsströmmen under hela halvperioden kan hållas på en väsentligen konstant nivå, närmare bestämt inom ett mycket snävt intervall intill den högsta tillåtna strömnivàn. Då det av motorn avgivna mo- mentet är ungefär proportionellt mot motorströmmen erhålls en motor som i medeltal ger ett betydligt högre moment än när samma motor drivs enligt det förstnämnda drivsättet.

Ett sätt att detektera när motorns utgående axel be- lastas mer än vad som är normalt, exempelvis på grund av att en driven anordning har gått sönder eller har nått ett ändläge, beskrivs i EP-0 462 050. Vid detta sätt matas mo- torn med en fyrkantvågformad drivspänning, varvid en ström enligt ovan erhålls i motorn. Motorströmmens ögonblicks- värde detekteras periodiskt. Ögonblicksvärdena jämförs med varandra. Vid en avvikelse mellan de jämförda värdena som är större än ett gränsvärde dras slutsatsen att ett onor- malt tillstànd föreligger. Detta sätt bygger på förhållan- det att motorströmmen ändrar sig kraftigt när det bromsan- de momentet på motorns utgående axel ökar snabbt och mycket.

Detta sätt är inte tillämpbart då motorn drivs med en pulsbreddsmodulerad spänning, ty då hålls strömmen väsent- ligen konstant oberoende av det bromsande momentet på mo- torns axel.

Det finns emellertid inget väl fungerande sätt att detektera när motorns utgående axel belastas mer än nor- malt när motorn drivs av en pulsbreddsmodulerad spänning. 10 15 20 25 30 35 514 951 3 Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en motorstyrning som alstrar en drivspänning som vid tillslag snabbt driver upp motorströmmen till en högsta tillåten ligen upprätthåller den höga strömnivàn, och som åstadkom- nivå, som så länge drivspänningen är till väsent- mer en noggrann, snabb och effektiv detektering av när mo- torn belastas mer än vad som är normalt för tillämpningen.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att anpassa en sådan motorstyrning för användning i ett ställdon. Ãndamålen uppfylles enligt uppfinningen med ett för- farande respektive en anordning för styrning av en motor samt med ett styrningen innehållande ställdon som ges de kännetecken som är angivna i de bifogade patentkraven.

Nedan kommer en utföringsform av förfarandet respek- tive anordningen enligt uppfinningen att beskrivas under hänvisning till de bifogade ritningarna, där: Fig l är ett grovskaligt blockschema över en utfö- ringsform av anordningen enligt uppfinning; Fig 2 är ett mer detaljerat blockschema över utfö- ringsformen i fig 1; Fig 3 visar kurvformer för strömmar och spänningar i utföringsformen enligt fig l, och en spänning och en ström i en känd anordning.

I fig 1 visas i grovskalig blockschemaform en före- dragen utföringsform av en anordning för styrning av en elektrisk motor enligt uppfinningen. Ett styrorgan 1 är anslutet till ett drivorgan 2, som i sin tur är anslutet till en elektrisk motor 3. Denna föredragna utföringsform av en anordning enligt uppfinningen är särskilt anpassad för styrning av en stegmotor 3, men är med fackmannamäss- iga modifieringar som ryms inom uppfinningstanken även an- passningsbar till bland annat synkronmotorer. Drivorganet 2 alstrar drivspänningar, en för varje lindning hos mo- torn, och matar dessa via en ledning 4 till motorn 3.

Varje drivspänning är i grunden en fyrkantvàg med en be- stämd amplitud som har två nivåer, plus ett visst värde respektive minus detta värde. 10 15 20 25 30 35 514 951 4 Drivspänningarnas omslag mellan de två nivåerna styrs av styrorganet 1 med hjälp av styrpulser via en styrled- ning 5. Varje drivspänning är emellertid i själva verket inte konstant under varje halvperiod, utan varje halvperi- od utgörs av ett block med ett flertal spänningspulser.

Pulsernas varaktighet, pulsbredden, styrs för att åstad- komma en i stort sett konstant ström genom den lindning i motorn 3 över vilken drivspänningen påförs. Detta sätt att styra motorn benämnes allmänt pulsbreddsmodulerad styr- ning. För att drivorganet 2 skall kunna åstadkomma denna styrning detekterar drivorganet 2 strömmen i motorns 3 lindningar. En huvuduppgift för styranordningen l enligt uppfinningen är att känna av att när rotationen hos mo- torns 3 utgående axel stoppas eller bromsas kraftigt, exempelvis genom att en av motorn 3 driven ventil när ett ändläge eller att ett fel uppkommer i en av motorn 3 dri- ven anordning. För att åstadkomma detta mottar styrorganet 1, via en till drivorganet 2 ansluten ledning 7 en signal som motsvarar en av drivspänningarna. Styrorganet 1 är försett med organ för detektering av en kraftig förändring i denna signals utseende, vilken förändring har direkt motsvarighet i drivspänningens karaktäristik och tas som intäkt för att motorns utgående axel har bromsats kraf- tigt. Styrorganet 1 vidtar därvid en bestämd åtgärd, exem- pelvis att bryta drivspänningarna via styrledningen 5.

Fig 2 är ett mer detaljerat blockschema av den i fig 1 visade utföringsformen. Styrorganet 1 visas i fig 2 med en streckad ruta. Drivorganet 2 utgörs av två stegmo- torkretsar 8, 9 och ett mätmotstànd 36. Stegmotorkretsen 8 har en utgång 10 och en ingång 11, som är anslutna till en lindning i stegmotorn 3. På motsvarande sätt har stegmo- torkretsen 9 en utgång 12 och en ingång 13 som är anslutna till en annan lindning i stegmotorn 3. Stegmotorkretsen 9 har vidare en utgång 14, som är ansluten till en ingång 15 till ett lågpassfilter 16. Lågpassfiltret 16 har en utgång 17 som är ansluten via en förstärkare 18 till ett mätor- gans 19 ingång 20. Mätorganet 20 har en utgång 21 som är 10 15 20 25 30 35 514 951 5 ansluten till en ingång 22 till ett jämförelseorgan 23.

Jämförelseorganet har en kombinerad ingång och utgång 24 som är ansluten till ett minne 25. Jämförelseorganet 23 har vidare en utgång 26 som är ansluten till en ingång 27 till en beslutsenhet 28. Beslutsenheten har två styrut- gångar 29, 30 som via D/A-omvandlare 31 respektive 32 är anslutna till styringàngar 33 respektive 34 till stegmo- torkretsarna 8 respektive 9. I den här beskrivna, före- dragna utföringsformen av anordningen enligt uppfinningen ingår mätvärdesorganet 19, jämförelseorganet 23, minnet 25 och beslutsenheten 28 i en mikroprocessor, som i fig 23 visas med en streckad ruta och har hänvisningsbeteckning 35. Funktionerna hos mätvärdesorganet 19, jämförelseorga- net 23 och beslutsenheten 28 är till stor del realiserbara i form av ett datorprogram. Även exempelvis filtret skulle kunna utgöras av programvara i processorn 35.

Nedan kommer styranordningens funktion att beskrivas, varvid kurvformerna i fig 3 är ett stöd för att enklare förstå beskrivningen.

Mikroprocessorn 35 alstrar i beslutsenhetens 28 ut- gångar 29, 30 styrsignaler som med hjälp av D/A-omvandlar- na 31, 32 omvandlas till styrpulser, vars bredd är lika med avståndet mellan pulserna. Styrpulserna matas till stegmotorkretsarnas 8, 9 ingångar 33 respektive 34. Styr- pulserna styr drivspänningarnas nivåer, eller tecken. När styrsignalen är positiv (hög), dvs under styrpulserna, al- strar motsvarande stegmotorkrets 8 eller 9 en positiv drivspänning och när styrsignalen är noll (låg), dvs mel- lan styrpulserna, alstras en negativ drivspänning. Styr- signalerna ställs omväxlande höga och låga i en bestämd följd, ett drivschema, som bringar stegmotorns 3 rotor att vrida sig ett steg i taget. Drivspänningarnas principiella form visas i diagram a i fig 3. Om dessa spänningar, såsom sker vid s k konstantspänningsstyrning, matades direkt vidare till motorns 3 lindningar skulle de i motorns lind- ningar alstra strömmar med det utseende som visas i dia- gram b i fig 3. Nackdelarna med konstantspänningsstyrning 10 15 20 25 30 35 514 951 6 har angivits ovan i samband med beskrivningen av känd tek- nik. I enlighet med uppfinningen utnyttjas i stället puls- breddsmodulerad styrning. Stegmotorkretsarna 8, i sina utgångar 10 respektive 12 drivspänningar, vars 9 alstrar principiella utseende visas i diagram c i fig 3, och de därav resulterande strömmarna visas i diagram d i fig 3.

För att bättre åskådliggöra principen med pulsbreddsmodu- leringen är drivspänningens utseende förenklat. I prak- tiken är antalet pulser i varje halvperiod av styrspän- ningen mångdubbelt fler. Tack vare att varje drivspänning bara är till under en kort puls, vars varaktighet styrs av strömmens amplitud, kan en flera gånger högre drivspänning användas än vid konstantspänningsstyrning. Detta leder till att strömstyrkan kan drivas upp snabbt och hållas på en hög, väsentligen konstant nivå under varje halvperiod.

Med denna pulsbreddsmodulerade styrning vinner man framför allt fördelarna att det är möjligt att driva motorn vid ett högre varvtal än vad som är möjligt med konstantspän- ningsstyrning och att motorn ger ett högre moment vid ett visst varvtal än då konstantspänningsstyrning används, i vart fall i konstantspänningsstyrningens övre varvtalsom- råde. Såsom ett exempel kan nämnas att en stegmotor som är möjlig att driva med en frekvens hos drivspänningarna om 200 Hz vid konstantspänningsstyrning är möjlig att driva med ca 600 Hz vid pulsbreddsmodulerad styrning. att motorn 3 används i I en dylik till- lämpning är det av intresse att kunna detektera att ven- tilen har nått ett ändläge, dvs ett läge med mekaniskt Antag nu, såsom ett exempel, ett ställdon för styrning av en ventil. stopp, utan att behöva anordna särskilda brytare för detta ändamål i själva ventilen. Det finns många andra tillämp- ningar där det också är önskvärt att detektera ett meka- niskt stopp eller en kraftig bromsning av axeln. I enlig- het med uppfinningen kan denna detektering åstadkommas på följande sätt. Drivspänningarna innefattar, såsom har bes- krivits ovan, spänningspulser, vars bredd är beroende av motorströmmens amplitud. När ventilen når ett ändläge 10 15 20 25 30 35 514 951 7 stoppas rotationen hos motorns 3 utgående axel, varvid motorn tappar steg, dvs den kan ej stega vidare framåt.

Detta orsakar, vid en konstant spänning över lindningen, en strömändring, ökning eller minskning beroende på vilket läge stegmotorns 3 rotor har i förhållande till motorns poler, i lindningen. När pulsbreddsmodulerad styrning tillämpas eliminerar emellertid styrningen strömändringen genom att ändra spänningspulsernas bredd, vilket ger en ändrad medelspänning över lindningen eftersom avståndet mellan pulserna är konstant.

Enligt lig ändring aktighet är mycket kort, i storleksordning us, och svår- uppfinningen detekteras ändläget som en plöts- i drivspänningens utseende. Då pulsernas var- ligen låter sig mätas på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt, måste underlätta detekteringen av förändringen. drivspänningen behandlas på något sätt för att I enlighet med uppfinningen detekteras denna förändring på följande sätt.

Strömmen som alstras i en av motorns 3 lindningar, i detta fall den som matas av stegmotorkretsen 9, avleds av stegmotorkretsen 9 till jord över mätmotståndet 36. Den spänning som erhålls över mätmotståndet 36, mätspänningen, visas schematiskt i diagram e i fig 3 och erhåller, genom att stegmotorkretsen 9 bara släpper fram strömmen till mätmotståndet under spänningspulserna och ej mellan dessa, en pulsform där pulsernas bredder motsvarar drivspän- ningens pulsbredder. Mätspänningen kan således sägas vara en bild av drivspänningen. Drivspänningen påförs lind- ningen via en H-brygga (visas ej) till vilken mätmotstån- det 36 är anslutet på ett sådant sätt att strömmen genom mätmotståndet alltid har samma riktning oavsett strömrikt- ningen genom lindningen. Mätspänningen matas till lågpass- filtret 16 för att lågpassfiltreras. Genom lågpassfiltre- ringen àstadkommes en signal vars amplitud varierar i för- hållande till pulsbreddernas variationer. Den filtrerade signalen visas schematiskt i diagram f i fig 3. Den filt- rerade signalen förstärks av förstärkaren 18 och matas därefter till mätvärdesorganets 19, och processorns 35, 10 15 20 25 30 35 ingång 20. Mätvärdesorganet 19 alstrar för varje block, eller halvperiod, ett mätvärde genom att det samplar den filtrerade signalen i fyra mätpunkter. De fyra mätpunk- terna ligger mycket nära varandra, varför den filtrerade signalens amplitud i alla mätpunkterna har nästan exakt samma värde. Samplen tas företrädesvis där amplituden är störst, dvs vid FA i diagrammet. I princip skulle en mät- punkt räcka, men för att öka säkerheten i mätningen samp- las fyra punkter och ett medelvärde av dessa beräknas.

Mätvärdesorganet 19 matar det sålunda bestämda mätvärdet till jämförelseorganets 23 ingång 22. Jämförelseorganet 23 bestämmer skillnaden mellan mätvärdet och ett referens- värde, som jämförelseorganet 23 hämtar från minnet 25. I denna utföringsform är referensvärdet det föregående mät- värdet, som är alstrat av mätpunkter som tidsmässigt är belägna på samma platser i det föregående blocket som de nya mätpunkterna är belägna i sitt block. Varje mätvärde lagras följaktligen efter jämförelsen i minnet 25. Jäm- förelseorganet 23 matar det sålunda bestämda skillnads- värdet till beslutsenheten 28. Beslutsenheten 28 kontrol- lerar huruvida skillnadsvärdet ligger inom ett bestämt intervall, såsom mellan de streckade linjerna FB och FC i diagram f. Om så är fallet fortsätter beslutsenheten 28 att utmata styrsignaler enligt sitt drivschema. Om skill- nadsvärdet däremot ligger utanför intervallet, såsom blir fallet i den sista visade halvperioden alstrar besluts- enheten styrsignaler som medför att drivspänningarna blir 0 V. Anordningen detekterar således en förändring som är så snabb och stor att den endast kan härstamma från ett stopp eller en kraftig bromsning av motoraxelns rotation.

Det har visat sig att rimliga gränser för intervallet är en förändring om 5- 30 procent av amplituden beroende pá i vilken tillämping styrningen används, och företrädes- vis ca 20 procent. Om en alltför liten förändring medges kommer en åtgärd att vidtas felaktigt vid en normal last- ändring på axeln. 10 15 20 25 30 35 514 95-1 9 Det finns givetvis andra sätt att detektera den plötsliga ändringen av drivspänningens karaktäristik som ligger inom ramen för uppfinningen. Exempelvis kan en spänning som utgör en bild av drivspänningen alstras på annat sätt än över mätmotstàndet, exempelvis genom att en kopia av drivspänningen skapas samtidigt med själva driv- spänningen. Lågpassfilteringen kan ersättas av bandpass- filtrering med lämplig bandbredd eller av någon annan lämplig signalbehandling. Flera mätvärden kan alstras inom varje block. Mätvärdet kan alstras på många olika sätt, exempelvis genom att man mäter ytan under ett stycke av spänningskurvan.

Vid varje uppstart av motorn genomlöps en uppstart- sekvens, som innebär att styrspänningarnas frekvens lång- samt höjs från en tämligen låg startfrekvens upp till den önskade arbetsfrekvensen. I början av uppstartsekvensen lagrar dessutom jämförelseorganet 23 det först mottagna amplitudvärdet i minnet 25. Därefter lagrar jämförelseor- ganet 23 varje nytt amplitudvärde i minnet 25 efter skill- nadsberäkningen.

En uppfinningsenlig användning av ovan beskrivna motorstyrning är i ett ställdon som är anslutet till en anordning som har naturliga mekaniska stopp. En sådan an- ordning är till exempel en ventil, varvid ventilens änd- lägen utgör de mekaniska stoppen. Ställdonet har en ut- gående axel som är ansluten till ventilen. Axeln drivs av en motor. Den ovan beskrivna detekteringen av ändlägen eliminerar det tidigare behovet av på ventilen anordnade ändlägesgivare, såsom mikrobrytare, och dessas ledningar till ett styrdon. Därigenom erhålls enligt uppfinningen en färdig styrenhet som endast behöver kopplas till ställdon- ets motor och spänningsmatning. Inga ytterligare elektris- ka och mekaniska anslutningar behöver göras, vilket där- emot är nödvändigt med den kända tekniken.

Claims (14)

lO 15 20 25 30 35 514 951, 10 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för styrning av en stegmotor eller syn- kronmotor, innefattande stegen att: till motorns (3) lindningar mata drivspänningar, var- vid varje drivspänning innefattar en periodisk grundspän- ning som är så modulerad att varje period av grundspän- ningen innefattar ett flertal spänningspulser; under varje spänningspuls mäta amplituden hos en av spänningspulsen i lindningen alstrad ström; styra bredden av varje spänningspuls i beroende av strömmens amplitud så att en bestämd, högsta tillåten strömamplitud inte överskrids, k ä n n e t e c k n a t av stegen att: detektera en förändring av en till spänningspulsernas pulsbredder relaterad karaktäristik hos drivspänningen; bestämma förändringens storlek; och vidta en bestämd åtgärd då förändringen är större än ett gränsvärde.

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a t innefattar stegen att av att steget att detektera en förändring alstra en mot drivspänningen svarande mätspänning; signalbehandla mätspänningen och därigenom alstra en signalbehandlad signal, som är relaterad till spännings- pulsernas pulsbredder.

3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e - t e c k n a t av att den signalbehandlade signalens amp- litud är relaterad till pulsbredderna och av stegen att bestämma den signalbehandlade signalens amplitud i åtminstone en mätpunkt inom varje period och jämföra det amplitudvärde som därigenom erhålls med ett referensvärde; och bestämma skillnaden mellan amplitudvärdet och refe- rensvärdet, vilken skillnad utgör nämnda förändring. 10 15 20 25 30 35 51-4 95,1 ll

4. Förfarande enligt patentkrav 3, k ä n n e - t e c k n a t av steget att lagra amplitudvärdet efter jämförelsen med referensvärdet för att låta amplitudvärdet utgöra referensvärde vid jämförelse av nästföljande amp- litudvärde med referensvärdet, varvid mätpunkterna för de amplitudvärden som jämförs är tidsmässigt belägna på samma plats i respektive period.

5. Förfarande enligt patentkrav 3 eller 4, k ä n - n e t e c k n a t av att steget att bestämma den signal- behandlade signalens amplitud i åtminstone en mätpunkt innefattar stegen att sampla den signalbehandlade signalen i ett flertal punkter under en tidsperiod som är så kort i förhållande till längden av en period att samplen erhåller väsentligen samma amplitudvärden; och bilda medelvärdet av samplen, vilket medelvärde utgör amplitudvärdet som jämförs med referensvärdet.

6. Förfarande enligt något av patentkraven 2- 5, k ä n n e t e c k n a t av att steget att signalbehandla mätspänningen utgörs av att làgpassfiltrera eller band- passfiltrera mätspänningen.

7. Anordning för styrning av en stegmotor eller syn- kronmotor innefattande ett drivorgan (2) för alstring av drivspänningar till motorns (3) lindningar, varvid varje drivspänning innefat- tar en periodisk grundspänning, som är så modulerad att varje period av grundspänningen innefattar ett flertal spänningspulser mellan vilka det är ett bestämt tidsmel- lanrum, för detektering av amplituden hos en ström som av spänningspulserna alstras i motorn, och för styrning av varje spänningspuls varaktighet i beroende av den detek- terade amplituden så att en bestämd, högsta tillåten amp- litud inte överskrids; och ett till drivorganet anslutet styrorgan (1) för styr- ning av grundspänningens form och frekvens, k ä n n e - t e c k n a d av att styrorganet har ett till drivorganet anslutet detektororgan (16, 18, 19, 23, 25) för detekte- lO 15 20 25 30 35 514 951 12 ring av en förändring av en till spänningspulsernas puls- bredder relaterad karaktäristik hos drivspänningen och för bestämning av förändringens storlek, och ett till detek- tororganet anslutet beslutsorgan (28) för beslutande om vidtagande av en bestämd åtgärd då förändringen är större än ett gränsvärde.

8. Anordning enligt patentkrav 7, k ä n n e - t e c k n a d av att detektororganet är anordnat för mot- tagning av en mot en drivspänning svarande mätsignal från drivorganet och innefattar ett signalbehandlingsorgan (16) för signalbehandling av mätsignalen och alstring av en till spänningspulsernas pulsbredder relaterad, signalbe- handlad signal.

9. Anordning enligt patentkrav 8, k ä n n e - t e c k n a d av att den signalbehandlade signalens amp- litud är relaterad till pulsbredderna och att nämnda för- ändring är en förändring av amplituden.

10. Anordning enligt patentkrav 8 eller 9, k ä n - n e t e c k n a d av att detektororganet vidare inne- fattar ett till signalbehandlingsorganet anslutet mät- värdesorgan (19) för alstring av ett mätvärde, som utgörs av den signalbehandlade signalens amplitud i åtminstone en mätpunkt inom en period, och ett till mätvärdesorganet an- slutet jämförelseorgan (23) för jämförelse av det alstrade mätvärdet med ett referensvärde och alstring av ett värde på förändringen som skillnaden mellan mätvärdet och refe- rensvärdet.

11. ll. Anordning enligt patentkrav 10, k ä n n e - t e c k n a d av att mätvärdet utgörs av ett medelvärde av ett flertal sampel av den signalbehandlade signalens amplitud och att referensvärdet utgörs av ett föregående mätvärde.

12. Anordning enligt något av patentkraven 8-ll, k ä n n e t e c k n a d av att signalbehandlingsorganet (16) är ett lågpassfilter eller ett bandpassfilter. 10 15 20 25 30 35 S14 951 13

13. Anordning enligt något av patentkraven 8-ll, k ä n n e t e c k n a d av att drivorganet innefattar ett resistivt mätorgan (36) och är anordnat att alstra mätsig- nalen genom matning av en från en lindning mottagen, i enlighet med drivspänningen modulerad lindningsström genom mätorganet, varvid mätsignalen utgörs av spänningen över mätorganet.

14. Ställdon innefattande en stegmotor (3) för driv- ning av en ansluten anordning, exempelvis en ventil, som har mekaniska stopp, såsom ändlägen, vilket ställdon inne- fattar ett till motorn anslutet styrorgan (1) för styrning av stegmotorn, varvid stegmotorn drivs med pulsbreddsmodu- av att 18, 19, för detektering av en förändring av en till spän- lerade drivspänningar, k ä n n e t e c k n a t styrorganet innefattar ett detektororgan (16, 23, 25), ningspulserna pulsbredder relaterad karaktäristik hos drivspänningen och för bestämning av förändringens stor- lek, (28) för beslutande om vidtagande av en bestämd åtgärd då och ett till detektororganet anslutet beslutsorgan förändringen är större än ett gränsvärde, vilket innebär att motorn tappar steg beroende på exempelvis att ett av nämnda mekaniska stopp har nåtts.