SE519737C2 - Förfarande för styrning av ett chopper-drivsteg - Google Patents

Description

30 35 40 519 737 H» m 2 att börja med såsom visas av den streckat åskådliggjorda banan 1, så öppnas vid detta driftsätt eller denna driftart antingen transistorn T1 eller transistorn T4, dvs. försätts i det icke-ledande tillståndet. Strömmen flyter därefter i motsvarighet till banan 2 (via dioden D3 och transistorn T4) resp. i motsvarighet till banan 3 (via dioden D2 och transistorn T1). Den magnetiska energin från lasten L1 med induktiv komponent och därmed strömmen reduceras endast mycket långsamt via frigångsdioderna D3 resp. D2 och transistorerna T4 resp. T1.

Vid så kallad regenerativ drift (fast current decay mode) öppnas båda inkopplade transistorer vid bortkoppling. Flyter alltså i motsvarighet till exemplet i fig. 1 strömmen till att börja med såsom visas av den streckat åskådliggjorda banan 1, så öppnas båda transistorerna T1 och T4, dvs. försätts i icke-ledande tillstånd, vid denna driftart. Den i lasten L1 med induktiv komponent lagrade magnetiska energin flyter såsom ström till- baka till spänningsförsörjningskällan V1 via de båda frigångsdioderna D2 och D3. Den- na strömväg är lnritad såsom bana 4 i fig. 1. Reduceringen av den magnetiska energin och därmed även reduceringen av strömmen sker mycket snabbt, eftersom källans V1 försörjningsspänning är mycket högre än frigångsdioderna D2 och D3 båda genom- släppsspänningar.

I hackar (chopper)-drivsteg kopplas mycket ofta till och från. Här kan hela syste- mets egenskaper påverkas i avsevärd grad genom val av frigångsgren. l kända chopper-drivsteg mäts ärströmmen (den verkliga strömmen) genom las- ten (i fig. 1 lasten L1 med induktiv komponent) exempelvis via ett mätmotstånd, såsom det, som finns såsom mätmotstånd R_mess i bryggkopplingen enligt fig. 1. Uppnår den- na ärström den förutbestämda börströmmen, så kopplar drivsteget allt efter konstruktion om till frigångsdrift eller till regenerativ drift. Efter en förutbestämd tidsperiod (chopper- period) sluts transistorerna åter, och börvärdes-ärvärdes-jämförelsen börjar på nytt. vedertagna chopper-drivsteg, såsom chopper-drivsteget 3952 (Full-Bridge-PWM Motor Driver) från firman Allegro Micro-Systems, erbjuder användaren möjlighet att fritt välja mellan frigångsdriftarten och den regenerativa driftarten.

Intelligenta chopper-drivstegskopplingar, såsom PBM 3960 (Microstepping Con- troller) kopplar om från frigångsdriftarten till den regenerativa driftarten i beroende av ett inställbart strömbörvärde.

I de kända chopper-drivstegskopplingarna överlämnas valet av driftart (frigångs- drift eller regenerativ drift) l huvudsak till användaren. Eftersom den ideala driftarten beror på många faktorer, exempelvis arten av last (vilken motor) och belastningen, är det nästan omöjligt att uppnå den optimala effektiviteten eller prestationsförmågan. På grund av mångfalden inflytanden ställer användaren ofta in antingen frigångsdrift eller regenerativ drift permanent, något som förvisso långt ifrån medför optimala driftsbe- tingelser. 10 15 20 25 30 35 40 519 737 - . . t 1 « . .- 3 Genom CH 438 464 är ett styr- eller reglerförfarande för en pulsväxelriktare eller -omformare känt, som uppvisar en likspänning i den ena och en motor, såsom induktiv last, tillsammans med ett mätmotstånd i den andra bryggdiagonalen. För reglering av strömmen kopplas om mellan drivande spänning, frigångsdrift och regenerativ drift.

Omkopplingen skeri beroende av strömmen vid uppnående av förutbestämda bör- ström-gränsvärden. Under drift kopplas fram och tillbaka mellan drivande spänning och frigång vid liten mot-emk inom förutbestämda gränser, och inom andra förutbestämda gränser kopplas fram och tillbaka mellan frigång och regenerering vid stor mot-emk in- om andra förutbestämda gränser. Vid denna kopplingsart finns det inte cykler med fastlagd periodlängd.

Genom US 5 428 522 är ett liknande förfarande känt. Där är börströmmen sinus- formigt förutbestämd. Under perioderna med tilltagande ström kopplas om mellan dri- vande spänning och frigång. Under perioderna med avtagande ström kopplas däremot om mellan frigång och regenerering. Omkoppling inom perioderna sker tidsstyrd med fasta omkopplingsperioder, nämligen styrt av taktpulser. Omkoppling från en period med tilltagande ström till en period med avtagande ström sker genom en strömjämfö- relse med ett börströmvärde.

Till grund för föreliggande uppfinning ligger uppgiften att frambringa ett förfarande för styrning eller reglering av ett hackar (chopper)-drivsteg, medelst vilket den optimala driftarten kan ställs in automatiskt och redan förefintliga mätsystem kan utnyttjas.

Denna uppgift löses medelst förfarandet enligt ingressen till patentkravet 1 genom särdragen i dess kännetecknande del. Fördelaktiga vidareutvecklingar av förfarandet enligt föreliggande uppfinning ärföremål för de till patentkravet 1 hänvisande patent- kraven.

Enligt föreliggande uppfinning är alltså i en uppmagnetiseringsfas, allt efter öns- kad strömflödesriktning genom lasten med induktiv komponent, till att börja med de härförförutbestämda halvledarna, såsom transistorer, MOS-FETs eller liknande, in- kopplade, dvs, befinner sig i ledande tillstånd. l exemplet med ett chopper-drivsteg med en H-bryggkoppling enligt fig. 1 är detta fallet för halvledarna, exempelvis transistorerna T1 och T4 vid en mot den streckade banan 1 svarande, flytande ström. De andra båda halvledarna, nämligen transistorerna T2 och T4, är spärrade, alltså icke-ledande, för denna strömflödesriktning.

Strömmen tilltar tills ärvärdet uppnår börvärdet. Därefter kopplas i en avmagneti- seringsfas om till antingen frigångsdriftarten eller den regenerativa driftarten. Driftarten väljs i beroende av en strömjämförelse vid nästa inkoppling av halvledaren (transistorn). Är ström-ärvärdet fortfarande större än ström-börvärdet, så väljs den re- generativa driftarten vid nästa bortkoppling. Är ärvärdet mindre än ström-börvärdet, så väljs i motsvarighet härtill frigångsdrivarten. 10 15 20 25 30 35 40 519 7257 4 För resten av chopper-periodlängden, dvs. fram till återinkoppling, är det möjligt: a) att inte mer ändra driftarten, b) att koppla om i beroende av strömjämförelseanordningen c) att vid underskridande av börvärdet koppla om en gång från regenerativ drift till frigångsdrift.

En rad genomförda försök och mätningar har visat, att den sist nämnda möjlighe- ten c) under normala drifttillstånd medför de bästa resultaten vid användning av olika stegmotorer med de mest olika belastningar.

Genom förfarandet enligt föreliggande uppfinnlng säkerställes, att den optimala driftarten väljes oberoende av den använda lasten med induktiv komponent, alltså ex- empelvis använd stegmotor, och av belastningen. För genomförande av förfarandet enligt föreliggande uppfinning behöver man inga extra elektronikkomponenter, eftersom ärvärde-börvärde-jämförelseanordningen behövs under alla omständigheter.

Vid användning av förfarandet enligt föreliggande uppfinning har man därför utan extra kostnader och utan ytterligare insats frambringat ett system, som förfogar över betydligt bättre egenskaper än de hackar (chopper)-drivsteg, som hittills blivit kända, vid vilkas användning det vid med stegmotorer försedda drivanordningar kan leda till stö- rande gångoroligheter eller till och med svängningar på grund av den icke-optimala ut- styrningen.

Nedan kommer föreliggande uppfinning att förklaras närmare med hjälp av rit- ningarna. Därvid visar: Fig 1. en redan ovan, i samband med teknikens ståndpunkt beskriven bryggkoppling, som även kan användas för hackar (chopper)-styrningsförfarandet i enlighet med föreliggande uppfinning; Fig. 2 ett exempel på ett flödesschema för förfarande enligt föreliggande uppfinning, och Fig. 3 - 5 ström-tid-diagram såsom åskådliggörande av händelseförloppet vid ett ge- nomgående fastlagt utnyttjande av den enkla frigångsdriften (fig. 3), vid ett ge- nomgående fastlagt utnyttjande av den enkla regenerativa driften (fig. 4) samt vid ett automatiskt val av driftart i motsvarighet till förfarandet enligt föreliggande uppfinning (fig. 5).

Det i fig. 2 visade flödesschema-exemplet utgår från början av varje chopperpe- riods varaktighet och visar de enskilda, logiska stegen, som genomlöpes i förfarandet enligt föreliggande uppfinning, ända tills chopperperiodens slut. 10 15 20 25 30 35 40 519 757 5 Det i fig. 2 visade exemplet på ett flödesschema utgår från en början av varje chopper-periodlängd. Efter början fastställes varje gång därefteri steget S1 om ström- ärvärdet list är större än ström-börvärdet Iso.. eller inte. När resultatet är "nej", väljesi steget S2 en frigångsdrift motsvarande driftart. Om i steget S1 resultatet är "ja", väljes i steget S3 en regenerativ driftart motsvarande driftart.

I nästa steg S4 sker därefter ett i steget S1 motsvarande avgörande. När resulta- tet I steget S4 är ja, utföres steget S4 en gång till, såsom man kan se i flödesschemat.

När resultatet i steget S4 är nej, kopplas i steget S5 frigângsgrenen in i beroende av driftarten. I nästa steg S6 utföres i motsvarighet till förloppsföljden i steg S4 vid resulta- tet "ja" steget S6 en gång till, medan vid resultatet "nej" man fortsätter med steget S7, i vilket driftarten är lika med frigångsdrift. I anslutning härtill startas följden för nästa chopper-periods längd.

I var och en av fig. 3 - 5 visas tiden ti millisekunder (ms) på abskissan och fasströmmen I i ampere (A) på ordinatan.

I ström (fasström)-tid-diagrammen i fig. 3 - 5 visas i anslutning till ett stegmotor- exempel funktions- och verkningssättet vid styr- eller reglerförfarandet för en hackare (chopper) enligt föreliggande uppfinning med åskådliggörande av resultaten ijämförel- se med förfarandena med fastlagd frånkopplingsdrivart (frigång eller regenerativ drift).

Härvid återges resultatet för den genomgående fastlagda användningen av den enkla frigångsdriften ifig. 3, resultatet för den genomgående fastlagda användningen av den enkla regenerativa driften i fig. 4 och resultatet av ett automatiskt val av driftar- ten i enlighet med förfarande enligt föreliggande uppfinning i fig. 5.

I den i fig. 3 visade frigångsdriften avtar ärströmmen (fas A, fas B) endast mycket långsamt. Vid högre varvtal hos motorn blir fasbörströmmens (börström fas A) chopper- periodlängd mindre än dämpningstidkonstanten, så att fasströmmen (fas A, fas B) inom en periodlängd inte kan avta snabbt nog. Här stiger strömmen till och med, något som förorsakas av mot-emk (elektromotorik kraft).

Vid den ifig. 4 åskådliggjorda regenerativa driftarten uppvisar ärströmmens (fas A, fas B) strömförlopp visserligen inte längre någon ökning jämfört med fas-börström- men (börström fas A). Visserligen är den tydligt synbara strömkrusningen (de starkt va- rierande strömamplituderna) oönskade och kan inverka mycket störande på den av motorn drivna mekaniken.

Vid det i fig. 5 visade automatiska valet, som motsvarar styr- eller reglerförfaran- det *liigt föreliggande uppfinning med en omkoppling från regenerativ drift till frigångs- drift en enda gång vid ärvärdets nedgång under börvärdet kan man se, att ärströmmen (fas A, fas B) följer den förutbestämda börströmmen optimalt.

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 40 519 757 6 Patentkrav

1. Förfarande för styrning eller reglering av ett i form av en bryggkoppling upp- byggt hackar (chopper)-drivsteg, i vilken en likspänningskälla liggeri en bryggdiagonal och en elektrisk last med induktiv komponent ävensom en anordning för mätning av den genom lasten flytande ärströmmen i serie därmed liggeri den andra bryggdiagona- len och via en styrsignal omkopplingsbara halvledare är anordnade i grenarna, vilka halvledare kan kopplas så, att strömmen genom lasten flyter antingen i den ena elleri den motsatta riktningen, och vilkas emitter-kollektor-sträckor till skydd gentemot över- spänningar är överkopplade via så kallade frigångsgrenari form av frigångsdioder, vilka genom målinriktad bortkoppling av enskilda halvledare i brygg-grenarna tillåter antingen en mycket långsam reducering av lastens magnetiska energi och reducering av ström- men (frigångsdrift = slow current decay mode) eller en snabb reducering av lastens magnetiska energi och strömreducering (regenerativ drift = fast current decay mode), varvid en jämförelseanordning, när den i anordningen för mätning av ärströmmen upp- mätta ärströmmen under förloppet av varje hackar (chopper)-period uppnår ett förut- bestämt börströmsvärde, en omkoppling åstadkommas antingen till frigångsdriftarten eller till den regenerativa driftarten, kännetecknat därav, att i en uppmagnetiseringsfas, allt efter önskad strömrikt- ning genom lasten med induktiv komponent, de denna strömriktning genomsläppande halvledarna kopplas till och ärströmmen härvid tilltar tills den uppnår börströmvärdet, och därefter i en avmagnetiseringsfas kopplas om till antingen frigångsdrift eller regene- rativ drift, varvid driftarten väljes i beroende av en strömjämförelse, som genomföres strax före, vid eller strax efter halvledarens nästa tillkoppling, nämligen på sådant sätt, att den regenerativa driften väljs, när ström-ärvärdet var större än ström-börvärdet, och frigångsdriften kopplas till, när ström-ärvärdet var mindre än ström-börvärdet.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att driftarten inte ändras mer under resten av hackar (chopper)-periodens varaktighet, dvs. fram till återinkopp- Hngen.

3. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att omkoppling under resten av hackar (chopper)-periodens varaktighet, dvs. fram till återinkopplingen, sker i beroende av strömjämförelseanordningen.

4. . Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att omkoppling under resten av hackar (chopper)-periodens varaktighet, dvs. fram till återinkopplingen, från regenerativ drift till frigångsdrift sker en gång när ärströmmen underskrider ström- börvärdet.

5. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att en stegmotor an- vändes såsom last.