DE1763218A1 - Stepper motor with speed-regulated voltage supply - Google Patents

Description

Schrittschaltmotor mit drehzahlregulierter SpannungazufuhrStepping motor with speed-regulated voltage supply

Das Kennzeichen eines Schrittschaltmotors "besteht darin, dass der Eingangsstrom in einen Motor normalerweise mit der Zunahme seiner lOrtschaltgeschwindigkeit abnimmt, und als Folge das verfügbare Ausgangsdrehmoment mit Zunahme der Drehzahl verringert wird ο Um über einen weiten Drehzahlbereich einen konstanteren Eingangestrom zu erhalten, werden mitunter mit den Wicklungen in Reihe geschaltete Widerstände hinzugefügt, jedoch müssen dann, sofern zum Erhalten einer höheren Maximaldrehzahl eine höhere Spannung verwendet wird, sowohl die Spannung als auoJa der Widerstand über den Wert hinaus vermehrt werden, der sonst zum Erzielen einer niedrigeren Maximaldrehzahl erforderlich wäre* Sofern das Anlaufoder Nulldrehmoment unverändert bleiben soll, muss der Strom bei Nulldrehzahl unverändert bleibeno Bei Nulldrehzahl betragt der Iieistungsverlust in den Widerständen I_Qk, so dass R zunehmen muss, wenn die Speisespannung zum Erhöhen derThe distinguishing feature of a stepper motor is that the input current into a motor normally decreases with the increase in its local switching speed, and as a result the available output torque is reduced as the speed increases ο To obtain a more constant input current over a wide speed range, the Windings added resistors in series, but if a higher voltage is used to get a higher maximum speed, then both the voltage and the resistance must be increased beyond what would otherwise be required to get a lower maximum speed should remain unchanged zero torque, the current at zero speed must bleibeno unchanged at zero speed of the Iieistungsverlust amounts in the resistors I _Q k, so that R must increase when the supply voltage for increasing the

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Maximaldrehzahl gesteigert wird« Es ist klar, dass bei grossen Schrittschaltmotoren der Leistungsverlust bei Fortsetzung dieser Verfahrensart bald die Grenzen der praktischen Anwendbarkeit übersteigt« Ferner müssen bei Verwendung eines transistorierten Motorantriebs zur Umschaltung der Motorwicklungen die den Schaltvorgang bewirkenden Transistoren, sofern in den Wicklungen mit ihnen in Reihe geschaltete Widerstände verwendet werden, während der Anlaufperiode, in welcher der Strom ebenfalls hoch ist, mit der erforderlichen hohen Speisespannung arbeiten» Da der Sekundär durchschlag eines Transistors weitgehend eine Funktion des Stromes und der Spannung ist, mit denen er gleichzeitig beaufschlagt wird, werden, die Transistoren somit nicht zweckdienlich verwendet, und es sind grossere Transistoren erforderlich, als sie sonst notwendig wäreno Eine bessere Gresamtumschaltleistung eines besonderen Trans ist or typ s erhält man, indem man dort, wo die Induktivität der Motorwicklungen den Strom begrenzt, bei niedrigeren Drehzahlen auf niedrigere Spannung und bei hohen Drehzahlen auf niedrigeren Strom umschalteteMaximum speed is increased «It is clear that with large stepper motors the loss of power if continued this type of procedure soon exceeds the limits of practical applicability a transistorized motor drive for switching of the motor windings the transistors causing the switching process, provided that they are connected in series with them in the windings Resistors are used during the start-up period in which the current is also high with the required high supply voltage work »Since the secondary breakdown of a transistor is largely a function of the current and the voltage with which it is applied at the same time, the transistors are not appropriately used, and there are larger transistors required than would otherwise be necessary o A better overall switching performance of a particular Trans is or type s is obtained by working at lower speeds where the inductance of the motor windings limits the current switched to lower voltage and at high speeds to lower current

Die der Erfindung zugrundeliegende Hauptaufgabe ist demzufolge in der Schaffung eines Schrittsehaitmotor-Antriebssystems zu sehen, bei welchem der Motor zum Ermöglichen dieser Umschaltungsart und somit einer höheren Wirtschaftlichkeit der Schalttransistoren bei niedrigen Drehzahlen mitThe main object underlying the invention is accordingly see in the creation of a step-by-step motor drive system in which the motor is used to make this possible Switching type and thus a higher profitability of the switching transistors at low speeds

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niedriger Spannung und bei hohen Drehzahlen mit hoher Spannung gespeist wirdo .low voltage and at high speeds with high voltage is fed o.

Weitere Ziele der Erfindung sind darin zu sehen, es möglich zu machen, eine preiswertere Stromversorgung zu verwenden^ die Leistungsverluste zu verringern und eine höhere Maximalausgangsdrehzahl zu erzielen·Further objects of the invention are to be seen in making it possible to make use of a cheaper power supply ^ reduce power losses and achieve a higher maximum output speed

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschriebene Es zeigen:An embodiment of the invention is shown in the drawing and will show in the following, described in more detail:

Figo 1 ein Blockschaltbild eines Schrittschaltmotor-Antriebssystems nach der Erfindung,Fig. 1 is a block diagram of a stepper motor drive system according to the invention,

Figo 2 ein Diagramm, welches veranschaulicht, wie sieh die dem Schrittschaltmotor nach Figo 1 zugeführte Spannung in Übereinstimmung mit der Drehzahl des Motors verändert«,Figo 2 is a diagram illustrating how see the voltage supplied to the stepping motor according to FIG. 1 in accordance with the speed of the Engine changed «,

G-emäss Figo 1, in welcher ein Schrittschaltmotoreystem gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht ist, umfasst dieses System einen Schrittschaltmotor 10 mit einem Rotor, der beispielsweise mittels einer Antriebswelle 14 mechanisch an eine ihm zugeordnete Last 11 angeschlossen ist© Der hier verwendete Begriff "Schrittschaltmotor" wird zur Bezeichnung eines Motors verwendet,G-emäss Figo 1, in which a stepping motor system according to Illustrates a preferred embodiment of the invention is, this system comprises a stepping motor 10 with a rotor, for example by means of a Drive shaft 14 is mechanically connected to a load 11 assigned to it © The term "stepping motor" used here is used to designate a motor,

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dessen Eotor oder Ausgangs-teil in kleinen gesonderten Teilbeträgen oder Schritten als Folge schrittweiser Veränderungen seiner Erregung angetrieben wirdp Üblicherweise besitzt ein solcher Motor eine Anzahl Wicklungen, die zwischen unterschiedlichen Erregungszuständen nach einem gegebenen Folgeschema umgeschaltet werden, wobei jede Veränderung in dem Erregungsschema einen Bewegungsteilbetrag des Rotors zur Folge hate In jeder beliebigen Arbeitslage eines Schrittschaltmotors ist gewöhnlich jede seiner Wicklungen entweder in einem voll erregten Zustand oder in einem vollständig stromlosen Zustand» jedoch können bei einigen Motoren die Wicklungen über die gesamte Schaltfolge zwischen einer Anzahl unterschiedlicher Erregungspegel umgeschaltet werden_e Zum Bewirken des Umlaufens des Motors in entgegengesetzten Richtungen können auaserdem unterschiedliche Schaltfolgen verwendet werden<>whose eotor or output part is driven in small separate parts or steps as a result of step-by-step changes in its excitation.Usually, such a motor has a number of windings which are switched between different states of excitation according to a given sequence scheme, with each change in the excitation scheme accounting for a part of the movement of the rotor result hate in any working position of a stepping motor is usually each of its windings in either a fully energized state or however in a fully energized state ", in some motors, the windings are switched across the entire switching sequence between a number of different excitation level _e for effecting the cycling of of the motor in opposite directions, different switching sequences can also be used <>

Dem Schrittschaltmotor 10 ist eine allgemein als Motorantrieb bezeichnete Steuereinheit 12 zugeordnet, die bei ihrem Betrieb ihr über eine Eingangsleitung 15 zugeführte Energie auf die Wicklungen des Motors verteilt, d»h» der Motorantrieb 12 ist im wesentlichen eine Schalteinheit, die durch umschalten den Motorwicklungen Energie in der Weise zuführt, dass diese Wicklungen zum Erzielen einer Umlaufbewegung des Motors in der gewünschten Richtung und mit der gewünschten Drehzahl in der richtigen Reihenfolge und mit der richtigenThe stepper motor 10 is generally used as a motor drive designated control unit 12, the energy supplied to it via an input line 15 during its operation distributed over the windings of the motor, i.e. the motor drive 12 is essentially a switching unit that can be switched by the motor windings supplies energy in such a way that these windings to achieve a rotary motion of the motor in the desired direction and at the desired speed in the correct order and with the correct

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Schaltgeschwindigkeit mit Strom gespeist, d»he erregt, werden« In dem Blockschaltbild nach Figo 1 ist die Verbindung zwischen dem Motorantrieb 12 und dem Schrittschaltmotor durch die Leitung 16 dargestellt, die beispielsweise aus einem Kabel bestehen kann, das eine Anzahl elektrische Leiter enthält, die die Schalter des Motorantriebs mit den Wicklungen des Motors verbinden» Der Motorantrieb kann in einigen Fällen eine von dem Fortschaltmotor gesonderte Einheit und in anderen Fällen ein Bestandteil des Motors sein, der, wie die übrigen Teile des Motors,mit ihm in dem gleichen Gehäuse untergebracht isto In dem Motorantrieb können die verschiedensten Sehaltvorrichtungen verwendet werden, im vorliegenden Beispiel sind dies üblicherweise Leistungstransistoren« Der Betrieb des Metorantriebs wird mit Hilfe einer ihm zugeordneten Vorrichtung gesteuert, die in Fig» 1 als eine logische Schaltung 18 dargestellt iato In Auswirkung vom in der logischen Schaltung 18 erzeugten und mit Hilfe der Leitung 20 übertragenen Signalen wird der Motorantrieb in einer gegebenen Reihenfolge und mit einer Geschwindigkeit geschaltet, die durch die Signale bedingt sind νSwitching speed fed with current, ie "he will be excited" In the block diagram according to FIG. 1, the connection between the motor drive 12 and the stepping motor is represented by the line 16, which may for example consist of a cable having a number of electrical conductors that connect the switches of the motor drive to the windings of the motor »The motor drive can be in in some cases a separate unit from the indexing motor and in other cases a component of the motor be who, like the rest of the engine, with him in the The same housing is housed in the motor drive A wide variety of holding devices can be used, in the present example these are usually Power transistors «The operation of the metor drive is controlled with the aid of a device assigned to it, which is shown in FIG. 1 as a logic circuit 18 As a result of the generated in the logic circuit 18 and by means of the signals transmitted by the line 20, the motor drive is in a given order and with a Speed switched, which are due to the signals ν

Hie Wicklungen des Sohrittachaltmotojrs 10 werden mit Gleichstromenergie gespeist, die aus einer Stromquelle 22 zugeführt wird» die beispielsweise ein aus einer üblichen Wechselstromspeiseleitung gespeister Gleichrichter sein kann· The windings of the Sohrittachaltmotojrs 10 are fed with direct current energy, which is supplied from a power source 22 »which can be, for example, a rectifier fed from a conventional alternating current supply line ·

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Erfindungsgemäss wird jedoch die Spannung der den Motorwicklungen aus der Stromquelle 22 zugeführten Energie in Übereinstimmung mit der Drehzahl des Motors verändert, wobei zu diesem Zweck an die Ausgangsleitung 26 der Stromquelle 22 ein Spannungsregler 24 angeschlossen ist, der dazu dient₉ die der Leitung 15 in Auswirkung eines an einer Eingangsleitung 28 auftretenden Steuersignals zugeführte Spannung zu steuern* Dem Schrittschaltmotor 10 ist ein Drehzahlmessfühler 30 zugeordnet, der an der Leitung 32 ain Steuersignal erzeugt» welches zu der Drehzahl des Motors in unmittelbarer Beziehung steht© Wie vorstehend erörtert, kann dieses Signal ein Spannungssignal E sein, welches gleich K&jist, worin <x> die Drehzahl des Motors und K eine Proportionalitätskonatante ist»According to the invention, however, changes the voltage to the motor windings from the power source 22 power supplied in accordance with the speed of the motor being connected for this purpose to the output line 26 of the current source 22, a voltage regulator 24, which serves _9, the line 15 in effect to control a voltage applied to an input line 28 * The stepping motor 10 is assigned a speed sensor 30 which generates a control signal on the line 32 which is directly related to the speed of the motor © As discussed above, this signal can be a voltage signal E, which is equal to K & j, where <x> is the speed of the motor and K is a proportionality constant »

Der Drehzahlmessfühler 30 kann die verschiedensten Pormen haben und,wie in lig» 1 in voll ausgezogenen Linien dargestellt, eine über eine Abzweigleitung 34 an die Eingangsleitung 16 des Motors 10 angeschlossene, elektrisch betätigte Vorrichtung sein_o Wenn der Motorantrieb durch Umschalten den Motorwicklungen Energie zuführt, treten an der Leitung 34 durch die Umschaltung erzeugte Signale in Form von Impulsen auf» wobei der Drehzahlmessfühler" 30 in diesem "Falle so ausgebildet 1st» dass er bei seinem Betrieb an der Leitung 32 ein Ausgangssignal erzeugt, das der frequenz dieser Umschaltung und somit der Drehzahl des Motors 10 proportional ist» Andererseits kann der Brehzahlmeaefühler 30- eine mecha~The speed sensor 30 can be a variety of Pormen have and, as shown in lig "1 in solid lines, to be a connected via a branch line 34 to the input line 16 of the motor 10, electrically actuated device _o When the motor drive supplies by switching the motor windings energy, signals generated by the switchover appear on the line 34 in the form of pulses »whereby the speed sensor" 30 in this "case is designed in such a way that when it is operated it generates an output signal on the line 32 that corresponds to the frequency of this switchover and thus the The speed of the motor 10 is proportional. On the other hand, the speed sensor 30 can be a mecha ~

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nisch betätigte Vorrichtung sein, die zu ihrem Antrieb, beispielsweise über eine in. Fig* I gestrichelt dargestellte Antriebswelle 36_S an den Schrittschaltmotor 10 angeschlossen ist und bei ihrem Betrieb an der Leitung 32 ein Signal erzeugt, das zu der Drehzahl in Beziehung steht„ mit welcher die Welle 36 umläuftobe cally operated device, which generates a signal to drive it, for example via a dashed line in FIG. * I-illustrated drive shaft 36. _S is connected to the stepping motor 10 and in its operation to the line 32 that is related to the rotational speed in relationship "with which the shaft 36 revolves to

Das an der Leitung 32 auftretende, zur Drehzahl in Beziehung stehende Signal wird über die Leitung 28 auf den Spannungsregler übertragen und erzeugt an der Leitung 15 eine Ausgangsspannung, die zu der Grosse des Signals an der Leitung 28 in unmittelbarer Beziehung steht_o Demzufolge ist das Signal EG- an der Leitung 15» wie in Fig* 1 angegeben, gleich. (X(Mt worinOi ein anderer Proportionalitätsfaktor iste Diese Spannung wird über den Motorantrieb 12 an die Wicklungen des Schrittschaltmotors angelegt, so dass zum Erreichen der vorstehend erörterten Vorteile folglich mit Zunahme der Drehzahl α) des Portschaltmotors die Spannung&er den Wicklungen des Motors zugeführten Energie ebenfalls erhöht wird*The signal appearing on line 32, related to the speed related signal is transmitted via line 28 to the voltage regulator, and produces on line 15 an output voltage that is related to the size of the signal on the line 28 in close relationship _o Consequently, the signal EG- on line 15 »as indicated in Fig * 1, the same. (X (Mt where Oi is another proportionality factor This voltage is applied to the windings of the stepping motor via the motor drive 12, so that, in order to achieve the advantages discussed above, as the speed α increases) of the port switching motor, the voltage and the energy supplied to the windings of the motor are also applied is increased *

In Fig» 2 gibt die durch den Koordinatennullpunkt verlaufende» durchgehende Gerade 38 die bei verschiedenen Drehzahlen des bis hierher beschriebenen Motors in dem System vorhandene angelegte Spannung wieder* Zu dieser Linie ist zu bemerken, dass bei Nulldrehzahl keine angelegte Spannung erzielt wird· Um dies zu beheben und bei Null- und sehr niedrigen Drehzahlen, etwas Strom und Drehmoment zu erhalten, ist es er- In Fig »2 there is the» continuous straight line 38 the existing in the system at different speeds of the motor described up to this point applied voltage again * Note on this line that that no applied voltage is achieved at zero speed To fix this and to get some current and torque at zero and very low speeds, it is

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wünscht, dass das System irgendeine Vorrichtung enthält,, um bei diesen Drehzahlen eine angelegte Mindestspannung zu er zeug en οwishes the system to contain some device, in order to apply a minimum voltage at these speeds he witness en ο

Bei dem System nach pig» 1 besteht diese Vorrichtung aus einem Potentiometer, dessen Widerstand zwischen Erde und einer positiven Speisespannung so angeschlossen ist, dass an seinem Kontaktarm ein phasenverschobenes Signal Ea entsteht, dessen Wert sich durch Einstellen des Kontaktarmes regulieren lässt ο Das phasenverschobene Signal Ea tritt an einer leitung 42 auf, die" mit einem Ende an den Kontaktarm des Potentiometers und mit ihrem anderen Ende über eine Diod· 44 an die Eingangsleitung 28 des Spannungsreglers 24 angeschlossen ist, wobei die Leitung 32, an welcher das zur Drehzahl in Beziehung stehende Signal auftritt, über eine Diode 46 ebenfalls an die Leitung 28 angeschlossen ist· Demzufolge leuchtet ein, dass, sofern das zur Drehzahl in Beziehung stehende Signal E kleiner ist als das phasenverschobene Signal Ea, das phasenverschobene Signal Ea an der Leitung 28 auftritt und, sofern das zur Drehzahl in Beziehung stehende Signal E grosser ist als das phasenverschobene Signal Ea, das zur Drehzahl in Beziehung stehende Signal E dort ebenfalls auftritt* Die Kennlinie der Spannung Eg verläuft also wie in Figo 2 durch die voll ausgezogene Linie dargestellt, wobei zu bemerken ist_e dass die bei Nulldrehzahl an den Portschaltmotor angelegte Spannung Em ist und dass dieseIn the system according to pig »1, this device consists of a potentiometer whose resistance is connected between earth and a positive supply voltage in such a way that a phase-shifted signal Ea is generated on its contact arm, the value of which can be regulated by adjusting the contact arm ο the phase-shifted signal Ea occurs on a line 42 having one end connected to the potentiometer contact arm and the other end connected via a diode 44 to the input line 28 of the voltage regulator 24, the line 32 on which the speed related Signal occurs, is also connected to the line 28 via a diode 46. It is therefore evident that if the signal E related to the speed is smaller than the phase-shifted signal Ea, the phase-shifted signal Ea appears on the line 28 and, if the speed-related signal E is greater than the phase-shifted signal Ea, i.e. as related to the speed related signal E also occurs where * Thus, the characteristic of the voltage Eg is as in Figo 2 represented by the solid line, being noted is _e that the voltage applied at zero speed of the port motor voltage Em and that this

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μ. 9 -μ. 9 -

■Mindestspannung beibehalten wird, bis die Drehzahl des Motors eine Mindestdrehzahl com überschreitet* Danach nimmt die angelegte Spannung mit Zunahme der Drehzahl zu₉ ■ The minimum voltage is maintained until the speed of the motor exceeds a minimum speed com * After that, the applied voltage increases as the speed increases ₉

Patentanspruch e:Claim e:

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Claims (1)

PA TBN TA N WXL TBPA TBN TA N WXL TB 76321 C76321 C PATENTANWALT DIPL-ING. HANS-H. WEY 8 MDNCHEN 22 ■ Wl D E N M AY E RSTRASS E 49 TEL 0811 · 225585 . TELEGR. PROPINDUS ■ TELEX 0524244 PATENT Attorney DIPL-ING. HANS-H. WEY 8 MDNCHEN 22 ■ Wl DENM AY E RSTRASS E 49 TEL 0811 · 225585. TELEGR. PROPINDUS ■ TELEX 0524244 192 Berlin, den 22, April 1968192 Berlin, April 22, 1968 TEE GERBER SCIENTIFIC INSTRUMENT COMPANY» South Windsor» Connecticut (TJSA)TEE GERBER SCIENTIFIC INSTRUMENT COMPANY » South Windsor »Connecticut (TJSA) Patentansprüche :Patent claims: JSchrittschaltmotor-Antriebsavstem, gekennzeichnetStepper motor drive avstem, marked eine Stromquelle (22) zur Speisung des Schrittschaltmotors (1O) und durch Mittel, um die Spannung der dem Motor aus der Stromquelle (22) zugeführten Energie automatisch in Übereinstimmung mit der Drehzahl des Motors in der Weise zu verändern, dass die Spannung mit Zunahme der Drehzahl zunimmt_o a power source (22) for feeding the stepping motor (1O) and by means of automatically changing the voltage of the energy supplied to the motor from the power source (22) in accordance with the speed of the motor in such a way that the voltage increases as the Speed increases _o 2a System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (30), um ein zu der Drehzahl des Motors in Beziehung stehendes Signal (E) zu erzeugen» und durch einen Spannungsregler (24)t der auf dieses Signal anspricht»2a system according to claim 1, characterized by means (30), is related to the speed of the engine To generate signal (E) »and through a voltage regulator (24) t which responds to this signal» 3» System nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel (40) zur Erzeugung eines phasenverschobenen Signals (la), welches bei seinem Anlegen an den Spannungsregler (24) bewirkt, dass die Spannung auf einem entsprechenden Wert3 »System according to claim 2, characterized by means (40) for generating a phase-shifted signal (la), which when it is applied to the voltage regulator (24) causes the voltage to be at an appropriate value 109825/0554 _#A109825/0554 _# A gehalten wird, wobei eine Leitung (28) das zur Drehzahl in Beziehung stehende Signal (E) und das phasenverschobene Signal (Ba) an den Spannungsregler (24) so anschliesst, dass bei Drehzahlen unter einem angegebenen Wert das phasenverschobene Signal (Ea) und bei Drehzahlen über einem gegebenen Wert das zur Drehzahl in Beziehung stehende Signal (E) an den Spannungsregler (24) angelegt wirdois held, with a line (28) that to the speed related signal (E) and the phase-shifted signal (Ba) to the voltage regulator (24) so that that at speeds below a specified value the phase-shifted signal (Ea) and at speeds over a given value that is related to the speed standing signal (E) is applied to the voltage regulator (24) o System nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen eines zur Drehzahl des Motors (10) in Beziehung stehenden Signals (E), die aus einem Messfühler (50) bestehen, von dem ein mechanischer Teil (36) zu seinem Antrieb so an den Motor (10) angeschlossen ist, dass er durch ihn in Drehbewegung versetzt wird und dabei ein Signal (E) erzeugt, das zu der Drehzahl, mit welcher der Teil (36) in Drehbewegung versetzt wird, in Beziehung steht»System according to claim 2, characterized by means for Generating a relationship to the speed of the motor (10) standing signal (E), which consist of a measuring sensor (50), of which a mechanical part (36) is used to drive it is connected to the motor (10) in such a way that it is set in rotary motion by it and thereby generates a signal (E) that corresponds to the speed at which the Part (36) is set in rotation, is related to " 5c System nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zwischen der Stromquelle (22) und dem Motor (10) liegenden Motorantrieb (12), um den Wicklungen des Motors die Energie aus der Stromquelle durch Umschalten in einer gegebenen Reihenfolge und mit einer Geschwindigkeit zuzuführen, die die Drehzahl des Motors bestimmt, wobei die Mittel (30) zum Erzeugen einea zur Drehzahl des5c System according to Claim 2, characterized by one lying between the power source (22) and the motor (10) Motor drive (12), to the windings of the motor the energy from the power source by switching in a given order and at a speed that determines the speed of the motor, wherein the means (30) for generating a relating to the speed of the 109825/0554109825/0554 Motors (10) in Beziehung stehenden Signals (E) Mittel enthalten, die an den Motorantrieb (12) angeschlossen sind und betätigt werden können_p um ein zu ihrer Schaltgeschwindigkeit in Beziehung stehendes Signal zu erzeugen« Motor (10) related signal (E) contain means which are connected to the motor drive (12) and can be operated _p to generate a signal related to their switching speed « 109825/0554109825/0554