DE19721282A1 - Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors - Google Patents
Verfahren zum Treiben eines SchrittmotorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors,
insbesondere auch ein Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors, der
als Antriebsquelle für einen Schlittenantriebsmechanismus eines mit
einem Schlitten ausgestatteten Druckers oder als Antriebsquelle für einen
Papiertransportmechanismus eines Druckers eingesetzt wird.
Ein sogenannter seriell arbeitender Drucker, bei dem eine vorbestimmte
Aufzeichnung erfolgt, während ein einen Druckkopf tragender Schlitten
entlang einem Druckerwiderlager bewegt wird, der Druckkopf selektiv
angesteuert wird, um einen Zeilenabschnitt auf einen Aufzeichnungs
träger zu drucken, der Aufzeichnungsträger zeilenweise weitertranspor
tiert wird, wenn eine Zeile gedruckt ist, um anschließend die nächste
Zeile zu drucken, dient vornehmlich als Ausgabeeinrichtung für einen
Rechner oder einen Textprozessor.
In einem solchen seriell arbeitenden Drucker wird im allgemeinen ein
Schrittmotor dazu eingesetzt, den Antriebsmechanismus eines Schlittens
und/oder eines Papiertransportmechanismus anzusteuern. Der Schritt
motor eignet sich deshalb besonders gut, weil er folgende besondere
Vorteile aufweist:
- 1. Der Drehwinkel des Motors ist proportional zu der Anzahl von Eingangsimpulsen, es entsteht kein akkumulativer Fehler.
- 2. Die Drehzahl des Motors ist proportional zur Eingangsimpulsfre quenz, und es ist ein präziser synchroner Betrieb in einem großen Steuerbereich möglich.
- 3. Anfahr- und Anhalteverhalten sind hervorragend; der Betrieb bei konstanter Frequenz ist bei der Selbst-Start-Frequenz oder darunter möglich.
- 4. Das Ansprechverhalten ist sehr gut, ebenso wie die Ausgangslei tung.
- 5. Man kann die Position dadurch steuern, daß man lediglich einen Eingangsimpuls entsprechend einer Zielposition eingibt.
- 6. Es ist eine digitale Steuerung möglich.
Ein Schrittmotor ist gemäß Fig. 9 hauptsächlich ausgestattet mit einem
Stator 6, der einen ersten (A), einen zweiten (B), einen dritten (C) und
einen vierten (D) magnetischen Pol (Phasen) 2, 3, 4 und 5 aufweist, die
in Abständen von 90 Grad angeordnet sind, und einem Rotor 7, der aus
einem sich drehenden Permanentmagneten mit einem N- und einem
S-Pol mit 180 Grad Versatz besteht. Ferner ist dieser Rotor 7 mit einer
nicht dargestellten Ausgangswelle gekoppelt. Um den ersten und den
dritten magnetischen Pol 2 und 4 ist eine erste Spule 8 gewickelt, auf
dem zweiten (B) und dem vierten (D) Magnetpol 3 und 5 ist eine zweite
Spule 9 gewickelt.
Wenn in die Spulen 8 und 9 ein Erregerstrom mit entsprechenden Pha
sen für den Stator eingespeist wird, um den Schrittmotor 1 in Drehung
zu versetzen, wird durch diesen Strom ein Magnetfeld erzeugt, so daß
zwischen dem Stator 6 und dem Rotor 7 elektromagnetische Anziehungs- oder
Abstoßungskräfte entstehen. Die elektromagnetische Kraft zwi
schen dem Stator 6 und dem Rotor 7 wird umgeschaltet, indem der
Erregerstrom sukzessive umgesteuert wird, um dadurch ein Drehmoment
zum Drehen des Rotors zu erzeugen.
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines Motortreiber-IC zum Ansteuern
eines allgemeinen Schrittmotors. Wie aus Fig. 10 hervorgeht, ist das
Motortreiber-IC 10 aufgebaut durch eine Steuerschaltung 11, eine Trei
berschaltung 12 und eine Versorgungsquelle 13. Die Steuerschaltung 11
hat die Funktionen des Steuerns insgesamt, beispielsweise das Ändern
der Eingangsspannung, der Drehzahl und der Drehrichtung, einer
Strecke und eines Winkels abweichend von einer Eingangsschnittstelle,
und sie führt die Steuerung der Zeitpunkte für die Impulse durch, die
dem Schrittmotor 1 zugeführt werden. Außerdem ist die Treiberschal
tung 12 eine Schaltung zum Verteilen von impulsförmigen Signalen, die
von der Steuerschaltung 11 kommen, sowie zum Verstärken dieser
Signale, um die jeweiligen Phasen des Schrittmotors 1 in einer bestimm
ten Folge zu erregen. Als Versorgungsquelle 13 werden zwei Arten
benötigt, eine zum Antreiben des Schrittmotors, die andere für eine
typische integrierte Schaltung (IC).
Außerdem gibt es grundsätzlich zwei Typen von Treibersystemen, näm
lich ein unipolares und ein bipolares Treibersystem zum Ansteuern des
Schrittmotors 1.
Das unipolare Treibersystem entspricht einem Verfahren, bei dem ein
Strom in jeweilige Spulen in einer Richtung eingespeist wird, indem
lediglich ein entsprechender Transistor 21, 22, 23 bzw. 24, die an zuge
hörigen Spulen liegen, wie aus Fig. 11 hervorgeht, eingeschaltet wer
den. Im Gegensatz dazu wird bei einem bipolaren Treibersystem eine
Mehrzahl von Transistoren 25, 26, 27 und 28 an zugehörige Spulen
angeschlossen, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist. Wenn man als Beispiel
nur die Phase A betrachtet, so fließt ein Strom in der Richtung A, wenn
man den ersten Transistor 25 und den vierten Transistor 28 einschaltet,
während ein Strom in die umgekehrte Richtung A fließt, indem man den
zweiten Transistor 26 und den dritten Transistor 27 einschaltet. Bei dem
unipolaren Treibersystem ist ein im Vergleich zu dem bipolaren Treiber
system vereinfachter Schaltungsaufbau möglich, weil die Anzahl der
Transistoren nur halb so groß ist. Allerdings hat das bipolare Treibersys
tem demgegenüber den Vorteil eines größeren Motor-Drehmoments im
Vergleich zu dem unipolaren Treibersystem, bezogen auf gleiche elektri
sche Eingangsleistung. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Treiben
eines Schrittmotors 1 wird im vorliegenden Zusammenhang unter Bezug
nahme auf ein bipolares Ansteuern erläutert.
Das Speisesystem für einen Erregerstrom beinhaltet die 1-Phasen-Erre
gung, die 1-2-Phasen-Erregung, die 2-2-Phasen-Erregung und so weiter.
Das oben angesprochene Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors 1
mittels 1-Phasen-Erregung ist das grundlegendste Treiberverfahren zum
phasenweisen Erregen der jeweiligen Phasen nacheinander, um den
Schrittmotor um einen Grundschritt-Winkel zu drehen. Wenngleich die
Winkelgenauigkeit groß ist, hat dieses Verfahren doch den Nachteil, daß
das Antriebsmoment gering und der Leistungswirkungsgrad niedrig ist.
Deshalb gelangt dieses Verfahren nicht so häufig zur Anwendung. Darü
ber hinaus entspricht bei der 1-Phasen-Erregung ein Schrittwinkel einem
Grund-Schrittwinkel.
Das oben erläuterte Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors 1 durch
2-2-Phasen-Erregung ist ein Verfahren, bei dem ständig zwei einander
benachbarte Phasen gleichzeitig erregt und zu einer gewissen Zeit die
Erregung einer Phase umgeschaltet wird. Da stets zwei Phasen erregt
sind, ist der Leistungswirkungsgrad hoch, und man erhält ein hohes
Ausgangsdrehmoment bei gleicher Spannungsversorgung. Darüber hinaus
ist der Schrittmotor dann in vorteilhafter Weise gut gegen Vibrationen
abgesichert, wie sie entstehen, wenn der Rotor über die Soll-Position
hinausdreht. Deshalb wird dieses Verfahren in großem Umfang zum
Treiben eines Schrittmotors 1 eingesetzt.
Darüber hinaus gibt es noch das oben angesprochene Verfahren zum
Treiben eines Schrittmotors durch 1-2-Phasen-Erregung. Bei dieser Art
der Motoransteuerung wird die oben angesprochene 1-Phasen-Erregung
abwechselnd mit der 2-2-Phasen-Erregung durchgeführt. Weil die Anhal
testellung des Rotors bei der 1-Phasen-Erregung und die Anhaltestellung
bei der 2-2-Phasen-Erregung gegeneinander um 1/2 des Grundschritt
winkels versetzt sind, läßt sich die Ausgangsgröße bei einem Schritt
winkel erhalten, der 1/2 des Schrittwinkels der 1-Phasen-Erregung und
der 2-2-Phasen-Erregung ausmacht, indem diese zwei Erregungszustände
abwechselnd eingestellt werden. Es verdoppelt sich also die Auflösung
im Vergleich zu den anderen Ansteuerverfahren, so daß man eine fein
stufige Einstellung des Schrittmotors erreicht. Außerdem läßt sich der
Schrittmotor mit wenig Rauschen und in stabiler Weise bei hoher Ge
schwindigkeit antreiben. Das Verfahren wird also vornehmlich dann
eingesetzt, wenn eine genaue Drehgröße erhalten werden soll.
Wenn allerdings bei diesem Verfahren des Ansteuerns eines Schrittmo
tors die Eingangsleistung gesteigert wird, um bei Betrieb mit hoher
Drehzahl ein entsprechend hohes Drehmoment zu erreichen, so wird im
unteren Drehzahlbereich ein übermäßig großes Drehmoment erzeugt,
was zu Vibrationen und zu Rauschen führt.
Um diese Unzulänglichkeit zu vermeiden, wird von einem Treiberver
fahren Gebrauch gemacht, welches mit der Bezeichnung Mikroschritt-Treiberverfahren
bezeichnet wird, und bei dem ein Konstantstrom-Zer
hackersystem zum Einsatz gelangt, bei dem ein Schrittwinkel, der me
chanisch durch den Aufbau des Schrittmotors 1 festgelegt ist, zusätzlich
einer Feinteilung unterzogen wird, und zwar mit Hilfe einer elektroni
schen Schaltung, über die der Rotor des Schrittmotors 1 so angesteuert
wird, daß er glatt gedreht wird. Im vorliegenden Fall soll beschrieben
werden, daß die Ansteuerung nach dem Mikroschritt-Treiberverfahren
mittels bipolarer Ansteuerung bei 2-2-Phasen-Erregung erfolgt.
Die Zustandsänderungen eines Treiberstroms bei der Vollschritt-Ansteue
rung sowie bei der Mikroschritt-Ansteuerung sind in Fig. 13 dargestellt.
Wenn die Drehmoment-Winkel-Kennlinie des Schrittmotors 1 einen etwa
sinusförmigen Verlauf hat, wird eine glatte Drehung mit geringen Dreh
momentschwankungen möglich, wenn man einen sinusförmigen Erreger
strom einspeist, wie er in Fig. 13 dargestellt ist. Dieser sinusförmige
Erregerstrom wird dadurch erhalten, daß man eine Periode mit einer
Steuerschaltung in mehrere Perioden aufteilt. Fig. 13 zeigt den Fall der
Aufteilung einer Periode in vierzig Abschnitte, da dies jedoch bedeutet,
daß der Grundschrittwinkel in zehn Abschnitte aufgeteilt ist, wird die
Auflösung zehn Mal so hoch wie zuvor. Abgesehen davon, ist die An
zahl der Unterteilungen optional wählbar.
Bei einem konventionellen Konstantstrom-Zerhackersystem wird bei der
Mikroschritt-Ansteuerung ein konstanter Strom dadurch erhalten, daß
man eines der im folgenden erläuterten Verfahren verwendet. Der Kon
stantstrom-Zerhackertreiber hat eine solche Ausgestaltung, daß er die in
Fig. 14 dargestellte Stromwellenform liefert, wonach ein konstanter
Strom dadurch aufrechterhalten wird, daß ein Strom-Aus-Zustand für
eine vorbestimmte Zeitspanne eingerichtet wird, wenn der Versorgungs
strom einen Einstellwert erreicht, und der Strom anschließend wieder
eingeschaltet wird, so daß der Speisestrom den Einstellwert erreicht.
Gemäß einem ersten Verfahren zum Erhalten des konstanten Stroms
wird in einer Treiberschaltung der in Fig. 12 gezeigten Bauart ein erster
Transistor 25 sowie ein vierter Transistor 28 im Einschaltzustand der
Spannungsversorgung eingeschaltet, und wenn die Versorgungsstrom
stärke einen Einstellwert erreicht, wird der erste Transistor 25 in einem
Zustand ausgeschaltet, in welchem der vierte Transistor 28 eingeschaltet
bleibt. Obschon der Erregerstrom allmählich abnimmt, wird wiederholt
ein Betrieb durchgeführt, bei dem der erste Transistor 25 in den Ein
schaltzustand gebracht wird, der Strom auf einen Einstellwert angeho
ben und der erste Transistor 25 erneut abgeschaltet wird, nachdem eine
vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist. Gemäß einem zweiten Ver
fahren wird in der Treiberschaltung nach Fig. 12 der erste Transistor 25
sowie der vierte Transistor 28 eingeschaltet, dann wird der erste Transi
stor 25 ausgeschaltet, und der vierte Transistor 28 wird ebenfalls ausge
schaltet zu dem Zeitpunkt, zu dem der Versorgungsstrom den Einstell
wert erreicht, dann wird die Stromstärke drastisch reduziert, der erste
Transistor 25 und der vierte Transistor 28 werden eingeschaltet, um den
Strom auf den Einstellwert zu steigern, und der erste Transistor 25
sowie der vierte Transistor 28 werden erneut ausgeschaltet, wenn eine
vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist. Dieser Vorgang wird wieder
holt.
Es wurde lediglich der Verlauf des Erregerstroms in der Phase A erläu
tert, jedoch erfolgt eine ähnliche Steuerung auch für die anderen
Phasen-Spulen mit versetzten Erregerzeiten.
Bei dem zuerst erläuterten Verfahren läßt sich zwar die Stromwelligkeit
gemäß Fig. 15 verringern, jedoch ist der Erregerstrom verzerrt, so daß
der Anfall von Wärme in dem Schrittmotor zunimmt.
Bei dem zweiten Verfahren gibt es die Unzulänglichkeit, daß die Strom
welligkeit gemäß Fig. 16 zunimmt, so daß die Motorverluste steigen,
und es wird gleichzeitig das Drehmoment verringert.
Da bei dem Mikroschritt-Treiberverfahren außerdem in Zeiten hoher
Drehzahlen die Notwendigkeit besteht, einen Schritt (Impuls) in weitere
feine Schritte zu unterteilen, erhält ein Treiberimpuls eine Hochfre
quenzkomponente, was den Aufbau der Treiberschaltung und deren
Steuerung verkompliziert.
Bei einem bekannten Ansteuerverfahren für einen Schrittmotor wird zur
Überwindung der Probleme des Standes der Technik von einem Verfah
ren der Ansteuerung eines Schrittmotors Gebrauch gemacht, bei dem der
Motor bei hohen Drehzahlen mit einem normal arbeitenden Erregersys
tem angesteuert wird, während bei niedrigen Drehzahlen die Mikro
schritt-Ansteuerung erfolgt, wobei der Strom während der Ausschaltzeit
spannen im Zerhackerbetrieb zur Erzielung eines konstanten Stroms
beim Mikroschritt-Treiberverfahren reduziert wird, indem man eine
Hochdrehzahl-Dämpfung mit einer Niedrigdrehzahl-Dämpfung kombi
niert.
Bei diesem Ansteuerverfahren besteht die Möglichkeit, die Stromwellig
keit zu verringern, und dadurch die Entstehung von Wärme und Vibra
tion bei Drehung des Motors mit niedriger Drehzahl zu begrenzen, ohne
dadurch die Steuerschaltung kompliziert zu machen.
Allerdings sind bei einem solchen Ansteuerverfahren für einen Schritt
motor die der auf die Phasen A und C gewickelten ersten Spule 8 und
die der auf die Phasen B und D gewickelten zweiten Spulen 9 entspre
chende Referenzspannung eines Motortreiber-ICs 10 Sinuswellen, wie
aus Fig. 17A und 17B hervorgeht, während die Mikroschritt-Ansteue
rung erfolgt, während die in die Spulen 8 und 9 eingespeisten Erreger
ströme ebenfalls sinusförmige Wellen basierend auf der Referenzspan
nung sind, wie aus den Fig. 18A und 18B hervorgeht. Untersucht man
die Summe der Erregerströme in der ersten Spule 8 und der zweiten
Spule 9, so sieht man, daß eine Stromsummen-Welligkeit entstanden ist,
wie sie in Fig. 18C dargestellt ist. Fig. 19 zeigt eine vergrößerte An
sicht der Fig. 18C, und man erkennt, daß die Stromsumme jedesmal
dann eine Spitze aufweist, wenn der Erregerstrom der ersten Spule 8
und der Erregerstrom der zweiten Spule 9 einander überlappen. Eine
solche Stromsummen-Welligkeit führt zu einer Drehmoment-Welligkeit
des Schrittmotors und war eine Ursache für die Entstehung von Vibra
tionen bei der Mikroschritt-Ansteuerung.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Treiben
eines Schrittmotors, welches in der Lage ist, ohne die Notwendigkeit
einer komplizierten Steuerschaltung Vibrationen bei der
Mikroschritt-Ansteuerung des Schrittmotors zu beherrschen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum
Treiben eines Schrittmotors, bei dem Vibrationen im niederfrequenten
Beschleunigungs/Verzögerungs-Bereich im Betrieb mit niedriger Dreh
zahl oder im Betrieb mit hoher Drehzahl beherrscht werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene
Erfindung.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zum Treiben eines
Schrittmotors geschaffen, bei dem eine Mikroschritt-Ansteuerung im
niederfrequenten Beschleunigungs/Verzögerungs-Bereich während des
Betriebs mit niedriger Drehzahl und während des Betriebs mit hoher
Drehzahl des Schrittmotors beim Umschalten der Phase während des
bipolaren Ansteuerns durchgeführt wird, so daß der Rotorkern des
Schrittmotors rund (glatt) dreht, und zwar im unteren Beschleunigungs-
/Verzögerungs-Bereich bei hohen und niedrigen Drehzahlen, so daß
Vibrationen auf ein Minimum unterdrückt werden.
Durch die Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Ansteuern eines
Schrittmotors geschaffen, welches in der Lage ist, eine Stromsummen
welligkeit an der Entstehung zu hindern und Vibrationen zur Zeit des
Mikroschritt-Ansteuerns zu unterdrücken, ohne daß eine komplizierte
Steuerschaltung erforderlich wäre, indem ein Erregerstrom für die jewei
ligen Phasen dadurch gebildet wird, daß eine Zerhacker-Stromwelle mit
Hilfe des Mikroschritt-Ansteuerns erzeugt wird.
Durch die Erfindung soll außerdem ein Verfahren zum Ansteuern eines
Schrittmotors geschaffen werden, bei dem der Vibrationspegel des Mo
tors dadurch verbessert wird, daß man einen Erregerstrom einspeist, der
sich aus einer Zerhacker-Stromwelle zusammensetzt, welche ihrerseits
erhalten wird durch Anlegen eines Vorstroms an die jeweiligen Spulen
des Schrittmotors.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A ein Diagramm, welches eine Drehzahländerung eines
Schrittmotors im unteren Drehzahlbereich gemäß der Erfin
dung veranschaulicht;
Fig. 1B ein Diagramm, welches eine Spannungsänderung für jede
Phase eines Motors im unteren Drehzahlbereich zeigt (der
Abschnitt der Sägezahnwelle veranschaulicht die Treiberpo
sitionen durch Mikroschritt-Ansteuerung);
Fig. 2A ein Diagramm einer Drehzahländerung eines Schrittmotors
im hohen Drehzahlbereich gemäß der Erfindung;
Fig. 2B ein Diagramm einer Spannungsänderung für jede Phase
eines Motors im hohen Drehzahlbereich (der dargestellte
Sägezahnwellenbereich zeigt die Treiberpositionen durch
Mikroschritt-Ansteuerung);
Fig. 3 ein Wellenformdiagramm eines Spulenstroms gemäß einer
Ausführungsform eines Ansteuerverfahrens für einen
Schrittmotor gemäß der Erfindung;
Fig. 4A ein Wellenformdiagramm einer Referenzspannung entspre
chend einer ersten Spule eines Motortreiber-ICs gemäß
einer Ausführungsform eines Ansteuerverfahrens für einen
Schrittmotor gemäß der Erfindung;
Fig. 4B ein Wellenformdiagramm, welches eine Referenzspannung
entsprechend einer zweiten Spule eines Motortreiber-IC
ähnlich der obigen Darstellung veranschaulicht;
Fig. 5A ein Wellenformdiagramm, die einen Erregerstrom der
ersten Spule gemäß einer Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Ansteuerverfahrens für einen Schrittmotor zeigt;
Fig. 5B ein Wellenformdiagramm, welches den Erregerstrom der
zweiten Spule ähnlich der obigen Darstellung zeigt;
Fig. 5C ein erläuterndes Diagramm, welches eine Stromsumme von
Erregerströmen der ersten und der zweiten Spule veran
schaulicht;
Fig. 6 ein vergrößertes Diagramm der Fig. 5C;
Fig. 7A ein Wellenformdiagramm der Referenzspannung, die mit
entsprechender Vorspannung an die erste Spule des Motor
treiber-ICs gemäß einer weiteren Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Treiberverfahrens für einen Schritt
motor angelegt wird;
Fig. 7B ein Wellenformdiagramm, welches eine Referenzspannung
zeigt, die mit Vorspannung an die entsprechende zweite
Spule des Motortreiber-ICs angelegt wird, ähnlich wie Fig.
7A;
Fig. 8A ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms, der mit
Vorspannung in die erste Spule gemäß einer weiteren
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Treiben eines Schrittmotors eingespeist wird;
Fig. 8B ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms, der mit
Vorspannung in die zweite Spule eingespeist wird;
Fig. 8C eine anschauliche Darstellung eines Summenstroms der
Erregerströme, die mit Vorspannung in die erste und die
zweite Spule eingespeist werden;
Fig. 9 ein grundlegendes Diagramm zum Veranschaulichen des
Aufbaus eines Schrittmotors;
Fig. 10 ein Blockdiagramm eines Treibers eines Schrittmotors;
Fig. 11 eine anschauliche Darstellung einer Treiberschaltung für
einen Schrittmotor eines Unipolar-Systems;
Fig. 12 ein anschauliches Diagramm einer Treiberschaltung für
einen Schrittmotor eines Bipolar-Systems;
Fig. 13 ein anschauliches Diagramm zum Erläutern der Änderung
eines Erregerstroms bei der Vollschritt-Ansteuerung einer
seits und bei der Mikroschritt-Ansteuerung andererseits;
Fig. 14 ein Wellenformdiagramm für einen Erregerstrom bei einem
Konstantstrom-Zerhackersystem;
Fig. 15 ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms während der
Zeit der Niedrigdrehzahl-Dämpfung entsprechend einem
konventionellen Treiberverfahren;
Fig. 16 ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms zur Zeit der
Hochdrehzahl-Dämpfung entsprechend einem konventionel
len Treiberverfahren;
Fig. 17A ein Wellenformdiagramm einer Referenzspannung entspre
chend der ersten Spule des Motortreiber-IC gemäß einem
konventionellen Treiberverfahren für einen Schrittmotor;
Fig. 17B ein Wellenformdiagramm, welches eine Referenzspannung
entsprechend der zweiten Spule des Motortreiber-IC ähn
lich Fig. 17A zeigt;
Fig. 18A ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms der ersten
Spule gemäß einem konventionellen Treiberverfahren für
einen Schrittmotor;
Fig. 18B ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms für die
zweite Spule, ähnlich Fig. 18A;
Fig. 18C ein anschauliches Diagramm für einen Summenstrom von
Erregerströmen der ersten und der zweiten Spule; und
Fig. 19 ein vergrößertes Diagramm der Fig. 18C.
Ein Treiberverfahren für einen Schrittmotor gemäß der Erfindung beruht
auf dem Zerhacker-Ansteuern mit der oben erläuterten Bipolar-Treiber
schaltung. In einer ersten Ausfühlungsform der vorliegenden Erfindung
erfolgt die Ansteuerung mit normaler 1-2-Phasen-Erregung oder
2-2-Phasen-Erregung während hoher Drehzahlen des Schrittmotors, während
im unteren Drehzahlbereich sowie im hohen Drehzahlbereich des Schritt
motors 1 eine Mikroschritt-Ansteuerung an niederfrequenten Beschleuni
gungs/Verzögerungs-Bereich vorgenommen wird.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Ansteue
rung mit normaler 1-2-Phasen-Erregung oder 2-2-Phasen-Erregung
während hoher Drehzahlen, während bei niedriger Drehzahl die Mikro
schritt-Ansteuerung erfolgt und für den in jede Phase eingespeisten
Erregerstrom ein zerhackter Strom verwendet wird.
Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird ein Schrittmotor
dadurch getrieben, daß ein Erregerstrom wie bei der zweiten Ausfüh
rungsform eingespeist wird, jedoch mit einem entsprechenden Vorstrom.
Die hier angesprochene Zeitspanne niedriger Drehzahl bedeutet den
Zeitabschnitt der Ansteuerung oder des Treibens, in welchem eine
Treiberimpulsbreite pro Schritt von etwa 650 Mikrosekunden bis zu 10
Millisekunden dauert.
Fig. 1 und 2 sollen die Drehgeschwindigkeit oder Drehzahl eines Motors
und die an jede Phase zu dieser Zeit angelegten Spannung für ein Ver
fahren des Treibens eines Schrittmotors gemäß der ersten Ausführungs
form der Erfindung erläutern.
Fig. 1A zeigt die Drehzahl des Schrittmotors 1 zur Zeit langsamer Dre
hung, also niedriger Drehzahl, Fig. 1B zeigt die zu jener Zeit an jede
Phase angelegte Spannung. Weiterhin zeigt Fig. 2A die Drehzahl des
Schrittmotors 1 während schneller Drehung, und Fig. 2B zeigt die dann
an jede Phase angelegte Spannung. In den Fig. 1B und 2B ist der säge
zahnförmige Linienzug derjenige Bereich, in der die Ansteuerung nach
dem Mikroschritt-Treiberverfahren erfolgt.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird, wenn der Schrittmotor 1 mit geringer
Drehzahl gedreht wird, der Motor so gesteuert, daß er in dem gesamten
Bereich vom Beschleunigungsbereich (Zeit t0 bis t1) bis zu dem Bereich
konstanter Drehzahl (Zeit t1 bis t2) und dem Verzögerungsbereich (Zeit
t2 bis t3) nach dem Mikroschritt-Ansteuerverfahren betrieben wird.
Andererseits wird gemäß Fig. 2 der Schrittmotor so gesteuert, daß im
hohen Drehzahlbereich des Schrittmotors 1 der Antrieb durch Mikro
schrittansteuerung nur in einem Bereich erfolgt, in welchem die Treiber
impulsbreite pro Schritt zwischen dem dreifachen der Eigenstart-Fre
quenz des Schrittmotors 1 (etwa 650 Mikrosekunden) und 10 Millisekun
den liegt, während die Drehung auf eine vorbestimmte, konstante Ge
schwindigkeit beschleunigt wird und eine Verzögerung aus der vorbe
stimmten, konstanten Geschwindigkeit bis zum Anhalten erfolgt, d. h.,
nur in der Zeitspanne t0 bis t1 und t4 bis t5, während in den übrigen
Beschleunigungs/Drehzahl-Bereichen bei hoher Drehzahl und in den
Niedrigdrehzahlbereichen die Ansteuerung nach dem normalen Erreger
verfahren erfolgt.
Zu dieser Zeit wird der Strom mit einem Konstantstrom-Zerhackersys
tem eingespeist, wobei ein erster Transistor 25 ausgeschaltet wird, wenn
eine Stromstärke einen Einstellwert in einer Treiberschaltung gemäß Fig.
12 zu einer Teilungszeit erreicht, während der Ein- und Auszustand des
vierten Transistors 28 ausgewählt werden kann, während der erste Tran
sistor 25 ausgeschaltet ist, und der vierte Transistor 28 ebenfalls zu
sammen mit dem ersten Transistor 25 ausgeschaltet werden kann, wenn
die Stromstärke einen Einstellwert erreicht. Daran anschließend wird der
Erregerstrom drastisch gesenkt (Hochgeschwindigkeitsdämpfung). Wenn
dann der Erregerstrom auf einen vorbestimmten Wert (vorbestimmte
Zeitspanne) abgesenkt ist, wird der vierte Transistor 28 eingeschaltet.
Dabei wird die Verringerung des Erregerstroms langsam (Niedrigdreh
zahl-Dämpfung). Wenn weiterhin die Stromstärke auf einen zweiten
Einstellwert (eine vorbestimmte Zeitspanne ist verstrichen) absinkt, wird
der erste Transistor 25 wieder eingeschaltet, um dadurch die Stromstärke
zu steigern. Wenn die Stromstärke auf den Einstellwert zunimmt, erfolgt
die oben erläuterte Steuerung für den ersten Transistor 25 und den vier
ten Transistor 28. Dieser Zerhackerbetrieb wird mit einer Teilungszeit
geregelt, indem man die Steuerung in mehreren Zeiträumen wiederholt.
Eine durch den oben geschilderten Steuervorgang erhaltene Stromwellen
form ist in Fig. 3 dargestellt. Indem man diese Steuerung zu jeweiligen
Teil-Zeiten wiederholt, erhält der Erregerstrom einen glatten Verlauf mit
unterdrückten Verzerrungen oder Welligkeiten des Stroms, so daß es
möglich wird, die Entstehung von Wärme in dem Schrittmotor 1 zu
beherrschen und auch den Leistungsverlust des Schrittmotors 1 klein zu
halten. Hierdurch wird eine Reduzierung des Drehmoments vermieden,
und die Drehung des Rotors 7 des Schrittmotors 1 wird rund und zeigt
keine Vibrationen oder Schwankungen. Das Einschalten und Ausschalten
des Transistors erfolgt jeweils mit Hilfe einer in der Steuerschaltung 14
enthaltenen CPU.
Als nächstes soll eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert
werden. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der oben
erläuterten ersten Ausführungsform durch den Umstand, daß als Erreger
strom eine zerhackte Stromwelle eingesetzt wird, die jeder Phase einer
Mikroschrittansteuerung im unteren Drehzahlbereich zugeführt wird.
Die Wellenformen der an das Motortreiber-IC 10 gegebenen Referenz
spannung und die Erregerströme für die jeweiligen Spulen 8 und 9 bei
einer solchen Steuerung sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Fig. 4A
zeigt die Referenzspannung entsprechend der ersten Spule 8A, die der
Phase A und der Phase C entspricht, wobei die Referenzspannung dem
Motortreiber-IC 10 zugeführt wird, Fig. 4B zeigt die Referenzspannung
entsprechend der zweiten Spule 9 für die Phase B und die Phase D.
Weiterhin zeigt Fig. 5A den Erregerstrom, der in die erste Spule 8
basierend auf der Referenzspannung gemäß Fig. 4A eingespeist wird,
und Fig. 4B zeigt den Erregerstrom, der in die zweite Spule 9 basierend
auf der in Fig. 4B dargestellten Referenzspannung eingespeist wird. Wie
aus diesen Figuren ersichtlich ist, ist es dadurch, daß man die Wellen
form der an das Motortreiber-IC 10 gelieferten Referenzspannung zu
einer zerhackten Welle mit geradlinigem Anstieg oder Abstieg formt,
möglich, die Erregerströme für die erste Spule 8 und die zweite Spule 9
ebenfalls zu einer zerhackten Welle zu gestalten, die geradlinig ansteigt
oder abfällt. In Fig. 6 ist außerdem graphisch als Vergrößerung von Fig.
SC die Summe aus den jeweiligen Erregerströmen für die erste Spule 8
und die zweite Spule 9 dargestellt. Wie aus diesen Diagrammen ersicht
lich ist, wird der Summenstrom aus den Erregerströmen für die erste
Spule 8 und die zweite Spule 9 konstant. In anderen Worten: es wird
keine Stromsummenwelligkeit erzeugt.
Weil dementsprechend auch keine Drehmomentwelligkeit oder keine
Drehmomentschwankungen entstehen, läßt sich das Vibrieren des
Schrittmotors 1 noch wirksamer beherrschen.
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung anhand der
Fig. 7 und 8 vorgestellt.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Vorstrom eingespeist, wenn der
Erregerstrom in einer Mikroschrittansteuerung gemäß der oben beschrie
benen zweiten Ausführungsform an die erste Spule 8 und die zweite
Spule 9 gegeben wird. Anlegen einer Vorspannung bzw. Einspeisen
eines Vorstroms bedeutet, daß der Nulldurchgangspunkt der Spannung
zur Plusseite oder zur Minusseite hin versetzt wird, indem man eine
Gleichspannung auf die Wechselspannung gibt, bzw. daß der Nulldurch
gangspunkt des Stroms in Richtung Plus- oder Minusseite verlagert
wird, indem ein Gleichstrom auf einen Wechselstrom gegeben wird, um
einen vorbestimmten Betriebspunkt einzustellen.
Es sei angenommen, daß zum Beaufschlagen des Erregerstroms mit
einem Vorstrom auf die Referenzspannung für das Motortreiber-IC 10
eine Referenzspannung aufgebracht wird, wie dies in Fig. 7 darstellt ist.
Fig. 7A und 7B zeigen Referenzspannungs-Wellenformen des Motortrei
ber-IC 10 entsprechend der ersten Spule 8 und der zweiten Spule 9, und
sie zeigen außerdem, daß auf die in Fig. 2 gezeigte Referenzspannung
eine Vorspannung aufgebracht ist. Damit ist gemäß Fig. 8A und 8B
auch ein Vorstrom für die Erregerströme gegeben, die in die erste Spule
8 und die zweite Spule 9 eingespeist werden, und wenn diese Erreger
ströme summiert werden, wird die Stromsumme konstant, ohne daß eine
Stromsummenwelligkeit entsteht, wie aus Fig. 8C hervorgeht.
Wenn also der Erregerstrom mit Vorstrom aufgebracht wird, verbessert
sich der Vibrationspegel des Schrittmotors 1, und man erzielt eine ver
besserte und stabilisierte Drehsteuerung.
Die Erfindung ist nicht auf die oben erläuterten Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern kann in zahlreicher Weise modifiziert werden, je
nach dem, wie es die Umstände erfordern.
Das Mikroschritt-Ansteuern wird z. B. so gesteuert, daß sie während der
Zeit der Drehung mit niedriger Drehzahl erfolgt. Allerdings läßt sich
auch bei Drehung mit hoher Drehzahl ein beträchtlicher Effekt bei der
Vibrations-Vermeidung und dergleichen in dem Beschleunigungsbereich
erzielen, wenn die Mikroschrittansteuerung in dem oben erläuterten
Konstantstrom-Zerhackersystem eingesetzt wird.
Ein ähnlicher Effekt wird nicht nur in einem System mit 2-2-Phasen-Erregung
erreicht, sondern auch im Fall einer 1-2-Phasen-Erregung.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, läßt sich ein hervorragen
der Verbesserungseinfluß für die Vibration beim Mikroschritt-Ansteuern
erreichen, ohne daß hierzu eine komplexe Steuerschaltung erforderlich
wäre.
Claims (4)
1. Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors, bei dem ein Stator (6)
mit mehreren mit Spulen (8, 9) bewickelten Phasen um einen Rotor
(7) herum angeordnet ist, wobei eine elektromagnetische Anzie
hungs- oder Abstoßungskraft zwischen Stator und Rotor erzeugt
wird, indem in die Spulen (8, 9) ein Erregerstrom eingespeist wird,
und die elektromagnetische Kraft durch sukzessives Umschalten der
Erregerströme für die jeweiligen Phasen umgeschaltet wird, um
dadurch den Rotor zu drehen,
dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom im Niederfrequenz-
Beschleunigungs/Verzögerungs-Bereich während der Drehung des
Motors mit niedriger Drehzahl und während der Zeit der Drehung
mit hoher Drehzahl des Motors mittels Mikroschritt-Ansteuerung
gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ansteuerung mittels eines
normalen Erregungssystems im Hochfrequenz-Beschleunigungs/Ver
zögerungs-Bereich und im Bereich konstanter Drehzahl erfolgt,
wenn der Motor mit hoher Drehzahl dreht.
3. Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors, bei dem ein Stator (6)
mit mehreren mit Spulen (8, 9) bewickelten Phasen um einen Rotor
(7) herum angeordnet ist, wobei eine elektromagnetische Anzie
hungs- oder Abstoßungskraft zwischen Stator und Rotor erzeugt
wird, indem in die Spulen (8, 9) ein Erregerstrom eingespeist wird,
und die elektromagnetische Kraft durch sukzessives Umschalten der
Erregerströme für die jeweiligen Phasen umgeschaltet wird, um
dadurch den Rotor zu drehen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Erregerstroms mit
Mikroschrittansteuerung erfolgt, und daß während der Zeit der
Drehung des Motors mit niedriger Drehzahl der Erregerstrom als
zerhackte Stromwelle gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Erregerstrom dem Motor
mit einem Vorstrom zugeführt wird.
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