DE2133583A1

DE2133583A1 - Antriebsschaltung fur einen Schritt motor

Info

Publication number: DE2133583A1
Application number: DE19712133583
Authority: DE
Inventors: Seiuemon Shimizu Kanryo Kawasaki Kojima Toshio Yamato Kanagawa Inaba (Japan) P
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-07-06
Publication date: 1972-01-20
Also published as: BE769570A; NL7109337A; SE368646B; JPS5145765B1; CH528173A; GB1322424A; DE2133583B2; US3757193A; SU505395A3; NL153738B; FR2100312A5; CA925934A

Description

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Limited,

) Kamikodanaka, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken, Japan

Antriebsschaltung für einen Schrittmotor

Die Erfindung betrifft eine Antriebsschaltung für einen Schrittmotor, bei der an den Schrittmotor eine hohe Spannung angelegt wird, wenn sich der Botor dreht und eine niedrige Spannung, wenn sich der Hotor im angehaltenen Zustand befindet.

Im allgemeinen wiederholen sich bei einem Schrittmotor infolge Steuerung durch ein Eingangssteuerungasignal Bewegung und Halt und der Schrittmotor dreht sich schrittf örmig bis zu dem vorgeschriebenen Winkel. Dit mechanische Arbeit des Schrittmotors, d. h. Antriebskraft, wird nur benötigt, wenn der fiotor des Schrittmotors tatsächlich bewegt wird. Deshalb wird vorzugsweise die hohe Spannung nur dann angelegt ^ wenn der Botor bewegt wird und es wird eine niedrige Spannung angelegt, wenn der Botor steht*

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ORlQlMAt INSPECTED

Bei einem bekannten Verfahren zur Eealisierung dieser Aufgabe wird ein Beihenwiderstand verwendet, der den Wert des in der Erregerspule des Schrittmotors fließenden Stromes ändert. Dieses Verfahren besitzt jedoch den Nachteil, daß die elektrischen Verluste im Reihenwiderstand beträchtlich sind und deshalb ein hoher Wirkungsgrad nicht erwartet werden kann. Bei einem weiteren Verfahren wird in einer vorgegebenen festen Periode eine Spannungsquelle hoher Spannung gegen eine Spannungsquelle niedriger Spannung aus-

die/

getauscht. Die Schaltung, durch dieses Verfahren realisiert wird, ist jedoch sehr kompliziert, da der Stromfluß in der Erregerspule exponentiell ansteigt, so daß die Einstellung der Kommutierzeit bei hoher Betriebsgeschwindigkeit sehr schwierig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu eliminieren. Es soll eine Schaltung geschaffen werden, die einen hervorragenden Wirkungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit besitzt.

Die erfindungsgemäße Antriebsschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Spannungsquelle hoher Spannung, eine Spannungsquelle niedriger Spannung, einen Meßkreis zum Erfassen des Erregerstromes durch die Erregerspule des Schrittmotors und eine Wechselschaltung enthält, die

a) an die Erregerspule die Spannungsquelle hoher Spannung legt, wenn der Vechaelechaltung ein Eingangs-■teu«r*ignal zugeführt wird,

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b) die Spannungsquelle hoher Spannung in die Spannungsquelle niedriger Spannung umschaltet, wenn der durch den Meßkreis erfaßte Erregerstrom einen vorgegebenen Wert erreicht hat und

c) sowohl die Spannungsquelle hoher Spannung als auch die Spannungsquelle niedriger Spannung abschaltet, wenn das Eingangssteuersignal zu 0 wird.

Bei der erfindungsgemäßen Antriebsschaltung ist also ein Meßkreis vorgesehen, der den Erregerstrom in der Erregerspule erfaßt und es wird die Spannung von hoch auf niedrig geschaltet, wenn der Erregerstrom einen vorgegebenen Wert erreicht hat.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von 4 Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1A bis 1G Diagramme und die Form von Impulsfolgen zur Erläuterung der Wirkungsweise des Schrittmotors

Fig. 2A und 2B ein entsprechendes Blockdiagramm und die Form von Impulsfolgen eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels

Fig. JA und 5B eine Antriebsschaltung hinsichtlich einer Phase des Schrittmotors und

Fig. 4- ein Diagramm, das die Form der Impulsfolgen an den wesentlichen Punkten der Fig. 3 darstellt.

entsprechend Fig. 1A wiederholen sich bei einem Schrittmotor · aufgrund der Steuerung durch das Eingangssteuersignal

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Schritt und Halt und der Schrittmotor dreht sich schrittförmig um einen vorgegebenen Winkel. So wird, wie in Fig. 1B dargestellt, die mechanische Arbeit, d. h. die Ausgagsgröße des Schrittmotors pulsförmig erzeugt. Demgemäß kann der Wirkungsgrad des Schrittmotors wesentlich erhöht werden, wenn - wie in Fig. 1C dargestellt - die elektrische Eingangsleistung ebenfalls impulsförmig zugeführt wird. Dies bedeutet, daß der Strom ±_o fließt, solange der Eotor ruht und der Strom 3L· solange sich der Rotor von einer magnetisch stabilen Lage zu einer anderen magnetisch stabilen Lage dreht und hierbei eine Arbeit leistet.

Fig. 2A zeigt das Ausführungsbeispiel einer Antriebsschaltung für einen 5-phasigen Schrittmota? EPM. Die Erregerspulen 1-5 der einzelnen Phasen sind jeweils mit zwei als Schalter betätigtenTransistoren verbunden. Jeweils einer dieser Transistoren ist mit einer Spannungsquelle V^ hoher Spannung verbunden und dient als Schalter hoher Spannung. Jeweils der andere der beiden Transistoren ist über die Erregerspule und eine Diode mit einer Spannungsquelle Vp niedriger Spannung verbunden. Durch die Meßkreise DC1 bis DC5 wird der Erregerstrom in der jeweiligen Erregerspule erfaßt. Wenn der Erregerstrom einen vorgegebenen Wert erreicht, werden die bistabilen Kippstufen β«« F1 bis P5 zurückgestellt und die Schalttransistoren Q-, Q^, Qc_t Qr₇ und Qq für die hohe Spannung abgeschaltet und es wird an

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die Erregerspulen die Spannungsquelle V₂ niedriger Spannung . angelegt.

Bei der Schaltung nach Fig. 2A wird der in Fig. 2B dargestellte Steuerpuls CP entweder an den Anschluss CW für positive Polung oder an den Anschluss CCW für negative Polung der Zweiphasen- Dreiphasen-Wechselerregungssteuerschal tung SE angelegt. Die Erregersteuerschaltung SE verteilt dann die aus den Ausgängen a - b abgegebenen Steuersignale, wie in Fig. 2B dargestellt, so dass in vorgegebener Phasenbeziehung wechselweise die Zweiphasen-Erregung und die Dreiphasen-Erregung wiederholt werden. Diese Steuersignale werden der Antriebsschaltung des Schrittmotors zugeführt .

Fig. JA zeigt das Diagramm der Antriebsschaltung von einer Phase eines mehrphasigen elektrischen Schrittmotors. Bei der Schaltung nach Fig. 3A ist die Spule eines elektrischen Schrittmotors EPM über Transistoren Q-, und Q₂ sowie einen Widerstand r mit einer elektrischen Spannungsquelle V^ einer hohen Spannung verbunden. Eine elektrische Spannungsquelle V₂ einer niedrigen Spannung ist über eine Diode D-^ mit der Verbindungsstelle zwischen dem Emitter des Transistors Q-^ und der Spule des elektrischen Schrittmotors EPM verbunden. Die Verbindungsstelle zwischen der Spule EPM und dem Kollektor des Transistors Q₂ ist über eine Diode D₂ und

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einen Widerstand E-, an die Spannungsquelle hoher Spannung angeschlossen. Die Eingangsklemme IN ist mit einem Inverter INV verbunden, der Ausgang des Inverters ist an einen Stelleingang einer "bistabilen Kippschaltung F angeschlossen und der Ausgang der bistabilen Kippschaltung F liegt über einen Verstärker A-, an der Basis des Transistors Q-,. Die Eingangsklemme IN ist ausserdem über einen Verstärker Ao an die Basis des Transistors Q₂ geführt. Dieses bildet die Wechselschaltung. Eine aus einer Ze^inerdiode ZD und einem veränderbaren Widerstand VB bestehende Reihenschaltung ist mit den beiden Anschlüssen des Widerstandes r verbunden· Die Verbindungsstelle zwischen der Zejinerdiode ZD und dem veränderbaren Widerstand VE ist über eine monostabile Kippschaltung MM mit dem Rückstelleingang der bistabilen Kippschaltung F verbunden. Wie erwähnt, bildet dies die Messehaltung für den Erregerstrom.

Wenn gemäss a der Fig. 4 an die Eingangsklemme IN ein Eingangssignal eQ angelegt wird, wird dieses Signal der Basis des Transistors Qg zugeführt und hierdurch dieser Transistor leitend gesteuert. Andererseits wird das Eingangssignal e_Q durch den Inverter INV umgekehrt und es wird das unter b der Fig. 4 dargestellte Umkehrsignal e-^ dem Stelleingang der bistabilen Kippstufe F zugeführt. Der Abfall der vorderen Flanke des Signals e-^ bringt die bistabile Kipp-

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schaltung F in den Setzzustand. Die unter g der Fig. 4 dargestellte Ausgangsgrösse e¹-, der bistabilen Kippschaltung F wird über den Verstärker A, der Basis des Transistors Q-^ zugeführt und hierdurch der Transistor Q-, leitend gesteuert. Als Folge hiervon fliesst der unter e der Fig. 4 dargestellte Strom I aus der Spannungsquelle V, hoher Spannung zur Erregerspule EPM. Der Strom I nimmt infolge der Induktivität der Erregerspule EPM expotentiell zu wie dies unter e der Fig. 4- dargestellt ist. Die Zunahme der Stärke des Stromes I wird in Widerstand r als Spannungsfall erfasst. Der veränderbare Widerstand VE wird so eingestellt, dass der Spannungsfall am Widerstand r aufgrund des durch ihn fliessenden Stromes die ZeXnerspannung der Ze^Jsoierdiode ZD überschreitet und dass, wenn der den Spannungsfall verursachende Strom den vorgegebenen Wert erreicht hat, die Spannung an der monostabilen Kippschaltung MM anliegt. Die unter f in Fig. 3 dargestellte Spannung e~ der monostabilen Kippstufe MM, die die Spannung der Ze^nerdiode ZD überschreitet, wird an den Bückstelleingang der bistabilen Kippschaltung F gelegt und die Abfallflanke des Signals e~ stellt die bistabile Kippschaltung F in den Rückstell- bzw. Ausgangszustand. Dadurch wird, wie unter g der Fig. 4- dargestellt, die Ausgangsgrösse e¹, der bistabilen Kippschaltung f zu Null. Demgemäss wird der Transistor Q-, gesperrt.

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Der Transistor Qo wird jedoch im leitend gesteuerten Zustand gehalten und es fliesst aus der Spannungsquelle V^ der niedrigen Spannung über die Diode D-, ein Strom in die Erregerspule EPM. Der Strom I nimmt, wie unter e der S¹Ig. 4-dargestellt, ab.

In S"ig. 3B ist eine weitere Ausführungsform des Messkreises dargestellt. In diesem Kreis wird durch den veränderbaren Widerstand VE, einen Widerstand R₁, und -eine Vorspannung -V der Eingangstriggerpegel der monostabilen Kippschaltung MM auf einem vorgegebenen Wert gehalten. Wenn der Spannungsfall im Widerstand r diesen vorgegebenen Pegel überschreitet, wird die Spannung über Widerstände Ep,. E^ und einen Kondensator C an die monostabile Kippschaltung MM gelegt. Die unter f der Fig. 4- dargestellte Ausgangsgrösse ep der monostabilen Kippschaltung MM wird an den Eückstelleingang der bistabilen Kippschaltung i¹ angelegt. Durch den plötzlichen Abfall des Stromes I wird in der Erregerspule eine gpgenelektromotorische Kraft erzeugt und diese wird über die Diode D₂ und den Widerstand E^ zur Spannungsquelle V-, hoher Spannung zurückgekoppelt. Das Eingangssignal e_Q wird dann zu Null, es werden beide Transistoren sperrend gesteuert und es fällt der durch die Erregerspule EPM fliessende Strom auf Hull ab.

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Die Zeit t^, zu der der zwischen die Erregerspule EPM und die Spannungsquelle V, hoher Spannung gefügte Transistor Q, leitend ist, wird wahlweise durch die Werte des Widerstandes der Zejflfnerspannung der Ze)inerdiode ZD und des variablen Widerstandes VE bestimmt. Die Zeit t-, , zu der der Transistor leitend ist, muss jedoch unter Berücksichtigung des Trägheitsmomentes des Schrittmotors einschliesslich der mechanischen Belastung dieses Motors und hinsichtlich der Selbstinduktivität der Erregerspule bestimmt werden. Der veränderbare Widerstand VE ist vorgesehen, um die Zeit t,, zu der der Transistor leitend ist, genau einstellen zu können.

Wie erläutert, können durch die erfindungsgemässe .Antriebsschaltung für einen Schrittmotor eine steile Anstiegsflanke des Erregerstromes und eine kurze Ansprechzeit erwartet werden, ferner können die elektrischen Verluste durch Steuern des Erregerstroms auf einen vorgegebenen Wert reduziert werden. Schliesslich werden die als Schalter verwendeten Transistoren nicht infolge eines übermässigen Stromes zerstört, weil selbst in dem Fall, in dem in den Erregerspulen des Schrittmotors ein Lagenkurzschluss auftritt, der Messkreis den Strom erfasst und die Antriebsschaltung auf die Spannungsquelle niedriger Spannung umschaltet. Ausserdem wird der durch die Spannungaquelle hoher Spannung zugeführte Strom konstant gehalten. Damit wird

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sowohl bei niedriger als auch bei hoher Geschwindigkeit das Drehmoment konstant gehalten·

Selbstverständlich kann als Messkreis zum Erfassen des
Erregerstromes auch eine andere Strommesseinrichtung,
wie z.B. eine unter Ausnutzung des Ladungsträgereffektes verwendet werden und es können für die Wechselschaltung anstelle der Transistoren Schaltelemente und Gatter benutzt werden.

1 Patentanspruch
4 Figuren

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Claims

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Patentanspruch

Antriebsschaltung für einen Schrittmotor, bei der an den Schrittmotor eine hohe Spannung angelegt wird, wenn sich der Motor dreht und eine niedrige Spannung, wenn sich der Motor im Haltezustand befindet, dadurch gekennzeichnet , dass sie eine Spannungsquelle (V-, ) hoher Spannung, eine Spannungsquelle (^) niedriger Spannung, einen Messkreis (DG) zum Erfassen des Erregerstromes (I) durch die Erregerspule (EPM) des Sehr ittmotors und eine Wechselschaltung enthält, die

a) an die Erregerspule die Spannungsquelle (V-, ) hoher Spannung legt, wenn der Wechselschaltung ein Eingangssteuersignal zugeführt wird

b) die Spannungsquelle (V-, ) hoher Spannung in die Spannungsquelle (Vo) niedriger Spannung umschaltet, wenn der durch den Messkreis (DC) erfasste Erregerstrom (I) einen vorgegebenen Wert erreicht und

c) sowohl die Spannungsquelle (V-,) hoher Spannung als die Spannungsquelle (V^) niedriger Spannung abschaltet, wenn das Eingangssteuersignal zu Null wird.

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