DE2133583B2 - Antriebsschaltung für einen mehrphasigen Schrittmotor - Google Patents

Description

kann.

Der bekannte Schalter ist zum schnellen Einschalten von induktiven Lasen, d. h. für Fälle bestimmt, bei denen möglichst schnell der Nennstrom erreicht werden soll. Beim Erreichen des Nennstromes erfolgt die Umschaltung auf eine niedrige Spannung.

Der bekannte Schalter hat den Nachteil, daß die Induktivität, die einer einzelnen Erregerspule des mehrphasigen Schrittmotors entsprechen müßte, ständig entweder an die höhere oder an die niedrigere Spannung angeschlossen ist. Diese Schaltung erlaubt nur zwei verschiedene Zustände und schließt den Zustand aus, daß die Induktivität stromlos ist. Für einen mehrphasigen Schriitmotor ist sie deshalb nicht verwendbar.

Aus der US-PS 34 52 263 ist eine Antriebsschaltung für einen mehrphasigen Schrittmotor mit einer ErregersDule für jede Phase des Motors bekannt, bei der de; Erregerstrom der jeweils angeschalteten Eerregerspule gemessen und so geregelt wird, daß ein hoher Strommittelwert auch bei hohen Schaltgeschwindigkeiten des Motors erzielt wird. Die jeweilige Erregerspule wird bei dieser bekannten Schaltung zunächst an eine Spannungsquelle angelegt, deren Spannung so hoch sein muß, daß trotz des exponentiellen Stromanstieges in der Induktivität ein gewünschter Strommaximalwert in einer Zeit erreicht wird, die um einiges kürzer ist als die Schaltzeit des Schrittmotors. Überschreitet der Erregerstrom diesen Maximalwert, dann wird die Erregerspule auf eine niedrigere Spannung umgeschaltet Diese Spannung ist so niedrig, daß der vorher erreichte Wert des Erregerstroms nicht aufrechterhalten werden kann, sondern wieder abnimmt und den Maximalwert unterschreitet. Dies hat ein erneutes Umschalten der Erregerspule auf die höhere Spannung und einen neuer Stromanstieg zur Folge. Der Wechsel von Stromanstieg und Stromabfall, der in einem Strommittelwert resultiert, selzt sich fort, bis die Erregerspule abgeschal tet wird. Zweck der bekannten Schaltung ist es, unab hängig von der Schaltfrequenz des Schrittmotors einer relativ konstanten Mittelwert des Erregerstroms zu er zielen. Allerdings wird für alle Erregerspulen des mehr phasigen Schrittmotors dieselbe Meß- und Schaltein richtung verwendet. Das bedeutet, daß diese bekannt! Schaltung nur für solche Fälle verwendbar ist, bei de nen mit jedem Steuerimpuls dieselbe Anzahl von Er regerspulen angeschaltet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, bekannte Antriebs schaltungen für Schrittschaltmotoren, bei denen dii einzelnen Erregerspulen zunächst mit einer hohen um dann mit einer niedrigen Spannung beaufschlagt wer den, so zu verbessern, daß ein hoher Wirkungsgrad ver bunden mit großer Zuverlässigkeit auch bei hohe Schaltfrequenzen erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Antriebsschaltung de eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurc gelöst, daß der eine Anschluß jeder Erregerspule j« weils über einen ersten Halbleiterschalter mit de Gleichspannungsquelle höherer Spannung und übe eine Diode mit der Gleichspannungsquelle niedrigere Spannung verbunden ist, daß der andere Anschluß j<

der Erregerspule jeweils über einen zweiten Halbleiterichalter über jeweils eine eigene Meßschaliung an einem Bezugspoiential liegt, daß die Steuereingänge des ersten und des zweiten Halbleiterschalters jeder Erregerspule jeweils gemeinsam mit dem der jeweili- s gen Erregerspule zugeordneten Ausgang der Erregersteuerschaltung verbunden sind, wobei zwischen dem Ausgang der Erregersteuerschaltung und dem Steuereingang Acs ersten Schalters eine bistabile Kippstufe jeweils derart angeordnet ist, daß der Ausgang der bistabilen Kippstufe mit dem Steuereingang des ersten Halbleiterschalters, der erste Steuereingang der bista bilen Kippstufe mit dem zugehörigen Ausgang der Erregersteuerschaltung und der zweite Steuereingang der bistabilen Kippstufe über eine monostabile Kippstufe mit der Meßschaltung verbunden sind.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebsschaltung für einen mehrphasigen Schrittmotor besteht darin, daß der Schrittmotor auch abwechselnd in Zweiphasen-Erregung und in Dreiphasen-Erregung betrieben werden kann und daß ein hoher Wirkungsgrad bei großer Zuverlässigkeit und bei hohen Schaltfrequenzen erzielt wird.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von 4 Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1A bis IC Diagramme und die Form von Impulsfolgen zur Erläuterung der Wirkungsweise des Schrittmotors,

F i g. 2A und 2B ein entsprechendes Blockdiagramm und die Form von Impulsfolgen eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,

F i g. 3A und 3B eine Antriebsschaltung hinsichtlich einer Phase des Schrittmotors und

F i g. 4 ein Diagramm, das die Form der Impulsfolgen an den wesentlichen Punkten der F i g. 3 darstellt.

Entsprechend Fig. IA wiederholen sich bei einem Schrittmotor auf Grund der Steuerung durch das Eingangssteuersignal Schritt und Halt, und der Schrittmotor dreht sich schrittförmig um einen vorgegebenen Winkel. So wird, wie in F i g. t B dargestellt, die mechanische Arbei' d. h. die Ausgangsgröße des Schrittmotors pulsförmig erzeugt. Demgemäß kann der Wirkungsgrad des Schrittmotors wesentlich erhöht werden, wenn — wie in F i g. IC dargestellt — die elektrische Eingangsleistung ebenfalls impulsförmig zugeführt wird. Dies bedeutet, daß der Strom /2 fließt, solange der Rotor ruht und der Strom /1 solange sich der Rotor von einer magnetisch stabilen Lage zu einer anderen magnetisch stabilen Lage dreht und hierbei eine Arbeit leistet.

F i g. 2A zeigt das Ausführungsbeispiel einer Antriebsschahung für einen 5phasigen Schrittmotor EPM. Die Erregerspulen 1 bis 5 der einzelnen Phasen sind jeweils mit zwei als Schalter betätigten Transistoren verbunden. Jeweils einer dieser Transistoren ist mit einer Spannungsquelle Vi 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 V2 niedriger Spannung verbunden. Durch die Meßschaltungen DC1 bis DC5 wird der Erregerstrom in der jeweiligen Erregerspule erfaßt. Wenn der Erregerstrom einen vorgegebenen Wert erreicht, werden die bistabilen Kippstufen Fl bis F5 zurückgestellt und die Schalttransistoren Qi, Ch, Q 5, Q 7 und Q> für die hohe Spannung abgeschaltet, und es wird an die Erregerspulen die Spannungsquelle V2 niedriger Spannung angelegt.

Bei der Schaltung nach F i g. 2A wird der in F i g. 2B dargestellte Steuerpuls CP entweder an den Anschluß CWfür positive Polung oder an den Anschluß CCWfür negative Polung der Zweiphasen- Dreiphasen-Erregersteuerschaltung SÄ angelegt. Die Erregersteutrschaltung SR 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.

F i g. 3A zeigt das Diagramm der Antriebsschaltung von eint. Phase eines mehrphasigen elektrischen Schrittmotors. Bei der Schaltung nach F i g. 3A ist die Envgerspule eines elektrischen Schrittmotors EPM über Transistoren Q\ und Qj sowie einen Widerstand r mit einer elektrischen Spannungsquelle Vi einer hohen Spannung verbunden. Eine elektrische Spannungsquelle V2 einer niedrigen Spannung ist über eine Diode Di mit der Verbindungsstelle zwischen dem Emiiter des Transistors Q] und der Erregerspule des elektrischen Schrittmotors EPM verbunden. Die Verbindungsstelle zwischen der Erregerspule EPM und dem Kollektor des Transistors Qi ist über eine Diode D2 und einen Widerstand Ri an die Spannungsquelle hoher Spannung angeschlossen. Der Eingangsanschluß IN ist mit einem Inverter INV verbunden, der Ausgang des Inverters ist an einen Stelleingang einer bistabilen Kippstufe F angeschlossen und der Ausgang der bistabilen Kippstufe Fliegt über einen Verstärker Λι an der Basis des Transistors Qi. Die Eingangsklemme IN ist außerdem über einen Verstärker A2 an die Basis des Transistors Qi geführt. Dieses bildet die Wechselschaltung. Eine aus einer Zenerdiode ZD und einem veränderbaren Widersland VR bestehende Reihenschaltung ist mit den beiden Anschlüssen des Widerstandes r verbunden. Die Verbindungsstelle zwischen der Zenerdiode ZD und dem veränderbaren Widerstand VR ist über eine monostabile Kippstufe MM mit dem Rückstelleingang der bistabilen Kippstufe Fverbunden. Wie erwähnt, bildet dies die Meßschaltung für den Erregerstrom.

Wenn gemäß a der F i g. 4 an den Eingangsanschluß IN ein Eingangssignal eo angelegt wird, wird dieses Signal der Basis des Transistors Qi zugeführt und hierdurch dieser Transistor leitend gesteuert. Andererseits wird das Eingangssignal eo durch den Inverter INV umgekehrt und es wird das unter b der F i g. 4 dargestellte Umkehrsignal ei dem Stelleingang der bistabilen Kippstufe F zugeführt. Der Abfall der vorderen Flanke des Signals ei bringt die bistabile Kippstufe Fin den Setzzustand. Die unter #der F i g. 4 dargestellte Ausgangsgröße c'i der bistabilen Kippstufe Fwird 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 F i g. 4 dargestellte Strom / aus der SpannungsqueUe Vi hoher Spannung zur Erregerspule EPM. Der Sirom /nimmt infolge der Induktivität der Erregerspule EPM expotentiell zu, wie dies unter e der Fig.4 dargestellt ist. Die Zunahme der Stärke des Stromes / wird im Widerstand r als Spannungsfall erfaßt. Der veränderbare Widerstand Vi wird so eingestellt, daß der Spannungsfall am Wider stand rauf Grund des durch diesen fließenden Strome: die Zencrspannung der Zenerdiode ZD überschreite und daß, wenn der den Spannungsfall verursachend« Strom den vorgegebenen Wert erreicht hat, die Span nung an der monostabilen Kippstufe MM anliegt. Di< unter f in F i g. 3 dargestellte Spannung ei der mono stabilen Kippstufe MM, die die Spannung der Zener

diode ZD überschreitet, wird an den Rückstelleingang der bistabilen Kippstufe F gelegt und die Abfallflanke des Signals ei stellt die bistabile Kippstufe F in den Rückstell- bzw. Ausgangszustand. Dadurch wird, wie unter g der Fig.4 dargestellt, die Ausgangsgröße d\ der bistabilen Kippstufe fzu Null. Demgemäß wird der Transistor Qx gesperrt.

Der Transistor Qi wird jedoch im leitend gesteuerten Zustand gehalten und es fließt aus der Spannungsquelle V2 der niedrigen Spannung über die Diode Di ein Strom in die Erregerspule EPM. Der Strom / nimmt, wie unter eder F i g. 4 dargestellt, ab.

In Fig.3B ist eine weitere Ausführungsform des Meßkreises dargestellt. In diesem Kreis wird durch den veränderbaren Widerstand VR, einen Widerstand Ri und eine Vorspannung — V der Eingangstriggerpegel der monostabilen Kippstufe MM auf einem vorgegebenen Wert gehalten. Wenn der Spannungsfall im Widerstand r diesen vorgegebenen Pegel überschreitet, wird die Spannung über Widerstände R2, Rz und einen Kondensator C an die monostabile Kippstufe MM gelegt. Die unter /der Fig.4 dargestellte Ausgangsgröße ei der monostabilen Kippstufe MM wird an den Rückstelleingang der bistabilen Kippstufe Fangelegt. Durch den plötzlichen Abfall des Stromes / wird in der Erregerspule eine gegenelektromotorische Kraft erzeugt und diese wird über die Diode Di und den Widerstand R\ zur Spannungsquelle Vi hoher Spannung zurückgekoppelt. Das Eingangssignal eo wird dann zu Null, es werden beide Transistoren sperrend gesteuert und es fällt der durch die Erregerspule EPM fließende Strom auf Null ab.

Die Zeit ft, zu der der zwischen die Erregerspule EPM und die Spannungsquelle Vi hoher Spannung gefügte Transistor Q\ leitend ist, wird wahlweise durch die Werte des Widerstandes, der Zenerspannung der Zenerdiode ZD und des variablen Widerstandes VR bestimmt. Die Zeit fi, 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 VR ist vorgesehen, um die Zeit ti, 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 An-Sprechzeit 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 aul die Spannungsquelle niedriger Spannung umschaltet Außerdem wird der durch die Spannungsquelle hoher Spannung zugeführte Strom konstant gehalten. Damh wird sowohl bei niedriger als auch bei hoher Geschwindigkeit das Drehmoment konstant gehalten.

Selbstverständlich kann als Meßkreis zum Erfasser des Erregerstromes auch eine andere Strommeßein richtung, wie ζ. B. eine unter Ausnutzung des Ladungsträgereffektes verwendet werden und es können für die Wechselschaltung an Stelle der Transistoren Schaltete mente und Gatter benutzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Antrifcosachaltung für einen mehrphasigen Schrittmotor mit einer Erregerspule pro Phase und mit einer pro Phase jeweils einen Ausgang aufweisenden Erregersteuerschaltung, die eingangsseitig eingegebene Steuerimpulse in phasenbezogene Steuersignale verwandelt, durch die die Erregerspulen über Halbleiterschalter in Abhängigkeit von einer den Erregerstrom erfassenden Meßschaltung an eine Gleichspannungsquelle höherer Spannung oder an eine Gleichspannungsquelle niederer Spannung schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß jeder Erregerspule (1 bis 5) jeweils über einen ersten Halbleiterschalter (Schalttransistor Qi, Q 3. Q5, QT, Q9) mit der Gleichspannungsquelle höherer Spannung (V I) und über eine Diode (Dl, D3, DS, DT, D9) mit der Gleichspannungsquelle niedrigerer Spannung (V2) verbunden ist, daß der andere Anschluß jeder Erregerspule (1 bis 5) jeweils über einen zweiten Halbleiterschalter (Schalttransistor Q2, O4, Q6, QS, QlO) über jeweils eine eigene Meßschaltung (DCl bis DC5) an einem Bezugspotential liegt, daß die Steuereingänge des ersten und des zweiten Halbleiterschalters (Schalttransistoren Q 1 bis Q 10) jeder Erregerspule (1 bis 5) jeweils gemeinsam mit dem der jeweiligen Erregerspule (1 bis 5) zugeordneten Ausgang (a bis e) der Erregersteuerschaltung (SR) verbunden sind, wobei zwischen dem Ausgang (3 bis e) der Erregersteuerschaltung (SR) und dem Steuereingang des ersten Schalters (Schalttransistor Ql, QX Q5, QT, ζ)9) eine bistabile Kippstufe (Fl bis F5) jeweils derart angeordnet ist, daß der Ausgang der bistabilen Kippstufe (Fl bis FS) mit dem Steuereingang des ersten Halbleiterschalter, der erste Steuereingang der bistabilen Kippstufe (Fl bis FS) mit dem zugehörigen Ausgang (a bis e) der Erregersteuerschaltung (SR) und der zweite Steuereingang der bistabilen Kippstufe (Fl bis FS) über eine monostable Kippstufe (MM) mit der Meßschaltung (DCl bis DCS) verbunden sind.

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   Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsschaltung für einen mehrphasigen Schrittmotor mit einer Erregerspule pro Phase und mit einer pro Phase jeweils einen Ausgang aufweisenden Erregersteuerschaltung, die eingangsseitig eingegebene Steuerimpulse in phasenbezogene Steuersignale verwandelt, durch die die Erregerspulen über Halbleiterschalter in Abhängigkeit von einer den Errefeerstrom erfassenden Meßschaltung an eine Gleichspannungsquelle höherer Spannung oder an eine Gleichspannungsquelle niederer Spannung schaltbar sind. Eine derartige Antriebsschaltung ist aus der US-PS 34 52 263 bekannt.

   Durch die DT-AS 12 03 314 ist ein elektronischer Schalter zum schnellen Einschalten von Induktivitäten mit geringem Leistungsbedarf im eingeschalteten Zustand bekanntgeworden, bei dem zur Erzielung der kleinstmöglichen Anstiegszeit des Stromes bis zum Nennstrom die Induktivität während des Einschaltvorganges zunächst über einen elektronischen Kontakt an eine hohe Spannung gelegt ist und nach Erreichen des Nennstromes über einen anderen elektronischen Kontakt an eine niedrige Spannung geschaltet wird und der Umschaltmoment von einer Vergleichsschaltung bestimmt wird, in der eine aus der augenblicklichen Amplitude des durch die Induktivität fließenden Stromes abgeleitete Spannung mit einer dem Nennstrom entsprechenden Bezugsspannung verglichen wird. Die Bezugsspannung ist einstellbar, damit der Schalter bei verschiedenen Nennströmen umgeschaltet werden