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Steuerschaltung zur Schnellerregung elektromagnetischer Systeme, insbesondere
eines Schrittmotors Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Schnellerregung
elektromagnetischer Systeme, insbesondere eines durch elektrische Impulse fort schaltbaren
Schrittmotors, dessen Rotor durch Erregung einzelner von mehreren räumlich gegeneinander
versetzt angeordneten Statorspulen fortschaltbar ist, die mit einer Spannungsquelle
über Leistungstransistoren verbindbar sind, welche nache inander von ainem Impulsgenerator
über einen Impulsvertiler angesteuert werden.
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Bei derartigen Schrittmotoren wird der Rotor dadurch in Drehung versetzt,
dass die räumlich gegneinander versetzt angeordneten Statorspulen zeitlich nacheinander
über eine bestimmte Zeitdauer ein Magnetfeld erzeugen.
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Die dynamischen Eigenschaften dieser Schrittmotoren hagen in starkem
Masse von der Steuerschaltung ab. Werden z03. :rosse Schrittfrequenzen verlangt,
so nüssen die Spulen in sehr
kurzer Zeit erregt und entregt werden,
um einen raschen Drehmomentenanstieg und -abfall zu erreichen.
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Dem erforderlichen schnellen Stromanstieg und -abfall steht nach der
Lenz schen Regel die Selbstinduktion der Spule entgegen. Um den Aufbau des Magnetfeldes
zu beschleunigen, d.h. also die Anstiegszeit zu verkürzen, sind schon sog. Schnellerregungsschaltungen
bekannt geworden, bei welchen zunächst eine höhere als die erforderliche Betriebsnennspannung
an die Spule gelegt wird.
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Hierdurch wird die Stromanstiegszeit di/dt verbessert.
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Beispielsweise kann zu diesem Zweck mit der Spule ein von einem Kondensator
überbrückter Vorwiderstand in Reihe geschaltet werden. Während der Vorwiderstand
nach der Beziehung # = L/R die elektrische Zeitkonstante verkleinert, überbrückt
der Kondensator im Zeitpunkt des Einschaltens den Vorwiderstand Rv, so dass an der
Spule zunächst die volle Betriebsspannung liegt. Nach Aufladen des Kondensators
fällt an Vorwiderstand die Differenzspannung zwischen Jennspannung und der Überspannung
ab.
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Ferner besteht die Möglichkeit, zwei unterschiedlich hohe Betriebsspannungen
vorzusehen, nämlich eine höhere Schnellerregungsspannung und eine zulässige Botricbsnennspannung,
die mit Hilfe eines mit einem Zeitglied gesteuerten Schaltors nacheinander an die
Spule gelegt werden.
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Die Mehrzahl der bisher bekannt gewordenen Schaltungen haben den Nachteil,
dass sie trotz erheblichen Aufwandes nur die Spannung, nicht dagegen die wichtigste
Grösse, nämlich den Spulenstroa, regeln. Bei Verwendung von Vorwiderständen fällt
an dieson eine beträchtliche Verlustleistung ab, wodurch der Wirktingsgrad verschlechtert
wird und das Netzteil
eine hohe Dauerleistung liefern muss.
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Schliesslich ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Erhöhung
der Schrittfrequenz derartiger Schrittmotoren ebenso wichtig, dass die in der Spule
gespeicherte magnetische Energie E = 1/2 LI² in sehr kurzer Zeit abgebaut wird,
um hierdurch einen raschen Drehmomenrenabfall beim Ausschalten der jeweiligen Spule
zu erreichen. Problematisch ist hierbei, dass als Schaltglieder Transistoren verwendet
werden, die nur begrenzte Abschaltspannungen zulassen. Da die Höhe der Abschaltspannung
nach der C-leichung u = - L. di/dt der Abschaltzeit umgekehrt proportional ist,
kann sie bei kurzer Abschaltzeiten ohne weiteres Werte erreichen, die zur Zerstörung
des Transistors führen. Es kommt also bei derartigen Schaltungen auch darauf an,
trotz Verkürzung der Abschaltzeiten die Abschaltspannungen in ihrer llöhe zu begrenzen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung
zu schaffen, die bei Vermeidung der oben erwähnten Nachteile eine Erhöhung des Wirkungsgrades
sowie der Schrfttfrequenzen der zu steuernden Schrittmotoren ermöglicht, wobei nicht
die Spulenspannung sondern der Spulenstrom geregelt werden soll.
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An sich ist eine Schaltung bekennt, bei welcher der Mittelwert des
Motorstromes mit Hilfe eines Zweipunktkonstantstromreglers zwischen zwei Werten
konstant gehalten wird.
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Die bekannte Schaltung ist jedoch sehr aufwendig und damit kostspielig
9 da für die Regelung gesonderte Baugruppen erforderlich sind.
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Diese Schaltung wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch wesentlich
vereinfacht, dass die im Motorstromkreis gelegsnen Leistungstransistoren sowohl
zum Umschalten der jeweiligen Statorspule als auch zur Zweipunktkonstantstromregelung
tagesteuert,
also unter Verzicht auf zusätzliche Steuerglieder unmittelbar zur Stronregelung
herangezogen werden0 Die Zweipunktregelung bewirkt, dass die Transistorverlustleistung
verglichen mit der Verlustleistung eines stetigen Reglers geringer ist, da der jeweilige
Beistungstransistor entweder voll leitend oder voll gesperrt ist Da beim Einschalten
die volle Betriebs spannung an der Spule liegt, die ein mehrfaches der Nennspannung
ist, steigt der Spulenstrom nach einer e-Funktion steil an. Dl;rch die Stromregelung
wird er begrenzt, wenn der vorgeschriebene Nennstrom erreicht ist0 Von diesem Zeitpunkt
ab wird der Strom in kurzen Intervallen ab- und angeschaltet, I'zerhackt", so dass
sich auf Grund der Induktionswirkung der Spule ein konstanter Gleichstrom ergibt,
dem ein in seiner Wirkung nicht nachteiliger Strom relativ geringer Welligkeit,
die durch die Hysteres des Zweipunktreglers bedingt ist, überlagert ist.
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Falls in vorgeschlagener Weise die Leistungstransistoren zur Stromregelung
herangezogen werden, wird empfohlen, diese über ein UNG-Gatter anzusteuern, deren
erstes Gate jeweils mit dem Impulsverteiler und deren zweites Gate jeweils mit dem
Ausgang eines Komparators verbunden sind, welcher die Endstufentransistoren derart
steuert, dass sie bei Erreichen des Nennstromes in der oben erläuterten Weise geöffnet
und geschlossen werden0 Zu diesem Zweck liegt an dem ersten Eingang des Komparators
eine als Referenzspannung wirkende konstante Soll-Spannung und am zweiten Eingang
eine dem Statorspulenstrom proportionale Ist-Spannung.
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Ein besonderer Vorteil dieser Schaltung ist, dass zur Regelung des
Spulenstromes und damit zur Einstellung des
Motordrehmoments lediglich
die Reforenzspannung verändert zu werden braucht.
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Zur Erzegung des gewünschten Hystereseverhaltnes kann der ausgang
des Komparators mit seinem zweiten Eingang über einen Mitkopplungswiderstand verbunden
sein, wodurch sich die angestrebte Zweipunktregelung ergibt. Beispielsweise kann
die Schaltung so ausgelegt sein, dass dem Statorspulenstrom ein welliger Strom mit
einer Frequenz von z.B.
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5 kHz überlagert ist.
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Bin besonders einfacher Schaltungsaufbau ergibt sich, wenn, wie ferner
vorgeschlagen wird, die Emitter der Beistungstransistoren mit der Spannungsquelle
über einen gemeInsamen Emitterwiderstand verbunden sind, an welchem die ist Spannung
für den Komparator abgegriffen wird0 Bei dieser Schaltungsanordnung erzeugt der
durch jede Spule fliessende Strom an dem gemeinsamen Widerstand eine Ist-Spannung,
die im Komparator mit der Sofl-$pannung verglichen wird.
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Ist die Ist-Spannung kleiner als die Soll-Spannung, so wird der mittels
des Impulsverteilers ausgewählte Leistungstransistor leitend. Der Spulenstrom steigt
folglich an, wodurch die am Emitterwiderstand anfallende Ist-Spannung vergrössert
wird. Hat die Ist-Spannung die Soll-Spannung erreicht, wird der jeweilige Endstufentransistor
gesperrt.
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Erst wenn die Ist-Spannung um eine durch den Mitkopplungswiderstand
bestimmte Grösse gegenüber der Referenzspannung gesunken ist, wird der Leistungstransistor
wieder geöffnet und der erläuterte Vorgang wiederholt sich von neuem.
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Da bei dieser Schaltungsanordnung die an dem gemeinsamen Emitterwiderstand
abfallende Spannung bei geschlossenem Leistungstransistor «,u Null wird, ist nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung zwischen dem Emitterwiderstand und
dem
zweiten Eingang, des Komparators eine Nachbildung der Induktivität angeordnet. Sie
bewirkt, dass die am zweiten Eingang des Komparators liegende Ist-Spannung ähnlich
wie der Spulenstrom nach einer e-Funktion abfällt, so dass der Leistungstransistor
nicht sofort wieder geöffnet wird.
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Tn an sich bekannter Weise besteht die Nachbildung aus zwei im Längszweig
angeordneten Ohm schen Widerständen und einem Kondensator im Querzweig.
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Wie eingangs bereits erwähnt, ist es bei derartigen Schaltungen ferner
wichtig, dass die Abschaltspannungen auf für den Transistor ungefährliche Werte
begrenzt werden.
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Um dies zu erreichen , sind bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen
Schaltung zwischen den Kollektoren und den Basen der Leistungstransistoren Zenerdioden
angeordnet, die zusammen nib den Leistungstransistoren als gesteuerte Freilarfdioden
wirken.
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Durch sie wird die in der Spule gespeicherte magnetische Energie in
kurzest möglicher Zeit abgebaut.
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Andererseits ist es beim Regeln des Spulenstromes in erfindungsgemässer
Weise nicht zweckmässig, wenn der Strom zu rasch abfällt, wie es die Kombination
von Leistungstransistor und Zenerdiode bewirkt, da in diesem Fall der Transistor
die meiste Zeit eingeschaltet ist, weil die durch die Schnellentregung abgeführte
Energie der Spule ersetzt werden muss. Dies würde zu einer relativ hohen Leistungsertnahme
aus dem Netzteil führen.
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Um dies zu verhindern, wird mit der Erfindung ferner eine sog, Löschaltung
vorgeschlagen, die beim hochfrequenten Ein- und !.usschalten der Regeleinrichtung
einen langsamen
Abbau der in der Spule gespeicherten F,nergie bewirkt
und nifr beim Wechsel von einer Statorspule zur anderen einen schnellen Abbau durch
die dann wirksame Kombination aus Zenerdiode und Leistungstransistor ermöglicht.
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Diese Löschaltungen bestehen aus parallel zu den Statorspulen angeordneten
vom Impulsverteiler gesteuerten Halbleitern, die in Reihe mit einer für den Abschaltstrom
der Spule in Durchlassrichtung angeordneten Diode geschaltet sind. Als gesteuerte
Halbleiter-eignen sich z.3. Transistoren, Thyristoren oder dergl. Schaltelemente,
bei welchen evtl. auf die Anwendung der Diode verzichtet werden kann Diese Schaltelemente
sind, gesteuert vom Impulsverteiler, solange leitend, wie der jeweilige Leistungstransistor
vom Impulsverteiler angesteuert ist, Der jeweilige Leitungstransistor ist beim Abschalten
durch den Impulsverteiler infolge der entstehenden Selbstinduktionsspannung der
Spule über die zwischen Kollektor und Basis angeordnete Zenerdiode zur Schnellentregung
nur soweit gesperrt, dass die zulässige Kollektor-Emitterspannung nicht überschritten
wird.
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Die mit der Erfindung vorgeschlagenen Massnahmen eignen sich nicht
nur für fortschaltbare Schrittmotoren, sondern sind grundsätzlich zur Schnellerregung-
bzw. -entregung elektromagnetischer Systeme, z.B. auch für Elektromagneten geeignet,
die zu Steuerzwecken heute im grossen Umfang erforderlich sind.
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Ger Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Schaltbildes einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung erläutert.
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Die gesteuerten Statorspulen S1, S2 und S3 sind jeweils über die Leistungstransisitoren
T1, T2 und T3 und den gemeinsamen Emitterwiderstand RE mit den Anschlussklemmen
B1 und B2 einer Gleichspannungsquelle verbunden, die beispielsweise aus einem Graetz-Gleichrichter
besteht. Zur Ansteuemng der Leistungstransistoren ist eine sog. Steuerlogik SL vorgesehen,
die im wesentlichen aus einem nicht dargestellten Impulsgenerator und einem Impulsverteiler
besteht. Die Ausgänge der Steuerlogik sind jeweils mit einem Gate g21, g31, der
jeweiligen UD-Gatter G1, G2 bzw. G3 verbunden, deren Ausgänge g12, g22 bzw. g32
zu den Basen der Leistungstransistoren TI, T2 und T3 führen. Die verbleibenden Gates
g13, g23 bzw. g33 sind mit dem Ausgang K3 des Komparators K verbunden, dessen beiden
Eingängen Kl bzwa K2 einerseits die Referenz spannung URef und andererseits die
an dem gemeinsamen Emitterwiderstand RE abfallende Ist-Spannung UI zugeführt wird0
Zwischen dem zweiten Eingang K2 des Komparators und dem Emitterwiderstand RE ist
ein X-Glied mit den Widerständen R1 und R2 um Längszweig und dem Kondensator Cl
im Querzweig angeordnet, Dieses T-Glied stellt eine Nachbildung der Induktivität
der Statorspulen S1, S2 bzw S3 dar. Es bewirkt, dass bei gesperrten Transistoren
Tl, T2 bzwO T3 die Eingangsspannung an der Klemme S2 des Komparators ähnlich wie
der Strom einer der Statorspulen nach einer e-Funktion abfällt.
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Ferner ist zwischen dem Eingang K2 des Komparators und seinem Ausgang
K3 ein Mitkopplungswiderstand RH vorgesehen, der das eingangs erläuterte Hystereseverhalten
der Strom regelung bewirkt.
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Dem Abbau der in den Spulan gespeicherten magnetischen Energie dienen
bein hochfrequenten Ein- und Ausschalten, d.h.
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also beim Regeln des Stromes durch den Zweipunktregler,
Löschanordnungen,
die aus den Transistoren T4, T5, und T6 und den mit diesen in Reihe geschalteten
Dioden D4, D5 und D6 bestehen, wobei letztere einen Inverabetrieb der Transistoren
T4, T5 und T6 verhindern. Die Transistoren T4, T5 und T6 werden über Potentialausgleichsschaltungen
n, P2 bzw. P3 von der aus Impulsgeber und -verteiler bestehenden Steuerlogik SL
derart angesteuert, dass sie nur leitend sind, wenn die zugehörigen Leistungstransistoren
T1, T2 bzw. T3 vom Impulsverteiler angesteuert sind.
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Wird der zugehörige Leistungstransistor, z.B. der Transistor T1, von
der Regeleinrichtung in der erläuterten Weise angeschaltet, so keim die in der Spule
S1 gespeicherte magnetische Energie über den geöffneten Transistor T4 und die nunmehr
in Durchlassrichtung liegende Diode D4 abgebaut werden0 Bei Ansteuerung des nächsten
Transistors, z.B. des Transistors T2, dagegen ist der Transistor T4 wieder gesperrt,
so dass die in der Spule 51 gespeicherte mqnetische Energie über den Transistor
T1 abgebaut wird.