DE2933658A1

DE2933658A1 - Schaltungsanordnung zum regeln der induktion in einem magnetischen kreis

Info

Publication number: DE2933658A1
Application number: DE19792933658
Authority: DE
Inventors: Maurice Antony Bar; Bernard Les Ullis Gibert
Original assignee: Societe Industrielle de Sonceboz SA
Current assignee: Societe Industrielle de Sonceboz SA
Priority date: 1979-08-14
Filing date: 1979-08-20
Publication date: 1981-03-26
Also published as: GB2057714A; FR2463537A1

Description

SOCIETE INDUSTRIELLE DE SONCEBOZ S.A. Rue Rosselet Challondes, CH-26Q5 Sonceboz Schweiz

Bernard GIBERT

25,* Rue des ßergeres, F-91440 Les Ullis Frankreich

Maurice BAR

5, Rue Albert Camus, F-92160 Antony Frankreich

Schaltungsanordnung zum Regeln der Induktion in einem magnetischen Kreis

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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung die für eine von einer Gleichstromquelle ausgehende Speisung und Kommutierung von Wicklungen, insbesondere den Statorwicklungen von synchronen oder asynchronen elektrischen Schrittmotoren sorgt.

Bei bekannten Anordnungen dieser Art, die auch als Translatoren bezeichnet werden können, wird der über die Wicklungen fließende Strom konstant oder gleich Null gehalten, was zu einem unregelmäßigen, stoßweise auftretenden und schwierig zu beherrschenden Drehfeld sowie zu einem gleichfalls unregelmäßigen Motordrehmoment führt. Die Nachteile eines derart ungleichmäßigen Drehmoments (insbesondere Schwingungen des Rotors, Resonanzerscheinungen bei bestimmten Frequenzen und die Unmöglichkeit, den Motor außerhalb von bestimmten Stellungen anzuhalten) sind wohlbekannt; sie stellen ein Hindernis bei dem Einsatz solcher Motoren für die Feineinstellung der Winkellage dar.

Um ein regelmäßiges Drehen zu erhalten, muß ein konstantes Drehmoment vorhanden sein; dementsprechend muß der Strom in den Statorwicklungen moduliert werden. Unter den bisher in Betracht gezogenen Verfahren kann dasjenige festgehalten werden, das darin besteht, einen Begrenzerverstärker zu verwenden. Bekannte Zerhackerverstärker sind jedoch nur mit einem einzigen Vergleicher mit Hysteresewirkung ausgerüstet und

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lassen nur zwei mögliche physikalische Zustände zu, nämlich zum einen die Übermittlung von Energie von der Stromquelle zu den Wicklungen und zum anderen den Kurzschluß einer der Wicklungen (Energieerhaltung in der Wicklung mit entsprechenden Verlusten). Weil die Rückführung von Energie des magnetischen Kreises zu der Stromquelle nicht ohne Umkehrung des Vorzeichens der Ströme erfolgt, ist es nicht möglich, eine gleichmäßige Verminderung der Energie in dem magnetischen Kreis vorzugeben .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltungsanordnung für die Steuerung der Induktion in Wicklungen, insbesondere den Wicklungen von Elektromotoren, zu schaffen, die diese Mangel vermeidet und die es gestattet, die Wicklungen entsprechend einem vorbestimmten Änderungsgesetz zu speisen, ohne daß dieses Gesetz während der Verminderung der Energie unberücksichtigt bleibt, die in dem magnetischen Kreis gespeichert ist.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird aufgrund vor, Informationen, die in einer logischen Schaltungsstufe vorliegen, der Kurzschluß einer Wicklung oder die Energierückgewinnung ausreichend frühzeitig ausgelöst, um den Überstrom richtig zu korrigieren.

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Entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die in geradzahliger Anzahl vorhandenen Motorwicklungen paarweise mit einem Mittelabgriff ausgestattet, und die Schaltungsanordnung weist für jedes Spulenpaar eine Additionsstufe, einen einzelnen Vergleicher für den Höchstwert, einen einzigen Vergleicher für den Kleinstwert und eine einzige logische Schaltungsstufe auf.

Entsprechend einer zweiten Ausführungsform, die gegebenenfalls mit der vorstehend geschilderten kombiniert ist, handelt es sich bei den Vergleichern um Vergleicher mit Hysteresewirkung, die logische Signale mit zwei Pegeln abgeben.

Entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die gegebenenfalls mit den vorstehend erläuterten Ausführungsformen kombiniert sein kann, wird die logische Schaltungsstufe von einem ROM-Speicher (Festspeicher) gebildet, der mit einer Rückführung zu sich selbst versehen ist.

Entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung, die gegebenenfalls mit den vorstehend genannten Ausführungsformen kombiniert ist, wird die einen in Abhängigkeit von der Zeit variablen Sollwert liefernde Anordnung von einem Festspeicher gebildet, der in numerischer Form mehrere Stromverläufe enthält, die unterschiedliche optimierte Sollwerte darstellen.

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^Of*G"^ inspects,

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Schaltungsanordnung der genannten Art zu schaffen, die es gestattet, das Gesetz der Ausbildung des Stroms als Funktion der Last des Motors zu variieren, indem die Taktfrequenz beeinflußt wird, die das Abtasten der ausgewählten Speicheradressen gestattet.

Allgemein liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltungsanordnung zu schaffen, die durch Begrenzung oder Beschneidung das Beeinflussen der Induktion in einem magnetischen Kreis gestattet, der zwei elektromagnetisch gekoppelte Wicklungen oder eine einzige Wicklung aufweist.

Eine elektronische Schaltungsanordnung zur Speisung und Steuerung der Induktion von Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen von rotierenden Elektromotoren, mit einer Gleichstromquelle und einer Einrichtung zur Rückführung von Energie an die Stromquelle, während der Strom in einer Wicklung einen Sollwert übersteigt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Regelung der Stromstärke in den in Betrieb befindlichen Wicklungen auf einen im wesentlichen variablen Soliwert und Aufjrechterhaltung der Regelung selbst während der Verminderung des Sollwertes vor der Umkehr der Stromrichtung eine Einrichtung zum Vergleichen des Stroms mit zwei variablen Grenzwerten und eine Einrichtung vorgesehen sind, mittels deren entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs zu einem gegebenen Augenblick und dem Ergebnis des vorausgegangenen Ver-

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gleichs gegebenenfalls Energie über eine zugeordnete Wicklung zu der Quelle zurückführbar oder die in Betrieb befindliche Wicklung kurzschließbar ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Fign. zeigen:

Fign. la und Ib eine Spulenanordnung und den zu

gehörigen Stromverlauf zur Erläuterung des mit der Erfindung gelösten Problems,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der

Arbeitsweise der Logikstufe der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer bevor

zugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 4 ein Beispiel für die Bildung der

Signale in Abhängigkeit von der Zeit zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung

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-Π - ■ ■ ; ;

nach Fig. 3,

Fig. 5 eine erläuternde Schemadarstel

lung,

Fig. 6 eine bevorzugte Ausgestaltung

der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 sowie

Fign. 7a und 7b Aufzeichnungen, die beim Betrieb

eines Schrittmotors mit einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung erhalten wurden.

In Fig. Ib sind gestrichelt die Ströme I, und I„ dargestellt, die an die Wicklungen L-, und L« (Fig. la) angelegt werden sollten, die beispielsweise Teil eines Schrittmotors sind. In dieser Fig. ist die Zeit in Abszissenrichtung aufgetragen, während die Stromstärken in Ordinatenrichtung verlaufen.

Um eine Drehung und ein Drehmoment von gleichmäßigem Verlauf zu erhalten, müssen diese Ströme variabel sein und eine optimierte Form haben. Der Einfachheit halber ist in der Fig. davon ausgegangen, daß der Motor nur zwei Wicklungen aufweist oder daß die dargestellten Wicklungen gemäß Fig. la beispieis-

130013/0310 ..._w

weise die erste und die dritte (oder die zweite und die vierte) Wicklung eines Motors mit vier Wicklungen (Phasenzahl η = 4) sind.

Bei den bekannten Anordnungen, die einen Begrenzerverstörker aufweisen, wird die Wicklung kurzgeschlossen, wenn der Strom in der Wicklung den Sollwert erreicht. Die durch die Verlagerung des Rotors induzierten Spannungen führen im allgemeinen zu den in ausgezogenen Linien dargestellten Kurven, die unterhalb der idealen theoretischen Kurve bis zu dem Augenblick verlaufen, wo die Umkehrung des Vorzeichens des Sollwertes erfolgt, was eine erhebliche Störung hinsichtlich der Größe des Drehmoments bewirkt. Das in diesem Moment erfolgende Kurzschließen und die sich einstellenden verschiedenen Energieverluste sollten es erlauben, den Strom auf den Sollwert zurückzubringen. Weil sich jedoch der Sollwert rasch ändern kann (dies hängt von der Steigung der Sollwertkurve in dem Bereich ab, innerhalb dessen die Unterbrechung erfolgt), und zwar aufgrund der Wirkung der gegenseitigen Induktivitäten der Wicklungen und der durch die Bewegung des Rotors induzierten Spannungen, reicht das Kurzschließen der Wicklung, während der Strom in dieser Wicklung über den Sollwert ansteigt, nicht aus, um den Strompegel auf einen Wert nahe dem Sollwert zurückzubringen. Der Verstärker verliert infolgedessen die Kontrolle über das Geschehen, wie dies in Fig. Ib zu erkennen ist, wo der Strom I, wieder ansteigt (und zwar wäh-

130013/0310 OHOOlAL INSPECTB»

rend der Periode A, innerhalb deren die in dem magnetischen Kreis gespeicherte Energie zu groß ist, um aufgrund des Jouleschen Effekts in der Wicklung vernichtet zu werden).In dem Augenblick der Unterbrechung der Speisung der Wicklung L, macht sich die in dem magnetischen Kreis vorhandene Energie durch das praktisch augenblickliche Auftreten eines Stroms -Iq in der zugeordneten Wicklung bemerkbar. Weil der Strom in der zweiten Wicklung negativ ist, gibt diese die gespeicherte Energie an die Zuführung zurück; auf diese Weise erreicht der Strom I_? rasch den Sollwert (Periode B). Dies geschieht jedoch zu spät, um den Überstrom in der ersten Wicklung zu kompensieren, wo der Strom den Wert I_n erreicht, bevor er auf Null abfällt. Um den bei der Unterbrechung in dieser Spule auftretenden Strom besser zu steuern, muß der beschriebene Prozeß frühzeitiger ausgelöst werden. Damit dies möglich ist, muß eine zusätzliche Information vorhanden sein, bei der es sich um die Richtung oder das Vorzeichen der Entwicklung des Effektivstroms mit Bezug auf den Sollwert oder besser um die Richtung der Entwicklung des Stroms mit Bezug auf eine Abweichung von dem Sollwert nach der einen und der undsren Seite handelt. Genau dies wird mit der nachstehend erläuterten Schaltungsanordnung erreicht, die eine Logikstufe aufweist, welche in jedem Augenblick die Informationen bezüglich der Lage des Stroms innerhalb dieses Abweichungsbereichs aufnimmt und, falls notwendig, die augenblickliche Lage mit der vorausgehenden Lage vergleicht. Dies ist in Fig. 2 sehr

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schematisch dargestellt, wo wiederum die Zeit in Abszissenrichtung und die Stromstärke in Ordinatenrichtung aufgetragen ist. Die Kurve e stellt den Sollwert des Stroms dar. Die Kurven e+a und e-a geben die Grenzwerte des zulässigen Abweichungsbereichs wieder, wobei α der Absolutwert der Toleranz ist. Während beispielsweise die Punkte B und D beide innerhalb der Begrenzungen des Abweichungsbereichs liegende Ströme representieren, entsprechen sie unterschiedlichen Situationen, weil der Punkt B auf einen Wert (Punkt A) folgt, der einer unzureichenden Induktion entspricht, während der Punkt D auf eine Situation (Punkt C) folgt, die einer übermäßigen Induktion entspricht. Die Punkte A und C sind Fälle, die sich bei normaler Funktion nur einstellen, wenn der Strom in einer Wicklung eingeschaltet oder unterbrochen wird und wenn der Motor Laständerungen erfährt.

Es ist leicht einzusehen, daß die auszuübende Wirkung nicht die gleiche ist, je nach dem ob man in den Abweichungsbereich nach einer Vergrößerung oder einer Verminderung der Induktion eintritt. Die logische Schaltungsstufe zeigt durch Vergleich der aktuellen Information mit der vorausgegangenen Information an, in welcher Situation man sich befindet. Dies ist nachstehend anhand des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 im einzelnen erläutert.

130013/0310 OniGiNAL .NSPECTTSD

In dieser Fig. sind mit 11 und 12 zwei gegenphasige Wicklungen des Stators eines Elektromotors bezeichnet. Diese beiden Wicklungen sind beim Einbau in den Motor magnetisch gekoppelt. Sie sind vorliegend über ein gemeinsames Ende (Mittelabgriff) mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle 10 über einen Transistor 1 verbunden, zwischen dessen Anschlüssen eine gegenpolig geschaltete Diode 4 liegt. Die zweiten
Enden der Wicklungen 11 und 12 sind mit dem negativen Pol
der Stromquelle 10 über einen Transistor 2 und eine zu dessen Anschlüssen gegenpolig geschaltete Diode 5 bzw. einen
Transistor 3 und eine zu dessen Anschlüssen gegenpolig geschaltete Diode 6 verbunden. Die in diesen Wicklungen fliessenden Ströme I,, I« werden mit Hilfe von zugehörigen Widerständen 8 und 9 gemessen, die in Reihe mit den Wicklungen
liegen. Die an den Anschlüssen dieser Widerstände auftretenden, den betreffenden Strömen proportionalen Spannungen bilden die Eingangssignale c und d eines Verstärkers 13 mit der Übertragungsfunktion

b = kc - kd

wobei k innerhalb des ausgenutzten Arbeitsbereichs als
Konstante betrachtet wird.

Der Verstärker 13 liefert ein Signal b, das der Differenz
der Ströme in den Wicklungen, d.h. dem Wert der in dem magnetischen Kreis vorhandenen Induktion, unmittelbar proportional ist, falls das Material nicht gesättigt ist.

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ORiGiNAL INSPECTED

Dieses Signal b wird zwei algebraischen Summierstufen (einer Additionsstufe und einer Subtraktionsstufe) 17 und 18 zugeführt, denen außerdem ein Sollwertsignal α zugeht, das die zulässige Toleranz bezüglich des Wertes des Stroms in den Wicklungen darstellt. Die algebraischen Summierstufen 17 und 18 liefern Signale b+a bzw. b-a, die Vergleichern 15 und 16 zugeführt werden, denen außerdem der Stromsollwert e zugeht, der von einem Sollwertsignalgenerator 14 geliefert wird und der das Abbild des Induktionspegels darstellt, der in dem magnetischen Kreis aufrechterhalten werden soll.

Bei den Vergleichern 15 und 16 handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel um Vergleicher mit Hystereseverhalten, was von zweifachem Vorteil ist, weil sie selbsttätig für eine gewisse Dämpfung sorgen und weil sie binäre Ausgangssignale f/ g liefern, die aufgrund ihrer Form und ihrer Dämpfung unmittelbar, ohne vorausgehende Umformung oder dergleichen den Eingängen 19.1 und 19.2 einer numerischen Logikstufe 19 zugeführt werden können, der außerdem über einen Eingang 19.3 vom Generator 14 unmittelbar ein Binärsignal zugeht, das kennzeichnend für das Vorzeichen des Sollwertes e ist. Die Logikstufe 19 bildet aufgrund dieser drei Eingangsinformationen und des Vergleichs dieser Informationen mit dem Wert der betreffenden Informationen im vorausgegangenen Augenblick binäre Steuersignale h, i, j für die Basen der Transistoren 1, 2 und 3. Die Logikstufe 19 liefert ferner zwei Hilfssignale 1 und m, die

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nachstehend näher erläutert sind und die benutzt werden/ um gegebenenfalls den Sollwert e zu modifizieren.

Die Leitung 19.4 (Signal k) stellt eine Rückführung der Logikstufe zu sich selbst dar und soll die Auswertung von Informationen, die zu zwei aufeinanderfolgenden Augenblikken empfangen werden, Hurch die Logikstufe darstellen. Entsprechend der Art der Logikstufe, deren praktische Ausführung sich für den Fachmann von selbst versteht, gestattet diese "Speicherung" eine sequentielle Dekodierung, die sich leicht an die Ausdehnung des Prinzips anpassen läßt.

Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:

Die Kombination aus den algebraischen Summierstufen und den Vergleichern 15, 16 bildet Vergleicheranordnungen für den Strom und damit für die Induktion mit den Grenzwerten e+a und e-a, wobei e der Sollwert und α die Toleranz ist, so daß der gemessene Strom in den wie folgt definierten Grenzen liegt:

Es gilt die Beziehung

e - a <, b <C. e + a

was die Signale S = b+a und D = b-a am Ausgang der algebraischen Su.Timierstufen zur Folge hat, wobei

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S ^ e D -e^ e

und was zu den beiden logischen Signalen f und g am Eingang der Logikstufe 19 führt:

f = 1

g = 0.

Wenn die Induktion übermäßig groß wird (entsprechend einem Strom derart, daß die Spannung an den Anschlüssen der Widerstände 8 oder 9 größer wird als die Summe des Absolutwertes des Sollwertes e und der Toleranz, also |b - a I *> IeI ) so folgt, daß e">0 oder ""CO, d.h. daß η = 1 oder 0 und damit eine der nachstehend genannten Gruppen von Signalen:

η = 1 b-α ^> e (und folglich auch b+a > e) sowie f=l

9=1

η = 0 b-ϊ-α <. e (und folglich auch b-a <L e) f = 0 g=0

Wenn umgekehrt die Induktion unzureichend, d.h. Ib+a |·< ist, ergibt sich für η = 1 (e positiv)

f = 0

g = 0

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für η = O (e negativ) f = 1

9 = 1

Es ist festzuhalten, daß vorliegend unter "e positiv" und unter "e negativ" der Fall verstanden wird, daß der Sollwert unter oder über einem P°zugspegel liegt, welcher die Symmetrieachse der Änderungskurve von e darstellt. In einem praktischen Beispiel hat man als maximale Amplitude von e 2,5 V bei einer Toleranz α von einigen Zehn Millivolt gewählt. Der Übersichtlichkeit der Fign. halber ist die Toleranz immer relativ viel zu stark, dargestellt. Dies gilt insbesondere auch für die Fig. 4, die ein Beispiel für die Entwicklung der Signale b-a und b+a zeigt. Diese Fig. veranschaulicht das zeitabhängige Betriebsverhalten der Vorrichtung nach Fig. 3. Die Signale b+a und b-a, die von dem Verstärker 13 und den Summierstufen 17 und 18 gebildet werden, sind mit gestrichelten Linien dargestellt, während das Sollwertsignal e in ausgezogener Linie veranschaulicht ist. Die für das Signal e gezeigten Diskontinuitäten beruhen auf den Kommutierungen der Vergleicher 15 und 16 und spielen bei der Betriebsweise der Vorrichtung eine wesentliche Rolle, denn sie begrenzen die Kommutierungsfrequenz der Transistoren 1, 2 und 3 in dem FaIl₇ wo die Vergleicher 15 und 16 nicht wechselweise umschalten.

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In Fig. 4 ist dieser Fall durch die Abfolge der Punkte 25 bis 28 dargestellt.

Jede Zustandsänderung eines der Vergleicher 15 oder 16 führt zu einer neuen Situation, die mittels der Logikstufe 19 interpretiert wird, welche die am besten geeignete Energieübertragung auswählt.

Beispielsweise ist der Bereich 22 durch den Sättigungszustand der einzelnen Transistoren 1 und 2 und folglich durch die Zufuhr von Energie zu dem magnetischen Kreis gekennzeichnet. Der Bereich 21 ist durch den Sättigungszustand des einzelnen Transistors 2 und folglich durch die Energieerhaltung mittels des magnetischen Kreises aufgrund eines Stromes gekennzeichnet, der über die Wicklung 11, den Transistor 2 und die Diode 7 kreist. Der Bereich 20 ist durch die Sperrung der Transistoren 1, 2 und 3 und folglich durch die Rückführung von Energie zu der Stromquelle durch einen Strom gekennzeichnet, der über die Dioden 4 und 6 und die Wicklung 12 läuft. Zusammenfassend ist festzuhalten, daß die Funktionsweise richtig ist, wenn die Kurve e zwischen den beiden gestrichelt eingezeichneten Kurven (b+a und b-a) liegt. Eine übermäßige Induktion liegt vor, wenn sich diese beiden Kurven über der Kurve e befinden. Im entgegengesetzten Fall ist die Induktion zu klein. Die oben genannte Transistorkommutierung ist im folgenden im einzelnen er-

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ORIGINAL INSPECTED

läutert:

Wenn die Induktion zu klein ist (logischer Zustand 1), liegt das Signal h auf dem logischen Pegel 1, was die Sättigung des Transistors 1 bewirkt. Wenn η = 1, wird der Transistor 2 durch das Signal i = 1 gesättigt, und der Transistor 3 wird durch das Signal j = 0 gesperrt. Der Strom kreist dann in der normalen Weise in aer Wicklung 11.

Wenn η = 0, wird der Transistor 3 durch j = 1 gesättigt, und der Transistor 2 wird aufgrund von i = 0 gesperrt.

Weil die Funktionsweise vollkommen symmetrisch ist, beschränkt sich die folgende Erläuterung auf den Fall wo η = 1

Wenn die Induktion zu groß ist (logischer Zustand 3 gilt

h = 0 i = 0 und j=0.

Die drei Transistoren sind gesperrt und die Rückführung von Energie zu der Stromquelle erfolgt, wie oben genannt, über den KiOis: Diode 6, Wicklung 12, Diode 4.

In den beiden vorangehenden Fällen arbeitet die logische Schaltung in Abhängigkeit von momentanen Daten (f, g, n), ohne vorhergehende Daten zu berücksichtigen, d.h. das Signal k ist noch ohne Einfluß auf die Ausgangssignale h bis m.

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Es sei daran erinnert, daß das Signal k nicht notwendigerweise ein am Ausgang zur Verfügung stehendes Signal ist, sondern den Zustand der Kombination der Signale f, g und f_] , g_] kennzeichnet, d.h. der Werte von f und g im vorhergehenden Augenblick.

Um den Gedanken festzuhalten, sei im folgenden angenommen: h = 0, wenn die Induktion zuvor zu stark war und k = 1, wenn sie zuvor zu schwach war.

Wenn die Induktion den richtigen Wert hat (f = 1, g = 0), vergleicht die logische Schaltung den momentanen logischen Zustand mit dem vorangegangenen Zustand.

Wenn die Induktion zuvor zu schwach war (logischer Zustand 2), bleiben die Transistoren 1 und 2 gesättigt; der Transistor 3 sperrt.

Wenn die Induktion zuvor zu stark war, werden die Transistoren 1 und 3 gesperrt; nur der Transistor 2 bleibt stromführend. Die Wicklung 11 ist daher, wie oben erläutert, über den Transistor 2 und die Diode 7 kurzgeschlossen. Dies führt zu einem inversen Strom, der den Strom der Wicklung rasch auf den gewünschten Wert zurückführt.

In der Fig. 5 sind diese möglichen aufeinanderfolgenden lo-

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C '~:i\L INSPECTED

gischen Zustände zusammen mit ihrer möglichen Reihenfolge rekapituliert. Aus der nachstehenden Tabelle ergibt sich die Funktionsweise der erläuterten Schaltungsanordnung in allen Fällen e>0, η = 1 (Wicklung Π im Betrieb) und e<0, η = 0 (Wicklung 12 im Betrieb).

Aufgrund der dauernden Wirkungsweise des logischen Systems sind in der Praxis, wenn der magnetische Kreis keinen starken Störungen unterworfen wird, die logischen Zustände 2 und 2' am häufigsten anzutreffen; sie haben eine erhebliche Dauer, Die Fälle 1 und 3 sind wesentlich kürzer. Wenn man die Fälle 1 und 3 dekodiert, ist das zyklische Verhältnis der erhaltenen Signale nahezu gleich Null, wenn der Motor keinen Lastschwankungen ausgesetzt ist, oder wenn der Sollwert sich nicht plötzlich ändert.

Wenn jedoch in dem magnetischen Kreis Störungen auftreten, verlängert sich die Dauer eines der Zustände 1 oder 3; sein Mittelwert vergrößert sich. Die Information, die aus diesem Phänomen abgeleitet werden kann, ist von hervorragender Bedeutung. Wenn sich der Rotor des Motors nicht auf der "günstigen" Drehzahl befindet, induziert er in den Wicklungen nicht die "günstigen" Spannungen; er wirkt dann auf die Dauer der Zustände 1 und 3 ein, deren Aufgabe es ist, den Strom auf seinen Nennwert zurückzuführen.

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Eingänge 19 Ausgang/ Eingang

Ausgänge 1?

logischer Induktion Zustand

Bemerkungen

	η	f	g	k	h	i	j	1	m	1	unzurei chend	Transistoren 1 und 2 gesättigt, 3 gesperrt, 11 gespeist, m kann 14 regeln, um e zu verkleinern.
n>0 (Wicklung 11 in Betrieb) b + a-< e b - a < e	1	0	0	1 oder 0	1	1	0	0	1	2	zuvor aus reichend unzureichend	Transistoren 1 und 2 gesättigt; 3 gesperrt. 11 gespeist
b-a ■<- e < b+a	1	1	0	1	1	1	0	0	0	V	zuvor aus reichend zu stark	Transistoren 1 und 3 gesperrt. 2 gesättigt. 11 kurzgeschlossen.
b+a "^e b-a ^ e	1	1	1	0	0	1	0	0	0	• 3	zu stark	alle Transistoren ge sperrt. Rückführung von Energie zur Quelle über 12. L kann 14 regeln, um e zu vergrößern.
n-=:.O (Wicklung 12 in Betrieb) b + α -<.e b - a -<. e	0	0	0	1 oder 0	0	0	0	1	0	3	zu stark	alle Transistoren ge sperrt. Rückführung von Energie zur Quelle über 11. L kann 14 regeln, um e zu verkleinern.
1 oder 0	0	0	0	1	0

CO CO CO

co O CD

co

	Ei η	0	-lgJr f	1	ige g	1	19 Ausgang/ Eingang k	h	Aus i	gän j	ge 1	19 m	logischer Zustand	Induktion	Bemerkungen
b-α <e< b+a	0	1	0	1	1	0	1	0 I	0	2	zuvor aus reichend unzureichend	Transistoren 1 und 3 gesättigt. 2 gesperrt. 12 gespeist.
b + a ^?- e b - a ;>.e	0	0	0	1	0	0	V	zuvor aus reichend zu stark	Transistoren 1 und 2 gesperrt. 3 gesättigt.12 kurzgeschlossen.
1 oder 0	1	0	1	0	1	1	unzureichend	Transistoren 1 und 3 gesättigt. 2 gesperrt. 12 gespeist, m kann 14 regeln, um e zu verkleinern.

NJ

N) CD OJ OJ cn cn OO

Es ist auf diese Weise möglich festzustellen, ob der Rotor dem Drehfeld folgt oder außer Tritt gefallen ist, ob er um das Drehfeld oszilliert oder ob sich das Widerstandsmoment ändert.

Auf diese Weise kann auf eine solche Information dadurch beantwortet werden, daß beispielsweise:

- das Drehfeld verzögert wird, wenn das geforderte Drehmoment zu stark anwächst, oder daß die Amplitude des Sollwerts und damit des Stromes und des Drehmoments erhöht wird,

- das Drehfeld vorgestellt wird, wenn beispielsweise eine träge Masse ohne Verlust der Winkelstellung abgebremst wird, oder daß die Amplitude des Sollwerts vergrößert wird.

Dieser zweite Aspekt des Prozesses führt zu einer erhöhten Funktionssicherheit bei Regelungen mit einem Schrittmotor mit offener Schleife, wodurch auf diese Weise der größte Nachteil dieser Art von Regelung vermindert wird.

Die Verarbeitung der Impulse 1 und 3 gestattet eine Regelung des Funktionsgenerators 14, beispielsweise die Erhöhung der Lese-Takt-Frequenz, wenn der Generator von einem Speicher und einem Lese-Takt-Geber für diesen Speicher gebildet wird, wie dies beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 der Fall ist, wo der Generator 14~von einem programmierbaren Festspeicher (ROM)

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141 gebildet wird, der mittels eines Taktgebers 200 synchronisiert ist und einen Ausgang "Vorzeichen von e" (oder Ausgang η) 141.α aufweist, der mit dem Eingang 19.3 der Logikstufe verbunden ist. Der Festspeicher 141 ist ferner mit einem Ausgang 141.b ausgestattet, der mit dem erstgenannten synchronisiert ist und der das Signal e an einen Digital/Analog-Wandler 300 liefert, der an die Eingänge der Vergleicher 15 und Io mit Hysteresewirkung angeschlossen ist. Diese Vergleicher liefern logische Signale, die den Eingängen 19.1 und 19.2 der Logikstufe 19 unmittelbar zugeführt werden können.

Diese kann vorteilhaft gleichfalls einfach von einem Festspeicher gebildet sein, der so viele Speicherplätze hat, wie mögliche logische Kombinationen der Eingangssignale f, g, η zu einem gegebenen Augenblick und zu dem vorhergehenden Augenblick vorhanden sind. Nach den vorangehenden Ausführungen muß der Speicher damit auf vier logische Zustände der Kombinationen der Eingangssignale antworten können, und zwar die Zustände 1, 2, 2¹ und 3.

Bei diesem Ausführungsbeispiel (aus einem Festspeicher bestehende Logikstufe) stellt k ein logisches Ausgangssignal dar, das wieder in den Speicher eingegeben wird.

Das Signal k entspricht der logischen Kombination f = 1, f_, = 0, falls η positiv ist und g = 1, g_, = 0, falls η ne-

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gativ ist, wobei f , und g , die Werte von f und g bei der vorausgehenden Messung sind.

Die aus der oben stehenden Tabelle folgenden logischen Beziehungen werden bei der Auslegung des Speichers berücksichtigt. Ihre Kenntnis ist daher für die Anwendung der Schaltungsanordnung nicht unbedingt notwendig; sie können jedoch herangezogen werden, falls eine andere Technologie eingesetzt werden soll, bei der an Stelle eines vorprogrammierten Festspeichers Kombinationen von elementaren logischen Schaltungen vorgesehen sind.

Im Falle eines Motors mit ρ Wicklungspaaren umfaßt die vollständige Anordnung ρ Schaltungen der vorstehend beschriebenen Art, die vorzugsweise über einen einzigen Haupttaktgeber 200 synchronisiert sind.

Die Fign. 7a und 7b zeigen Aufzeichnungen der Ströme, die bei einem Schrittmotor auftraten, der in der vorliegend erläuterten Weise gespeist wurde und mit einem Widerstandsmoment arbeitete (Fig. 7a) bzw. leer lief (Fig. 7b). Dabei ist die Zeit in Abszissenrichtung aufgetragen, während die Ströme (am Ausgang des Verstärkers 13) in Ordinatenrichtung wiedergegeben sind.

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Es ist festzustellen (unterbrochene Kurve), daß die Häufigkeit der Energierückführung von der Wicklung 11 zur Zuführung relativ klein ist; die Kommutierungspunkte sind unterhalb der Aufzeichnung wiedergegeben.

Beim Leerlauf ist die Impulshäufigkeit stark erhöht.

Die praktische Ausführung der Komponenten der beschriebenen Schaltungsanordnung ist nur angegeben, um daran zu erinnern, daß diese Komponenten in Abhängigkeit von der beabsichtigten Anwendung auf zahlreiche Weise variiert werden können. Allgemein kann die erläuterte Vorrichtung überall dort eingesetzt werden, wo eine Feinsteuerung der magnetischen Induktion durchgeführt werden muß, um eine Regelung der Arbeitsgeschwindigkeit und der Positionierung auf sehr genaue Weise zuzulassen (Ausführung von Mikroschritten - größere Auflösung im Falle von Schrittmotoren), wobei die Energieverluste weitestgehend vermindert werden.

Wenn der zu steuernde magnetische Kreis Teil eines Motors mit Drehfeld oder Translationsfeld ist, erlaubt es die beschriebene Anordnung, Synchronmotoren, Asynchronmotoren oder Schrittmotoren, unabhängig davon, ob es sich um rotierende Motoren oder Linearmotoren handelt, mit variabler Geschwindigkeit, stoßfrei und ausgehend von einer Gleichspannungsquelle zu betreiben. Dies ist insbesondere bei Präzisionsregelungen

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von Interesse, wie sie beispielsweise bei Werkzeugmaschinen oder den Peripheriegeräten von Rechnern angetroffen
werden, sowie bei Transportanlagen, wo die Möglichkeit
einer Variation der Geschwindigkeit und der Leistung Auswahlkriterien darstellen.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1. j Elektronische Schaltungsanordnung zur Speisung und

Steuerung der Induktion von magnetisch gekoppelten Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen von Elektromotoren, mit einer Gleichstromquelle und einer Einrichtung zur Rückführung von Energie an die Stromquelle, wenn der Strom in einer Wicklung einen Sollwert übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Regelung der Stromstärke in den in Betrieb befindlichen Wicklungen auf einen im wesentlichen variablen Sollwert und Aufrechterhaltung der Regelung selbst im Augenblick der Unterbrechung der Speisung der Wicklung eine Einrichtung zum Vergleichen des Stromes mit zwei variablen Grenzwerten und eine Einrichtung vorgesehen sind, mittels deren entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs zu einem gegebenen Augenblick und dem Ergebnis des vorausgegangenen Vergleichs gegebenenfalls Strom über eine zugeordnete Wicklung zur Stromquelle zurückführbar oder die in Betrieb befindliche Wicklung kurzschließbajt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, zur Anwendung bei einem Motor, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Optimierung des Betriebsverhaltens des Motors in Abhängigkeit von der

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Last eine Einrichtung zum Regeln des Sollwerts als Funktion der Vergleichsergebnisse vorgesehen ist.

3. Schaltungsnordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der in Reihe mit jeder Wicklung ein Steuertrareistor und eine Diode liegen, die zu den Transistoranschlüssen gegenpolig geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Wicklungspaar des Motors Mittel zur magnetischen Kopplung zwischen den beiden Wicklungen jedes Wicklungspaares des Motors, ein gemeinsamer Steuertranistor für die Speisung jedes Wicklungspaars, der zwischen die Stromzuführung die Wicklungen geschaltet ist, eine zu den Transistoranschlüssen gegenpolig geschaltete Diode, eine zwischen den Wicklungen und Masse liegende Diode, ein erster Geber zur Anlieferung eines zeitlich variablen Sollwertes, ein zweiter Geber zur Regelung eines Sollwertes, der von der zulässigen Toleranz der Stromregelung und der zulässigen Häufigkeit der für die Regelung erforderlichen Kommutierungen bestimmt ist, eine mit dem ersten und dem zweiten Sollwertgeber sowie mit den Wicklungen verbundene erste Vergleicheranordnung, die den Strom in jeder der Wicklungen mit dem von dem variablen ersten Sollwert und dem zweiten Sollwert bestimmten zulässigen Höchstwert vergleicht, eine mit dem ersten und dem zweiten Sollwertgeber sowie mit den Wicklungen verbundene zweite Vergleicheranordnung, die den Strom in jeder der Wicklungen mit dem von dem variablen ersten Sollwert und dem zweiten Sollwert be

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ORIGINAL INSPECTED

stimmten Kleinstwert vergleicht, sowie eine Logikstufe vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der ersten und der zweiten Vergleicheranordnung und von dem Zustand der Stufe vor dem Empfang dieser Signale ständig Steuersignale für die betreffenden Steuertransistoren der Wicklungen und den gemeinsamen Steuertransistor sowie Signale für die Modifikation des Änderungsgesetzes der angelieferten Sollwerte als Funktion der Zeit bildet, um die Drehzahl oder das Drehmoment des Motors in Abhängigkeit von der Last variieren zu lassen.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter Vergleicher vorgesehen sind, denen einerseits der variable Sollwert und andererseits die Ausgangssignale einer Additionsstufe und einer Subtraktionsstufe zugehen und die vorzugsweise als Vergleicher mit Hystereseverhalten ausgebildet sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikstufe einen Dekodierspeicher mit Rückführung zu sich selbst sowie Adressier eingängen bzw. einem Eingang für das Vorzeichen (n) des variablen Sollwerts und einen Eingang für das Ausgangssignal (f, g) jedes der Vergleicher, und Ausgänge

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(h, χ, j) aufweist, die jeweils mit den Basen der Transistoren verbunden sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher zusätzlich mit Ausgängen versehen ist, die gegebenenfalls an den Geber für den variablen Sollwert angeschlossen sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher Ausgänge aufweist, die gegebenenfalls mit dem Verstärker verbunden sind, um den Sollwert hinsichtlich der Frequenz und/oder der Amplitude zu regeln.

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