DE3523806A1 - Verfahren zum antreiben eines 5-phasen-schrittmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antreiben eines 5-Phasen-Schrittmotors.

Zum Antreiben von 5-Phasen-Schrittmotoren sind Stan­ dardverfahren vorgeschlagen und angewendet, wie das Fünfeck­ verfahren und das Sternverfahren. Jedoch ist bei Anwendung des Fünfeckverfahrens und des Sternverfahrens ein Halbschritt­ antrieb mit 4-5-Phasen-Erregung schwierig durchzuführen, und daher werden diese Standardantriebsverfahren hauptsächlich für den Halbschrittantrieb angewendet.

Fig. 1 ist ein Stromkreisdiagramm für ein bekanntes Standardantriebsverfahren.

In der Zeichnung sind mit den Bezugszeichen 1 bis 5 die Phasen A bis E bezeichnet, und jede Phase besteht aus einer Spule, die um einen Statorpol des 5-Phasen-Schrittmo­ tors gewickelt ist. Jede Phase wird durch Transistoren 6 a bis 6 d betätigt derart, daß sie mit Bezug auf die anderen Phasen in Phase oder in Gegenphase ist. Mit dem Bezugszeichen 7 ist eine Energiequelle bezeichnet, um jeder Phase Feldstrom zu­ zuführen.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, werden bei dem Antriebsverfahren unter Verwendung einer solchen Schaltung vier Transistoren für jede Phase verwendet und demgemäß sind insgesamt zwanzig Transistoren erforderlich, um einen Aus­ gangsschritt zusammenzusetzen, wodurch sich verschiedene Nachteile ergeben, insbesondere vergrößerte Wärmeerzeugung beim Ausgangsschritt, größere Größe des Schrittes und ein komplizierter Steuerstromkreis zum Steuern des Schritts.

Weiterhin muß, wegen des Umstandes, daß alle Phasen parallel erregt werden, die Energiequelle das vier- bis fünf­ fache des Nennstroms (der Strom, der jeder Phase geliefert werden kann) des Motors liefern entsprechend einer 4-5-Phasen- Erregung. Demgemäß besteht bei dem bekannten Antriebsverfah­ ren der Nachteil, daß eine Energiequelle großer Stromkapazität erforderlich ist.

Es ist somit ein Zweck der vorliegenden Erfindung, die bekannten Verfahren zu verbessern. Insbesondere ist es ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum An­ treiben eines 5-Phasen-Schrittmotors derart auszuführen, daß 4-5-Phasenerregung mit einer verhältnismäßig kleinen Anzahl von Transistoren und unter Verwendung einer Energiequelle ermöglicht ist, die eine relativ kleine Stromkapazität hat.

Im wesentlichen ist ein Verfahren zum Antreiben eines 5-Phasen-Schrittmotors gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende jeder der Spulen einer Gruppe von Phasen A, C und E unter den Spulen der Phasen A, B, C, D und E, die in dem 5-Phasen-Schrittmotor angeordnet sind, mit einem Ende jeder der Spulen einer anderen Gruppe von Phasen B und D verbunden wird, so daß die zuerst genannte Gruppe sich zur letzteren Gruppe in Gegenphase befindet, wobei zwei oder drei der fünf Phasen in zweckentsprechender Weise für paralle­ le Erregung ausgewählt werden, und wobei die beiden anderen zwei oder drei Phasen parallel erregt werden derart, daß sie mit den zuerst genannten zwei oder drei parallel erregten Phasen in Reihe geschaltet sind, wodurch der 5-Phasen-Schritt­ motor angetrieben wird durch aufeinanderfolgendes Ändern der Richtung eines resultierenden Vektors.

Da ein Verfahren zum Antreiben eines 5-Phasen-Schritt­ motors gemäß der Erfindung angewendet wird zum Steuern über die Erregung derart, daß alle Phasen abwechselnd in Reihe und parallel miteinander geschaltet sind, kann die Anzahl der Betätigungstransistoren im Ausgangsschritt auf Zehn verringert werden. Daher ist gemäß der Erfindung die Anwendung von 4-5- Phasen-Erregung bei einem 5-Phasen-Schrittmotor möglich gemacht durch Transistoren, deren Anzahl nur halb so groß wie bei den bekannten Verfahren oder Schaltungen ist.

Die Erfindung verwendet weiterhin Erregung in Reihe und sie ermöglicht es daher, daß der Energiequellenstrom gegenüber dem Nennstrom lediglich um das Zwei- bis Zweiein­ halbfache erhöht zu werden braucht. Demgemäß ermöglicht die Erfindung die Verwendung einer Energiequelle, deren Strom­ kapazität kleiner als diejenige der Energiequelle ist, die bei den bekannten Verfahren verwendet werden muß.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist ein Stromkreisdiagramm, anhand von welchem ein Antriebsverfahren gemäß dem Stand der Technik er­ läutert ist;

Fig. 2 ist ein Stromkreisdiagramm, welches die Ausführung einer Antriebsvorrichtung zeigt unter Anwendung einer Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der Erfindung zum Antreiben eines 5-Phasen-Schrittmotors;

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht der Ausführung eines 5-Phasen-Schrittmotors, bei welcher eine Ausführungs­ form des Verfahrens gemäß der Erfindung angewendet wird;

Fig. 4 ist ein Diagramm, welches Stromwellenformen und die Richtungen von Erregungen zeigt, die allen Phasen erteilt werden sollen;

Fig. 5a bis 5h sind Diagramme, welche die Drehmomentvektoren zeigen, die in allen Phasen erzeugt sind,;

Fig. 6 ist ein Diagramm, in welchem die geometrischen Orte dargestellt sind, die durch die resultierenden Dreh­ momentvektoren hervorgerufen werden.

Fig. 2 ist ein Stromkreisdiagramm einer Ausführung einer Antriebsvorrichtung, mit welcher eine Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der Erfindung zum Antreiben eines 5-Phasen-Schrittmotors gemäß der Erfindung verwendet wird.

In Fig. 2 und in Fig. 1 sind für gleiche Teile glei­ che Bezugszeichen verwendet. Gemäß Fig. 2 ist ein Ende jeder Spule einer Gruppe von Spulen 1, 3 und 5 von Phasen A, C und E mit einem Ende jeder Spule einer Gruppe von Spulen 2 und 4 von Phasen B und D verbunden, so daß die beiden Gruppen zu­ einander in Gegenphase sind.

Die Bezugszeichen 11 bis 20 stellen die Transistoren dar, von denen jeder dazu dient, jede Phase zu erregen. Jeder der Emitter der Tansistoren 11, 13, 15, 17 und 19 ist mit jedem der Kollektoren der Transistoren 12, 14, 16, 18 bzw. 20 verbunden. Jedes Paar von Transistoren 11 und 12, 13 und 14, 15 und 16, 17 und 18 und 19 und 20 ist mit Bezug auf die Energiequelle 7 in Reihe geschaltet. Das andere Ende jeder der Spulen der Phasen A bis E ist an eine Verbindungsstelle jedes der Transistorenpaare 11 und 12, 13 und 14, 15 und 16, 17 und 18 und 19 und 20 angeschlossen.

Nachstehend wird das Verfahren zum Antreiben mittels der soweit beschriebenen Ausführungsform der Erfindung be­ schrieben anhand der Betriebsweise der soweit beschriebenen Vorrichtung.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht der Ausführung eines 5-Phasen-Schrittmotors, bei welchem eine Ausführungs­ form der Erfindung angewendet wird.

Der Rotor 21 ist mit fünfzig Zähnen versehen. Der Stator 22 weist zehn Pole auf, und ein Satz von Zähnen an einem Pol ist derart angeordnet, daß er von den Zähnen des benachbarten Poles um eine Strecke versetzt oder verschoben ist, die gleich ein Zehntel der Zahnteilung des Rotors 21 ist. Spulen sind auf die Pole derart gewickelt, daß zwei gegenüberliegende Pole gleiche Polarität N oder S haben, wodurch fünf Phasenpaare A bis E gebildet und miteinander verbunden sind, die aus Spulen 1 bis 5 bestehen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 4 ist ein Diagramm, in welchem Stromwellen­ formen und Erregungsrichtungen dargestellt sind, die allen Phasen erteilt werden sollen. Die Erregungsrichtungen sind derart angenommen, daß mit Bezug auf die Spulen 1, 3 und 5 der Phasen A, C bzw. E der Strom, der beispielsweise von A nach fließt, als (+) Strom und der Strom, der von nach A fliegt, als (-) Strom angegeben ist, wobei mit Bezug auf die Spulen 2 und 4 der Phasen B und D, die sich zu den ersten drei Phasen in Gegenphase befinden, der Strom, der beispiels­ weise von nach B fließt, als (+) Strom und der Strom, der von B nach fließt, als (-) Strom angegeben ist.

Die Bezugszeichen 0 bis 19 in Fig. 4 zeigen die Zu­ stände (Schritte) aufeinanderfolgender Erregung von Phasen.

Beispielsweise sind beim Schritt Null die Transisto­ ren 11, 14, 15, 18 und 19 leitend, während die übrigen Transi­ storen nichtleitend sind. Von der Energiequelle 7 zugeführter Strom wird an die Spulen 1, 3 und 5 der Phasen A, C bzw. E geliefert, und zwar über die Transistoren 11, 15 bzw. 19, und weiterhin wird Strom von der Quelle 7 an die Spulen 2 und 4 der Phasen B und geliefert. Daher ist die Gruppe von Spulen 1, 3 und 5 der Phasen A, C bzw. E parallel in (+) Richtung erregt, während die andere Gruppe von Spulen 2 und 4 der Phasen B und D parallel in (-) Richtung erregt ist, wobei beide Grup­ pen in Reihe miteinander geschaltet sind. Unter der Annahme, daß der Nennstrom des Motors I ist, kann die Energiequelle 7 den erwünschten Anforderungen entsprechen durch Liefern eines Erregungsstromes von 2 I. Wie durch die Stromwellenformen am Schritt Null in Fig. 4 dargestellt, wird ein Strom von 2 I/ 3 ((+) Richtung) an jede der Spulen 1, 3 und 5 der Phasen A, C bzw. E geliefert, während ein Strom I ((-) Richtung) an jede der Spulen 2 und 4 der Phasen B und D geliefert wird.

Die Fig. 5a bis 5h stellen Vektordiagramme des Dreh­ momentes dar, welches in allen Phasen bei den oben genannten Schritten erzeugt wird. In diesen Figuren zeigen die Vektoren ↑ und © das Drehmoment in jeder Phase bzw. das resultierende Drehmoment an. Das Drehmoment in jeder Phase des 5-Phasen- Schrittmotors ist dargestellt durch einen Vektor mit Rich­ tungsänderung um einen elektrischen Winkel R e von 36°. Dieser elektrische Winkel R e wird in einen mechanischen Winkel R m wie folgt umgewandelt:

R m = Teilungswinkel der Zähne des Rotors/10
= 7,2/10 = 0,72°.

Fig. 5a ist ein Diagramm, das einen Vektor beim Schritt 0 darstellt. Wenn jede Phase gemäß vorstehender Be­ schreibung erregt wird, wird der Motor in den Zustand einer 5-Phasen-Erregung gebracht, und der resultierende Drehmoment­ vektor erstreckt sich in der gleichen Richtung wie der Dreh­ momentvektor der Phase C.

Nunmehr wird der nachfolgende Schritt 1 beschrieben. Beim Schritt 1 wird der Transistor 11, der beim Schritt 0 leitend war, nichtleitend gemacht, und dadurch wird der Motor in den Zustand einer 4-Phasen-Erregung gebracht. Die Wellen­ formen gemäß Fig. 4 zeigen einen Strom I in den Spulen 3 und 5 der Phasen C und E in (+) Richtung und auch einen Strom I in den Spulen 2 und 4 der Phasen B und D in (-) Richtung. Zu diesem Zeitpunkt ist der resultierende Vektor so gerichtet, wie es in Fig. 5b dargestellt ist, d.h. in einer Richtung in die Mitte zwischen den Phasen C und D. Der Rotor dreht sich daher in Uhrzeigerrichtung um einen Winkel von 0,32°, was einem halben Schritt äquivalent ist.

Beim Schritt 2, wie er in Fig. 5c dargestellt ist, befindet sich der Motor im Zustand einer 5-Phasen-Erregung.

Die Wellenformen zeigen, daß ein Strom I in (+) Richtung an den Spulen 3 und 5 der Phasen C und E und ein Strom 2 I/ 3 in (+) Richtung an den Spulen 1, 2 und 4 der Phasen A, B bzw. D vorhanden ist. Der resultierende Drehmomentvektor erstreckt sich in der gleichen Richtung wie der Drehmomentvektor in der Phase D. Der Rotor dreht sich daher mit Bezug auf seine Stellung beim Schritt 0 um 0,72°.

Danach ändert sich die Richtung des resultierenden Drehmomentes aufeinanderfolgend gemäß den Fig. 5d bis 5h, wobei Strom jeder Phase zugeführt wird, wie es bei den Schrit­ ten 3 bis 19 dargestellt ist. Mit der Richtungsänderung des resultierenden Drehmomentes dreht sich der Rotor 21 und nach Beendigung einer Umdrehung des oben genannten Drehmomentvektors dreht sich der Rotor um 7,2°.

Fig. 6 ist ein Diagramm, in welchem die geometrischen Orte dargestellt sind, die von den resultierenden Drehmoment­ vektoren beschrieben werden. Wie aus dieser Figur ersichtlich, ist die Größe des resultierenden Drehmomentvektors zum Zeit­ punkt der 5-Phasen-Erregung kleiner als diejenige zum Zeitpunkt der 4-Phasen-Erregung. Jedoch ist ein Unterschied zwischen zwei Vektoren in einem solchen Ausmaß, wie es dargestellt ist, bei der praktischen Anwendung im wesentlichen ohne Bedeutung. Der Unterschied zwischen den Drehmomentvektoren kann beseitigt werden dadurch, daß die Stromlieferung zum Zeitpunkt der 5- Phasen-Erregung größer gemacht wird als die Stromlieferung zum Zeitpunkt der 4-Phasen-Erregung.

Claims (1)

1. Verfahren zum Antreiben eines 5-Phasen-Schritt­ motors mit einer Reihe von Phasen A bis E, deren jeden eine Spule (1 bis 5) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende jeder der Spulen (1, 3, 5) einer Gruppe von Phasen A, C und E unter den Spulen (1 bis 5) der Phasen A bis E, die in dem 5-Phasen- Schrittmotor angeordnet sind, mit einem Ende jeder der Spulen (2, 4) der anderen Gruppe von Phasen B und D derart verbunden wird, daß die zuerst genannte Gruppe mit Bezug auf die zuletzt genannte Gruppe in Gegenphase ist, daß zwei oder drei der fünf Phasen in zweckentsprechender Weise für parallele Er­ regung ausgewählt werden und die anderen zwei oder drei Phasen parallel erregt werden derart, daß sie mit den zuerst genann­ ten zwei oder drei Phasen, die parallel erregt werden, in Reihe angeordnet sind, und daß der 5-Phasen-Schrittmotor durch auf­ einanderfolgendes Ändern der Richtung eines resultierenden Vektors angetrieben wird.