DE4002158A1 - Verfahren und einrichtung zum speisen eines elektronisch kommutierbaren elektromotors aus einer getakteten stromquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Speisen eines elektronisch kommutierba­ ren Elektromotors, insbesondere Schrittmotors, aus einer getakteten Stromquelle, gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 bzw. 6.

Derartige Verfahren und Einrichtungen sind in der unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläuterten Form Stand der Technik.

Elektromotoren, die gemäß den bekannten Verfahren aus den bekannten Einrichtungen gespeist werden, zeigen in bestimmten Betriebsbereichen Momentenschwankungen, unrunden Lauf, Instabilitäten und Resonanzerscheinungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, gat­ tungsgemäße Verfahren und Einrichtungen dahin zu verbes­ sern, daß ein solcherart gespeister Elektromotor ruhiger und mit gleichmäßigerem Drehmoment läuft.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungs­ gemäß durch Hinzunahme des Merkmals gelöst, daß der Takt der Stromquelle auf Zeitpunkte von Stromsollwert-Ände­ rungen, insbesondere Konmutationszeitpunkte, synchroni­ siert wird. Bezüglich der Einrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch das zusätzliche Merkmal gelöst, daß eine Schaltungsanordnung zur Synchronisierung des Stromquellen-Takts auf Zeitpunkte von Stromsollwert-Än­ derungen, insbesondere Kommutationszeitpunkte, vorgese­ hen ist.

Der durch die erfindungsgemäßen Lösungen erzielbare Vor­ teil besteht in einem runden, ruhigen Lauf des gespei­ sten Elektromotors. Die gleichmäßigere Drehmomentent­ wicklung ist nicht nur meßbar, sondern auch hörbar.

Anhand von zeichnerisch dargestellten Beispielen wird die Erfindung nachstehend erläuternd dem Stand der Technik gegenübergestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte Einrichtung zur Speisung einer Elektromotor-Phasenwicklung aus einer mittels Oszillator getakteten Stromquelle;

Fig. 2 eine bekannte Einrichtung zur Speisung einer Elektromotor-Phasenwicklung aus einer mittels monostabiler Kippstufe getakteten Stromquelle;

Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Gegenüberstellung von Taktsignalen und Phasenströmen bei einer bekannten Einrichtung einerseits und einer erfindungsgemäßen Einrichtung andererseits;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Speisung einer Elektromotor-Phasenwicklung aus einer mittels Oszillator getakteten Stromquelle;

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Speisung einer Elektromotor-Phasenwicklung aus einer mittels monostabiler Kippstufe getakteten Stromquelle; und

Fig. 6 ein Zeitdiagramm zur Gegenüberstellung der Rotorgeschwindigkeiten eines Schrittmotors bei einem Positioniervorgang mit herkömmlicher bzw. erfindungsgemäßer Stromregeleinrichtung.

Anhand von Fig. 1 sei eine bekannte Einrichtung zur Speisung einer Elektromotor-Phasenwicklung W aus einer mittels Oszillator OSC getakteten Stromquelle beschrieben. Zwei steuerbare Umschalter S1, S2 legen in Abhängigkeit von logischen Ausgangssignalen zweier zugeordneter UND- Glieder G1 bzw. G2 die Stator-Phasenwicklung W entweder in einer ersten Stromflußrichtung an die Speisespannung V_S oder in der entgegengesetzten Stromflußrichtung an die Speisespannung V_S oder schließen die Phasenwicklung W kurz, so daß diese freilaufen kann.

Liegt die Phasenwicklung W an der Speisespannung V_S, baut sich in der Phasenwicklung W ein Stromfluß auf, d. h. die Induktivität der Phasenwicklung W wird geladen, und zwar so lange, bis der Strom einen vorgebbaren Soll­ wert erreicht. Das Erreichen des Sollwerts wird im vor­ liegenden Beispiel festgestellt, indem der Spannungsab­ fall an einem Strommeßwiderstand R_S abgegriffen, einem Komparator K zugeführt und dort mit einer Referenzspan­ nung V_REF verglichen wird. Sobald der abgegriffene Span­ nungsabfall die Referenzspannung V_REF erreicht oder übersteigt, erzeugt der Komparator K an seinem Ausgang einen Impuls und liefert diesen an den Rücksetzeingang R einer bistabilen Kippstufe FF, deren Ausgangssignal Q daraufhin seinen logischen Zustand wechselt. Damit wech­ selt im vorliegenden Beispiel auch das UND-Glied G1 sei­ nen logischen Zustand und steuert den Umschalter S1 um, so daß die Phasenwicklung W kurzgeschlossen wird und freiläuft, wobei der in ihr fließende Strom abfällt.

Von einem vorzugsweise mit fester Frequenz oder alterna­ tiv mit variabler, z. B. steuerbarer Frequenz schwingen­ den Oszillator OSC trifft dann nach einer längstens eine Oszillator-Taktperiode T betragenden Sperrzeit ein Oszillator-Impuls am Setzeingang S der bistabilen Kipp­ stufe FF ein, die daraufhin wiederum ihren logischen Zu­ stand wechselt und damit - ceteris paribus - auch wieder das UND-Glied G1 und den Umschalter S1 umsteuert, so daß die Phasenwicklung W wieder mit Strom aus der Speise­ spannungsquelle V_S geladen wird usw. Die Zyklusdauer, d. h. die Summe aus Ladedauer und Sperrzeit, ist gleich der Oszillator-Taktperiode T und kann somit zusammen mit dieser z. B. konstant sein (Festfrequenz).

Die logischen Zustände der UND-Glieder G1, G2 hängen auch noch von Kommutationssignalen x, y ab, welche mit­ tels des Umschalterpaares S1, S2 die Stromflußrichtung in der Phasenwicklung W in Abhängigkeit von der Rotorstellung des Elektromotors festlegen, um das von mehreren Phasenwicklungen W des Stators erzeugte dreh­ momentbildende Magnetfeld mit dem Rotor umlaufen zu las­ sen. Bei einem Schrittmotor entspricht diese Kommuta­ tion, d. h. Umkehrung oder ggf. Ausschaltung von Strömen in Phasenwicklungen W, dem Begriff einer Drehfeldweiter­ schaltung.

Eine in Fig. 2 veranschaulichte Abwandlung der nach Fig. 1 bekannten Einrichtung besteht darin, daß man nicht den Takt eines Oszillators zu einer periodischen Aufladung der Phasenwicklung W verwendet, sondern die Freilauf­ dauer vorgibt, d. h. die Dauer, für die nach Erreichen des Stromsollwerts die Phasenwicklung W kurzgeschlossen bleibt und während der die Ladung der Phasenwicklung W gesperrt ist, m. a. W. die Sperrzeit.

Die Sperrzeit kann z. B. dadurch vorgegeben werden, daß der nach Erreichen des Stromsollwerts vom Komparator K ausgegebene Impuls eine monostabile Kippstufe MF an­ stößt, die daraufhin an ihrem Ausgang einen Sperrimpuls gegebener Dauer erzeugt und - zur Kurzschließung der Phasenwicklung W - an die UND-Glieder G1, G2 leitet. Da­ nach fällt die monostabile Kippstufe MF in ihren stabi­ len Zustand zurück und gestattet wieder die Aufladung der Phasenwicklung W mit Strom (in einer kommutations­ abhängigen Richtung). Die Dauer dieser Aufladung hängt von dem zu regelnden Betriebs- und Belastungszustand des Elektromotors ab. Eine Taktung etwa mit konstanter Sperrzeit führt deshalb bei wechselnden Betriebsbedin­ gungen zu einer entsprechend wechselnden Taktzyklus­ dauer.

Beiden bekannten Einrichtungen haftet nun der Nachteil an, daß während der jeweiligen Sperrzeit - d. h. während der Zeit bis zum Eintreffen eines nächsten Taktimpulses vom Oszillator OSC im Fall der Fig. 1 bzw. während der Zeit bis zum Zurückkippen der monostabilen Kippstufe MF im Fall der Fig. 2 - ein Übergang auf den ladenden Schaltzustand nicht möglich ist.

Im ungünstigsten Fall kann jedoch unmittelbar nach dem Erreichen eines ersten Stromsollwerts, d. h. nach einem Rücksetzimpuls des Komparators K, ein anderer Stromsoll­ wert erforderlich werden, weil z. B. im Fall eines Schrittmotors ein Schrittimpuls eingetroffen ist, der eine Drehfeldweiterschaltung, d. h. eine Kommutation, be­ fiehlt. Die mit dem Schrittimpuls erforderliche Strom­ änderung kann bisher aber erst nach Ablauf der Sperr­ zeit, z. B. mit Eintreffen eines nächsten Taktimpulses, ausgeführt werden. Die auftretende Verzögerung (Totzeit) beträgt in diesem Fall bis zu einer Taktperiode.

Der Großteil der zur Zeit am Markt befindlichen Schritt­ motorsteuerungsendstufen für Mehrphasen-Schrittmotoren arbeitet nach dem Prinzip einer mit konstanter Frequenz getakteten Stromquelle (Chopper). Die Taktfrequenz liegt dabei im allgemeinen über dem hörbaren Frequenzbereich (also über 18 kHz). Die Festfrequenz der Stromregelung und die Schrittfrequenz, d. h. die Frequenz der Drehfeld­ weiterschaltung, stehen in keiner festen Phasenbeziehung zueinander. Schrittfortschaltung und Stromtaktung mit Festfrequenz laufen somit asynchron. Dadurch kommt es zu den vorgenannten Nachteilen, die nun im Zusammenhang mit Fig. 3 weiter veranschaulicht werden.

Das Zeitdiagramm gemäß Fig. 3 zeigt als oberste Kurve eine Folge von Schrittimpulsen 1 zur Drehfeldweiter­ schaltung. Ganz unten ist eine Folge von Taktimpulsen 2a eines Oszillators OSC dargestellt, wobei die Taktimpul­ se 2a periodisch im zeitlichen Abstand T aufeinanderfol­ gen, aber - wie ersichtlich - ohne Synchronisation auf die Schrittimpulse 1.

Die Kurven 3a, 3b beschreiben den Verlauf getakteter Ströme in einer ersten Phasenwicklung W, die Kurven 4a, 4b den Verlauf getakteter Ströme in einer zweiten Pha­ senwicklung W, die gegenüber der ersten versetzt ange­ ordnet ist.

Kurz vor dem Auftreten des zweiten dargestellten Schrittimpulses 1 lag ein Taktimpuls 2a vor und führte zur Aufladung der beiden vorgenannten Phasenwicklungen W. Bei Eintreffen des besagten Schrittimpulses 1 ist dann aber mit den bekannten Einrichtungen nur eine um ein Intervall δt verzögerte Kommutation möglich, wie aus dem Verlauf der gestrichelten Kurven 3a, 4a gegenüber dem idealen, unverzögerten Verlauf der durchgezogenen Kurven 3b, 4b ersichtlich ist. Die Totzeit δt resultiert daraus, daß die getaktete Stromquelle bis zum Eintreffen des nächsten Taktimpulses 2a wartet, bevor sie die je­ weilige Phasenwicklung W wieder zu laden beginnt.

Dadurch kommt es zu einer Verringerung der nutzbaren Stromzeitfläche um den schraffiert dargestellten Betrag F. In der Folge treten Momentenschwankungen, rauher Lauf, Resonanzanregungen etc. auf.

Die Auswirkungen der Totzeit δt halten sich in Grenzen, wenn sie relativ klein ist gegenüber den Abständen zwi­ schen aufeinanderfolgenden Schrittimpulsen 1. Beträgt die Schrittimpulsrate beispielsweise 100 Hz und die Taktfrequenz 20 kHz, bedeutet dies einen geringen Jitter von maximal 0,5 Prozent. Bei mittleren und hohen Schrittimpulsraten kann der Jitter jedoch schnell große Werte annehmen: Für einen 200-schrittigen Motor mit ei­ ner Schrittimpulsrate von 10 kHz (3000 Upm) kann der Jitter bei einer Taktfrequenz von wiederum 20 kHz Werte bis zu 50% annehmen.

Die Totzeit δt, somit der Jitter und die dadurch hervor­ gerufenen Auswirkungen werden durch die erfindungsgemäs­ sen Verfahren und Einrichtungen, wie sie nachfolgend un­ ter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 erläutert werden, ausgeschaltet. Die Verfahren und Einrichtungen eignen sich für elektronisch kommutierte, getaktet gespeiste Elektromotoren beliebiger Bauart und Phasenzahl, betrie­ ben in unipolarer oder bipolarer Betriebsart.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Spei­ sung einer Elektromotor-Phasenwicklung W aus einer mit­ tels Oszillator OSC getakteten Stromquelle. Für Teile, die Entsprechungen in Fig. 1 besitzen, gelten die glei­ chen Bezugszeichen.

Der Oszillator OSC besitzt nunmehr einen Triggerein­ gang Z, über den durch einen Synchronisations-Impuls der Oszillator OSC auch während des laufenden Betriebs neu gestartet werden kann, das heißt, zur vorzugsweise so­ fortigen Ausgabe eines Oszillator-Taktimpulses 2b an die bistabile Kippstufe FF veranlaßt werden kann, auch wenn der vorhergehende Oszillator-Taktimpuls 2b um weniger als eine Periodendauer T zurückliegt.

Ferner enthält die Einrichtung eine Schaltungsanordnung C zur Erzeugung eines Synchronisations-Impulses in Ab­ hängigkeit vom Eintreffen eines Schrittimpulses 1. Trifft ein solcher Befehl zur Drehfeldfortschaltung/ Kommutation an der Schaltungsanordnung C ein, erzeugt sie sowohl die Kommutationssignale x, y für die UND- Glieder G1, G2 als auch einen Synchronisations- oder Trigger-Impuls, den sie an den Triggereingang Z des Oszillators OSC leitet, um diesen neu zu starten, das heißt, dessen nächsten Taktimpuls 2b auf den Kommuta­ tionszeitpunkt zu synchronisieren.

In Fig. 3, zweite Kurve ersieht man solche, auf Schritt­ impulse 1 synchronisierte Taktimpulse 2b des Oszilla­ tors OSC; es sind diejenigen Taktimpulse 2b, die zu ih­ rem jeweiligen Vorläufer einen geringeren Abstand als die Periodendauer T aufweisen.

Wie anhand der durchgezogen dargestellten Stromverläufe 3b, 4b zweier Phasenwicklungen W verdeutlicht ist, wer­ den Kommutationsbefehle (Schrittimpulse 1) infolge der unverzögerten Ausgabe neu synchronisierter Taktimpulse 2b der Stromregelung unverzögert befolgt, so daß auch die schraffiert eingezeichnete Stromzeitfläche genutzt wird und eine gleichmäßigere sowie ruhigere Drehmoment­ entwicklung erzielt wird.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Spei­ sung einer Elektromotor-Phasenwicklung W aus einer mit­ tels monostabiler Kippstufe MF getakteten Stromquelle. Für Teile, die Entsprechungen in Fig. 2 besitzen, gelten die gleichen Bezugszeichen.

Die monostabile Kippstufe besitzt nunmehr einen Rück­ setzeingang R, über den sie durch einen Synchronisa­ tions-Impuls forciert in ihren stabilen Zustand zurück­ gekippt werden kann, so daß vorzugsweise sofort die Phasenwicklung W wieder mit Strom geladen werden kann, auch wenn die normale Sperrzeit noch nicht abgelaufen ist.

Ferner enthält die Einrichtung nach Fig. 5 wiederum eine Schaltungsanordnung C zur Erzeugung eines Synchroni­ sations-Impulses in Abhängigkeit vom Eintreffen eines Schrittimpulses 1. Trifft ein solcher Befehl zur Dreh­ feldfortschaltung/Kommutation an der Schaltungsanordnung C ein, erzeugt sie sowohl die Kommutationssignale x, y für die UND-Glieder G1, G2 als auch einen Synchro­ nisations- oder Trigger-Impuls, den sie an den Rücksetz­ eingang R der monostabilen Kippstufe MF leitet, um diese zurückzusetzen, das heißt, den Beginn des nachfolgenden Lade-/Freilauf-Zyklus auf den Kommutationszeitpunkt zu synchronisieren.

Auch mit dieser Einrichtung werden Kommutationsbefehle (Schrittimpulse 1) infolge des unverzögerten Beginns einer neuen Ladung der Phasenwicklung W unverzögert befolgt, so daß wiederum eine maximale Stromzeitfläche genutzt und eine gleichmäßigere sowie ruhigere Drehmomententwicklung erzielt wird.

Fig. 6 zeigt ein Zeitdiagramm zur Gegenüberstellung der Rotorgeschwindigkeiten eines Schrittmotors bei einem Positioniervorgang mit herkömmlicher (Diagramm A) bzw. erfindungsgemäßer (Diagramm B) Stromregeleinrichtung.

Wie ersichtlich, verläuft die Rotorgeschwindigkeit eines erfindungsgemäß gespeisten Elektromotors (s. untere Kurve B) wesentlich gleichmäßiger und glatter als an einem herkömmlich gespeisten Elektromotor (s. obere Kurve A). Dementsprechend läuft ein solcherart gespeister Elektromotor runder und ruhiger.

Claims (10)

1. Verfahren zum Speisen eines elektronisch kommutierba­ ren Elektromotors, insbesondere Schrittmotors, wobei ein regelbarer Stromfluß aus einer getakteten Stromquelle (V_S, S1, S2) in Abhängigkeit von der Rotorstellung des Elektromotors in den Statorwicklungen (W) des Elektromo­ tors elektronisch kommutiert wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Takt (2b) der Stromquelle auf Zeitpunkte von Stromsollwert-Änderungen, insbesondere Kommutationszeitpunkte (1), synchronisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zu Zeitpunkten von Stromsollwert- Änderungen ein Steuerimpuls erzeugt wird, auf den der Takt (2b) der Stromquelle synchronisiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Taktperioden (T) oder Taktzyklen der Stromquelle zu Zeitpunkten von Stromsoll­ wert-Änderungen gestartet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stromquelle mit einer vorgebbaren Frequenz getaktet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stromquelle mit einer vorgebbaren Sperrzeit getaktet wird.

6. Einrichtung zur Speisung eines elektronisch kommu­ tierbaren Elektromotors, insbesondere Schrittmotors, mit einer getakteten Stromquelle (V_S, S1, S2) zur Speisung eines regelbaren Stromflusses in die Statorwicklungen (W) des Elektromotors und mit einer elektronischen Kommutiervorrichtung (G1, G2, S1, S2) zur Kommutation des Stromflusses in Abhängigkeit von der Rotorstellung des Elektromotors, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (C) zur Synchronisierung des Stromquellen-Takts (T) auf Zeitpunkte von Stromsollwert- Änderungen, insbesondere Kommutationszeitpunkte (1).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltungsanordnung (C) einge­ richtet ist, Taktperioden (T) oder -zyklen der Strom­ quelle zu Kommutationszeitpunkten zu starten.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (C) eingerichtet ist, zu Kommutationszeitpunkten einen Steuerimpuls zu erzeugen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stromquelle mittels eines Os­ zillators (OSC) getaktet ist, der durch den Steuerimpuls triggerbar (Z) ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stromquelle mittels einer mo­ nostabilen Kippstufe (MF) getaktet ist, die durch den Steuerimpuls rücksetzbar (R) ist.