DE4002158A1 - Verfahren und einrichtung zum speisen eines elektronisch kommutierbaren elektromotors aus einer getakteten stromquelle - Google Patents
Verfahren und einrichtung zum speisen eines elektronisch kommutierbaren elektromotors aus einer getakteten stromquelleInfo
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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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
VS oder in der entgegengesetzten Stromflußrichtung an
die Speisespannung VS oder schließen die Phasenwicklung
W kurz, so daß diese freilaufen kann.
Liegt die Phasenwicklung W an der Speisespannung VS,
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 RS abgegriffen, einem
Komparator K zugeführt und dort mit einer Referenzspan
nung VREF verglichen wird. Sobald der abgegriffene Span
nungsabfall die Referenzspannung VREF 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 VS 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
(VS, 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 (VS, 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904002158 DE4002158C2 (de) | 1990-01-25 | 1990-01-25 | Schaltvorrichtung zum Schalten einer Stromerregung der Statorwicklungen eines elektronisch kommutierbaren Elektromotors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904002158 DE4002158C2 (de) | 1990-01-25 | 1990-01-25 | Schaltvorrichtung zum Schalten einer Stromerregung der Statorwicklungen eines elektronisch kommutierbaren Elektromotors |
Publications (2)
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DE4002158A1 true DE4002158A1 (de) | 1991-08-08 |
DE4002158C2 DE4002158C2 (de) | 1993-10-07 |
Family
ID=6398766
Family Applications (1)
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DE19904002158 Expired - Fee Related DE4002158C2 (de) | 1990-01-25 | 1990-01-25 | Schaltvorrichtung zum Schalten einer Stromerregung der Statorwicklungen eines elektronisch kommutierbaren Elektromotors |
Country Status (1)
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DE (1) | DE4002158C2 (de) |
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EP0896422A1 (de) * | 1997-08-08 | 1999-02-10 | STMicroelectronics S.r.l. | Stromsteuerung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit unabhängigen Wicklungen |
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1990
- 1990-01-25 DE DE19904002158 patent/DE4002158C2/de not_active Expired - Fee Related
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EP0896422A1 (de) * | 1997-08-08 | 1999-02-10 | STMicroelectronics S.r.l. | Stromsteuerung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit unabhängigen Wicklungen |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4002158C2 (de) | 1993-10-07 |
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