DE4434577A1 - Sensor-Schrittmotor - Google Patents

Description

Bei einem Schrittmotor (Stepper) muß das mechanische System recht genau sein, damit die Schrittwinkelgenauigkeit gut ist, das heißt, insbesondere die Zähne der Statorbleche und die Zähne des Rotors müssen mechanisch genau sein. Um die Schrittwinkelgenauigkeit bzw. den Ausfall einzelner Schritte zu überprüfen und gegebenenfalls nachzuregeln, werden z. B. optische Sensorsysteme verwendet, die die Einhaltung des Schrittwinkels überprüfen. Diese Sensoren verursachen einen erheblichen Aufwand, da die Systeme mindestens die gleichen Genauigkeit aufweisen müssen, wie das mechanische System, um Abweichungen des Schrittwinkels zu erkennen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schritt­ motor mit einem Sensorsystem vorzuschlagen, welches unter Ausnutzung der ohnehin schon vorhandenen mechanischen Genauigkeit des Schrittmotors eine Überwachung der Schritt­ winkelgenauigkeit bzw. des Ausfalls einzelner Schritte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruches 1 genannten Merkmal gelöst.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daß nun im Motor selbst ein Sensorsystem in Form einer ringförmigen Wicklung vorgesehen ist. Dieses Wicklung kann an unter­ schiedlichen Stellen des Steppers, z. B. im Rotor oder Stator angeordnet sein. Vorzugsweise verläuft diese Wick­ lung orthogonal zu den Phasenwicklungen, da sich dadurch die beste Genauigkeit und der stärkste Signalpegel er­ gibt. Natürlich kann die Wicklung, falls notwendig, auch in einem gewissem Grad von der rechtwinkligen Anordnung gegenüber den Phasenwicklungen abweichen.

Erfindungsgemäß ist die Sensorwicklung in einem gewöhn­ lichen Stepper zusätzlich in den Rotor zwischen den beiden Stackhälften eingebaut. Die Wicklung ist fest mit der Innenseite des Stators verbunden und ragt in einen Spalt des Rotors, das heißt sie rotiert nicht mit.

Dabei gibt es einmal die Möglichkeit, diese Wicklung di­ rekt als Sensorwicklung zu benutzen. Ein Teil des Stator­ magnetfeldes durchdringt über den Luftspalt und durch den Rotor diese Sensorwicklung. Die einzelnen Schritte des Steppers induzieren in der Sensorwicklung eine Span­ nung, die ein Abbild der einzelnen Schritte des Steppers darstellt. Die in der Sensorwicklung induzierte Span­ nung kann im einfachsten Fall über einen einfachen Filter und einen nachgeschalteten Komparator ausgewertet werden. Auf diese Weise kann man z. B. nur Erkennen, daß der Stepper "außer Tritt gefallen" ist. Es wäre auch denkbar, den Ausfall eines einzelnen Schrittes zu erkennen, jedoch wird hier der Filteraufwand für das Sensorsignal aufwendiger.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Sensorwicklung ähnlich einem Resolver als Erregerwicklung zu nutzen, das heißt man koppelt über diese Wicklung eine Wechsel­ spannung (z. B. 10-15 Kiloherz) in den Rotor und über den Luftspalt in die Statorwicklungen ein. Dieses "höher­ frequente Signal" kann jetzt in den Statorwicklungen aus­ gewertet werden, um die Lage des Steppers zu erkennen. Diese Methode erfordert aber gegenüber der oben beschrie­ benen Methode einen relativ großen, elektronischen Auf­ wand, ähnlich einer Resolverauswerteschaltung.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die ringförmige Sensorwicklung nicht in den Rotor hineinragen zu lassen, sondern im Bereich des Stators anzuordnen. Hierbei kann die Sensorwicklung z. B. außen, in der Mitte oder nahe des Rotors im Stator angeordnet sein. Auch hier wird bei Schrittbetrieb eine Spannung in der Sensorwicklung indu­ ziert, jedoch ist die Signalhöhe geringer, als bei Anord­ nung der Wicklung im Rotorspalt, und das Signal insgesamt dadurch "verrauschter". Da der Signalverlauf derselbe ist, wie bei der Rotoranordnung, können die Signal auch in gleicher Weise ausgewertet werden.

Es ist also möglich, diese Sensorwicklung prinzipiell also innerhalb des Rotors oder des Stators anzuordnen, jedoch muß diese Wicklung rechtwinklig (zumindest in einem gewissen Grade) zu den Phasenwicklungen angeordnet sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zwei Ausführungsbeis­ piele darstelle Zeichnungen erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Sensorwicklung, angeordnet im Rotor des Steppers,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Sensorwicklung, angeordnet im Stator des Steppers,

Fig. 3 Darstellung des Sensorsignals bei kleiner Last des Motors,

Fig. 4 Darstellung des Sensorsignals bei großer Last des Motors,

Fig. 5 Darstellung des Sensorsignals bei zu großer Last des Motors,

Fig. 6 Darstellung des Sensorsignals bei Betriebsgrenz­ frequenz des Motors.

Fig. 7 Meßdiagramm des Motors bei Betriebsgrenzfrequenz.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Anordnung der Sensorwicklung innerhalb des Schrittmotors. Man erkennt den Stator 2, in welchem sich die Achse 3 mit Rotor 1 dreht. Weiterhin erkennt man die Statorwicklungen 4. In einer ersten Ausfüh­ rungsform befindet sich nun die Sensorwicklung 5 innerhalb der beiden Hälften des Rotors 1, ragt also in den Spalt des Rotors hinein. Der Sensor 5 ist aber am Stator 2 befestigt, dreht sich also nicht mit. Gemäß Fig. 2 ist die Sensorwick­ lung 5 nur im Bereich des Stators 2 angeordnet, in diesem Beispiel am äußeren Umfange des Stators 2. Es ist natürlich jede beliebige Position der Sensorwicklung, insbesondere auch am Innenumfang des Stators 2, denkbar.

Wichtig bei beiden Ausführungsformen ist, daß die Sensor­ wicklung 5 etwa rechtwinklig zu den Phasenwicklungen des Motors angeordnet ist und gut vom Magnetfeld durchdrungen wird.

Die Fig. 3 bis 7 zeigen verschiedene Meßdiagramme des Motors unter verschiedenen Belastungen und unterschied­ lichen Betriebsfrequenzen. Dabei erkennt man im unteren Teil der Diagramme die Erregerspannung 7, das heißt die am Schrittmotortestgerät angelegte Schrittfolge-Frequenz. Im oberen Bereich der Diagramme erkennt man die Sensoraus­ gangsspannung 8.

Fig. 3 zeigt den Betrieb des Steppers bei kleiner Last und kleiner Schrittfrequenz, etwa 100 Hertz. Dabei er­ kennt man, daß das Sensorsignal 8 dem Erregersignal 7 folgt, das heißt der Motor ist in Tritt. Wird die Last vergrößert, wie in Fig. 4 zu erkennen ist, kann man dem Sensorsignal 8 entnehmen, daß der Motor nach wie vor in Tritt ist.

Wird die Last noch mehr vergrößert, wie im Diagramm nach Fig. 5 dargestellt ist, so ist es dem Motor nicht mehr möglich, der angelegten Erregerfrequenz 7 zu folgen und der Motor gerät außer Tritt. Dies erkennt man nun deutlich am Verlauf des Sensorsignales 8, welches keine regelmäßige Ausgangsspannung mehr liefert. Dieses unregelmäßige Sensor­ signal ist mit geringem Aufwand relativ leicht auszuwerten, so daß entsprechende Maßnahmen gegen das "außer Tritt sein" des Motor ergriffen werden können.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Meßdiagramme, welche das Verhalten des Motors bei Betriebsgrenzfrequenz zeigen. Die Betriebs­ grenzfrequenz ist diejenige Schrittfrequenz, die dem Motor noch maximal zugemutet werden kann, ohne daß dieser außer Tritt gerät. Im Beispiel nach Fig. 6 ist die Betriebsgrenz­ frequenz bei ca. 500 Hertz erreicht. Im unteren Teil des Diagrammes erkennt man wieder die Erregerfrequenz 7. Be­ trachtet man nun das Sensorausgangssignal 8, so wird deutlich, daß der Motor bei dieser Frequenz außer Tritt gerät. Bei geringer Belastung, wie bei der Messung nach Fig. 7, verarbeitet der Motor wesentlich höhere Schrittfrequenzen, so daß er, nach Fig. 7, erst bei ca. 5 Kilohertz außer Tritt gerät, wie das Sensorsignal 8 von Fig. 7 zeigt.

Durch die erfindungsgemäße Sensorwicklung ist es mit ein­ fachen Mitteln möglich, das einwandfreie Arbeiten eines Steppers zu überprüfen.

Bezugszeichenliste

1 Rotor
2 Stator
3 Achse
4 Statorwicklung
5 Sensorwicklung
6 Magnet
7 Erregerspannung
8 Sensorsignal

Claims (5)

1. Schrittmotor mit einem Rotor (1) und einem Stator (2) mit Statorwicklungen (4), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schrittmotor eine Sensorwick­ lung (5) aufweist, die fest mit dem Stator (2) verbunden ist.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensorwicklung (5) etwa ringförmig ausgebildet ist.

3. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sensor­ wicklung (5) etwa orthogonal zu den Statorwicklungen (4) angeordnet ist.

4. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sen­ sorwicklung (5) innerhalb des Rotors (1) angeordnet ist.

5. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sen­ sorwicklung (5) innerhalb des Stators (2) angeordnet ist.