NL8600150A - Inrichting voor het besturen van de stroomsterkte door een impedantie. - Google Patents

Description

► . s* VO 8029

Inrichting voor het besturen van de stroomsterkte door een impedantie.

A. Achtergrond van de uitvinding 1. GeM_ed_van_d_e ui_tvindic^g_

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het besturen van een stroomsterkte door een in hoofdzaak reactleve belastingsimpedantie die op een stroom- of spanningsbron is aangesloten via eenstroommeetorgaan en een schakelorgaan, welk 5 schakelorgaan wordt bestuurd door de uitgang van een comparator waarvan een eerste ingang is verbonden met het stroommeetorgaan en een tweede ingang met een referentiesignaalbron, waarbij het schakelorgaan op een door de comparator afgegeven signaal de verbinding van de belastingsimpedantie met de eerste stroom- of 10 spanningsbron maakt of verbreekt.

2. Stand van £e_t£clmiek

Een dergelijke inrichting is b.v. bekend uit de Franse octrooiaanvrage 2539259, welke inrichting wordt gebruikt voor het besturen van de stroomsterkte door spoelen van een stappenmotor.

15 Elk der spoelen is In serie geschakeld met een als schakelorgaan • ·* π r

- 1 J -J

ί- % - 2 - functionerende transistor en een serieweerstand. Deze seriescha-keling is aangesloten op een spanningsbron. Parallel aan de spoel is een diode geschakeld. De stroomsterkte in de spoel wordt bestuurd met behulp van een comparator, waarvan één ingang is 5 verbonden met een referentiespanningsbron en de tweede ingang met het punt tussen de genoemde serieweerstand en de spoel, waar een spanning staat die overeenkomt met de spoelstroom. In de comparator wordt aldus de gemeten, met de spoelstroom overeenkomende spanning vergeleken met de referentiespanning. Indien de gemeten 10 spanning lager is dan de referentiespanning, wordt de transistor geleidend gestuurd. Indien de gemeten spanning hoger is, wordt de transistor dicht gestuurd. De (afnemende) spoelstroom loopt via een antiparallel geschakelde diode. De spanning over de serieweerstand neemt geleidelijk af ten gevolge van het over deze 15 weerstand ontladen van een tussen de uitgang van de comparator en de weerstand geschakelde condensator. Zodra deze condensator zich zover heeft ontladen dat de spanning over de serieweerstand lager is dan de genoemde referentiespanning, wordt de transistor vanuit de comparator weer open gestuurd. Het aansturen van de transistor 20 vindt overigens plaats via een poortschakeling met twee ingangen, waarvan de ene ingang wordt bestuurd door de uitgang van de comparator en de andere ingang door een besturingsorgaan dat de tijd en volgorde van bekrachtiging van de verschillende motorspoelen regelt. De uitgang van de poort bestuurt direct de transistor.

25 Een bezwaar van de bekende inrichting is dat deze niet ge schikt is voor toepassingen waarbij de referentiespanning frequent gewijzigd wordt, zoals dat het geval is bij stappenmotoren voor hoge snelheid en "micro-stepping". Hierbij moeten wijzigingen in de referentiespanning zowel snel als nauwkeurig worden 30 gevolgd door overeenkomstige spoelstroomwijzigingen. Het name voorziet de bekende inrichting niet in de voor "micro-stepping" vereiste mogelijkheid dat de spoelstroom zeer snel moet kunnen dalen of zelfs van richting veranderen.

,*% A Pi Jf Γ» .7% • ,", · i ; ; ; f --V .p* -*/ Ó “"Jf -Jf r V> - 3 - Β. Samenvatting van de uitvinding

De inrichting volgens de onderhavige uitvinding voorziet in het ondervangen van genoemd bezwaar door het regelen van de spoelstroom door middel van frequente omschakeling van polariteit 5 van de aangelegde spanning, waarbij bij voorkeur ongewenste os cillaties van de regeling worden voorkomen door gepulseerde werking van de comparator.

De uitvinding voorziet aldus in een inrichting van de in de onder A.l genoemde soort, met het kenmerk dat de belastingsimpe-10 dantie (B) voorts via het stroommeetorgaan (M) en het schakelor gaan (S) is aangesloten op een tweede stroom- of spanningsbron (U2) met een ten opzichte van de eerste stroom:- of spanningsbron (ϋχ) omgekeerde polariteit, waarbij de belastingsimpedantie (B) onder besturing van de comparator (C) door het schakelorgaan (S) 15 afwisselend met de eerste of de tweede stroom- of spanningsbron wordt verbonden. Bijvoorbeeld wordt in een dergelijke inrichting, waarbij de comparator het schakelorgaan de belastingsimpedantie met de stroom- of spanningsbron doet verbinden indien het van het stroommeetorgaan afkomstige signaal kleiner is dan het referen-20 tiesignaal en waarbij de comparator het schakelorgaan de belas- tingsimpedantie van de stroom- of spanningsbron doet scheiden indien het eerstgenoemde signaal groter is dan het referentiesig-naal, de tweede stroom^ of spanningsbron door het schakelorgaan met de belastingsimpedantie verbonden indien het van het meetor-25 gaan afkomstige signaal groter is dan het referentiesignaal en daarvan gescheiden indien het eerstgenoemde signaal kleiner is dan het referentiesignaal. Met deze maatregel wordt bereikt dat veranderingen in de gewenste stroomsterkte, te besturen door wijziging van het referentiesignaal, snel en accuraat gevolgd 30 kunnen worden, doordat namelijk het dalen van de spoelstroom, nadat de spoelstroom de gewenste waarden had overschreden, aanmerkelijk wordt bespoedigd door het aanleggen van een geïnverteerde spannings- c.q. stroombron. Hierdoor wordt de spoel -·*%*- ** Λ * - - -5/ ' · - * 9- - 4 - als het ware "leeggezogen". Dit is met name van belang als de gewenste stroomwaarde in korte tijd aanmerkelijk daalt of zelfs een tegengesteld teken krijgt. De inrichting volgens de uitvinding voorziet er eveneens in dat de gewenste stroom, behalve van 5 grootte, ook van teken kan wisselen.

Om te voorkomen dat de regeling ongewenst snel gaat schakelen in een door het regelcircuit bepaalde schakelfrequentie, is de inrichting volgens de uitvinding bij voorkeur voorzien van een impulsgever en kan de comparator zijn besturingssignaal slechts 10 wijzigen tijdens en/of korte tijd na het ontvangen van een bestu-ringsimpuls van de impulsgever. Als voorkeursuitvoering van de uitvinding bestaat het omschakelorgaan uit een paar gekoppelde transistoren, bij voorbeeld MOSFETs, waarvan de bases via een logische schakeling worden aangestuurd, zodanig dat, afhankelijk 15 van het uitgangssignaal van de comparator of de ene of de andere transistor wordt open gestuurd, met inachtneming van een bepaalde vertraging. Verder is het stroommeetorgaan bij voorkeur een se-rieweerstand, de impulsgever een oscillator en de belastingsimpe-dantie een spoel van een voor "micro-stepping" geschikte stappen-20 motor.

C. Korte figuurbeschrijving

Fig. 1 geeft het basisschema van de inrichting volgens de uitvinding weer;

Fig. 2 een daarbij behorend diagram; 25 Fig. 3 toont een uitvoeringsvorm van de uitvinding;

Fig. 4A t/m 4C tonen het principe van "micro-stepping";

Fig. 5 toont een compleet uitvoeringsvoorbeeld van een besturingsinrichting voor een stappenmotor met "micro-stepping”-faciliteit, die een tweetal 30 inrichtingen volgens het in figuur 3 getoonde uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding bevat.

' i J J - U

* -* - 5 - D. Figuurbeschrijving en uitvoeringsvoorbeelden

In figuur 1 is een belastingimpedantie B via een schakelorgaan S hetzij aangesloten op een spanningsbron Uj, hetzij op een spanningsbron U2j welke spanningsbronnen een omgekeerde polariteit 5 ten opzichte van elkaar hebben, maar overigens gelijke klemspanning kunnen hebben. In serie met de belastingsimpedantie B is een stroommeetorgaan M in het circuit opgenomen. £en met de door de belastingsimpedantie B en het meetorgaan M lopende stroom i overeenkomend meetsignaal m wordt aangelegd aan een ingang van een 10 comparator C, aan een andere ingang waarvan een referentiesignaal r wordt aangelegd. De uitgang van de comparator C bestuurt het schakelorgaan S zodanig dat indien het meetsignaal m kleiner is dan het referentiesignaal r, de belastingsimpedantie B met spanningsbron Dj wordt verbonden (stand 1 van het schakelorgaan S) en 15 indien het meetsignaal m groter is dan het referentiesignaal r, met spanningsbron U2 (stand 2 van het schakelorgaan S). Doordat de belastingsimpedantie B, nadat het meetsignaal m de waarde van het referentiesignaal r overschrijdt, met een tegengesteld gepolariseerde spanningsbron (U2) wordt verbonden (stand 2 van het 20 schakelorgaan S), daalt daardoor de stroomsterkte i zeer snel (en daarbij het meetsignaal m). Indien hierna het meetsignaal m het referentiesignaal r weer onderschrijdt, wordt de belastingsimpedantie B weer op de eerste spanningsbron Uj aangesloten, waardoor de stroom i weer aanstijgt.

25 Om ongewenst snel schakelen van het besturingscircuit te voorkomen is de comparator C verbonden met een impulsgever I. De impulsgever I zendt besturingspulsen p uit naar de comparator C.

De comparator C kan alleen wijziging in zijn uitgangssignaal b aanbrengen (1 naar 0 of 0 naar 1) gedurende het ontvangen van een 30 dergelijke puls p. Indien op dat moment m < r, dan wordt (of blijft) het schakelorgaan S in zijn stand 1 geschakeld; is op dat moment m > r, dan wordt (of blijft) het schakelorgaan S in zijn stand 2 geschakeld.

Figuur 2 toont het verloop van het meetsignaal m (en dus van - 6 - de stroom i) in de tijd bij een toenemende waarde van het refe-rentiesignaal r. Ook is weergegeven het verloop van het verschil tussen referentie- en meetsignaal (r-m). Verder is aangegeven het aan de comparator C toegevoerde periodieke pulssignaal p en de 5 resulterende uitgangstoestand van de comparator C, zijnde het besturingssignaal b voor het schakelorgaan S, alsmede de daaruit voortvloeiende achtereenvolgende standen 1 resp. 2 van schakelorgaan S.

Uitgaande van de toestand dat m = 0 en r = rl krijgt compara-10 tor C een 1 als uitgangssignaal, waardoor het schakelorgaan S

stand 1 inneemt en aldus aansluit op de impedantie B. Hierdoor gaat door impedantie B een stroom i lopen, waardoor m > 0 wordt. Bij het achtereenvolgens ontvangen van de pulsen p wijzigt de comparator C deze toestand niet zolang als m < r (r-m > 0). Bij 15 het ontvangen van de eerste puls p nadat m > r is geworden (r-m < 0) doet de comparator C een 0 aan zijn uitgang verschijnen en dit besturingssignaal b 0 doet het schakelorgaan S omschakelen naar zijn stand 2, waarmee de belastingsimpedantie B met de ten opzichte van Uj^ omgekeerd gepolariseerde spanningsbron U2 20 wordt verbonden. Hierdoor daalt de stroom i en het meetsignaal m in korte tijd. Met de eerste puls p na het door m onderschrijden van r wijzigt comparator C het besturingssignaal weer in een 1, waardoor het schakelorgaan S weer zijn stand 1 inneemt. In figuur 2 is te zien dat als het referentiesignaal r stijgt, de gemiddel-25 de tijd dat het schakelorgaan S in zijn stand 1 staat groter is dan de tijd dat deze in stand 2 staat. Het zal begrijpelijk zijn dat indien r daalt, het schakelorgaan S gemiddeld de langste tijd in stand 2 zal staan.

Op de bovenbeschreven wijze wordt door de schakeling van fi-30 guur 1 een stroom i door de belastingsimpedantie B verkregen die snel en nauwkeurig elke variatie in het referentiesignaal r kan volgen, ongeacht of dit signaal r stijgend of dalend, positief of negatief is. Uiteraard hangen volgsnelheid en nauwkeurigheid af as o o 13 o * > - 7 - van de verschillende parameters, zoals de reactantie van de belas tings impedantie B, de waarde van resp. ü2 en de pulsfre-quentie van de impulsgever I, alsmede van de werkingssnelheid en -nauwkeurigheid van de verschillende organen, i.c. de comparator 5 C en het schakelorgaan S. Opgemerkt wordt nog dat waar in figuur 2 het stijgen en dalen van m resp. (r-m) is voorgesteld als lineair, dit uiteraard in werkelijkheid logarithmisch is.

In figuur 3 is de belastingsimpedantie B een spoel L, b.v. van een stappenmotor, het stroommeetorgaan een weerstand R, het scha-10 kelorgaan een samenstel van twee veld-effecttransistoren T^ en T2 en de impulsgever een oscillator 0. De transistoren T^ en T2 worden door de uitgang van een comparator C gestuurd via een transistorbesturing TB. De transistoren T·^ en T2 zijn elk op een spanningsbron TJ-^ resp. ü2 aangesloten, die ten opzichte van el-15 kaar verschillend gepolariseerd zijn en verder gelijke klemspan-ning hebben. De klemspanning van Uj en U2 is overigens betrekkelijk hoog om een snelle stijging resp. daling van de spoelstroom i rond de gewenste momentele waarde te verkrijgen, waardoor ook snelle fluctuaties in de gewenste waarde accuraat gevolgd kunnen 20 worden. De werking komt volledig overeen met die zoals beschreven in samenhang met de figuren 1 en 2. Het meetsignaal, overeenstemmend met de stroomsterkte i, is in dit geval de meetspanning Um over weerstand R. De comparator C brengt alleen wijziging in zijn uitgangssignaal aan indien het van de oscillator ontvangen 25 signaal een positieve momentele waarde heeft en bovendien de waarde (Ur-Um) inmiddels van teken is veranderd.

De comparatoruitgang is verbonden met de transistorbesturing TB, die het binaire signaal omzet in een stuurstroom naar de ene of de andere transistor Tj_ resp. T2· Bovendien is de transistor-30 besturing TB voorzien van een kleine vertraging, die voorkomt dat de ene transistor reeds opent voordat de andere geheel gesloten is.

'-·.·* -r ! ' ' - 8 -

Figuur 4a toont schematisch een stappenmotor, bevattende een rotor Rt en een viertal spoelen Lj t/m L^, die paarsgewijs in serie zijn geschakeld. De rotor Rt is permanent gemagnetiseerd. Indien alleen door Lj-L2 stroom vloeit, zal de rotor Rt in de 5 richting van het door Lj en L2 opgewekte magneetveld (in de figuur horizontaal) gaan staan; evenzo indien alleen door Lj-L^ stroom vloeit in de richting van het veld van L3 en 1^ (verticaal). Indien echter zowel door Lj-L2 als door L^-L^ stroom vloeit, zal rotor Rt een stand innemen die afhangt van de ver-10 houding en richting van de resp. stroomsterkten ij en i2· Aldus kan door wijziging van deze verhouding en/of richting de stand van de rotor Rt worden gewijzigd.

Bij voorkeur hebben de stromen ij en i2 de waarde I cos oc resp. I sin a, waarin a de gewenste rotorhoek is ten opzichte van 15 de spoelas Lj-L2 en I de waarde van de stroom ij resp. i2 bij a = 0° resp. α a 90°. Aangezien de resultante van ij en i2, ir * /(ij2 + i22), waarbij ij * I cos a en i2 * I sin a, is ir I /(cos2a + sin2a) I; ir is dus voor alle waarden van α constant en daarmee eveneens 20 het aandrijfkoppel van de rotor Rt. De figuren 4b en 4c geven de gewenste stroomsterkte ij resp. i2 als functie van hoek α (getekend voor a = 0...90°).

Figuur 5 geeft ten slotte een uitgebreid schema van een bestu-ringsinrichting voor een stappenmotor met "micro-stepping"-moge-25 lijkheid, voorzien van een tweetal stroombesturingsinrichtingen volgens het hiervoor beschreven in fig. 3 getoonde uitvoerings-voorbeeld van de uitvinding.

Vanuit een motorbesturingsorgaan MB, waarin het gewenste aantal volledige omwentelingen en de gewenste eindstand van de rotor 30 Rt wordt ingegeven, wordt een signaal gegeven aan een tweetal ROMs, ROMj en R0M2, die elk bij het doorlopen van een ingangssignaal een digitaal uitgangssignaal afgeven overeenkomend met de cosinus resp. de sinus van het ingangssignaal. Per gewenste om- .**· "Λ » *“ï /Λ i Oü * > -=¾ - 9 - wenteling worden de ROMs een aantal keren doorlopen, afhankelijk van het aantal poolparen van de desbetreffende stappenmotor en het type stappenmotor (i.c. met permanente magneten, met variabele reluctantie of hybridische). De uiteindelijke stand van de 5 rotor Rt wordt bepaald resp. door de door de ROMs als laatste stand aangegeven waarden. De door de respectievelijke ROMs afgegeven digitale signalen worden door respectievelijk digitaal-ana-loog-omzetters DAj_ en DA2 omgezet in aan een ingang van comparators resp. C2 aangelegde referentiespanningen. Opgemerkt wordt 10 dat een motorbesturingsinrichting als hierboven beschreven, op zich reeds bekend is uit de Japanse octrooipublicaties 59-204497, 59-204498 en 59-204499. De stromen i^ en i2 door de spoelparen Lj-L2 resp. Lg-L^ worden op de hiervoor beschreven wijze bestuurd met behulp van de resp. met de spanningsbronnen üj en U2 verbon-15 den transistoren Tj en T2 resp. T3 en T^, welke door de resp. comparators Cj en C2 via de transistorbesturingen TB^ en TB2 worden bestuurd, waarbij het wijzigen van de uitgangssignalen van de resp. comparators Cj en C2 wordt beheerst door een gemeenschappelijke oscillator 0. De resp. meetspanningen voor en C2 20 worden afgenomen van de meetweerstanden R^ en R2·

Elke door het motorbesturingsorgaan MB gewenste stand van de rotor Rt wordt door de ROMs en DA-omzetters omgezet in een overeenkomstige cosinus- resp. sinuswaarde, welke als referentiespan-ning van de ingangen van de desbetreffende comparators en C2 25 wordt aangelegd. Onder beheersing van de oscillator 0 besturen de comparators Cj en C2 via TBj resp. TB2 de transistoren ^ en T2 resp. T3 en T^ zodanig dat de spoelen I^-I^ resP* met die spanningsbron resp. U2 wordt verbonden die de stroomwaarde ij resp. i2 snel wijzigt in de gewenste zin. Terugkoppeling vindt 30 plaats door de spanning over de meetweerstanden Rj resp. R2 aan te leggen aan de tweede ingang van comparator Cj resp. C2» > > * -

Claims (8)

1. Inrichting voor het besturen van een stroomsterkte door een in hoofdzaak reactieve belastingsimpedantie, die op een stroom-' of spanningsbron is aangesloten via een stroommeetorgaan en een 5 schakelorgaan, welk' schakelorgaan wordt bestuurd door de uitgang van een comparator, waarvan een eerste ingang is verbonden met het stroommeetorgaan en een tweede ingang met een referentiesig-naalbron, waarbij het schakelorgaan op een door de comparator afgegeven signaal de verbinding van de belastingsimpedantie met 10 de eerste stroom- of spanningsbron maakt of verbreekt, met het kenmerk dat de belastingsimpedantie (B) voorts via het stroommeetorgaan (M) en het schakelorgaan (S) is aangesloten op een tweede stroom- of spanningsbron (U2) met een ten opzichte van de eerste stroom- of spanningsbron (U^) omgekeerde polariteit, waar-15 bij de belastingsimpedantie (B) onder besturing van de comparator (C) door het schakelorgaan (S) afwisselend met de eerste of de tweede stroomr of spanningsbron wordt verbonden.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij de comparator het schakelorgaan de belastingsimpedantie met de stroom- of span- 20 ningsbron doet verbinden indien het van het stroommeetorgaan afkomstige signaal kleiner is dan het referentiesignaal en waarbij de comparator het schakelorgaan de belastingsimpedanie van de stroomr of spanningsbron doet scheiden indien het eerstgenoemde signaal groter is dan het referentiesignaal, met het kenmerk dat 25 de tweede stroomr of spanningsbron (U2) door het schakelorgaan (S) met de belastingsimpedantie (B) wordt verbonden indien het van het meetorgaan (M) afkomstige signaal (m) groter is dan het referentiesignaal (r) en daarvan wordt gescheiden indien het eerstgenoemde signaal kleiner is dan het referentiesignaal.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2> met het kenmerk dat de comparator (C) wordt bestuurd door een impulsgever (I), waarbij de- comparator zijn besturingssignaal (b) aan het schakelorgaan (S) slechts kan wijzigen gedurende en/of korte tijd na de ont- «k "v ’ ~ ^ ' · * * i - 12 - ) ** · v van een door de impulsgever afgegeven besturingsimpuls (p).

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de impulsgever (I) een oscillator (0) is.

5. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat het 5 omschakelorgaan bestaat uit een paar collector- resp. dralngekop-pelde of emitter- resp. sourcegekoppelde transistoren resp. FETs (Tp T2)» waarvan de respectievelijke bases resp. gates worden aangestuurd vanuit de comparator (C), en dat het stroommeetorgaan een serieweerstand (R) is.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk dat de respec tievelijke bases of gates van de genoemde transistoren (Tj, T2) vanuit de comparator (C) worden aangestuurd via een logische schakeling (TB) die erin voorziet, afhankelijk van het uitgangssignaal van de comparator, hetzij de ene transistor (Tj) open te 15 ' sturen, hetzij de andere (T2) en die voorts voorziet in een ver-tragingsschakeling waardoor de ene transistor pas open wordt gestuurd korte tijd nadat de andere dicht is gestuurd.

7. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de belastingsimpedantie een spoel (L) van een stappenmotor is.

8. Besturingsinrichting voor een stappenmotor, voorzien van een inrichting volgens één der voorgaande conclusies. 0 »>, ··. < - j i v j O Xi