DE20305771U1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben von Schrittmotoren - Google Patents

Description

Schaltungsanordnung zum Betreiben von Schrittmotoren

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Schrittmotoren oder anderen geeignet dimensionierten Synchronmotoren und insbesondere eine gechopperte 2-Phasen-Schrittmotortreiberschaltung für Mikroschrittbetrieb für bipolare 2-Phasen-Schrittmotoren.

Schrittmotoren lassen sich bekanntlich präzise gesteuert bewegen und gesteuert positionieren. Die Drehstellung eines magnetischen Rotors folgt dabei einem magnetisehen Feld, das durch phasenverschobene Bestromung einer Mehrzahl von Spulen erzeugt wird, die um den Rotor angeordnet sind.

Zur Erzeugung der Spulenströme sind verschiedene integrierte Treiberschaltungen bekannt. Solche Treiber-ICs arbeiten im allgemeinen mit einer gechopperten VoIlbrücken-Endstufe für jeweils eine der zwei Spulen eines 2-Phasen-Schrittmotors.

Die Endstufe kann dabei die Spulen im wesentlichen in drei verschiedenen Phasen ansteuern:

a.) In der On-Phase treibt die Endstufe den Strom in jeweils beiden Richtungen durch die Spule, so dass der Spulenstrom relativ schnell und kontinuierlich ansteigt.

b.) In der sogenannten Slow-Decay-Phase werden die Spulen kurzgeschlossen. Aufgrund des Innenwiderstandes der Spulen und der Schalter in der Vollbrücke sinkt dabei der Spulenstrom nur relativ langsam ab.

c.) In der Fast-Decay-Phase wird der Spulenstrom in die Stromversorgung zurückgespeist. Dies hat zur Folge, dass der Spulenstrom wesentlich schneller abfallt als während der Slow-Decay-Phase. Im Prinzip entspricht diese Phase einer On-Phase mit einem Spulenstrom entgegengesetzter Polarität.

Weiterhin ist es auch bekannt, die unter b.) und c.) genannten Phasen zu mischen, wobei eine solche Mischung als Mixed-Decay-Phase bezeichnet wird.

Grundsätzlich kann ein Schrittmotor ausschließlich mit einer Kombination der On-Phase und der Slow-Decay-Phase betrieben werden. Wenn jedoch auch eine Mixed-

Decay-Phase verwendet wird, kann ein wesentlich resonanzärmerer Motorlauf erzielt werden. Wenn allerdings in dieser Mixed-Decay-Phase der Anteil der Fast-Decay-Phase zu groß wird, hat dies wiederum nachteilige Folgen im Hinblick auf die Geräuschentwicklung und die Verlustleistung des Motors. Es wird versucht, diese Probleme mit im wesentlichen zwei Alternativen zu vermeiden:

a.) Zum einen kann mit einer externen Steuerung der Anteil der Fast-Decay-Phase begrenzt bzw. angepasst werden, wenn der Treiberschaltung entsprechende Zusatzinformationen zugeführt werden. Dies ist jedoch nachteilig, da diese Informationen kontinuierlich von der Ansteuerelektronik zur Verfügung gestellt werden müssten.

b.) Zum anderen könnte der Spulenstrom innerhalb der Treiberschaltung in jeder der drei Phasen gemessen werden. Während der Fast-Decay-Phase ist dies jedoch mit einer herkömmlichen Anordnung der Endstufe nicht möglich, da diese den Strom nur im Fußpunkt jeder Vollbrücke mißt und an dem betreffenden Messwiderstand in der Fast-Decay-Phase aufgrund der Zurückspeisung des Stroms in die Stromversorgung eine negative Spannung abfallt. Eine negative Spannung ist jedoch in einer integrierten Schaltung nur mit einem größeren Zusatzaufwand oder mit einer externen Beschaltung meßbar.

Darüberhinaus zirkuliert der Spulenstrom in der Slow-Decay-Phase nicht durch den Messwiderstand, und auch in der On-Phase ist eine Messung des Spulenstroms nur für positive Ströme ohne weiteres möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der ein Schrittmotor (oder ein anderer geeignet dimensionierter Synchronmotor) mit relativ geringem Schaltungsaufwand auch während einer Mixed-Decay-Phase in obigem Sinne optimiert, d. h. insbesondere geräusch- und resonanzarm und mit geringer Verlustleistung betrieben werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von Schrittmotoren oder anderen geeignet dimensionierten Synchronmotoren, mit der mindestens eine Spule des Motors in den drei Phasen "On", "Slow-Decay" und "Fast-Decay" betreibbar ist, mit einer Anordnung von logischen Schaltelementen zur Ansteuerung der Spule in einer Betriebsart "Mixed-Decay", bei der innerhalb eines ersten Zeitintervalls eine Fast-Decay-Phase zwischen dem Ende

einer On-Phase und dem Ende dieses Zeitintervalls aktivierbar ist und bei der in einem zweiten Zeitintervall eine Slow-Decay-Phase aktivierbar ist.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die zeitliche Dauer der 5 On-Phase (die erforderlich ist, um einen Spulen-Sollstrom zu erreichen) automatisch (und in umgekehrt proportionaler Weise) in die Dauer der Fast-Decay-Phase eingeht, da diese am Ende des ersten Zeitintervalls endet, wodurch die gewünschte adaptive Anpassung der Fast-Decay-Phase erreicht wird.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Fig. 2 ein Teil der Schaltungsanordnung aus Figur 1 in vergrößerter Darstellung;

und
Fig. 3 verschiedene, mit der Schaltungsanordnung erzeugte Stromverläufe durch eine Spule eines Schrittmotors.

Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung kann ein Teil einer integrierten Schrittmotor-Treiberschaltung sein, mit der ein 2-Phasen-Schrittmotor insbesondere im Mikroschritt-Betrieb angesteuert wird.
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Figur 1 zeigt die Schaltungsanordnung zur Stromversorgung für eine der beiden Spulen Ll des Schrittmotors. Für die andere Spule ist diese Schaltungsanordnung in entsprechender Weise noch einmal zu realisieren.

Zunächst seien die wesentlichen Komponenten dieser Schaltungsanordnung erläutert:

Die Spule Ll des Schrittmotors ist gemäß Figur 1 und 2 in die Brücke einer Transistor-Brückenschaltung aus vier Transistoren Tl bis T4 (vorzugsweise MOSFETs) geschaltet. Die Brücke liegt zwischen dem positiven Anschluss einer Spannungsquelle V_M, die zur Stromversorgung der Spule Ll dient, und Masse, wobei zwi-

schen den Masseanschluss und den Fußpunkt der Brückenschaltung ein Messwiderstand R§ geschaltet ist. Die an dem Messwiderstand R§ abfallende Spannung wird einem ersten Anschluss eines Komparators Comp zugeführt, dessen zweiter Anschluss mit einem ersten Schaltungseingang A der Schaltungsanordnung verbunden ist.

Die Transistoren Tl bis T4 werden mittels einer an sich bekannten Transistor-Treiberschaltung 10 leitend bzw. sperrend geschaltet. Der Transistor-Treiberschaltung 10 ist eine ebenfalls an sich bekannte Crossover-Schutzlogik-Schaltung 11 ("Breakbefore-Make") vorgeschaltet.

Weiterhin ist eine Kombination einer Mehrzahl von Logikelementen vorgesehen, mit denen die Schaltungen 10, 11 und damit die Transistoren Tl bis T4 in Abhängigkeit von an den Schaltungseingängen A bis D der Schaltungsanordnung anliegenden Signalen angesteuert werden.

Im einzelnen wird an den ersten Schaltungseingang A ein vorgegebener Sollstrom durch die Spule Ll in Form eines entsprechenden analogen Spannungswertes angelegt. Dieser Spannungswert wird in dem Komparator Comp mit dem über dem Messwiderstand R_s abfallenden Spannungswert verglichen, der den während der On-Phase tatsächlich durch die Spule Ll fließenden Strom repräsentiert.

Das Ausgangssignal des Komparators Comp wird einem R-Eingang eines D-Flipflops FF zugeführt, dessen Takteingang mit einem zweiten Schaltungseingang B für ein Chopper-Taktsignal verbunden ist. An dem D-Eingang des Flipflops FF liegt ein logischer High-Pegel (+Vcc) an.

Über einen dritten Schaltungseingang C kann durch Anlegen eines L-Signals der Mixed-Decay-Betrieb aktiviert werden. Dieser dritte Schaltungseingang C ist mit einem Eingang eines ersten NAND-Gliedes 1 verbunden, an dessen zweitem Eingang das Chopper-Taktsignal anliegt.

Der Ausgang des NAND-Gliedes 1 liegt an einem Eingang eines ersten NOR-Gliedes 2, dessen anderer Eingang mit dem Q-Ausgang des Flipflops FF verbunden ist.
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Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin einen Polaritätsdecoder 12 mit einem

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dritten Schaltungseingang D, über den durch Anlegen eines entsprechenden L- oder O-Signals die Richtung des Stromflusses durch die Spule Ll vorgegeben werden kann. Es sei davon ausgegangen, dass mit einem L-Signal zum Beispiel eine erste Polarität Pl aktiviert wird, bei der der Strom von dem Spulenanschluss Al zum Spulenanschluss A2 (vgl. Figur 2) fließt. Dementsprechend wird durch ein O-Signal eine zweite Polarität PO aktiviert, bei der der Strom in umgekehrter Richtung (d. h. von A2 nach Al) durch die Spule Ll fließt.

Der Polaritätsdecoder 12 weist zwei Ausgänge PO und Pl auf, an denen jeweils ein der gewählten Polarität entsprechendes L- bzw. O-Signal (Polaritätssignal) anliegt. Die beiden Ausgänge sind jeweils mit den mit PO bzw. Pl bezeichneten Eingängen von vier UND-Gliedern 3 bis 6 verbunden sind.

An den beiden anderen Eingängen des ersten und zweiten UND-Gliedes 3, 4 liegt der Q-Ausgang des Flipflops FF an, während die beiden anderen Eingänge des dritten und vierten UND-Gliedes 5, 6 mit dem Ausgang des ersten NOR-Gliedes 2 verbunden sind.

Die Schutzlogik-Schaltung 11 weist schließlich vier Eingänge auf, wobei ein erster Eingang mit dem Ausgang des ersten UND-Gliedes 3 und ein zweiter Eingang mit dem Ausgang des zweiten UND-Gliedes 4 verbunden ist. An einem dritten Eingang liegt der Ausgang eines zweiten NOR-Gliedes 7 an, dessen Eingänge mit den Ausgängen des zweiten und dritten UND-Gliedes 4, 5 verbunden sind. An einem vierten Eingang liegt schließlich der Ausgang eines dritten NOR-Gliedes 8 an, dessen Eingänge mit den Ausgängen des ersten und vierten UND-Gliedes 3, 6 verbunden sind.

Figur 3 zeigt die mit dieser Schaltungsanordnung erzeugten Stromverläufe I_L durch die Spule Ll in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart ohne Mixed-Decay (Betriebsart I) oder mit Mixed-Decay (Betriebsart II) für einen vorgegebenen Spulen-Sollstrom Il'. Figur 3 zeigt ferner den Verlauf des an dem zweiten Schaltungseingang B anliegenden Chopper-Taktsignals (Kurve C) sowie den entsprechenden Verlauf einer Spannung an einem Zeitgeber-Kondensator eines RC-Oszillators zur Erzeugung dieses Taktsignals (Kurve RC). Die On-Phase ist in Figur 3 mit "on", die Slow-Decay-Phase mit "sd" und die Fast-Decay-Phase mit "fd" bezeichnet.

Solange der über den ersten Schaltungseingang A eingegebene Sollstrom Il' durch die Spule Ll nicht erreicht ist, führt der Komparator Comp dem R-Eingang des Flipflops FF ein O-Signal zu.
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Zunächst sei davon ausgegangen, dass der Mixed-Decay-Betrieb durch ein O-Signal an dem dritten Schaltungseingang C deaktiviert ist.

Das an dem zweiten Schaltungseingang B anliegende Chopper-Taktsignal wird als Grundtakt mit einem Tastverhältnis von 50% zur Verfügung gestellt. Mit jeder steigenden Flanke dieses Taktsignals wird der Q-Ausgang des Flipflops FF auf den Wert 1 gesetzt, und die On-Phase wird durch Ansteuerung des ersten oder zweiten Eingangs der Schutzlogik-Schaltung 11 entsprechend dem an dem ersten und zweiten UND-Glied 3, 4 anliegenden Polaritätssignal (PO und Pl) gestartet. Über die Transistor-Treiberschaltung 10 wird dabei durch Durchschalten der Transistoren Tl und T4 oder T2 und T3 sowie durch Sperren der jeweils anderen Transistoren ein ansteigender Strom in der dem Polaritätssignal entsprechenden Richtung durch die Spule Ll getrieben.

Wenn dieser Strom den über den ersten Schaltungseingang A eingegebenen Sollstrom erreicht und das Ausgangssignal des Komparators den Wert 1 annimmt, wird über das Flip-Flop FF, dessen Ausgang bis zum Auftreten der nächsten steigenden Flanke des Chopper-Taktsignals den Wert 0 annimmt, sowie über die O-Signale an den Ausgängen des ersten und zweiten UND-Gliedes 3, 4, die On-Phase beendet und die Slow-Decay-Phase gestartet.

In der Slow-Decay-Phase wird durch entsprechende Ansteuerung der Transistoren Tl bis T4 über die Schutzlogik-Schaltung 11 und die Transistor-Treiberschaltung 10 die Spule Ll kurzgeschlossen, und der Spulenstrom sinkt allmählich ab, bis durch eine steigende Flanke des Chopper-Taktsignals und ein O-Signal an dem Ausgang des Komparators Comp (und somit an dem Eingang R des Flipflops FF) die On-Phase wieder eingeleitet und der Ablauf wiederholt wird.

Wenn durch ein 1-Signal an dem dritten Schaltungseingang C der Mixed-Decay-Betrieb aktiviert ist, wird bei einem O-Signal an dem Ausgang des Komparators Comp und einer steigenden Flanke des Chopper-Taktsignals die On-Phase durch ein 1-Sig-

nal an dem Q-Ausgang des Flipflops FF gestartet. In diesem Fall erfolgt die Ansteuerung der Schutzlogik-Schaltung 11 über das dritte und vierte UND-Glied 5, 6 in Abhängigkeit von dem an einem der Eingänge dieser UND-Glieder anliegenden Polaritätssignal sowie einem 1-Signal am Ausgang des ersten NOR-Gliedes 2. 5

Wenn der durch die Spule L fließende Strom den Spulen-Sollstrom erreicht und das Ausgangssignal des !Comparators den Wert 1 annimmt, wird die On-Phase beendet.

Zunächst sei angenommen, dass gemäß der Darstellung in Figur 3 zu diesem Zeitpunkt die erste Hälfte der Chopper-Taktperiode noch nicht beendet ist und somit an dem Taktsignal-Eingang des Flipflops der Wert 1 anliegt. In diesem Fall werden nun über den Wert 0 am Ausgang Q des Flipflops FF sowie den Wert 0 am Ausgang des NAND-Gliedes 1 und in Abhängigkeit von den an den UND-Gliedern 5 und 6 anliegenden Polaritätssignalen die Transistoren Tl bis T4 mittels der Transistor-Treiberschaltung 10 so angesteuert, dass der Spulenstrom in die Spulen-Spannungsquelle Vm zurückgespeist wird, um dadurch die Fast-Decay-Phase zu starten.

Im einzelnen wird dabei der der Phasenpolarität entsprechende obere (erste oder zweite) Transistor Tl, T2 wieder gesperrt und gleichzeitig nur der untere (dritte oder vierte) Transistor T3, T4, der auf der gleichen Seite liegt, durchgeschaltet. Dadurch fließt der Spulenstrom durch die Diode des gegenüberliegenden oberen Transistors (MOSFET mit inhärent vorhandener Diode) zurück in die Stromversorgung.

Dies bewirkt auch, dass in dem Fall, in dem der Sollstrom mit der steigenden Flanke des Chopper-Taktsignals bereits erreicht oder schon überschritten wurde, die On-Phase über das Komparatorsignal sofort beendet und die Fast-Decay-Phase eingeleitet wird.

Mit dem Beginn der fallenden Flanke des Chopper-Taktsignals und einem O-Signal am Q-Ausgang des Flipflops FF wird die Fast-Decay-Phase beendet und eine Slow-Decay-Phase eingeleitet, in der über 1-Signale an dem Ausgang des dritten und vierten NOR-Gliedes 7, 8 die Spule Ll kurzgeschlossen und zu diesem Zweck durch die Transistor-Treiberschaltung 10 auch der zweite untere Transistor durchgeschaltet wird.
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Auf diese Weise kann die Fast-Decay-Phase bei minimaler Zeitdauer der On-Phase

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maximal 50 Prozent der Periodendauer des Chopper-Taktsignals betragen. Umgekehrt kann sich die Fast-Decay-Phase bei langer On-Phase (die in Abhängigkeit von dem Komparatorsignal auch über die erste Hälfte der Periode hinaus andauern kann) auch bis auf 0 Prozent der Periodendauer des Chopper-Taktsignals reduzieren, wobei sich in diesem Fall die Slow-Decay-Phase an die On-Phase anschließt.

Da während der On-Phase der Strom Il durch die Spule L anhand des Spannungsabfalls an dem Messwiderstand Rs gemessen wird, geht die Zeit, die benötigt wird, um in der On-Phase den gewünschten Spulen-Sollstrom I_L' zu erreichen, unmittelbar und automatisch in die Dauer der Fast-Decay-Phase ein. Damit wird die gewünschte adaptive Anpassung der Fast-Decay-Phase erzielt.

Damit die Transistor-Treiberschaltung 10 die jeweilige Stromrichtung in der Spule /5 L nicht messen muss (sie könnte entgegen der Annahme umgekehrt zur gewünschten Stromrichtung sein, weil zum Beispiel der Anwender die Polarität gerade umgeschaltet hat), sind während der Fast-Decay-Phase stets beide obere Transistoren Tl und T2 gesperrt. Damit wird sichergestellt, dass über die in den MOSFETs inhärent vorhandenen Dioden der Strom nur aus der Spule Ll in die Spulen-Spannungsquel-Ie Vm zurückgespeist und keinesfalls in umgekehrter Richtung aus der Spulen-Spannungsquelle Vm in die Spule Ll eingespeist werden kann. Die Transistor-Treiberschaltung 10 benötigt somit nur die über den dritten Schaltungseingang C zugefiihrte Information darüber, ob der Mixed-Decay-Betrieb verwendet werden soll oder nicht.
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Der Figur 3 ist auch die Annäherung des tatsächlichen Spulestroms an den Spulen-Sollstrom zu entnehmen. Durch eine Erhöhung der Frequenz des Chopper-Taktsignals kann diese Annäherung verbessert werden.

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Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben von Schrittmotoren oder anderen geeignet dimensionierten Synchronmotoren, mit der mindestens eine Spule des Motors in den drei Phasen "On", "Slow-Decay" und "Fast-Decay" betreibbar ist, mit einer Anordnung von logischen Schaltelementen zur Ansteuerung der Spule (L1) in einer Betriebsart "Mixed-Decay", bei der innerhalb eines ersten vorbestimmten Zeitintervalls eine Fast-Decay-Phase zwischen dem Ende einer On-Phase und dem Ende dieses Zeitintervalls aktiviert wird und bei der in einem zweiten vorbestimmten Zeitintervall eine Slow-Decay-Phase aktiviert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das erste und das zweite Zeitintervall durch eine erste bzw. eine zweite Hälfte eines periodischen Chopper-Taktsignals vorbestimmt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Spule (L1) des Motors in die Brücke einer zwischen einer Spulen-Stromversorgung (+V_M) und Masse liegenden Transistor-Brückenschaltung geschaltet ist, wobei die drei Phasen durch Schalten der Transistoren (T1, T2, T3, T4) der Brückenschaltung durch die logischen Schaltelemente aktivierbar sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der die Transistoren (T1, T2, T3, T4) MOSFETs sind und in der Fast-Decay- Phase die mit der Spulen-Stromversorgung (+V_M) verbundenen Transistoren (T1, T2) gesperrt sind, so dass der Strom aus der Spule (L1) über die in den MOSFETs inhärent vorhandenen Dioden ausschließlich in die Spulen-Stromversorgung (+V_M) zurückgespeist wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, mit einem ersten Schaltungseingang (A) zum Anlegen des Wertes eines Spulen- Sollstroms, bei dessen Erreichen die On-Phase beendet wird, sowie einem Komparator (Comp), dessen Eingänge mit dem ersten Schaltungseingang (A) bzw. einem zwischen der Transistor-Brückenschaltung und Masse liegenden Messwiderstand (R5) verbunden sind und dessen Ausgang an einem R-Eingang eines Flipflops (FF) anliegt, dem das Chopper-Taktsignal zugeführt wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, mit einem zweiten Schaltungseingang (B) zum Anlegen des Chopper-Taktsignals.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, mit einem dritten Schaltungseingang (C) zum Anlegen eines logischen Signals zur Aktivierung bzw. Deaktivierung einer Betriebsart "Mixed-Decay" der Spule.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, mit einem vierten Schaltungseingang (D) zum Anlegen eines logischen Signal zur Auswahl der Polarität des durch die Spule (L1) in der On-Phase fließenden Stroms, sowie mit einem mit dem vierten Schaltungseingang (D) verbundenen Polaritätsdecoder (12) zur Erzeugung eines entsprechenden Polaritätssignals, das den logischen Schaltelementen zugeführt wird.

9. Schrittmotor-Treiberschaltung, insbesondere für einen Mikroschritt-Betrieb, mit einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.