DE2721240C3

DE2721240C3 - Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Schrittmotors im optimalen Lastwinkelbereich

Info

Publication number: DE2721240C3
Application number: DE2721240A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dietmar 8000 Muenchen Pohlig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-05-11
Filing date: 1977-05-11
Publication date: 1981-04-02
Also published as: DE2721240B2; DE2721240A1; US4241301A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Schrittmotors im optimalen Lastwinkelbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DE-AS 24 21219 bekannt. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist der Schrittmotor mit einer Codierscheibe versehen. Diese Codierscheibe erzeugt in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors des Schrittmotors Rückmeldeimpulse, aus denen mit Hilfe von Verzögerungsgliedern die Schrittimpulse erzeugt werden. Zu Beginn der Beschleunigung des Schrittmotors wird ein Auslöseimpuls erzeugt, der eine Drehung des Rotors und damit eine Erzeugung der Rückmeldeimpulse auslöst. Unter Verwendung der Rückmeldeimpulse wird der Schrittmotor im optimalen Lastwinkelbereich betrieben. Die Schaltungsaordnung enthält einen Speicher, in dem den Verzögerungszeiten zugeordnete Datenwörter gespeichert sind. Die Erzeugung der Verzögerungszeiten erfolgt dabei dadurch, daß ein Zähler durch die Datenwörter jeweils voreingestellt wird. Der Zähler wird anschließend abwärts gezählt und wenn er den Wert 0 erreicht, wird die Erzeugung eines Schrittimpulses ausgelöst Weitere Schaltungsanordnungen zum Erzeugen von Schrittimpulsen sind aus der DE-OS 22 57 671 und der DE-OS 22 03 537 bekannt

ίο Aus der DE-OS 22 38 613 ist eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Schrittimpulsen für die Beschleunigung eines Schrittmotors bekannt, bei der die Schrittimpulse unter Verwendung eines Frequenzteilers mit veränderbarem Teilungsverhältnis erzeugt werden.

Die Erzeugung der Schrittimpulse wird durch ein Startsignal freigegeben. Die Schaltungsanordnung erzeugt Schrittimpulse, deren Folgefrequenz ausgehend von einer niedriger. Folgefrequenz kontinuierlich oder stufenweise erhöht wird. Das Startsignal selbst wird dabei nicht als Schrittimpuls an den Schrittmotor abgegeben. Durch diese bekannte Schaltungsanordnung wird die Folgefrequenz der Schrittimpulse kontinuierlich oder in Stufen erhöht Der Schrittmotor wird dabei jedoch nicht ständig im optimalen Lastwinkelbereich betrieben. Eine ähnliche Schaltungsanordnung ist aus einer Veröffentlichung »Celerate the Digital Stepping Motor«, electronic Design 1,4. Jan. 1973, S.eiten 84 bis 87 bekannt

Falls Schrittmotoren für Positionierantriebe eingesetzt werden, ist es häufig erforderlich, daß die Einstellzeit möglichst kurz ist Die Einstellzeit ist um so kürzer, je größer das Drehmoment des Schrittmotors ist Das Drehmoment ist nicht nur von den Eigenschaften des Schrittmotors, sondern auch von seiner Betriebsweise abhängig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die als offener Steuerkreis ausgebildet ist und die den Schrittmotor bereits mit dem ersten Startimpuls in seinen optimalen Lastwinkelbereich einstellt. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß während der ganzen Einstellbewegung der Schrittmotor in dem optimalen Lastwinkelbereich arbeitet und eine Einstellung kann auch dann in kurzer Einstellzeit ausgeführt werden, wenn nur wenige Schritte zur Verfügung stehen. Die theoretisch mögliche Abgabeleistung des Schrittmotors wird auf diese Weise voll

so ausgenutzt Die Schaltungsanordnung erfordert einen geringen Aufwand, da an dem Schrittmotor keine Codierscheibe vorgesehen werden muß.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Zeitdiagramm der Winkelgeschwindigkeit und der Schrittimpulse,

F i g. 2 einen Verlauf der statischen Drehmomentkennlinie,

Fig.3 ein Zeitdiagramm des Drehwinkels bei der Beschleunigung des Schrittmotors,
F i g. 4 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Zeitdiagramm ist in Abszissenrichtung die Zeit f und in Ordinatenrichtung sind die Momentanwerte der Schrittimpulse 5/und der Winkelgeschwindigkeit ω des Schrittmotors dargestellt.

Zwischen den Zeitpunkten fO und rl wird der Schrittmotor aus einer Ruhestellung bis zu einer Winkelgeschwindigkeit tas beschleunigt Zunächst treten als Schrittimpulse zwei Startimpulse auf und daran schließen sich drei Steuerimpulse an. Die rrolgefrequenz der Startimpulse wird so gewählt, daß sie wesentlicht größer ist als die Folgefrequenz der Steuerimpulse zu Beginn der Beschleunigung. Zum Zeitpunkt 11 hat die Winkelgeschwindigkeit des Schrittmotors ihren Sollwert ms erreicht und es wird eine Mehrzahl von Steuerimpulsen gleicher Folgefrequenz abgegeben.

Zwischen den Zeitpunkten f2 und f3 wird der Schrittmotor verzögert und die Folgefrequenz der Schrittimpulse 5/wird entsprechend vermindert Durch einen zusätzlichen negativen Schrittimpuls nach dem Zeitpunkt ti wird unmittelbar der für das Bremsen optimale Lastwinkelbereich eingestellt Falls der Schrittmotor über einen Verstärker von einem Ringzähler angesteuert wird, wird für die Zeit, während der der negative Schrittimpuls auftritt, die Dreljrichtung des Ringzählers umgekehrt Die Drehrichtung ist in F i g. \ durch d dargestellt Nach dem Zeitpunkt f 3 kommt dem Schrittmotor in Form einer gedämpften Schwingung zum Stillstand.

Bei der in Fig.2 dargestellten Kennlinie des statischen Drehmoments ist in Abszissenrichtung der Lastwinkel « dargestellt Unter einem Lastwinkel versteht man denjenigen Winkel, um den sich die Welle des Schrittmotors durch Belasten mit einem vorgegebenen statischen Drehmoment gegenüber dem unbelasteten Zustand, der magnetischen Raststellung, dreht An den Motor werden dabei keine Steuerimpulse abgegeben. In Ordinatenrichtung ist das statische Drehmoment bezogen auf das Haltemoment MH audgetragen. Unter dem Haltemoment wird dabei das maximale Drehmoment verstanden, mit dem man einen erregten Motor statisch belasten kann, ohne eine kontinuierliche Drehung hervorzurufen. Für die folgenden Betrachtungen wird angenommen, daß das Drehmoment einen sinusförmigen Verlauf hat.

Das dynamische Drehmoment des Schrittmotors wird aus der statischen Drehmoment-Kennlinie ermittelt. Unter dem dynamischen Drehmoment wird dabei das mittlere Drehmoment verstanden, das an der Motorwelle im Verlauf einer Drehung um einen Winkel Δψ zur Verfügung steht. Es wird dabei vorausgesetzt, daß der jeweils nächste Steuerimpuls genau nach einer Drehung um einen Schritt ausgelöst wird. Aus der Drehmomentkennlinie erkennt man, daß der Schrittmotor bei einer Drehung um den Schrittwinkel α dann sein höchstes dynamisches Drehmoment Mnax abgibt, wenn der Lastwinkel zwischen zwei Steuerimpulsen symmetrisch zum Scheitelwert, dem Haltemoment MH liegt. Durch einfache Rechnung ergibt sich das größte dynamische Drehmoment zu

,τ Af/i „ . «
Af max = 2 · sin ρ -=-

ρ ■ a. 2

und das kleinste dynamische Drehmoment zu
A7min = ■ [1 — cos p<x] ,

wobei ρ die Polpaarzahl des Schrittmotors und λ den Schrittwinkel darstellen.

Bei der Untersuchung, wie sich die Folgefrequenz der Steuerimpulse und der Drehwinkel φ des Rotors des Schrittmotors als Funktion der Zeit ändern, wenn ein konstantes dynamisches Drehmoment M dauernd an der Welle abgegeben werden soll, stellt man fest daß bei einem Start des Schrittmotors aus der magnetischen Raststellung ein Hochlauf in Form einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung erfolgt wenn die Folgefrequenz /der Gleichung

Aimin 1

— · ί

folgt wobei /das gesamte Trägheitsmoment darstellt

Wenn die Folgefrequenz / abweichend davon geringer ansteigt dann dreht sich der Rotor in der Zeit zwischen zwei Steuenmpulsen nicht um den Wert α, so daß die Voraussetzung eines konstanten Drehmomentes nicht mehr erfüllt ist.

Wenn die Folgefrequenz /zwar linear, aber schneller ansteigt kann der Fall eintreten, daß der Motor nach einigen Steuerimpulsen außer Tritt fällt und stehen bleibt weil dann der Lastwinkel β in der statischen Drehmomentkennlinie die labile Gleichgewichtslage überschreitet

Bei einem linearen zeitlichen Anstieg der Folgefrequenz / wird das durch den Schrittmotor gegebene Beschleunigungsvermögen nicht voll ausgenutzt, weil der Unterschied zwischen dem minimalen und dem

jo maximalen dynamischen Drehmoment sehr groß sein kann. Grundsätzlich ist eine Beschleunigung des Schrittmotors mit einer Folgefrequenz /der Steuerimpulse 5/von

_f _ Af max I
J ~ } ' ' '

möglich, doch stellt diese Folgefrequenz den theoretischen Grenzfall dar und diese Folgefrequenz /darf nicht überschritten werden.

Wenn für den Hochlauf des Schrittmotors nur sehr wenige Schritte zur Verfügung stehen, ist ein linearer Anstieg der Folgefrequenz / nicht mehr befriedigend oder wegen der geringen Anzahl von Schritten nicht möglich. Hier ist es nicht mehr zweckmäßig, die Folgefrequenz / nach einer monoton zunehmenden Funktion ansteigen zu lassen, sondern man muß auf andere Weise dafür sorgen, daß der Lastwinkel so schnell wie möglich in den optimalen Arbeitsbereich, der durch die Gleichung

2p

2 =

gegeben ist gebracht wird.

bo Bei dem in F i g. 3 dargestellten Zeitdiagramm wir der Lastwinkel β so schnell wie möglich in den optimalen Arbeitsbereich dadurch gebracht daß zu den Zeitpunkten 10 und 11 in kurzem zeitlichen Abstand zunächst zwi Startimpulse abgegeben werden. Der zeitliche

b5 Abstand ist so gering, daß sich der Rotor des Schrittmotors in dieser Zeit noch nicht oder nur sehr wenig im Vergleich zur Größe eines Schrittes gedreht hat. Die Anzahl π dieser unmittelbar aufeinanderfolgen-

den Startimpulse muß so sein, daß der Lastwinkel

/»1 = T
2

entweder genau >der nahezu erreicht wird, so daß gilt

T 2

π ist dabei eine ganze Zahl. Spätestens nach dem Eintreffen von n+1 Startimpulsen erfolgt zum Zeitpunkt Γ 2 der Hochlauf des Schrittmotors_mit dem größtmöglichen Beschleunigungsmoment Mnax. Bei dem Zeitdiagramm ist in Ordinatenrichtung der Drehwinkel φ bezogen auf den Schrittwinkel α dargestellt. Außerdem sind die Schrittimpulse SI dargestellt, die zu den Zeitpunkten fO und /1 aus Startimpulsen und nach dem Zeitpunkt ti aus Steuerimpulsen gebildet werden. Weiterhin ist die Folgefrequenz /der Schrittimpulse dargestellt. Aus dem Zeitdiagramm erkennt man, daß die Folgefrequenz der Startimpulse wesentlich größer ist als die Folgefrequenz der daran anschließenden Steuerimpulse.

Falls, entsprechend der in F i g. 2 dargestellten Drehmomentkennlinie eine ungerade Anzahl s von Schritten notwendig ist, um eine halbe Periode der statischen Drehmomentkennlinie zu durchfahren, gilt in der letztgenannten Gleichung das Gleichheitszeichen, so daß die Anzahl η von Startimpulsen aus der Gleichung

s -ι- 1

ermittelt werden kann. Alle weiteren Steuerimpulse werden jeweils dann erzeugt, wenn sich der Rotor des Schrittmotors im Mittel um den Schrittwinkel α gedreht hat. Der Motor läuft_dann gleichmäßig beschleunigt mit dem Drehmoment Aftnax hoch.

Falls beispielsweise ein vierpoliger Motor (p=2) mit dreisträngiger Wicklung vorgesehen ist und der Schrittwinkel α=30° beträgt, ist die Anzahl der Startimpulse damit η=2. Zu Beginn des Hochlaufs werden also zwei Startimpulse ausgelöst Dieser Fall ist in F i g. 3 dargestellt.

Falls die Anzahl s gerade ist, wird die Anzahl η nach der Gleichung

1
π = — ■

ermittelt Der erste nachfolgende Steuerimpuls wird im Gegensatz zu dem Fall, daß s ungerade ist, schon dann ausgelöst, wenn sich der Rotor um einen halben Schrittwinkel gedreht hat AHe weiteren Steuerimpulse werden so abgegeben, daß das Drehmoment Mnax erreicht wird. Der Schrittmotor arbeitet dann im optimalen Lastwinkelbereich.

Der Schrittmotor, bei dem 5 eine gerade Zahl ist, kann also genauso wie ein Schrittmotor, für den der Wert s ungerade ist, von Anfang an mit dem größtmöglichen Drehmoment Mnax beschleunigt werden.

Für die Verzögerung des Schrittmotors, die als negative Beschleunigung aufgefaßt werden kann, gilt entsprechendes wie für die Beschleunigung Der optimale Lastwinkel kann in diesem Fall dadurch eingestellt werden, daß entweder eine Anzahl von Schrittimpulsen ausgelassen wird oder daß eine Anzahl von negativen Schrittimpulsen abgegeben wird. Die Schrittimpulse SI steuern üblicherweise in einem Motorverstärker einen Ringzähler an, mit dessen Hilfe die einzelnen Wicklungen des Schrittmotors angesteuert werden. Falls der Ringzähler normalerweise in positiver Richtung fortgeschaltet wird, wird er durch die

ίο negative Schrittimpulse bei der Verzögerung in negativer Richtung fortgeschaltet. Auf diese Weise erfolgt eine Verzögerung des Schrittmotors ebenfalls mit dem maximalen Drehmoment Mnax, wenn die Anzahl der negativen Schrittimpulse so gewählt wird, daß der

Lastwinkel β = - -^- + -^

möglichst genau erreicht wird.

Die in F i g. 4 dargestellte Schaltungsanordnung zum Erzeugen der Schrittimpulse für den Antrieb des Schrittmotors SM enthält einen Taktgenerator TG, eine Schaltstufe SS, einen Verstärker V und den Schrittmotor SM. Der Taktgenerator TG erzeugt Taktimpulse T vorgegebener Folgefrequenz und gibt diese an die Schaltstufe SS ab. Die Schaltstufe erzeugt aus den Taktimpulsen T die Schrittimpulse SI für den Antrieb

jo des Schrittmotors SM. Die Schrittimpulse 5/ werden dem Verstärker V zugeführt, der einen Ringzähler enthält, der mit jedem Schrittimpuls fortgeschaltet wird und an dessen Ausgang über Verstärkerelemente den Wicklungen des Schrittmotors SM entsprechende

J5 Steuerspannungen zugeführt werden.

Die Schaltstufe SS enthält einen Frequenzteiler FT, an dessen Eingang die Taktimpulse Γ anliegen und der an seinem Ausgang die Schrittimpulse 5/ abgibt. Der Frequenzteiler FT multipliziert die Folgefrequenz der

■ίο Taktirr.pulse T mit einem Faktor, der üblicherweise kleiner als 1 ist. Dieser Faktor wird durch Datenwörter DW angegeben, die dem Frequenzteiler FTvon einem Festwertspeicher SP zugeführt werden. Der Frequenzteiler FT ist beispielsweise derart ausgebildet, daß er

4ϊ einen Zähler enthält, der durch das Datenwort D W auf einen Wert voreingestellt wird und durch die Taktimpulse T abwärts gezählt wird. Immer wenn der Zähler den Zählerstand 0 erreicht, gibt er einen Schrittimpuls 5/ab und er wird wieder auf einen durch das Datenwort

■>o D W angegebenen Wert eingestellt und erneut abwärts gezählt Falls der Wert des Datenwortes D W sehr groß ist, sind viele Taktimpulse T erforderlich, um bis zum Zählerstand 0 abwärtszuzählen und die Folgefrequenz der Schrittimpulse S/ ist sehr klein. Falls der Wert des Datenwortes D Wklein ist, sind nur wenige Taktimpulse Terforderlich und die Folgefrequenz der Schrittimpulse 5/ist entsprechend groß.

Der Adresseneingang des Festwertspeichers SP ist mit dem Ausgang einer Zählstufe ZS verbunden. An dem Zähleingang der Zählstufe ZS liegen die Schrittimpulse SI an. Ein Steuereingang der Zählstufe ZS ist mit einem Schalter S W verbunden, der ein Signal 5 an die Zählstufe ZS abgibt, das die Zählrichtung der Zählstufe ZS festlegt Hat das Signal 5 beispielsweise den Binärwert 1, wird die Zählstufe ZS aufwärtsgezählt und andernfalls abwärtsgezählt

In dem Festwertspeicher SP sind die den Folgefrequenzen / der Schrittimpulse 5/ zugeordneten Daten-

worte DWgespeichert Die Datenworte ÖWbilden ein Steuerprogramm, das die Winkelgeschwindigkit des Schrittmotors SM festlegt. Um einen zeitlichen Verlauf der Folgefrequenz /"der Schrittimpulse 5/entsprechend der F i g. 1 oder der F i g. 3 zu erhalten, haben die den beiden Startimpulsen zugeordneten Datenwörter DW einen niedrigen Wert und die entsprechenden Steuerimpulsen zugeordneen Datenworte DWhaben Werte, die proportional sind den zehlichen Abständen der Steuerimpulse.

Es wird angenommen, daß die Zählstufe ZS zunächst den Zählerstand 0 hat. Die Zählstufe ZS gibt an den Speicher ein Adressenwort AD ab, das das unter der Adresse 0 im Speicher SP gespeicherte Datenwort das dem ersten Startirnpuis zugeordnet ist, ausliest und an den Frequenzteiler FT abgibt. Wenn zum Zeitpunkt f 0 der erste Startimpuls als Schrittimpuls 5/ abgegeben wird, wird auch der Zählerstand der Zählstufe ZS um 1 erhöht. Durch das neue Adressenwort AD wird das dem zweiten Startimpuls zugeordnete Datenwort DW aus dem Speicher SPgelesen. In entsprechender We ,e wird die Zählstufe ZS durch die Schrittimpulse SI fortgeschaltet und die den Steuerimpulsen zugeordneten Datenwörter DW werden ausgelesen und an den Frequenzteiler FT abgegeben. Die Folgefrequenz der Schrittimpulse Sl wird entsprechend den Datenwörtern DW verändert, so daß der in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellte zeitliche Verlauf erreicht wird.
. Wenn die Zählstufe ZS einen vorgegebenen Höchststand erreicht hat, wird sie nicht mehr weiter aufwärtsgezählt und sie gibt ein konstantes Adressenwort AD an den Festwertspeicher SW ab. Damit wird auch ein konstantes Datenwort D W ausgelesen und die Folgefrequenz der Schrittimpulse S/ist konstant. Wenn der Schrittmotor SM verzögert werden soll, wird der Schalter SW geschlossen und die Zählstufe ZS wird ^r) durch die folgenden Schrittimpulse 5/ abwärtsgezählt. Aus den Festwertspeicher SP können die gleichen Datenwörter DW wie während der Beschleunigung ausgelesen werden. Im Festwertspeicher SP kann jedoch auch ein von dem Beschleunigungsprogramm

ίο verschiedenes Bremsprogramm gespeichert sein, das dafür sorgt, daß der Schrittmotor SAf auch während der Verzögerung im optimalen Lastwinkelbereich arbeitet. Wenn die Zählstufe ZS den Zählerstand 0 erreicht hat, wird eine weitere Erzeugung von Schrittimpulsen 5/ verhindert, so daß der Schrittmotor SM im Stillstand verharrt.

Das Steuerprogramm für den Schrittmotor SM kann in der Schaltstufe SSauch mittels eines Schieberegisters erzeugt werden. Das Schieberegister wird beispielsweise entsprechend dem Steuerprogramm voreingestellt und mit den Taktimpulsen T wirü der Inhalt des Schieberegisters verschoben. Die Voreinstellung des Schieberegisters erfolgt in der Weise, daß immer dann ein Signal mit dem Binärwert 1 an seinem Ausgang ϊ abgegeben wird, wenn ein Schrittimpuls erzeugt werden soll. Während der Beschleunigung oder Verzögerung des Schrittmotors SM werden dann in Abhängigkeit von der Folgefrequenz der Schrittimpulse während einer oder mehreren Periodendauern der Taktimpulse T Signale mit dem Binärwert 0 abgegeben und damit keine Schrittimpulse S/erzeugt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Schrittmotors im optimalen Lastwinkelbereich, bestehend aus einer Schaltstufe, die zu Beginn eines Beschleunigung- und/oder Bremsvorgangs zunächst mindestens einen Startimpuls und anschließend eine Mehrzahl von Steuerimpulsen zur Erzeugung von entsprechenden Schrittimpulsen zu Zeitpunkten abgibt, zu denen sich der Rotor des Schrittmotors um einen ein optimales Drehmoment ermöglichenden Schrittwinkel gedreht hat, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer als offener Steuerkreis ausgebildeten Schaltungsanordnung die Schaltstufe (SS) einen Frequenzteiler (FT) enthält, dem von einem Taktgenerator (TG) Taktimpuise konstanter Folgefrequenz zugeführt sind und der sowohl zunächst die Startimpulse und anschließend unabhängig von der Stellung des Rotors des Schrittmotors (SM) die Steuerimpulse erzeugt, wobei die Startimpulse, deren Anzahl (n) proportional ist einer der halben Periode der statischen Drehmomentkennlinie entsprechenden Anzahl (s) von Schritten, derart zeitlich aufeinanderfolgen, daß der Schrittmotor (SM^unmittelbar in den nach seiner Drehmomentkennlinie optimalen positiven bzw. negativen Lastwinkelbereich gebracht ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, zur Ansteuerung eines Schrittmotors, bei dem einer halben Periode der statischen Drehmomentkennlinie eine ungerade Anzahl s von Schritten entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Startimpulse gleich fs+1)/2 ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufe (SS) einen Speicher enthält, in dem ein der Anzahl und der Folgefrequenz der Startimpulse und der Steuerimpulse zugeordnetes Steuerprogramm gespeichert ist

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerprogramm in einem als Festwertspeicher (SP) ausgeführten Speicher in Form von Datenwörtern (DW) gespeichert ist, die das Teilungsverhältnis tür die Folgefrequenz der dem Frequenzteiler (FT) von dem Taktgenerator (TG) zugeführte Taktimpulse (T) angibt.