-
Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Art zur Ansteuerung eines Schrittmotors mit zwei Spannungen unterschiedlicher
Größe.
-
Zur Ansteuerung eines Schrittmotors ist es bekannt, eine sich ständig
wiederholende Folge von Bestromungsmustern an die Wicklungen des Schrittmotors anzulegen,
durch die der Rotor von einer Ist-Stellung in eine Soll-Stellung gedreht wird. Hierbei
können, wie z. B. im deutschen Patent 32 21 561 beschrieben, zwei Spannungen unterschiedlicher
Größe zur Verfügung stehen, von denen die höhere Spannung während der Drehbewegung
des Rotors und die niedrigere Spannung in der Ruhestellung des Rotors als Haltespannung
an die Wicklungen angelegt wird. Diese Maßnahme hat den Zweck, den Motorstrom während
der Stillstandszeit des Rotors zu reduzieren und damit Erwärmung und Verlustleistung
zu verringern.
-
Da die zeitliche Aufeinanderfolge des Bestromungsmuster-Wechsels die
Schrittfrequenz des Rotors und damit dessen Drehgeschwindigkeit bestimmt, ist es
weiterhin bekannt, in gespeicherten Tabellen Bestromungszeiten festzulegen, die
von einer Steuerung entsprechend der Länge des zurückzulegenden Weges des gewünschten
Beschleunigungsverhaltens und der gewünschten Verzögerung vor dem Einlauf in die
Soll-Stellung ausgewählt und zur Bestimmung der Dauer des Anliegens der Bestromungsmuster
verwendet werden. Durch diese Maßnahme ist es möglich, ein gewünschtes Laufverhalten
des Rotors zu realisieren.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der beschriebenen
Art derart zu verbessern, daß der beim Betrieb eines Schrittmotors auftretende Motorstrom
weiter reduziert wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die bei den Lösungen des Standes der Technik auftretende Erwärmung des Schrittmotors
stark verringert wird. Darüber hinaus wird erreicht, daß das Drehmoment den Erfordernissen
optimal angepaßt und ein gleichmäßiges und ruhiges Laufverhalten erreicht wird.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie den anhand der Figuren nachfolgend näher erläuterten Ausführungsbeispielen
der Erfindung. Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild, Figur 2 eine erstes Impulsdiagramm
und Figur 3 ein zweites Impulsdiagramm.
-
In Figur 1 ist eine Steuerung 1 schematisch dargestellt, von der ein
Schrittmotor 2 über eine Ansteuerschaltung 3 angesteuert wird. Die Steuerung 1 wird
von einem Mikrocomputer gebildet, der die üblichen Baugruppen, wie z. B. Prozessor,
Speicher, Zähler, Register und Eingangs/Ausgangsschaltungen aufweist. Der besseren
Übersichtlichkeit halber sind hier nur die zum Verständnis erforderlichen Baugruppen
der Steuerung 1 dargestellt, die jedoch weder in dieser Art noch in der dargestellten
Verknüpfung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwingend notwendig
s nd. Weiterhin versteht es sich von selbst, daß die Steuerungsabläufe in der bei
Mikrocomputern üblichen Art durch entsprechende Programmierung realisiert sind.
-
Die Ansteuerschaltung 3 dient der Erzeugung einer Gruppe verschiedener
Bestromungsmuster, die auf vier Leitungen 4 an den Schrittmotor 2 angelegt werden
können. Jede Änderung eines Bestromungsmusters bewirkt einen Schritt des Rotors
des Schrittmotors 2, und durch aufeinanderfolgendes Anlegen der verschiedenen Bestromungsmuster
an die Motorwicklungen werden mehrere Schritte hervorgerufen. Bei fortschreitender
Drehbewegung des Rotors wird die Bestromungsmuster-Gruppe in bekannter Weise stetig
wiederholt.
-
Von der Ansteuerschaltung 3 können die Bestromungsmuster mit Spannungen
unterschiedlicher Größe an den Schrittmotor 2 angelegt werden, und zwar stehen dafür
eine erste niedrige Spannung 5 und eine zweite höhere Spannung 6 zur Verfügung.
Über eine Leitungsverbindung 7 können der Ansteuerschaltung 3 von der Steuerung
1 Schrittbefehle, die eine Änderung des Bestromungsmuster zur Folge haben, und über
Leitungsverbindung 8 Auswahlsignale für das Anlegen der niedrigen oder der höheren
Spannung zugeführt werden.
-
Selbstverständlich ist es auch möglich, daß von der Steuerung 1 ein
dem Bestromungsmuster entsprechendes Bitmuster anstelle des Schrittbefehls an die
Ansteuerschaltung 3 ausgegeben wird, die dann eine reine Signalverstärkerfunktion
ausübt.
-
Unter Zuhilfenahme des Impulsdiagramms der Figur 2 soll nun ein erstes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert werden. Der
Steuerung 1 wird über einen Befehlseingang 13 ein numerischer Wert zugeführt, der
eine neu einzunehmende Soll-Stellung des Schrittmotor-Rotors bezeichnet. In einem
Stellungsregister 9 der Steuerung 1 ist die momentane Ist-Stellung des Schrittmotor-Rotors
gespeichert. Aus dieser Ist-Stellung und der zugeführten Soll-Stellung errechnet
der Prozessor 10 der Steuerung 1 die von dem Rotor zurückzulegende Schrittzahl und
speichert das Ergebnis in einen Schrittzähler 11 ein. Zugleich
adressiert
der Prozessor 10 eine in einem Speicher abgelegte Bestromungszeitentabelle 12, wobei
die Schrittzahl maßgeblich für die auszuwählende Bestromungszeitenfolge ist.
-
Die Bestromungszeitentabelle 12 enthält eine Vielzahl an Bestromungszeitenfolgen,
die jeweils einer bestimmten, vom Rotor des Schrittmotors 2 zurückzulegenden Schrittzahl
zugeordnet sind. Die Zeiten für die einzelnen auszuführenden Schritte (entsprechend
der Bestromungsdauer der Wicklungen des Schrittmotors 2) sind so gewählt, daß sich
eine Beschleunigungs- und eine Verzögerungsphase ergeben, wobei bei längeren zurückzulegenden
Wegen zwischen Beschleunigungs- und Verzögerungsphase noch ein Bereich konstanter
Geschwindigkeit liegen kann. Durch diese von der Länge des zurückzulegenden Weges
abhängigen Bestromungszeitenfolgen läßt sich ein optimales Laufverhalten vorherbestimmen.
-
Um nun aber auch das Drehmoment des Schrittmotors optimal zu gestalten
und dennoch den Motorstrom und die Erwärmung des Motors 2 so gering wie möglich
zu halten, ist es ausreichend, den Motor mit der niedrigen Spannung 5 zu betreiben
und nur zu bestimmten Zeitpunkten, die von Beschleunigung und Verzögerung sowie
dem optimalen Drehmoment abhängig sind, einen Impuls mit der höheren Spannung 6
anzulegen. Diese Zeitpunkte sind ebenfalls in der Bestromungszeitentabelle 12 in
Zuordnung zu den jeweiligen Bestromungszeiten der einzelnen Schritte festgehalten
und werden gemeinsam mit der Bestromungszeit vom Prozessor 10 ausgelesen. Da jedoch
das Anlegen der höheren Spannung während voller Schritte im allgemeinen unnötig
lang ist und wiederum zu vermeidbarer Erwärmung und Verlustleistung führt, ist vorgesehen,
daß jeweils der halben Bestromungsdauer für einen jeden Schritt eine der beiden
Spannungen 5, 6 zugeordnet ist.
-
In der Bestromungszeitentabelle 12 sind deshalb jeweils die Zeiten
für einen Halbschritt gespeichert, zusammen mit einem
Merkmal zur
Zuordnung einer der beiden Spannungen. Der Prozessor 10 liest die halbe für einen
Schritt benötigte Zeit sowie das die zugehörige Spannung kennzeichnende Merkmal
aus, gibt einen Schrittbefehl an die Ansteuerschaltung 3 ab und überträgt ein Signal
zum Anlegen der zugehörigen Spannung. Nach Ablauf dieser Zeit liest der Prozessor
10 die zweite Hälfte der Bestromungszeit für diesen Motorschritt sowie deren zugehöriges,
die Spannungshöhe kennzeichnendes Merkmal aus der Bestromungszeitentabelle 12 aus,
überträgt ein das Anlegen dieser Spannung veranlassendes Signal an die Ansteuerschaltung
3, gibt aber diesmal keinen neuen Schrittbefehl aus. Erst wenn diese zweite Zeitdauer
abgelaufen ist, wird der Schrittzähler 11 um "1" verringert und das Stellungsregister
9 um "1" erhöht. Der Prozessor 10 liest danach aus der Bestromungszeitentabelle
12 die halbe Bestromungszeit mit zugehörigem Spannungsmerkmal für den nächsten auszuführenden
Motorschritt aus und gibt einen neuen Schrittbefehl sowie ein entsprechendes Spannungssignal
an die Ansteuerschaltung 3 ab. Der weitere Ablauf ist wie oben beschrieben, bis
der Rotor des Schrittmotors 2 die Soll-Stellung erreicht hat und durch Anlegen der
niedrigen Spannung mit dem Bestromungsmuster der Sollposition in der Ruhestellung
gehalten wird.
-
Um bei einer solchen Lösung Speicherplatz einzusparen, kann es zweckmäßig
sein, für jeden Schritt in der Bestromungszeitentabelle 12 nur eine Zeit zu speichern,
die der Hälfte der Motorschrittzeit entspricht. Diese Zeit muß dann nach dem ersten
Auslesen in einem Pufferregister zwischengespeichert werden, um auch für den zweiten
Teil der Schrittansteuerung zur Verfügung zu stehen. Hier werden die Spannungsmerkmale
für beide Bestromungszeithälften zusammen mit der Zeit ausgelesen, wobei durch ein
Ausblendverfahren das für die jeweilige Bestromungszeithälfte zuständige Spannungsmerkmal
zur Wirkung gebracht wird.
-
Anhand des Impulsdiagramms der Figur 2 läßt sich die Auswirkung dieser
Ansteuerungsart erkennen. Auf der waagerechten Achse sind die Zeiten für einige
Schritte des Rotors aufgetragen, während auf der senkrechten Achse die beiden Spannungen
5 und 6 dargesteilt sind. Während der halben Zeit für den Rotorschritt S1 wird die
niedrige Spannung angelegt, desgleichen auch für die zweite Hälfte der Bestromungsdauer.
Der ersten Hälfte der Bestromungsdauer für den Schritt S2 ist ebenfalls die niedrige
Spannung 5 zugeordnet, jedoch wird während der zweiten Hälfte das Bestromungsmuster
mit der höheren Spannung 6 angelegt. Die Bestromungsdauer S3 setzt sich wieder aus
einer ersten Hälfte mit niedriger Spannung 5 und einer zweiten Hälfte mit höherer
Spannung 6 zusammen, während die Bestromungsdauer 4 nur die niedrige Spannung aufweist.
Der Bestromungsdauer 5 ist sowohl in der ersten Hälfte als auch in der zweiten Hälfte
die höhere Spannung 6 zugeordnet usw.. Es ist ersichtlich, daß sich auf diese Weise
in recht feiner Unterteilung eine Drehmomentsteuerung realisieren läßt, die den
Erfordernissen optimal angepaßt ist und ein Minimum an Erwärmung und Verlustleistung
aufweist.
-
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Bestromungsdauer eines
jeden Schrittes in drei Zeitabschnitte unterteilt. Dabei ist es bei der Erstellung
der Bestromungszeitentabelle 12 freigestellt, die Länge der drei Zeitabschnitte
eines jeden Schrittes zwischen Null und einer dem langsamsten Schritt entsprechenden
Dauer zu wählen, wobei natürlich die Summe der drei Zeitabschnitte jeweils s der
Gesamtbestromungsdauer des Schrittes entsprechen muß. Die Zuordnung der beiden Spannung
5, 6 unterschiedlicher Größe ist dabei grundsätzlich so vorgesehen, daß jeweils
dem zweiten, mittleren Zeitabschnitt die höhere Spannung 6, dem ersten und dritten
Zeitabschnitt aber die niedrige Spannung 5 zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme
läßt sich die starre Zuordnung der Spannungen zu den Schritten praktisch aufheben,
so daß sich Impulse mit höherer Spannung 6 mit dem Bedarf genau
entsprechender
zeitlicher Länge und zu genau richtigen Zeiten anlegen lassen. Die steuerungsmäßige
Realisierung kann dabei in ähnlicher Weise erfolgen wie zum Ausführungsbeispiel
der Figur 1 beschrieben, indem nämlich in der Bestromungszeitentabelle für die verschieden
großen Wege des Rotors unterschiedliche Zeitfolgen abgespeichert sind und für jeden
Rotorschritt drei Zeitabschnitte gespeichert sind. Bei dieser Lösung ist es jedoch
nicht erforderlich, den Zeitabschnitten Spannungsmerkmale in der Tabelle zuzuordnen,
weil immer während des mittleren Zeitabschnittes die höhere Spannung 6 und während
der beiden anderen Zeitabschnitte die niedrige Spannung 5 angelegt wird. Der Prozessor
10 würde dann für jeden auszuführenden Motorschritt nacheinander drei Zeiten aus
der Bestromungszeitentabelle 12 auslesen, für die erste Zeit ein Spannungssignal
für die niedrige Spannung 5 an die Ansteuerschaltung 3 ausgeben, für die zweite
Zeit ein Spannungssignal für die höhere Spannung 6 und für die dritte Zeit wieder
ein Spannungssignal für die niedrige Spannung 5. Jedoch würde nur jedes dritte Mal
ein Schrittbefehl ausgegeben und der Schrittzähler 11 sowie das Stellungsregister
9 nur jedes dritte Mal um "1" verändert werden.
-
Das Impulsdiagramm der Figur 3 zeigt die Auswirkung einer derartigen
Entkopplung der Spannungsimpulse von den Motorschritten, Die drei Zeitabschnitte
des Motorschrittes S1 sind ungefähr gleichlang, so daß nur im mittleren Drittel
des Motorschrittes die höhere Spannung 6 angelegt wird. Der erste Zeitabschnitt
des Motorschrittes S2 ist relativ groß, während der dritte Zeitabschnitt Null ist.
Daraus ergibt sich, daß nur am Ende des zweiten Motorschrittes ein relativ kurzer
Impuls höherer Spannung 6 angelegt wird. Die Motorschritte S3 und S4 zeigen wiederum
etwas andere Verteilungen ihrer Zeitabschnitte, während der Motorschritt S5 einen
ersten Zeitabschnitt der Größe Null aufweist so daß der Impuls höherer Spannung
6 am Anfang dieses Motorschrittes liegt. Es ist ersichtlich, daß durch diese Maßnahme
eine beliebige Anordnung und Verteilung der Impulse höherer Spannung möglich wird.
-
In einer noch weitergehenden Ausgestaltung der Erfindung ist es auch
denkbar, jeden Motorschritt in eine noch größere Anzahl an Zeitabschnitten zu unterteilen.
Dadurch ergäbe sich der Vorteil, daß die Beaufschlagung mit Impulsen höherer Spannung
- und damit die Drehmomentanpassung - auch während eines einzelnen Schrittes noch
feiner gesteuert werden kann.
-
- Leerseite -