DE3879040T2 - Methode und einrichtung zur steuerung eines schrittmotors mit mehreren spannungen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern elektrischer Schrittmotoren mit mehreren Spannungen. Verschiedene Spannungen werden zu verschiedenen Zeiten der Ansteuerphase angelegt, um die Leistung und das abgegebene Drehmoment zu maximieren und die Motorwicklungen noch vor Beschädigung zu schützen, die sich aus übermäßigem Strom und aufgebauter Wärme ergeben könnte.
• Schrittmotoren sind Motoren, deren normaler Betrieb aus diskreten Drehbewegungen oder -schritten der Ausgangswelle besteht. Die physische Anordnung und Anzahl von Statorzähnen und Rotorzähnen bestimmt die Anzahl der Grade der Ausgangswellendrehung pro Schritt. Jeder Drehschritt ist von im wesentlichen gleicher Größe, d. h. der gleichen Anzahl von Winkelgraden, im Gegensatz zum kontinuierlichen Drehen, das ein Merkmal eines Motors mit kontinuierlicher Nutzleistung ist. Richtig angetrieben, kann ein Schrittmotor auch mit verschiedenen Geschwindigkeiten und unterschiedlichen Ausgangs-Drehmomenten arbeiten. Und da er anstelle einer kontinuierlichen Bewegung durch festgelegte Winkelinkremente gekennzeichnet ist, kann ein Schrittmotor zu einer speziellen Stellung vorwärtsbewegt und magnetisch exakt an dem Punkt, zu dem er bewegt wird, verriegelt werden. Daher können Schrittmotoren als Wandler zum Umwandeln digitaler elektrischer Signale von einem Mikropozessor oder Digitalrechner in mechanische Bewegung wirken.
• Jedes digitale Eingangssignal, das den Schrittmotor erregt, bewirkt typischerweise ein Fortschreiten um einen präzisen Schritt oder Winkel einer Bewegung. Eine Steuerung für einen Schrittmotor erzeugt zur geeigneten Zeit die digitalen Anregungsimpulse einer vorbestimmten Frequenz, Dauer und Amplitude, um den gewünschten Ausgang zu erreichen. Diese Impulse werden an jede Schittmotorwicklung mit einer bestimmten Energie während der Ansteuerphase angelegt und erregen diese, um die gewünschte Start-, Dreh- und Stoppbewegung zu erhalten. Typischerweise wird ein Spannungsimpuls an die Motorwicklung für die vorbestimmte Zeit angelegt, um einen Strom durch die Wicklung zu schicken. Die resultierenden magnetomotorischen Kräfte bewirken, daß der Rotor sich dreht, und der Motor erzeugt eine Gegen-EMK, wenn die Welle sich zu drehen beginnt.
• Eine Schrittmotorwicklung ist eine typische induktive Last, die als eine Serienschaltung von Induktivität und Widerstand erscheint. So steigt, wenn eine Spannung an die Motorwicklung angelegt wird, der Strom exponentielle mit der Zeitkonstante von L/R (Induktivität/Widerstand) Sekunden an. Die Alltagserfahrung lehrt, daß der Wicklungsstrom so schnell wie möglich ansteigen sollte, wenn die Motorwicklung während einer Ansteuerphase erstmalig erregt wird. Dies erhöht und verbessert beduetend die Geschwindigkeits-, Leistungs- und Ausgangsdrehmomentcharakteristiken des Motors. Und da der Stromanstieg für eine typische induktive Last direkt proportional zur angelegten Spannung ist, wird eine höhere als die Nennspannung an eine Wicklung angelegt, wenn sie während jeder Ansteuerphase oder jedem Schritt erstmalig erregt wird. Jedoch muß der statische Strom unterhalb eines bestimmten Niveaus gehalten werden, um eine Beschädigung des Motors zu verhindern, so daß die Spannung typischerweise nach einer bestimmten Zeitspanne verringert wird. Im Dokument WO-A- 8500708 wird ein Verfahren zum Ansteuern eines Schrittmotors beschrieben. Dieses Verfahren enthält ein Verändern der Breite der Ansteuerimpulse auf hohem Pegel eines 2-Pegel-Ansteuersystems aufgrund der durch den Schrittmotor zu erreichenden gewünschten Geschwindigkeit. Nach Anlegen einer hohen Spannung an den Schrittmotor wird die hohe Spannung ausgeschaltet, worauf die Eingabe einer niedrigen Spannung gleichzeitig mit dem Schaltvorgang folgt. Dieses Verfahren vermeidet größere Motorprobleme (Überschießen und Schwingungen) bei niedrigen Geschwindigkeiten.
• Der Stand der Technik offenbart zahlreiche 2-Spannungs-Ansteuerungen, die eine hohe Spannung zum Aufbau eines Stromes in den Wicklungen nutzen und dann auf eine niedrigere Spannung schalten, um entweder den Stromfluß zu verringern oder einen minimalen Stromfluß aufrechtzuerhalten. Dies reduziert den Leistungsverbrauch der Schaltung und verbessert die Leistungsfähigkeit. Eine solche Ansteuerung wird oftmals bei "Bewegen-und-Halten"- Anwendungen verwendet, wo ein schneller Anstieg auf einen hohen Strom notwendig ist, um die Welle zu drehen, aber ein kleiner Strom ausreichend ist, um sie in ihrer Stellung zu halten. Infolge der zunehmenden Komplexität und Verfeinerung von Schrittmotor-Ansteuerschaltungen und der extremen Kosten und Schwierigkeiten, die mit einem umfassenden Austausch der schon an Ort und Stelle befindlichen Hardware verbunden sind, ist es wünschenswert, die Schrittmotor-Leistungsfähigkeit mit minimalen Veränderungen an bestehenden Ansteuerschaltungen zu verbessern.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit mehreren Spannungen bereitzustellen, die die Drehmomentabgabe ohne Erhöhung der an die Schrittmotorwicklungen angelegten Spannungen erhöht (dies erlaubt einen stabilen Motorbetrieb unter Verwendung niedriger Versorgungsspannungen) und das eine verbesserte Ausgangsleistung durch Verändern des zeitlichen Ablaufs der Errregung der Motorwicklungen liefert.
• Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1, 10 und 13 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile und Merkmale ist der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen Beachtung zu schenken.
• Die Figuren 1A, 1B und 1D stellen die Pegel der logischen Signale in Abhängigkeit von der Zeit dar, die an eine 2-Spannungs- oder Sockel-Ansteuerschaltung für einen Schrittmotor, wie er in Figur 2 dargestellt ist, entsprechend der vorliegenden Erfindung angelegt werden.
• Figur 1C stellt die Pegel der logischen Signale des Standes der Technik dar, die Figur 1D entsprechen.
• Figur 1E stellt die Summe der Stromflüsse in Abhängigkeit von der Zeit in den Motorwicklungen bei Verwendung der logischen Signale der Figuren 1A, 1B und 1D dar.
• Figur 1F stellt die an eine Motorwicklung angelegten Spannungen in der Phase B in Abhängigkeit von der Zeit bei Verwendung der logischen Signale der Figuren 1A, 1B und 1D dar.
• Figur 2 ist ein elektrisches Schaltbild, das eine grundlegende 2-Spannungs- oder Sockel-Ansteuerschaltung für einen Schrittmotor darstellt.
• Figur 3 ist ein Blockschaltbild, das eine grundlegende 2-Spannungs- oder Sockel-Ansteuerschaltung für einen Schrittmotor darstellt.
• Die Figuren 1A, 1B und 1D stellen die digitalen logischen Signale dar, die an die Eingänge einer 2-Spannungs- oder Sockel- Ansteuerschaltung für einen Schrittmotor, wie er in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, angelegt werden. Die Schaltung legt eine niedrige Spannung VL oder eine hohe Spannung VH an die Wicklungen eines Schrittmotors in einer zeitlich gesteuerten Folge an, um die gewünschte Schritt-Drehung zu erreichen. Solche Schaltungen sind weit verbreitet und bekannt.
• Eine Motoransteuerung 14 nimmt Energie und logische Signale auf, um sequentiell einen Schrittmotor, wie in Figur 3 gezeigt, zu speisen. Eine Stromversorgung oder externe Stromquelle 15 liefert eine niedrige Spannung VL und eine hohe Spannung VH. Ein Mikroprozessor 16 erzeugt die logischen Signale PHASE A, PHASE B und PED in Reaktion auf im Speicher 17 gespeicherte Befehle oder ein anderes Signal. Diese logischen Signale betätigen Schaltelemente in der Motoransteuerung, die selektiv die hohe und niedrige Spannung durchschalten und sie an die Wicklungen des Schrittmotors 18, die mit A, , B und dargestellt sind, anlegen. Eine typische Schaltung für eine Motoransteuerung und einen Motor ist in Figur 2 dargestellt.
• Die niedrige Spannung VL ist zum selektiven Anlegen an alle vier Motorwicklungen A, , B, verfügbar. Der Stromfluß von VL ist durch den Widerstand 2 begrenzt. VL wird durch das Anlegen der logischen Signale der Figuren 1A und 1B an den PHASE-A-Eingang und PHASE-B-Eingang sequentiell an ausgewählte Motorwicklungen durchgeschaltet. Das logische Signal PHASE A steuert direkt den Transistorschalter 3 an und wird in ANOT invertiert, um den Transistorschalter 4 anzusteuern. Desgleichen steuert das logische Signal PHASE B direkt den Transistorschalter 5 an und wird in BNOT invertiert, um den Transistorschalter 6 anzusteuern.
• Die hohe Spannung VH wird auch selektiv an die Motorwicklungen A, , B, angelegt. VH wird nacheinander durch Anlegen logischer Signale an den PHASE-A-Eingang und PHASE-B-Eingang und an den PED-Eingang an ausgewählte Motorwicklungen durchgeschaltet. Die logischen Signale PHASE A und PHASE B steuern direkt oder indirekt die Transistorschalter 3-6 an, wie oben beschrieben, und das logische Signal PED steuert direkt den Transistorschalter 7 an. Beim Stand der Technik wurde VH angelegt, wenn die Wicklung anfänglich erregt wurde, und würde für eine vorbestimmte Zeitspanne andauern. Siehe die gestrichelte Linie 10, die die Figuren 1A und 1C verbindet, die widerspiegelt, daß, wenn die Wicklung A anfänglich erregt wird, sie mit der hohen Spannung für eine vorbestimmte Zeitspanne, die durch die Dauer des PED-Impulses festgelegt ist, erregt wird, worauf die Anlegung einer niedrigeren Spannung VL von dem Zeitpunkt ab folgt, an dem der PED-Impuls endet (d. h. auf niedrig oder logisch 0 geht), bis entweder ein darauffolgender PED-Impuls angelegt wird, oder das Signal PHASE A endet. Dies bewirkte eine hohe Geschwindigkeit des anfänglichen Stromanstieges, begrenzte ihn aber später, um den Motor zu schützen. Jede Wicklung würde nachfolgend nach dem gleichen "VH-dann-VL"-Muster erregt, bis eine ausreichende Drehung erfolgt wäre.
• Die Erfindung betrachtet den Vorteil der Nutzung der gleichen Ansteuerschaltung, aber sie legt die Erregung mit der hohen Spannung zu einem anderen Zeitpunkt an, nämlich unmittelbar vor dem Zeitpunkt, zu dem die Wicklung stromlos gemacht oder die Phase geändert wird. Unter erneuter Bezugnahme auf Figur 2 geht das logische Signal für die Phase B, wenn die Motorwicklung B für eine Antriebsphase zu erregen ist, als erste Anregung 19 auf "hoch", wie in Figur 1B mit der gestrichelten Linie 11 dargestellt. Jedoch ist das logische Signal PED "niedrig", wie in Figur 1D bei der gestrichelten Linie 11 gezeigt, so daß die an die Wicklung B angelegte Spannung anfangs eine niedrige Spannung anstelle einer hohen Spannung, wie vom Stand der Technik gelehrt, ist. Unmittelbar vor dem Zeitpunkt, zu dem die Wicklung B am Ende einer Ansteuerphase stromlos gemacht wird, wird für die zweite Anregung 20 eine höhere Spannung als die erste Spannung während derselben Ansteuerphase an die Wicklung B angelegt, wie in Figur 1D an der gestrichelten Linie 12 dargestellt. Diese Folge wird für jede Ansteuerphase fortgesetzt, wie dargestellt.
• Die 2-Pegel-Sockelspannungen, die in Abhängigkeit von der Zeit an die Wicklung B angelegt werden, sind in Figur 1F dargestellt, und der entsprechende Stromfluß ist in Figur 1E dargestellt. Die Zeitfolge und die Impulsformen für die logischen Signale oder Spannungsanregungen können variiert werden, um den Motor-Ausgang für eine spezielle Anwendung zu optimieren. Beispielsweise ist die Dauer der VL- und Vh-Anregungen als allgemein gleich dargestellt, obwohl sie sich unterscheiden können. Ähnlich können die während jeder Anregung angelegten Spannungen andere als gestufte Spannungen sein, etwa Sägezahn- oder H-Gestalt oder eine andere Wellenform haben, vorausgesetzt, daß die zweite oder letzte Anregung in der Ansteuerphase unmittelbar vor dem Zeitpunkt, zu dem die Wicklung stromlos gemacht wird, eine höhere Spannung als die erste Anregung hat. Die Impulsgestaltung kann beim Ausschließen unerwünschter Effekte von Wirbelströmen - mikroskopisch zirkulierenden Strömen, die im leitenden Kern einer Spule induziert werden-, des Widerstandes, von Veränderungen der Impedanz mit der Temperatur und von Veränderungen der Wicklungs- Induktivität als Funktion der Frequenz, der Temperatur oder des Stromes helfen.
• Testdaten heben ein klares ansteigen des Drehmoments durch Veränderung der Zeitfolge der Anregung mit der hohen Spannung entsprechend der Erfindung ergeben. Hohe Spannung Impulsbreite (us) Stand der Technik Impulszeitfolge Erfindung/Neue Impulszeitfolge
• Es ist nicht gang klar, warum diese Zeitverschiebung der Anlegung der hohen Spannung die verbesserten Ergebnisse liefert, aber es ist anzunehmen, daß das Anlegen der Anregung mit hoher Spannung unmittelbar vor dem Zietpunkt, zu dem die Wicklung stromlos gemacht wird, am wirksamsten die entgegengerichtete EMK des Motors überwindet.
• Obgleich die Erfindung in Verbindung mit einem bevorzugten Verfahren und einer bevorzugten Vorrichtung beschrieben wurde, ist zu verstehen, daß dies die Absicht hat, die bevorzugte Ausführungsform darzustellen und die Erfindung nicht einzuschränken. Es ist beabsichtigt, daß alle Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente in den Bereich der Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist, eingeschlossen sind.

Claims (14)

1. Verfahren zum Ansteuern eines Schrittmotors mit mehrfachen Anregungen, wobei das Verfahren das Anlegen einer ersten Anregung (VL) an eine Motorwicklung während jeder Schrittansteuerphase und

das nachfolgende Anlegen einer zweiten Anregung (VH) mit einer gegenüber der ersten Anregung höheren Spannung an dieselbe Motorwicklung während derselben Schrittansteuerphase und mindestens unmittelbar vor dem Zeitpunkt, zu dem die Wicklung am Ende der Schrittansteuerphase stromlos gemacht wird, aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Anlegens einer ersten anregung (VL) das Anlegen der ersten Anregung, wenn die Wicklung anfänglich erregt wird, aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Anlegens einer ersten Anregung (VL) das Anlegen der ersten Anregung an eine Motorwicklung für eine vorbestimmte Zeitspanne aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Anlegens einer ersten Anregung (VL) das Anlegen mehrerer Spannungen aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Anlegens einer ersten Anregung (VL) das Anlegen mindestens eines Impulses mit einer vorbestimmten Spannung und Dauer aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des nachfolgenden Anlegens einer zweiten Anregung (VH) das Anlegen einer zweiten Anregung nach Beendigung der ersten Anregung aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Anlegens einer ersten Anregung (VL) das Anlegen der ersten Anregung, wenn die Wicklung anfänglich erregt wird, und für eine vorbestimmte Zeitspanne danach aufweist, und der Schritt des nachfolgenden Anlegens einer zweiten Anregung (VH) das Anlegen einer zweiten Anregung nach Beendigung der ersten Anregung aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des nachfolgenden Anlegens einer zweiten Anregung (VH) das Anlegen mindestens eines Impulses mit einer vorbestimmten Spannung aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schritte des Anlegens erster (VL) und zweiter Anregungen (VH) das Anlegen der ersten und zweiten Anregungen während jeder Ansteuerphase aufweisen.

10. Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors mit einer Mehrzahl von Anregungen, wobei das Verfahren das Anlegen einer Anregung mit höherer Spannung (VH) an die Motorwicklung während jeder Schrittansteuerphase unmittelbar vor dem Zeitpunkt, zu dem die Wicklung am Ende der Schrittansteuerphase stromlos gemacht wird, aufweist, wobei die Anregung mit höherer Spannung mit einer gegenüber der unmittelbar vorhergehenden, an die Motorwicklung während derselben Schrittansteuerphase angelegten Spannung (VL) höheren Spannung erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Anlegens einer Anregung mit höherer Spannung (VH) das Anlegen eines elektrischen Impulses mit höherer Spannung aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Anlegens einer Anregung mit höherer Spannung (VH) das Anlegen der Anregung mit höherer Spannung während jeder Schrittansteuerphase aufweist.

13. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Mehrwicklungs-Schrittmotors mit mehrfachen Anregungen, wobei die Vorrichtung

eine Quelle hoher Spannung,

eine Quelle niedriger Spannung,

eine Schalteinrichtung (Fig. 2) zum wahlweisen Anlegen der hohen und niedrigen Spannung an ausgewählte Schrittmotorwicklungen in Reaktion auf Steuersignale und

eine Steuereinrichtung zum Anlegen einer vorbestimmmten, zeitlich gesteuerten Folge von Steuersignalen (Fig. 1A, 1B, D) an die Schalteinrichtung aufweist, wobei die Schalteinrichtung während jeder Schrittansteuerphase eine Anregung niedriger Spannung an eine ausgewählte Schrittmotorwicklung anlegt und nachfolgend eine Anregung mit hoher Spannung während derselben Schrittansteuerphase an dieselbe Motorwicklung mindestens unmittelbar vor dem Zeitpunkt, zu dem die Wicklung am Ende der Ansteuerphase stromlos gemacht wird, anlegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Steuereinrichtung eine Einrichtung zum Veranlassen der Schalteinrichtung zum Anlegen einer Anregung niedriger Spannung für eine vorbestimmte Zeit und einer Anregung hoher Spannung nach Beendigung der Anregung niedriger Spannung aufweist.