CH628473A5 - Schaltungsanordnung zur rueckgewinnung von energie, die in den induktivitaeten abgeschalteter motorwicklungen eines schrittmotors gespeichert ist. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Schaltungsanordnung zur Rückgewinnung von Energie, die in den Induktivitäten abgeschalteter Motorwicklungen eines Schrittmotors gespeichert ist, wobei die Motorwicklungen mit ihrem einen Ende an verschiedenen, mit einem ersten Energiespeicher (100) in Verbindung stehenden Klemmen und mit ihrem anderen Ende an einem gemeinsamen, mit einem weiteren Energiespeicher (105) in Verbindung stehenden Wicklungssternpunkt angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch eine Vergleichsschaltung (101) steuerbarer Schalter (102) die Verbindung zwischen den beiden Energiespeichern (100, 105) herstellt, wenn der Energieinhalt des ersten Speichers (100) einen bestimmten Pegelwert übersteigt.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Rückgewinnung von Energie, die in den Induktivitäten abgeschalteter Motorwicklungen eines Schrittmotors gespeichert ist, wobei die Motorwicklungen mit ihrem einen Ende an verschiedenen, mit einem ersten Energiespeicher in Verbindung stehenden Klemmen und mit ihrem anderen Ende an einem gemeinsamen, mit einem weiteren Energiespeicher in Verbindung stehenden Wicklungssternpunkt angeschlossen sind.

Bekanntlich werden Schrittmotoren als Achsantriebe für Werkzeugmaschinen, Computer-Peripheriegeräte od. dgl. eingesetzt. Solche Schrittmotoren erfordern eine Schaltung, die einerseits den Strom in den einzelnen Motorwicklungen in vorgeschriebener Reihenfolge schnell auf den benötigten Wert ansteigen lässt und anderseits nach einer bestimmten vorgeschriebenen Zeit den Strom schnell wieder auf Null sinken lässt.

Zur Erfüllung dieser Erfordernisse kennt man folgende Schaltungen:

— R-L-Schaltung: In Serie mit der Motorwicklung wird ein ohmischer Widerstand geschaltet und diese Kombination wird an eine hohe Spannung gelegt.

Der Widerstand hat zweierlei Wirkung. Er begrenzt den Strom auf den benötigten Wert und sorgt gemäss dem Gesetz r = für eine kleine Motorzeitkonstante, was einen schnellen Stromanstieg ergibt. Um eine schnelle Stromabschaltung zu bekommen, wird auch im Freilaufkreis ein Widerstand oder eine Zenerdiode in Serie mit einer normalen Diode geschaltet. Diese Schaltung ist beschrieben im Buch «Das Schrittmotoren-Handbuch» der Firma Sigma Instruments, Europäisches Büro, Jahrgang 1973, Druckerei G. Schubert & Cie München 5, *266 233 auf den Seiten 46 und folgende. Die auf Seite 47 des erwähnten Buches beschriebenen Schaltungen b, c und d müssen hier nicht betrachtet werden, da sie Motoren voraussetzen, welche Zugang zu allen Wicklungsenden separat gestatten.

— Andere Schaltungen für Motoren mit Sternpunkt benützen das Chopperprinzip (beschrieben S. 58), verwenden aber im Freilaufkreis immer noch Vorwiderstände oder Zenerdio-den. Der Wirkungsgrad dieser Schaltungen ist natürlich tief, da der Motorstrom in den Vorwiderständen des Einschalt-und Freilaufkreises Verlustwärme erzeugt.

In der DE-OS 2 310 937 ist ein Energieabbausystem gezeigt, das aus Kondensatoren und Widerständen besteht und die Energie vernichtet.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Energie, die in den abgeschalteten Motorwicklungen eines Schrittschaltmotors vorhanden ist, nicht zu vernichten, sondern für einzuschaltende Motorwicklungen weiter zu verwenden.

Diese Aufgabe wird gemäss Definition des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung;

Fig. 2-10 die hauptsächlichsten Strom- und Spannungsformen, die an besonderen Punkten der Schaltung nach Fig. 1 auftreten.

In der Fig. 1 ist ein Schrittmotor mit einer Anzahl von Wicklungen 10a, 10b, 10c usw. dargestellt. Zu jeder Motorwicklung ist parallel ein Freilaufkreis vorgesehen, der aus einer Freilaufdiode 17a, 17b, 17c usw. besteht. Dieser Freilaufkreis wird durch einen Transistor 18a, 18b, 18c usw. in den Kreis der zugeordneten Motorwicklung ein- bzw. ausgeschaltet. Die Freilaufdiode 17a, 17b, 17c usw. ist so eingefügt, dass ihre Anode an einem Ende an der Motorwicklung und ihre Kathode am Verbindungspunkt zum Emitter des zugehörenden Transistors 18a, 18b, 18c usw. sowie an der Trenndiode 19a, 19b, 19c, 19d usw. angeschlossen ist. Die letztgenannten Dioden sind Trenndioden zwischen jedem Freilaufkreis und dem für alle Motorwicklungen und Freilaufkreise gemeinsamen Kondensator 100 einschliesslich Transistor 102. Der gemeinsame Stromkreis besteht ferner aus der Induktivität 103, der Freilaufdiode 104, dem Pufferkondensator 105 und aus dem Kom-parator 101. In der Fig. 1 besitzt jede Motorwicklung 10a 10b, 10c eine Stromreglerschaltung. Diese Stromreglerschaltung ist der Einfachheit halber nur für die Motorwicklung 10a dargestellt und enthält einen Komparator 16a, Transistor IIa, Widerstände 12a, 15a, Diode 13a und Kondensator 14a. Die Speisespannung für den Schrittmotor, d.h. für die Motorwicklungen, ist mit 106 bezeichnet. Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung der Fig. 1 gemeinsam anhand der Fig. 2—10 näher erläutert.

Es sei nun angenommen, dass eine elektronische Schaltung, welche nicht dargestellt ist und die zur eigentlichen Erfindung auch nicht gehört, auf der Leitung 20a ein statisches, logisches Steuersignal abgibt. In der Fig. 2 ist das Steuersignal 20 dargestellt. Wird das Steuersignal auf der Leitung 20a von seinem Wert «1» auf «0» geändert, so schliesst der Schalter 18a im Zeitpunkt tO. Hierdurch wird der spätere FIuss des Basisstroms 28a vorbereitet. Gleichzeitig wird dem Komparator 16a des Stromreglers der Stromsollwert 35 entsprechend dem Wert II vorgegeben. In diesem Zeitpunkt beginnt nun auch der Motorstrom 22a in der Wicklung 10a, dargestellt in Fig. 3, als Folge des nun fliessenden Basisstromes 21a von Null an zu steigen, bis der Messwiderstand 12a über die Diode 13a dem Komparator 16a meldet, dass der Stromistwert II zum Zeitpunkt tl dem Sollwert 35a entspricht. Nun wird zum Zeitpunkt tl der Basisstrom 21a unterbrochen, was den Kollektorstrom 23a, dargestellt in Fig. 4, sofort auf Null bringt. Der Motorstrom 22a nimmt nun als Folge der in der Motroinduktivität IOaL gespeicherten Energie seinen Weg über die Diode 17a und den geschlossenen elektronischen Schalter 18a, dessen Strom 24a in Fig. 5 dargestellt ist, wobei er ausser der Spannung am ohm-schen Innenwiderstand lOaR nur noch einen Dioden- sowie einen Kollektor-Emitter-Spannungsabfall am gesättigten Transistor oder Darlingtontransistor 18a entwickeln muss. Infolge dieser kleinen Zusatzverluste der Freilaufdiode 17a und des Transistors 18a wird der Strom in der Motorwicklung 10a nur langsam, etwa entsprechend der Motorzeitkonstante TMot

(TMot = ) abnehmen bis auf den Wert 12 im Zeit punkt t2 (Fig. 3). Im Zeitintervall tl, t2 fliesst auch der Basisstrom 28a, der das logische Signal 20a nicht beeinflusst.

Die zum Zeitpunkt tl des Ausschaltens von Schalter 1 la am Kondensator 14a anliegende Spannung nimmt ebenfalls ab gemäss der elektrischen Zeitkonstante TMess (TMess = C

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(14a)-R (15a- 12a)) des RC-Kreises 12a, 15a, 14a, die der Motorzeitkonstante TMot bei geschlossenem Schalter 18a entspricht. Wenn nun die Kondensatorspannung am Kondensator 14a eine durch die einstellbare Hysterese des Komparators 16a gegebene untere Grenze zum Zeitpunkt t2 erreicht, so wird der Basisstrom 21a wieder eingeschaltet und somit der Schalter IIa wieder geschlossen, so dass die Speisespannungsquelle 106 vom Werte Uo den Motorstrom wieder erhöht, bis der dem Sollwert 35a entsprechende Istwert II wieder erreicht ist. Die Vorgänge entsprechend Zeitpunkt tl und t2 wiederholen sich nun solange, wie das Steuersignal 20 seinen Wert Null behält.

Wenn nun das logische Steuersignal 20 im Zeitpunkt t3 seinen Wert von Null auf Eins ändert, so werden sowohl der Basisstrom 28a für Schalter 18a unterbrochen, was letzteren öffnet, als auch der Stromsollwert 35a am Komparator 16a auf Null gesetzt, was den Basisstrom 21a ebenfalls unterbricht und Schalter IIa öffnet. Der Motorstrom 22a fliesst nun bis zum Zeitpunkt t4 über die Diode 17a zu Diode 19a, deren Strom 25 in Fig. 6 dargestellt ist, und von dort in den Kondensator 100, dessen Strom 26 in Fig. 7 gezeigt ist. Der Stromkreis schliesst sich über die Speisespannungsquelle 106. Die im Zeitintervall t3, t4 der Motorinduktivität entzogene Energie gelangt zum grössten Teil auf den für alle Wicklungen gemeinsamen Kondensator 100, wodurch natürlich seine Spannung UC, dargestellt in Fig. 8, angehoben wird.

Überschreitet nun die Kondensatorspannung UC im Zeitpunkt t4 den durch die Referenz 111 dem Komparator 101 vorgegebenen Wert, so wird der Schalter 102 mittels des durch den Komparator 101 gezogenen Basisstromes 34 geschlossen. Der Motorstrom 22a teilt sich nun auf und fliesst einerseits (Fig. 7) weiter in abnehmender Weise bis zum Zeitpunkt t5 über die Elemente 100, 106, 10a, 17a, 19a, anderseits in von Null aus zunehmender Weise bis zum Zeitpunkt t5 als Strom 32 und 27 gemäss Fig. 9 und 10 über die Elemente 102, 103, 10a, 17a, 19a. Im Zeitpunkt t5 ist der Motorstrom 22a auf den Wert 15 gesunken und der Strom 27 in der Drossel 103 auf den Wert 15 gestiegen. Das bedeutet, dass in diesem Augenblick der Strom 26 des Kondensators 100 auf Null gesunken und somit sein Spannungsmaximum Uc max erreicht ist.

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Die vom Zeitpunkt t5 an wieder sinkende Spannung Uc am Kondensator 100 lässt den Strom 27 in der Induktivität 103 weiterhin ansteigen, wobei ein wachsender Anteil des Stromes 32 infolge der hohen Spannung und des rasch sinkenden Motorstromes aus der Kapazität 100 kommt. Die im Zeitintervall t5, t6 dem Kondensator 100 entzogene Energie

■y" C • (Uc2max-U62) wird praktisch vollständig über den

Kreis der Elemente 100, 102, 103 in den Pufferkondensator 105 zurückgeführt. Zum Zeitpunkt t6 ist der Motorstrom in der Wicklung 10a auf Null gesunken, was bedeutet, dass ab diesem Zeitpunkt der grosse in der Induktivität 103 fliessende Strom in den Pufferkondensator 105 zurückfliesst. Die Spannung Uc am Kondensator 100 hat im Zeitintervall t6, t7 noch einen Wert, der grösser ist als der durch die Hysterese und die Referenz 111 gegebene Wert am Komparator 101. Dadurch steigt der Strom 27 in der Induktivität 103 weiter an bis zum Wert 17 im Zeitpunkt t7 (Fig. 9,10), zu welchem der Schalter 102 mittels des Komparators 101 wieder geöffnet wird. Der zum Zeitpunkt t7 in der Induktivität 103 fliessende Strom 17 nimmt nun seinen Weg über den Pufferkondensator 105 und die Diode 104. Der linear abnehmende Strom 27 und 28 überführt die im Zeitpunkt t7 in der Induktivität 103 gespeicherte Energie bis zum Zeitpunkt t8 praktisch vollständig in den Pufferkondensator 105.

Der Wert der Induktivität 103 sollte mindestens jenen der Motorwicklung 10a erreichen, um eine Abschaltfunktion wie oben beschrieben zu erhalten. Die Wirkungsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wurde anhand der einen Motorwicklung 10a beschrieben. Selbstverständlich können durch die nicht gezeigte elektronische Schaltung die logischen Steuersignale 20b, 20c usw. in entsprechender Weise vom Wert «1» auf den Wert «0» geändert werden, so wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Ströme in den Motorwicklungen 10a, 10b, 20c usw. können in beliebiger zeitlicher Reihenfolge und Frequenz abgeschaltet werden, solange nur gewährleistet ist, dass die notwendige Spannungsfestigkeit der elektronischen Schalter erhalten bleibt und die Induktivität 103 nicht in den Bereich der Sättigung gelangt.

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2 Blatt Zeichnungen