DD139966A3 - Schaltungsanordnung fuer die vereinfachte bipolare schrittmotoransteuerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die bipolare Ansteuerung von Schritt motoren, insbesondere für kleine, einfache Antriebe. Ziel der Erfindung ist es, eine im Aufbau einfache Schrittmotoransteuerung zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt und geringe Eigenerwärmung des Motors hervorruft. Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, aufwendige Zusatzeinrichtungen für die Erzeugung des mittleren Haltestromes und damit der Erwärmungsbegrenzung bei der bipolaren MotoranSteuerung zu vermeiden. Erfindungsgemäß liegt bei einer bipolaren Schrittmotoransteuerung mit Transistorbrücke die eine Seite der Statorspule direkt an einer Seite der Transistorbrücke und die andere Seite der Statorspule über einen Vorwiderstand und einen Kondensator, die parallel liegen, an der anderen Seite der Transistorbrücke. Der Kreis, indem die Statorspule und der Kondensator liegen, ist als Reihenresonanzkreis ausgebildet. Die Erfindung kann besonders für Positionier- und Antriebsaufgaben in kleineren batteriebetriebenen Geräten verwendet v/erden -

Description

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Schaltungsanordnung für die vereinfachte bipolare Schrittmptoransteuerung .

.Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die vereinfachte bipolare Schrittmotoransteuerung mit verbessertem Wirkungsgrad bei eingeengtem Schrittfrequenzbereich und ist vor allem für . Positionier- und Antriebsaufgaben auch in kleineren batteriebetriebenen Geräten geeignet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Wenn ein Schrittmotor optimal genutzt werden soll, ist er vorzugsweise bipolar zu betreiben; denn bei Unipolarbetrieb ist in jedem Statorpaket eine der beiden Wicklungen abwechselnd abgeschaltet. Um seine Erwärmung zu begrenzen, läßt man während der Stillstandszeiten einen geringeren Strom, den Haltestrom, fließen. Dieser Haltestrom bestimmt die Größe des Bremsmoments und ist bei Unipolarmotoren unkompliziert auf seinen Wert abzusenken.

Bei einem Bipolarmotor wird statt des abwechselnden Betriebes von Spulenhälften zur Feldumpolung der Strom durch die ganze Spule umgeschaltet. Die volle Nutzung des V/ickelraumes bringt eine Verdopplung des V/irkungsgrades. Zur Ansteuerung wird vorzugsweise für jede Statorspule eine Transistorbrückenschaltung verwendet, jedoch bereitet die Stromverringerung in den Still~ Standsseiten erhebliche Schwierigkeiten und zwingt zu Sondermaßnahmen. So werden z. B. zu jeder Transistorbrücke zusätzlich eine Strombegrenzerschaltung mit großer Hysterese und zwei von ihr gesteuerte Torschaltungen angeordnet. Ein in die

Stromzuführung zur Transistorbrücke eingefügter Meßwiderstand steuert die Begrenzerschaltung dergestalt, daß bei Erreichen des Maximalstromes durch die Torschaltungen die beiden unteren Schalttransistoren der Transistorbrücke gesperrt werden. Durch diese Zusatzanordnung wird erreicht, daß für beide Stromflußrichtungen einer Brücke der Strom periodisch zwischen Maximal- und Minimalwert pendelt, wo- ' durch der steile hohe Stromanstieg erhalten bleibt, jedoch der für die zulässige Erwärmung maßgebende mittlere Stromwert nicht überschritten wird. Mit dieser Anordnung lassen sich Hochgeschwindigkeitsansteuerungen erreichen. Jedoch ist ihr Gesamtwirkungsgrad sehr gering. "Derartige Ansteuerschaltungen werden serienmäßig, passend zum Motortyp geliefert. (Vctlvo-Handbuch, Motoren 1974 S. 137)

Ziel der Erfindung _t

Ziel der Erfindung ist es, für konstante Schrittgeschwindigkeiten eine im Aufbau einfache Schrittmotoransteuerung zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt und geringe Eigenerwärmung des Motors hervorruft. Sie soll auch in batteriebetriebenen ortsveränderlichen Meß- oder Abtastgeräten verwendet werden können..

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei de.r bipolaren Motoransteuerung mit geeignetem Frequenzbereich aufwendige Zusatzeinrichtungen für die Erzeugung des mittleren Haltestromes und damit der Erwärmungsbegrenzung zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß jede Statorspule nur einseitig direkt an der zugeordneten Transistorbrücke liegt, daß zur gleichstromfreien Zuführung der Schrittleistung ein Kondensator und zur Zuführung des Haltestromes ein Vorwiderstand an der. Statorspule angeordnet ist und daß der Kondensator mit der Statorspule als Reihenresonanzkreis aufgebaut ist.

Mit· dieser Anordnung wird erreicht, daß sich im Ein- oder Umschaltmoment die Abschaltspannung der Statorspule fast frei ausbilden kann und daß sie sich, da ihre Polarität der

neu angelegten Spannung gleich ist, addiert und dadurch ein sehr steiler, zusammen mit dem Entladestrom des gleichzeitig umgepolten Kondensators durch Eigenresonanz verlängerter Spulenstromanstieg mit anschließendem verrundetem Scheitelwert entsteht. Es wird also die im Umschaltmoment an der Spule entstehende Abschaltspannung genutzt, die bisher durch Dioden vernichtet wurde.

Es ist zweckmäßig, den Reihenresonanzkreis so aufzubauen, daß die Reihenresonanz bei einer Frequenz von ca. 0,35 x Schrittfrequenz auftritt. Durch diese Frequenzwahl wird erreicht, daß die Stromüberhöhung der entstehenden Halbwelle ihr Maximum kurz vor Ende eines Schrittes hat..

Ausführungsbeispie1

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispxel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung

Fig. 2 a - 2 c Spannungs- bzw. Stromverläufe an verschiedenen Meßpunkten

Fig. 3 , Die Abhängigkeit des maximalen Dreh

moments von der Schrittfrequenz

Ein Anschluß der Statorspule 1 eines Schrittmotors liegt direkt an einem Zweig 2,3 einer Transistorbrücke, während der andere Anschluß für die Zuführung des Haltestromes über einen Vorwiderstand 6 mit dem anderen Zweig 4,5 der Transistorbrücke verbunden ist.

Über einen zweiten parallelen Weg zum Yorwiderstand 6 wird die Schrittleistung gleichstromfrei über einen Kondensator der Statorspule 1 zugeführt.

Die Kapazität des Kondensators 7 wird so bemessen, daß sie mit der Induktivität der Statorspule 1 Reihenresonanz für eine Frequenz von ca« 0,35 x Schrittfrequenz ergibt. Durch diese Frequenzwahl wird erreicht, daß die Stromerhöhung der bei einem Schritt entstehenden Halbwelle ihr Maximum kurz vor Beginn des nächsten Schrittes hat. Dieser wird durch Umpien der anderen Statorspule eingeleitet, wobei während dieses nächsten Schrittes der Strom des vorhergehenden Schrittes auf

den Haltewert absinkt. Im Haltezustand wird die Betriebsspannung durch, den Vorwiderstand 6 aufgeteilt, wobei an der Statorspule ca. die Hälfte der Spannung wie am Vorwiderstand anliegt. Der Kondensator 7 wird ebenfalls auf die am Vorwiderstand liegende Spannung aufgeladen.

Wird nun umgepolt, so bricht das Spulenfeld zusammen und die dadurch entstehende Abschaltspannung besitzt bereits die Polarität der neu angelegten Spannung, so daß sie sich ihr addiert. Zusammen mit dem Entladestrom des gleichzeitig umgepolten Kondensators 7 entsteht ein steiler Stromanstieg der dann in die Sinushalbwelle der Eigenresonanz übergeht. Die AbschaItspannung der Statorspule wurde bisher bei jeder Schrittmotoransteuerung durch eine Diode abgefangen, obwohl sie - wie dieses Beispiel zeigt - von großem Nutzen sein kann. Bei der vorliegenden Schaltungsanordnung dienen die Dioden 8, 9» 10, 11 nur noch dem Schutz der Transistoren.

In Fig. 2 a sind die Schaltspannungen der Transistorbrücken dargestellt. Die Fig. 2 b zeigt den annähernden Verlauf der Spulenspannung mit (durchgezogene Linie) und ohne Kondensator 7 (gestrichelte Kurve). In Fig. 2 c ist der Spulenstrom dargestellt.

In Fig. 3 stellt die Kurve a die Abhängigkeit des Drehmomentes von der Schrittfrequenz unter Verwendung des Kondensators 7 dar. Die Kurve b stellt diese Abhängigkeit ohne Verwendung des Kondensators 7 dar. Aus der Kurve a ist ersichtlich, daß in diesem Beispiel für die Errechnung der Resonanzfrequenz die dem maximalen Drehmoment entsprechende·Schrittfrequenz von 200 Hz erforderlich ist. Es können jedoch auch darunter liegende Frequenzen bis hinab zum Einzelschritt zum Antrieb verwendet werden, wobei <&nn allerdings das Drehmoment vermindert ist. Durch Verändern des Vorwiderstandes 6, der Kapazität des Kondensators 7 oder der Induktivität der Statorspule 1 kann der Schrittmotor somit im Rahmen seiner technischen Parameter den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.

Claims (2)

1. I *

   Erfindungsanspruch:

   1. Schaltungsanordnung für die vereinfachte bipolare Schrittmotoransteuerung unter Verwendung einer Transistorbrückenschaltung zur Ansteuerung des Schrittmotors, gekennzeichnet dadurch, daß eine Seite der Statorspule (1) direkt an einem Zweig (2,3) der Transistorbrücke liegt, daß die andere Seite der Statorspule (1) über einen Vorwiderstand (6) und einen parallel liegenden Kondensator (7) mit dem anderen Zweig der Transistorbrücke verbunden ist und daß der Kondensator (7) mit der Statorspule (1) als Reihenresonanzkreis aufgebaut ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Reihenresonanzkreis für eine Frequenz von 0,35 der Schrittfrequenz aufgebaut ist.

   flierzu.ji .„Seiten Zeichnungen