DE10006648A1

DE10006648A1 - Verfahren und Gerät zum Erfassen des Lastmoments und zum Bestimmen der Optimierung des Treiberstroms eines Motors

Info

Publication number: DE10006648A1
Application number: DE10006648A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Someya
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2000-08-31
Also published as: JP4498518B2; US6150788A; JP2000236696A

Abstract

Die Spannung an einem Knoten zwischen einem Paar in der Reihe verbundener Windungen eines synchronen Motors oder Schrittmotors wird während des Betriebs ausgelesen, um so Übergangsspannungsbereiche zu erfassen. Deren Dauer weist auf das Lastmoment auf den Motor hin, und sie wird als Grundlage zum Steuern der Amplitude des antreibenden Stroms verwendet, um so eine vergrößerte Wirksamkeit des Energieeinsatzes zu erzielen. Gewöhnlicherweise wird ein optimaler Wert für die Dauer des Übergangsbereichs als Ziel aufgestellt, und die Einstellungen erfolgen so, daß nachfolgend erfaßte Knotenspannungswerte in Übereinstimmung mit denen des Ziels sind.

Description

Hintergrund der Erfindung

Herkömmliche Servomotorsysteme verwenden üblicherweise Stel lungsdetektoren, um das Bereitstellen der wirksamsten Stel lungsbefehle zum Antreiben des Motors und somit das Maximie ren der Betriebswirksamkeit zu ermöglichen. Der Einbau einer solchen Vorrichtung trägt jedoch wesentlich zu den Kosten und zur Komplexität des Motorsystems bei und erhöht auch die Schwierigkeit, es mit hohem Wirkungsgrad zu benutzen.

Schrittmotorsysteme gewährleisten als solche eine hohe Lei stungsfähigkeit bei der Positionierung und weitere vorteil hafte Eigenschaften; da keine Vorrichtung zum Erfassen der Stellung benötigt wird, vermeiden sie die damit verbundenen Nachteile. Andererseits erfordert der praktische Betrieb der artiger Motoren die Zufuhr von starken Treiberströmen, um so zu gewährleisten, daß die Synchronisation erhalten bleibt. Somit muß der zugeführte Strom, auch trotz Änderungen der Last, auf den maximalen Wert gesetzt werden, der normalerwei se während der Beschleunigung vorgesehen wäre; typischerweise beträgt der Strom, der zum Antreiben eines Schrittmotors ver wendet wird, mindestens das Doppelte dessen, was tatsächlich durch die Last erfordert wird. Infolgedessen werden bedeuten de Energiemengen (als überschüssige Wärme) verschwendet, wo durch derartige Systeme hinsichtlich des Leistungsverbrauchs relativ ineffizient werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Schrittmotorsystem und ein neues Verfahren und Gerät zum Steuern des Betriebs eines solchen bereitzustellen, wobei und wodurch der dem Motor zugeführte Treiberstrom optimiert werden kann, um so den Wirkungsgrad zu verbessern.

Dabei liegt ein der Erfindung darin, ein System, Gerät und Verfahren bereitzustellen, womit das Lastmoment auf den Motor abgeschätzt und verwendet werden kann, um (normalerweise durch gezielte Reduzierung) den zum Antreiben des Motors zu geführten Strom zu optimieren.

Dabei sollen der Motorbetrieb relativ einfach und die Komple xität und Kosten relativ niedrig ein.

Nach Antriebszustandsübergängen in durch Spannungen mit qua dratischer Wellenform angetriebenen Schrittmotorsystem beob achtet man, daß die Spannungen, die an offenen Knoten zwi schen benachbarten, in Reihe erregten Windungen auftreten, eingangs beträchtlich als Funktion der Zeit variieren. Es tritt eine Verzögerung auf, bevor eine Knotenspannung im sta bilen Zustand (d. h. auf einem angesteuerten Niveau zwischen den Anschlußpotentialen) erreicht wird, wobei diese Verzöge rung auf die Motorwindungsinduktivität zurückzuführen ist und einen Wert hat, der in einer im wesentlichen linearen Bezie hung zum Lastmoment auf den Motor steht. Diese Beziehung schlägt sich in Profilen der Knotenspannungswerte nieder, die während der Einschwingphase und der Phase stabilen Zustands erzeugt werden, wobei die Profile aus identifizierbaren Tei len (hier als "Übergangsspannungsbereiche" bezeichnet) beste hen, die die Wirkungen der induktiven "Rücklauf"-Ströme und somit das Lastmoment auf den Motor widerspiegeln; diese Ei genschaften werden nachfolgend ausführlicher diskutiert.

Man hat nun herausgefunden, daß die Aufgabe der Erfindung in einigen Aspekten durch das Bereitstellen eines Verfahrens zum Steuern des Betriebs eines Schrittmotors gelöst wird, der ei ne Mehrzahl von in Reihe verbundenen Windungen aufweist, die in einer Ringkonfiguration angeordnet sind und mit Spannungen mit quadratischer Wellenform erregt werden, wobei das Verfah ren die folgenden Schritte umfaßt: Auslesen der Spannung an einem Knoten zwischen mindestens einem Paar von in Reihe ver bundenen Windungen, während des Betriebs des Motors bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit, um Übergangsspannungsbereiche zu erfassen, die nach dem Erregen des Windungspaars durch den Treiberstrom auftreten; Messen der Dauer (d. h. der Breite als Funktion der Zeit) mindestens eines erfaßten Übergangs spannungsbereichs; Aufstellen mindestens eines Zieldauerwerts für die erfaßten Übergangsspannungsbereiche; Vergleichen der gemessenen Dauer des mindestens einen Übergangsspannungsbe reichs mit dem Zieldauerwert; und Einstellen der Motor stromamplitude, wie es notwendig ist, um zu bewirken, daß die gemessene Dauer des erfaßten Übergangsspannungsbereichs dem Zieldauerwert mindestens nahekommt und wünschenswerterweise im wesentlichen mit diesem übereinstimmt.

Die ausgelesene Knotenspannung folgt normalerweise einem Übergangsprofil, das direkt nach einer Zustandsänderung be ginnt, bei der das Bindungspaar durch den Treiberstrom erregt wird, und das mit einer Zustandsänderung endet, bei dem die Zufuhr des Erregerstroms zu dem Paar beendet wird. Jedes der artige Profil besteht aus einem anfänglichen, von der Induk tivität beherrschten Bereich und einem direkt nachfolgenden, von der Reaktanz beherrschten Bereich, wobei einer der beiden Bereiche den hier verwendeten "Übergangsspannungsbereich" darstellt.

Der Zieldauerwert liegt normalerweise zwischen den Dauern von minimalen und maximalen Übergangsspannungsbereichen, die für den bei der vorgegebenen Geschwindigkeiten und unter minima len bzw. maximalen Lastmomenten betriebenen gesteuerten Motor (oder für einen anderen äquivalenten Motor) vorbestimmt wur den. Derartige minimale, maximale und dazwischenliegende Zieldauerwerte werden für den Motor vorzugsweise bei jedem einer Mehrzahl von Werten für die Treiberstromamplitude auf gestellt, um somit minimale und maximale Kurven sowie eine Zieldauerlinie aufzustellen, mit der die gemessenen Dauern der Übergangsspannungsbereiche in dem Vergleichsschritt ver glichen werden.

Wenn die gemessene Dauer oberhalb oder unterhalb der Zielli nie liegt, wird der Wert der Treiberstromamplitude entspre chend erhöht oder erniedrigt; in dem Fall, in dem der von der Reaktanz beherrschte Bereich den Übergangsspannungsbereich darstellt, wird die Amplitude erhöht, wenn die gemessene Dau er zwischen der Ziellinie und der maximalen Kurve liegt, und erniedrigt, wenn sie zwischen der Ziellinie und der minimalen Kurve liegt. Gewöhnlich wird eine Mehrzahl derartiger Zielli nien erstellt, wobei jede dem Betrieb des Motors bei einer anderen Geschwindigkeit entspricht, und dies erfolgt im all gemeinen (und am wünschenswertesten), indem der Motor betrie ben wird und die resultierenden zugehörigen Motorsystempara meter in einem elektronischen Speicher abgelegt werden, wo durch eine Bibliothek von Zieldauerlinien erzeugt wird, auf die zum Vergleich zugegriffen werden kann. Das Verfahren der Erfindung umfaßt üblicherweise die weiteren Schritte des Ver wendens der gemessenen Dauer der erfaßten Übergangsspannungs bereiche, um das Lastmoment auf den Motor abzuschätzen und, direkt oder indirekt basierend darauf, einen Wert für die Treiberstromamplitude (unter Verwendung von elektronischen Datenverarbeitungstechniken, die dem Fachmann bekannt oder ersichtlich sind) zu berechnen, wobei diese berechnete Trei berstromamplitude bewirkt, daß nachfolgend gemessene Werte der Dauer der Ziellinie nahekommen und im Idealfall mit die ser übereinstimmen.

In anderen Aspekten wird die Aufgabe der Erfindung durch das Bereitstellen eines Geräts zum Steuern des Betriebs eines Mo tors der genannten Art gelöst, wobei das Gerät umfaßt: eine Einrichtung zum Auslesen der Spannung an einem Knoten zwi schen mindestens einem Paar von in Reihe verbundenen Windun gen des Motors, um Übergangsspannungsbereiche zu erfassen; eine Einrichtung zum Messen der Dauer der erfaßten Übergangs spannungsbereiche; eine Einrichtung zum Vergleichen der ge messenen Dauer der Spannungsbereiche mit einem Zieldauerwert für diese; und eine Einrichtung, um wirksam die Amplitude des Treiberstroms einzustellen, wie es notwendig ist, um die ge messene Dauer mit dem Zieldauerwert in Übereinstimmung zu bringen. Weitere Aspekte werden durch das Bereitstellen eines Motorsystems gelöst, das zusätzlich zu dem beschriebenen Steuergerät einen Schrittmotor umfaßt, der einen Stator auf weist, der aus einer Mehrzahl von Windungen besteht, die in einer Ringkonfiguration in Reihe verbunden sind; und eine Einrichtung zum Bereitstellen einer Spannung mit quadrati scher Wellenform an den Windungen als in Reihe verbundenen Paaren und in einer Vertauschungsfolge zum Antreiben des Mo tors, wobei die bereitgestellte Spannung einstellbar ist, et wa durch Einstellen ihres Arbeitszyklus, um die Steuerung der Motorstromamplitude zu ermöglichen.

Das Steuergerät und Motorsystem der Erfindung umfaßt norma lerweise eine Speichereinrichtung zum elektronischen Ablegen mindestens eines Zieldauerwerts der genannten Art zum Ver gleich mit der gemessenen Dauer der erfaßten Übergangsspan nungsbereiche. In den meisten Fällen speichert der Speicher eine Mehrzahl von Ziellinien, die Bereiche von Stromamplitu denwerten und Motorbetriebsgeschwindigkeiten repräsentieren, und weitere Merkmale, die geeignet sind, um die beschriebenen Verfahrensschritte durchzuführen, können natürlich ebenfalls einbezogen werden. Die "Einrichtung zum Vergleichen" umfaßt normalerweise eine elektronische Datenverarbeitungseinrich tung, die so programmiert ist, daß sie geeignete Erhöhungen und Erniedrigungen des Werts der Treiberstromamplitude in Ab hängigkeit von der Stellung der gemessenen Dauer des Über gangsspannungsbereichs bezüglich der gespeicherten Zieldauer linie bewirkt. Die Datenverarbeitungseinrichtung wird im all gemeinen so programmiert, daß sie die weiteren Schritte des Verwendens der gemessenen Dauer der erfaßten Übergangsspan nungsbereiche zum Abschätzen des Lastmoments auf den Motor und des Berechnens eines optimalen Werts für die Treiberstro mamplitude auf der Grundlage dieser Abschätzung ausführt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Schaubild eines 5-Phasen-Schrittmotorsystems, das die vor liegende Erfindung verkörpert;

Fig. 2A und 2B sind Verdrahtungsschaubilder, die eine Anordnung von MosFet-Schaltern und Motor windungen zeigen, die in ein System wie das aus Fig. 1 passen, in zwei aufeinan derfolgenden Antriebszustandsanordnungen;

Fig. 3 ist eine Zustandsfolgentabelle, die Schalterstellungen für das Schrittmotor- system aus den vorangehenden Figuren zeigt, in Umsetzung eines "4-Phasen-Ein"- Schemas;

Fig. 4 stellt Profile der Spannungen dar, die an jedem der fünf Knoten des betriebenen dargestellten Schrittmotors erfaßt wur den, der, in Übereinstimmung mit dem Schema aus Fig. 3 durch zwei Zyklen mit jeweils zehn Antriebszustandsübergängen hindurch betrieben wurde;

Fig. 5 ist ein Schaubild, das einen Teil des Spannungsprofils "X" während vier aufein anderfolgenden Übergangszuständen zeigt, das an einem der Knoten des beschriebenen Motorsystems auftritt, und das außerdem ein entsprechendes Profil "Y" der Varia tion zeigt, die gleichzeitig in dem indu zierten "Rücklauf"-Strom auftritt, der in den betroffenen Windungen erzeugt wird;

Fig. 6A und 6B sind Graphen von Übergangsspannungsprofi len mit ausgedehnter Zeitskala, wobei der Motor bei konstanter Geschwindigkeit und unter zwei unterschiedlichen Lastmomenten betrieben wird;

Fig. 7 ist ein Schaubild ähnlich dem aus Fig. 5, das die Wirkung von drei unterschiedli chen Lastmomenten auf den Rückkehrstrom und das Knotenspannungsprofil zeigt;

Fig. 8 ist eine Kurve, die die im wesentlichen lineare Beziehung zeigt, die zwischen der Dauer eines gemessenen Übergangsspan nungsbereichs und dem Motorlastmoment existiert;

Fig. 9 ist ein Graph, der die Wirkungen des Ar beitszyklusses des Zufuhrstroms auf die Dauer der Übergangsspannungsbereiche un ter den Bedingungen keiner Last und maxi maler Last zeigt, und der außerdem eine dazwischenliegende Ziellinie optimaler Dauern zeigt;

Fig. 10 ist ein Schaubild, das die allgemeinen Kriterien darstellt, die hinzugezogen werden, um die Dauer des erfaßten Über gangsspannungsbereichs in Übereinstimmung mit dem Zielwert zu bringen; und

Fig. 11 ist ein Zeitablaufschaubild, das die Ab leitung eines Pulsbreitenmodulations (PBM)-Signals zum Steuern des Stroms zu dem Motor zeigt, wie er durch die Technik der Erfindung beeinflußt wird.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten und dargestellten Ausführungsformen

Zunächst zu Fig. 1 der Zeichnungen: Darin ist ein 5-Phasen- Schrittmotorsystem gezeigt, das die Erfindung verkörpert und einen Schrittmotor umfaßt, der im ganzen mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist und fünf Windungen L1 bis L5 aufweist, die in einer in Reihe verbundenen fünfeckigen Konfiguration ange ordnet sind. Zwischen jedem benachbarten Paar Windungen L1 bis L5 befindet sich ein Knoten N, und jeder Knoten N ist mit einem Anschluß T verbunden. Eine Reihe von (in dieser Figur nicht gezeigten) MosFet-Schaltern bilden zusammen das Schal terbauteil, das im ganzen mit der Bezugszahl 12 bezeichnet ist und dienen dazu, den Fluß von Strom durch die Leitungen 14 zu den Motorwindungsanschlüssen zu steuern; eine Pulsam plitudenmodulationseinheit (PAM) 16 führt dem Motor über die Verbindung 18 mittels des Schalterbauteils 12 Strom zu.

Eine Abgriffsleitung 20 verbindet eine programmierbare logi sche Vorrichtung (PLV) 22 mit integriertem Schaltkreis mit jeder der Treiberstromleitungen 14. Die PLV mißt die Dauern der Übergangsspannungsbereiche, die an jedem der Knoten N1 bis N5 erfaßt werden, und führt einer zentralen Verarbei tungseinheit (central processing unit, CPU) 24 über die Lei tung 26 und einen Analog-Digital-Umsetzer (A/D) 28 ein reprä sentatives Signal zu, wobei die CPU eine geeignete ROM- Kapazität und weitere notwendige Merkmale aufweist, die für den Fachmann ersichtlich sind.

In der CPU wird ein "neues" PBM-Signal berechnet und über die Leitung 30 einem ODER-Gatter 32 zugeführt. Die Berechnung des "neuen" Signals erfolgt, indem die gemessenen Dauern der er faßten Übergangsspannungsbereiche mit erstellten optimalen Dauerwerten verglichen werden, die in dem Speicher der CPU abgelegt sind; dadurch wird ein Hinweis auf das Lastmoment auf den Motor gegeben, aus dem eine geeignete Treiberstroman forderung ermittelt werden kann. Gleichzeitig wird an dem ODER-Gatter über die Leitung 34 ein "ursprüngliches" PBM- Signal von einem Komparator 36 bereitgestellt, der auf ein Signal von dem Schalterbauteil 12 einwirkt, das er über die Leitung 38 empfangen hat, und das für die vorhandenen Stromeinstellungen repräsentativ ist; der Komparator 36 dient dazu, den Phasenstrom zu begrenzen. Über die Leitung 40 wird der PAM-Einheit 16 ein zusammengesetztes PBM-Signal zum Steu ern der Amplitude des Motortreiberstroms zugeführt.

Die Fig. 2A und 2B stellen die Stellungen der MosFet- Schalter (SW1 bis SW10) des Bauteils 12 zum Erregen des Mo tors 10 in jedem zweier aufeinanderfolgender Zustände dar, gemäß dem "4-Phasen-ein"-Erregungsschema, das der Folgen- Tabelle aus Fig. 3 zugrundeliegt (wobei die Abwesenheit eines Eintrags "ein" bedeutet, daß der Schalter ausgeschaltet ist); die Schaltkreise umfassen außerdem Rücklaufdiodenklemmen D1 bis D10. Aus Gründen der Einfachheit und der Klarheit der Er klärung wird nachfolgend nur das elektrische Potiential an einem der Knoten N (d. h. Knoten N2) besonders besprochen, auch wenn dasselbe Profil von Spannungswerten an jedem der Knoten zu beobachten ist; dies kann man aus Fig. 4 sehen, wo bei die Spannungen den in Fig. 3 aufgelisteten Motorerre gungszustandseinstellungen entsprechen.

Während die MosFet-Schalter wie in Fig. 2A (ZUSTAND#1) ge zeigt eingestellt sind, entspricht der Fluß des über die Ver bindung 18 zugeführten und auf Masse (GND) geführten Stroms der Darstellung mit durchgezogener Linie; der Wert des ange legten Potentials ist mit V_aus bezeichnet. Die Schalteranord nung in ZUSTAND#2 ist in Fig. 2B gezeigt, wie auch der Fluß von Strom durch die verbundenen Windungen zur Masse (GND). Die induktiven Rücklaufströme, die beim Übergang von ZUSTAND#1 zu ZUSTAND#2 erzeugt werden, werden durch die in Fig. 2B gezeigten Strompfade (gestrichelte Linie) angezeigt.

Wie besonders in Fig. 5 gezeigt, hat die Spannung am Knoten N2 den Wert V_aus, wenn der Motor in der Erregung gemäß ZUSTAND#1 ist. Zum Zeitpunkt des Übergangs zur Erregung gemäß ZUSTAND#2 sinkt das Potential am Knoten N2, bis es (an einem Wert unterhalb des Massepotentials) zu dem Vorwärtsspei sestrom kommt, der durch die Diode D7 läuft, die leitend wird und die Spannung am Knoten N2 aufrecht erhält. Wenn die Win dung L3 beginnt, sich auf volles Potential (V_aus-GND) aufzu laden und einen neuen Strompfad durch L2 erzeugt, beginnt die Spannung am Knoten N2 zu steigen, bis die Ströme durch L2 und L3 dasselbe Niveau erreichen. Anschließend tritt ein stabiler Zustand bei einem Wert von der Hälfte der vollen angelegten Potentialdifferenz (V_aus-GND)/2 an dem Knoten N2 auf. Dieser Zustand wird aufrechterhalten, bis der Übergang zum ZUSTAND#4 erfolgt, wobei SW7 geschlossen wird, so daß der Knoten NODE2 direkt mit der Masse (GND) verbunden wird.

Man kann somit sehen, daß die an einem offenen Knoten zwi schen einem in Reihe verbundenen Paar Windungen erfaßte Span nung einem Übergangsprofil folgt, das direkt nach einer Zu standsänderung beginnt, bei der das Windungspaar mittels ei ner Spannung mit quadratischer Wellenform erregt wird, und das mit einer Zustandsänderung endet, bei der die Zufuhr des erregenden Stroms zu dem Paar beendet wird. Das Profil kann so gesehen werden, daß es zwei Bereiche hat, d. h. einen Ein gangsbereich, der von der Induktivität beherrscht wird und in Fig. 5 mit "A" bezeichnet ist, und, direkt nachfolgend, ei nen mit "B" bezeichneten, von der Reaktanz beherrschten Be reich. Die Dauer (Breite) jedes der Bereiche A und B wird durch den Rücklaufstrom bestimmt, der auf die Spannung an dem Knoten, auf den zugegriffen wird, einwirkt; da die Übergangs zeit (z. B. von ZUSTAND#1 zu ZUSTAND#4) bei einer vorgegebe nen Geschwindigkeit konstant bleibt, haben die Bereiche eine gegenläufige, komplementäre Beziehung miteinander, d. h. je kürzer die Dauer von Bereich A ist, desto länger ist die Dau er von Bereich B und umgekehrt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ausgenutzt, daß die Breiten der Bereiche A und B einen Hinweis auf das Lastmoment auf den Motor geben. Jeder Bereich kann als Grundlage zum Ab schätzen der Last genommen werden, aber Bereich B wurde zu fällig ausgewählt und stellt daher in der folgenden Bespre chung den "erfaßten Übergangsspannungsbereich" dar; dieselben Prinzipien sind natürlich unter Verwendung von Bereich A an wendbar, auch wenn dies natürlich mit einigen Umkehrungen von Werten und Beziehungen verbunden ist.

In den Fig. 6A und 6B ist die Wirkung der Größe des Lastmoments auf die Breite des erfaßten Übergangsspannungsbe reichs B dargestellt. Fig. 6A zeigt einen Teil des erfaßten Knotenspannungsprofils, das durch einen Motor wie etwa dem gemäß der dargestellten Ausführungsform erzeugt wurde, der mit einer Geschwindigkeit von 1000 Umdrehungen pro Minute bei seinem auf 1,4 Ampère pro Phase bemessenen Strom betrieben wird und keinem angelegten Lastmoment unterworfen ist; das Profil aus Fig. 6B stellt denselben Teil des Knotenspannungs profils dar, wobei der Motor bei derselben Geschwindigkeit läuft, aber einem maximalen tragbaren Lastmoment (d. h. einer Last, die gerade unterhalb der ist, bei der die Synchronisa tion verlorengeht) unterworfen ist. Die Breite des Bereichs B unter der Bedingung keiner Last repräsentiert eine Dauer von etwa 260 µs, wobei die Breite des Bereichs unter der Bedin gung maximaler Last eine Dauer von etwa 340 µs repräsentiert. Der Unterschied in der Breite von Bereich B (und umgekehrt des vorangehenden Bereichs A) ist auf die Erzeugung eines in duzierten Rücklaufstroms zurückzuführen, der einen relativ hohen Spitzenwert hat, wenn der Motor einer relativ kleinen Last unterworfen ist, was zu einem relativ schmalen, von der Reaktanz beherrschten Bereich B führt), und auf die Erzeugung eines Rücklaufstroms mit relativ niedrigem Spitzenwert (und somit eines relativ breiten Bereichs B), wenn der Motor einem relativ großen Lastmoment unterworfen ist. Diese Beziehungen sind in Fig. 7 dargestellt.

Zur Erklärung: Es ist klar, daß die Größe des Spitzenwertes des erzeugten Rücklaufstroms von der Induktivität der erreg ten Drehmomentwindungen abhängt, daß die Induktivität durch die Winkelstellung des Rotors beeinflußt wird, und daß das Lastmoment auf den Motorschaft das Ausmaß bestimmt, die der Rotor gegenüber dem aktuell gesteuerten Winkel verzögert ist. Je größer somit das Lastmoment auf dem Motor ist, desto nied riger wird die Größe des Spitzenwertes des Rücklaufstroms, und desto schmäler wird somit der von der Induktivität be herrschte Bereich (und desto breiter der von der Reaktanz be herrschte Bereich) des Übergangsspannungsprofils.

Fig. 8 ist ein Graph, in dem das dem Motor zugeführte Lastmoment gegen die erfaßte Knotenspannungsdauer (Breite in der Zeit) dargestellt ist. Wie ersichtlich, ist die Beziehung im wesentlichen linear.

Die in Fig. 9 abgebildeten Linien für keine Last (quadrati sche Punkte) und für maximale Last (dreieckige Punkte) zeigen die Wirkung der Amplitude des zugeführten Stroms (die in die sem Beispiel durch den Arbeitszyklus der angelegten Spannung gesteuert wird) auf die an den Knoten erfaßten Übergangsspan nungsbereiche. Wie zu sehen, nimmt die Dauer (Breite der Spannung in der Zeit) des Bereichs gegenläufig zu dem Ar beitszyklus und somit zur Amplitude des zugeführten Stroms ab.

Fig. 9 umfaßt außerdem eine Ziellinie. Auch wenn ihre Stel lung in gewisser Weise willkürlich ist, so muß die Ziellinie auf jeden Fall zwischen der Kurve für keine Last und für ma ximale Last angeordnet sein und liegt wünschenswerterweise im wesentlichen in der Mitte zwischen diesen. Liegt die Zielli nie zu nahe an der Kurve für keine Last, treten Anpassungen der Stromamplitude zu häufig auf, und der Motor neigt dazu, sprunghaft zu laufen; wenn die Ziellinie andererseits zu nahe an der maximalen Lastkurve liegt, wird ein vergleichbar ge ringer Spielraum für Fehler bereitgestellt und es wird ein nicht notwendiges Risiko eines Überschießens, das zu einem Verlust der Synchronisation führt, hervorgerufen.

Die grundlegenden Prinzipien, die die Änderungen bestimmen, die in der Amplitude des zugeführten Stroms vorgenommen wer den müssen, um so die Wirksamkeit zu erreichen, die die vor liegende Erfindung erlaubt, sind in Fig. 10 angegeben. Wenn das Lastmoment auf den Motor relativ groß ist, wird der Ar beitszyklus der Zufuhrspannung (bei der beschriebenen illu strierenden Ausführungsform) erhöht, um dadurch die Stromam plitude zu erhöhen und im Gegenzug die Breite des gemessenen Übergangsspannungsbereichs zu erniedrigen, wobei sie in Rich tung des Werts und idealerweise auf den Wert verschoben wird, der durch die Ziellinie angegeben ist. Ist das ermittelte Lastmoment umgekehrt relativ niedrig, wird der Arbeitszyklus erniedrigt, um auch hier wieder zu bewirken, daß sich die Spannungsdauer der Ziellinie nähert. Es ist klar, daß sich die Beziehung zwischen der Stromamplitude und der Dauer des Übergangsbereichs umkehren würde, wenn beispielsweise Bereich A des Spannungsprofils anstelle von Bereich B für das Ab schätzen des Lastmoments verwendet würde.

Schließlich stellt das Zeitablaufschaubild von Fig. 11 die Logik dar, mittels der das zusammengesetzte PBM-Signal er zeugt wird, um eine optimale Stromzufuhr zu dem Motor bereit zustellen. Wie zuvor erwähnt, wird das zusammengesetzte PBM- Signal am Ausgang des ODER-Gatters erzeugt, wobei das "ur sprüngliche" PBM-Signal und das "neue" PBM-Signal verwendet werden, wobei diese Signale dieselbe Frequenz haben, und wo bei der Zeitpunkt, an dem ihre Abstiegsflanken auftreten, synchronisiert ist. Das "ursprüngliche" PBM-Signal steht für den maximalen Strom für den Treiberschaltkreis, während das "neue" PBM-Signal mittels des Steuerers bestimmt wird, der die Lastmoment-Erfassungstechnik der Erfindung verwendet. Da das ODER-Gatter immer das Signal mit hohem Logikpegel nimmt (wenn eines vorhanden ist, d. h. ein hohes aus-Signal be herrscht ein niedriges ein-Signal), wird die Eigenschaft der Lastmomenterfassung beim vorliegenden System zu einer Verrin gerung des Arbeitszyklus im zusammengesetzten PBM-Signal, welches die Aktivität des PAM-Schaltkreises steuert, um so für eine optimale Stromzufuhr zu dem Motor zu sorgen.

Wie dem Fachmann ersichtlich ist, können bei dem Verfahren, Gerät und System der Erfindung viele Abwandlungen vorgenommen werden, ohne daß von den neuartigen Konzepten, die hier be schrieben und definiert sind, abgegangen wird. Beispielsweise können Motoren mit dreieckigen, rechteckigen und anderen ringförmigen Windungskonfigurationen verwendet werden; hier wird in der Tat davon ausgegangen, daß die Techniken der Er findung hinsichtlich Stromsteuerung und Momentabschätzung bei jedem Motorsystem anwendbar sind, bei dem die hier beschrie benen charakterisierenden Übergangsspannungsbereiche abgelei tet werden können. Außerdem können, auch wenn hier als Mittel zum optimalen Steuern der Stromamplitude die Einstellung von Arbeitszyklen mit Pulsbreitenmodulation erwähnt wurde, natür lich auch andere Techniken zu diesem Zweck eingesetzt werden, wie beispielsweise mit analoger Stromzurückführung unter Ver wendung eines Komparators.

Somit ist zu sehen, daß die vorliegende Erfindung ein neues Schrittmotorsystem und ein neues Verfahren und Gerät zum Steuern des Betriebes desselben bereitstellt, wobei und wo durch ein dem Motor zugeführter Treiberstrom optimiert werden kann, um so die Wirksamkeit des Energieeinsatzes zu verbes sern. Gemäß der Erfindung kann das Lastmoment abgeschätzt werden und diese Abschätzung verwendet werden, um den zum An treiben des Motors zugeführten Strom zu optimieren, und die Erfindung stellt ein System, Gerät und Verfahren bereit, wo bei und wodurch der Motorbetrieb relativ einfach ist und die Komplexität und Kosten relativ gering sind.

Claims

1. Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Schrittmotors mit einer Mehrzahl von in Reihe verbundenen Windungen (L1,. . ., L5), die in einer Ringkonfiguration angeordnet sind und mittels einer Spannung mit quadratischer Wellenform angetrie ben werden, umfassend die Schritte:
Auslesen der Spannung an einem Knoten (N1, . . ., N5) zwi schen mindestens einem Paar in Reihe verbundener Windungen (L1, . . . L5) während des Betriebs des Motors bei einer vorge gebenen Geschwindigkeit, um Übergangsspannungsbereiche (A, B) zu erfassen, die nach dem Erregen des Paars Windungen durch den antreibenden Strom auftreten;
Messen der Dauer der erfaßten Übergangsspannungsbereiche (A, B);
Aufstellen mindestens eines Zieldauerwerts für die er faßten Übergangsspannungsbereiche;
Vergleichen der gemessenen Dauer mindestens eines der Übergangsspannungsbereiche (A, B) mit dem Zieldauerwert; und
Einstellen der Amplitude des antreibenden Stroms, wie es notwendig ist, um die gemessene Dauer im wesentlichen in Übereinstimmung mit dem Zieldauerwert zu bringen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die ausgelesene Kno tenspannung Profilen folgt, die direkt nach einer Zustandsän derung folgen, bei der das Paar Windungen durch den antrei benden Strom erregt wird, und die mit einer Zustandsänderung enden, bei der die Zufuhr des erregenden Stroms zu dem Paar beendet wird, wobei jedes Profil aus einem anfänglichen, von der Induktivität beherrschten Bereich (A) und einem direkt nachfolgenden, von der Reaktanz beherrschten Bereich (B) be steht, wobei einer der Bereiche aus dem von der Induktivität beherrschten Bereich und dem von der Reaktanz beherrschten Bereich der Spannungsprofile jeden der erfaßten Übergangs spannungsbereiche darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der von der Reaktanz beherrschte Bereich (B) der Spannungsprofile jeden der erfaß ten Übergangsspannungsbereiche darstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Zieldauerwert zwischen den Dauern von minimalen und maximalen Übergangs spannungsbereichen liegt, die für einen solchen Motor vorher bestimmt wurden, der mit der vorgegebenen Geschwindigkeit und unter minimalen bzw. maximalen Lastmomenten betrieben wurde.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein solcher dazwi schenliegender Zieldauerwert für einen solchen Motor der ge nannten Art aufgestellt wird, der mit der vorgegebenen Ge schwindigkeit und unter maximalen und minimalen Lastmomenten bei jedem aus einer Mehrzahl von Werten für die Amplitude des antreibenden Stroms betrieben wird, um so eine Zieldauerlinie aufzustellen, mit der die gemessene Dauer der Übergangsspan nungsbereiche in dem Vergleichsschritt verglichen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem, wenn die gemessene Dauer oberhalb (bzw. unterhalb) der Zieldauerlinie liegt, die Amplitude des antreibenden Stroms erhöht (bzw. erniedrigt) wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, umfassend die weiteren Schritte des Verwendens der gemessenen Dauer der erfaßten Übergangsspannungsbereiche, um das Lastmoment auf den Motor abzuschätzen, und des Berechnens eines Werts für die Amplitu de des antreibenden Stroms auf der Grundlage dieses abge schätzten Lastmoments, um zu bewirken, daß sich nachfolgend gemessene Dauerwerte der Zieldauerlinie annähern.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Mehrzahl der Zieldauerlinien aufgestellt wird, wobei eine der Zieldauerli nien für einen solchen Motor aufgestellt wird, der bei jeder aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Zieldauerlinien durch Betreiben des Motors aufgestellt werden, und bei dem eine Bibliothek der Zieldauerlinien erzeugt wird, indem Be triebsparameter des Motors und entsprechende Daten von erfaß ten Übergangsspannungsbereichen in einer elektronischen Spei chereinrichtung abgelegt werden, wobei auf die Bibliothek von Zieldauerlinien zum Vergleich mit der gemessenen Dauer in dem Vergleichsschritt zugegriffen werden kann.

10. Gerät zum Steuern des Betriebs eines Schrittmotors mit einer Mehrzahl von in Reihe verbundenen Windungen (L1, . . ., L5), die in einer Ringkonfiguration angeordnet sind, und durch eine Spannung mit quadratischer Wellenform angetrieben werden, mit:
einer Einrichtung zum Auslesen der Spannung an einem Knoten (N1, . . ., N5) zwischen mindestens einem Paar in Reihe verbundener Windungen (L1, . . ., L5) des Motors, um Übergangs spannungsbereiche (A, B) zu erfassen;
einer Einrichtung zum Messen der Dauer der erfaßten Übergangsspannungsbereiche (A, B);
einer Einrichtung zum Vergleichen der gemessenen Dauer der Übergangsspannungsbereiche mit einem Zieldauerwert für diese; und
einer Einrichtung zum wirksamen Einstellen der Amplitude des Stroms zum Antreiben des Motors, wie sie notwendig ist, um die gemessene Dauer im wesentlichen in Übereinstimmung mit dem Zieldauerwert zu bringen.

11. Gerät nach Anspruch 10, wobei die ausgelesene Knoten spannung Profilen folgt, die direkt nach einer Zustandsände rung beginnen, bei der das Paar Windungen durch den antrei benden Strom erregt wird, und die mit einer Zustandsänderung enden, bei der die Zufuhr des Stroms zu dem Paar beendet wird, wobei jedes dieser Profile aus einem anfänglichen, von der Induktivität beherrschten Bereich (A) und einem direkt nachfolgenden, von der Reaktanz beherrschten Bereich (B) be steht, wobei ein Bereich aus dem von der Induktivität be herrschten Bereich (A) und dem von der Reaktanz beherrschten Bereich (B) der Spannungsprofile jeden der erfaßten Über gangsspannungsbereiche darstellt.

12. Gerät nach Anspruch 11, bei dem der von der Reaktanz be herrschte Bereich (B) der Spannungsprofile jeden der erfaßten Übergangsspannungsbereiche darstellt.

13. Gerät nach Anspruch 10, das zusätzlich eine Speicherein richtung zum elektronischen Ablegen von mindestens einem Zieldauerwert zum Vergleich mit der gemessenen Dauer der er faßten Übergangsspannungsbereiche umfaßt.

14. Gerät nach Anspruch 13, bei dem die Speichereinrichtung mindestens einen Zielspannungswert umfaßt, der zwischen den Dauern minimaler und maximaler Übergangsspannungsbereiche liegt, die für einen solchen Motor vorherbestimmt wurden, der bei den vorgegebenen Geschwindigkeiten und minimalen bzw. ma ximalen Lastmomenten betrieben wurde.

15. Gerät nach Anspruch 14, bei dem ein solcher dazwischen liegender Zieldauerwert in der Speichereinrichtung für einen solchen Motor, der bei der vorgegebenen Geschwindigkeit und unter maximalen und minimalen Lastmomenten betrieben wurde, abgelegt ist, für jeden aus einer Mehrzahl von Werten der Am plitude des antreibenden Stroms, wobei die abgelegten Zieldauerwerte eine abgelegte Zieldauerlinie bilden, mit der die gemessene Dauer der Übergangsspannungsbereiche mittels der Einrichtung zum Vergleichen verglichen werden können.

16. Gerät nach Anspruch 15, bei dem die Einrichtung zum Ver gleichen eine Einrichtung zur elektronischen Datenverarbei tung umfaßt, wobei die Einrichtung zur Datenverarbeitung so programmiert ist, daß sie ein Erhöhen (bzw. Erniedrigen) der Amplitude des antreibenden Stroms bewirkt, wenn die gemessene Dauer oberhalb (bzw. unterhalb) der abgelegten Zieldauerlinie liegt.

17. Apparat nach Anspruch 16, bei dem die Einrichtung zur Datenverarbeitung so programmiert ist, daß sie die weiteren Schritte des Verwendens der gemessenen Dauer der erfaßten Übergangsspannungsbereiche zum Abschätzen des Lastmoments auf den Motor und des Berechnens eines Werts für die Amplitude des antreibenden Stroms auf der Grundlage des abgeschätzten Lastmoments, um zu bewirken, daß nachfolgend gemessene Dauer werte im wesentlichen in Übereinstimmung mit der Zieldauerli nie sind, ausführt.

18. Gerät nach Anspruch 15, bei dem eine Mehrzahl der Zieldauerlinien in der Speichereinrichtung abgelegt ist, wo bei eine der Zieldauerlinien für den Motor aufgestellt wurde, der bei jeder aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Ge schwindigkeiten betrieben wurde.

19. Motorsystem mit:
einem Schrittmotor, der einen Stator aufweist, der aus einer Mehrzahl von Windungen (L1, . . ., L5) besteht, die in ei ner Ringkonfiguration in Reihe verbunden sind;
einer Einrichtung zum Bereitstellen einer einstellbaren Spannung von quadratischer Wellenform, um die Windungen als in Reihe verbundener Paare in einer Vertauschungsfolge zum Antreiben des Motors zu erregen; und
einem Steuergerät zum Steuern des Betriebs des Motors, wobei das Steuergerät umfaßt:
eine Einrichtung zum Auslesen der Spannung an einem Kno ten (N1, . . ., N5) zwischen mindestens einem Paar in Reihe ver bundener Windungen des Motors, um Übergangsspannungsbereiche (A, B) zu erfassen;
eine Einrichtung zum Messen der Dauer der erfaßten Über gangsspannungsbereiche;
eine Einrichtung zum Vergleichen der gemessenen Dauer der Übergangsspannungsbereiche mit einem Zielspannungswert für diese; und
eine Einrichtung, um die durch die Einrichtung zum Be reitstellen bereitgestellte Spannung von quadratischer Wel lenform wirksam einzustellen, um dadurch die Amplitude des Stroms zum Antreiben des Motors einzustellen, wie es notwen dig ist, um die gemessene Dauer im wesentlichen in Überein stimmung mit dem Zieldauerwert zu bringen.

20. System nach Anspruch 19, bei dem die ausgelesene Knoten spannung Profilen folgt, die direkt nach einer Zustandsverän derung beginnen, bei der das Paar Windungen durch den antrei benden Strom erregt wird, und die mit einer Zustandsänderung enden, bei der die Zufuhr des erregenden Stroms zu dem Paar beendet wird, wobei jeder der Profile aus einem anfänglichen, von der Induktivität beherrschten Bereich (A) und einem di rekt nachfolgenden, von der Reaktanz beherrschten Bereich (B) besteht, wobei ein Bereich aus dem von der Induktanz be herrschten Bereich (A) und dem von der Reaktanz beherrschten Bereich (B) der Spannungsprofile jeden der erfaßten Über gangsspannungsbereiche darstellt.

21. System nach Anspruch 20, bei dem der von der Reaktanz beherrschte Bereich (B) der Spannungsprofile jeden der erfaß ten Übergangsspannungsbereiche darstellt.

22. System nach Anspruch 19, das zusätzlich eine Spei chereinrichtung zum elektronischen Ablegen mindestens eines Zieldauerwerts zum Vergleichen mit der gemessenen Dauer der erfaßten Übergangsspannungsbereiche umfaßt.

23. System nach Anspruch 22, bei dem die Speichereinrichtung mindestens einen Zieldauerwert beinhaltet, der zwischen den Dauern von minimalen und maximalen Übergangsbereichen liegt, die für einen solchen Motor vorherbestimmt wurden, der mit der vorgegebenen Geschwindigkeit und unter minimalen bzw. ma ximalen Lastmomenten betrieben wurde.

24. System nach Anspruch 23, bei dem ein solcher dazwischen liegender Zieldauerwert in der Speichereinrichtung für einen solchen Motor, der mit der vorgegebenen Geschwindigkeit und unter maximalen und minimalen Lastmomenten betrieben wurde, abgelegt ist, für jeden aus einer Mehrzahl von Werten der Am plitude des antreibenden Stroms, wobei die abgelegten Zieldauerwerte eine abgelegte Zieldauerlinie bilden, mit der die gemessene Dauer der Übergangsspannungsbereiche mittels der Einrichtung zum Vergleichen verglichen werden kann.

25. System nach Anspruch 24, bei dem die Einrichtung zum Vergleichen eine Einrichtung zur elektronischen Datenverar beitung umfaßt, wobei die Einrichtung zur Datenverarbeitung so programmiert ist, daß sie ein Erhöhen (bzw. Erniedrigen) der Amplitude des antreibenden Stroms bewirkt, wenn die ge messene Dauer oberhalb (bzw. unterhalb) der abgelegten Zieldauerlinie liegt.

26. System nach Anspruch 25, bei dem die Einrichtung zur Da tenverarbeitung so programmiert ist, daß sie die weiteren Schritte des Verwendens der gemessenen Dauer der erfaßten Übergangsspannungsbereiche zum Abschätzen des Lastmoments auf den Motor und des Berechnens eines Werts für die Amplitude des antreibenden Stroms auf der Grundlage des abgeschätzten Lastmoments, um zu bewirken, daß nachfolgend gemessene Dauer werte im wesentlichen in Übereinstimmung mit der Zieldauerli nie sind, ausführt.

27. System nach Anspruch 24, bei dem eine Vielzahl der Zieldauerlinien in der Speichereinrichtung abgelegt ist, wo bei eine der Zieldauerlinien für den Motor aufgestellt wurde, der bei jeder aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Ge schwindigkeiten betrieben wurde.