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Schrittmotor
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Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor, insbesondere zur Weiterschaltung
des Motors um einen Schritt.Derartige Motoren sind beispielsweise aus dem Stepper
Motor Handbook (Airpax) oder der DE-A 30 19 997 bekannt.
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Unabhängig von der Art des verwendeten Schrittmotors erfolgt die Weiterschaltung
stets dadurch, dass an die unterschiedlichen Windungen des Stators ein Stromimpuls
gegeben wird. Bei einem kontinuierlich drehenden Motor ist dabei die kleinste mögliche
Impulszeit durch die maximale Schrittgeschwindigkeit festgelegt. Ein üblicher Wert
dafür ist ca.3 ms.
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Soll der Schrittmotor hingegen nur um einzelne Schritte oder allgemein
langsam weitergeschaltet werden, so sind derart kurze Stromimpulse dazu nicht geeignet.
Das beruht auf dem Einschwingverhalten des Rotors für jeden Schritt. Ueblicherweise
lässt man die jeweiligen Windungen daher bis zum nächsten Schritt stromführend und
ändert dann lediglich die Phasen.Durch die durch den Strom verursachten magnetischen
Kräfte wird verhindert, dass der Rotor trotz seiner Bewegungsenergie den Bereich
des gewählten Schrittes verlässt. Würde man mit kurzen, hinreichend starken Strom
impulsen arbeiten, die den Schrittmotor aus einer Ruhelage sicher einen Schritt
weiterschaltet, so würde das Abbrechen des Stromes während der Einschwingphase die
magnetischen Kräfte, die den Rotor am Platz zu halten versuchen, erheblich vermindern.
Dadurch entstünde das Risiko, dass
der Rotor seinen Platz verlässt
und einen oder mehrere Schritte in einer beliebigen Richtung macht.
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Nach der Einschwingphase könnte der Strom bei stabiler Lage des Rotors
abgeschaltet werden. Diese Phase beträgt bei üblichen Schrittmotoren, die in einzelnen
Schritten weitergeschalet werden, ca. 60ms. Wie aus der DE-A 30 19 997 dazu bereits
bekannt ist, kann anstelle eines einzelnen Impulses mit einer Dauer, die der Einschwingzeit
entspricht, auch ein Sammelimpuls mit mehreren aufeinanderfolgenden Impulsen verwendet
werden. Die genannte Gefahr des undefinierten Weglaufens des Rotors bei nur einem
kurzen Impuls wird auf diese Weise verhindert.
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Ein Nachteil der bekannten Betriebsarten zum langsamen Weiterschalten
des Schtittmotors ist der hohe Energieverbrauch, der in-sbesondere den netzunabhängigen
Betrieb stark einschränkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem
eingangs genannten Schrittmotor den Energiebedarf auf einfache Weise wesentlich
zu sen-ker, ohne das einwandfreie und sichere Weiterschalten um definierte Schritte
zu verschlechtern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgess dadurch gelöst, dass an die jeweils
zur Weiterschaltung dienenden Statorwicklungen für eine im Verhaltnis zur Zeitdauer
zwischen zwei Schritten kurze Zeitdauer ein Strom nach einer derartigen Funktion
angelegt wird, dass die dem Motor pro Zeiteinheit zugefü'rte Energie mit der Zeit
zunimmt.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass
der
Rotor nicht mit Ueberschussenergie aus seiner Ruhelage herausbewegt werden sollte,damit
grosse Einschwingamplituden und dass damit verbundene unkontrollierte Weiterschalten
am Ende der Stromzufuhr zu den Windungen vermieden werden. Bei dieser energiesparenden
Ansteuerung kann unter Umständen die Anfangsenergie so klein sein, dass der Rotor
zwar in Bewegung kommt, aber nicht bis in die neue Lage hinüberschwingt. Zu einem
späteren Zeitpunkt ist die Energie dann jedoch ausreichend dazu, aber auch nicht
wesentlich grösser, so dass der Rotor nur geringe Tendenz zum Oszillieren aufweist.
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Eine vorteilhafte Ansteuerung des Schrittmotors, bei dem ein Impulszug
mit mehreren aufeinander folgenden Stromimpulsen zur Weiterschaltung um einen Schritt
verwendet wird, sieht vor, dass die Stromimpulse zumindest teilweise unterschiedlich
lang sind. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Länge der Stromimpulse sukzessive
zunimmt.
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Eine weitere Möglichkeit bestent darin, dass zur Weiterschaltung ein
sagezahn- oder treppenförmig anwachsender Stromimpuls verwendet wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus den im folgenden
anhand von 8 Figuren näher beschriebenen und erläuterten Ausführungsbeispielen.
Dabei zeigt bzw.
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zeigen Fig.1 eine mögliche Impulsfolge zum Ansteuern eines Schrittmotors,
Fig.2 beispielhaft und schematisch einen unipolaren Schrittmotor, Fig.3 eine Ansteúersequenz
für einen Schrittmotor gemäß Fig.2,
Fig.4 das Einschwingverhalten
dieses Motors bei herkömmlicher Ansteuernung, Fig.5 in einem Vergleich das Einschrwingverhalten
bei herkömmlicher und erfindungsgem3sser Ansteuerung, Fig.S in einem weiteren Vergleich
das Ansteuern abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen, Fig.7 - eine weitere
Ansteuermöglichkeit und Fig.8 die entsprechende Sequenz.
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Die Fig.2 zeigt schematisch einen Schrittmotor 10 mit einem Rotor
20 und zwei Paaren von Statorwicklungen 1-4, deren eines Wicklungsende jeweis an
eine gemeinsame Anschlussklemme 5 angeschlossen ist und deren andere Wicklungsenden
über Schalter S1-S4 mit Masse verbunden sind. Durch entsprechendes Durchsteuern
bestimmter Schalter kann der Schrittmotor in bekannter Weise weitergeschaltet erden.
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Fig.3 zeigt dazu den zeitlichen Stromverlauf durch die Wicklungen
1-4 für eine normale 4 Schritt-Sequenz.Für den ersten Schritt fliesst durch die
Wicklungen 2 und 4 Strom, für den zweiten Schritt durch die Wicklungen 1 und 4 usw.
Wie man dieser Darstellung entnehmen kann, liegt der Strom bei dieser bekannten
Ansteuerung die gesamte Zeit bis zu einem neuen Schritt an den Wicklungen an.
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In der folgenden Fig.4 ist in einem Diagramm der zeitliche Verlauf
des Schrittwinkels für drei Schritte dargestellt. Dabei ist der Schrittmotor in
einem zeitlichen Abstand von ca. 240 ms zwei Schritte weitergeschaltet worden.Wie
diese Figur deutlich zeigt,haben Schrittmotoren mit einer derartigen Ansteuerung
eine erhebli-
che Einschwingphase von in diesem Beispiel ca. 50
ms und einer grossen, nahezu der Hälfte der Schrittweite entsprechenden Amplitude.
Dadurch, dass auch während der Pausen zwischen den Schritten Strom durch die Windungen
fliesst, ist der Energieverbrauch dieses Schritt motors unbefriedigend hoch.
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In der Fig.1 ist nun die erfindungsgemässe Ansteuerung in einem Diagramm
dargestellt, in dem z.B. der Strom I durch die Wicklung 3 gemäss Fig.? über der
Zeit aufgetragen ist. Anstelle den Strom die ganze Zeit zwischen zwei Schritten
durch die Wicklungen - hier die Wicklung 3 - fliessen zu lassen, wird nunmehr ein
Impulszug mit im Beispiel 4 Impulsen mit steigender Impulsbreite an die Wicklung
gelegt. Die Breite des gsamten Impulszuges ist dabei bereits kleiner als der zeitliche
Abstand zwischen zwei Schritten. Entscheidender für den Energie gewinn ist aber,
dass die Zeitspanne, in der die Wicklung stromführend ist, auf einen Bruchteil der
ansonsten aufgewendeten Zeit schrumpft. Im vorl legenden Beispiel beträgt diese
zusammengefasste Zeit 7 ms im Vergleich zu ca. 60 ms, die bei konventioneller Weiterschaltung
mindestens nötig sind, um ein unkontrolliertes Weglaufen zu verhindern. Trotz dieser
kurzen Zeit wird der Motor sicher einen Schritt weitergeschaltet, ohne nennenswert
überzuschwingen.Bereits bei dem ersten kurzen Impuls beginnt sich der Rotor zu bewegen.
Wegen der geringen übertragenen Bewegungsenergie ist die Tendenz zum Oszillieren
sehr klein. Es ist möglich, dass der Rotor bei dem ersten Impuls noch noht in die
neue Stellung übergeht. Der folgende Impuls ist aber bereits etwas langer und es
folgen noch wetter und noch längere Impulse und wenn der letzte Impuls vorbei ist,
hat der Rotor mit Sicherheit seine neue Lage ohne grossen Einschwingvorgang eingenommen.
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Durch diesen Impulszug mit Impulsen unterschiedlicher Dauer sucht
sich der Rotor zum Weiterschreiten in die neue Stellung quasi immer den Impuls mit
der gerade ausreichenden Energie neraus.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Impulse im Impulszug
u.U. auch anders aussehen können.
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So ist es auch möglich, dass zwei Impulse die gleiche Dauer haben
oder dass zwischen Impulsen mit anwachsender Impulsdauer hin und wieder ein kurzer
Impuls eingeschoben ist. Weiterhin soll die Ansteuerung nicht auf unipolare, hier
nur beispielhaft herangezogene Schrittmotoren oder auf die aufgezeigten Sequenzen
beschränkt sein.
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Fig.5 zeigt in einem vergleichenden Diagramm den zeitlichen Verlauf
des Schrittwinkels während eines Schrittes sowohl mit der bekannten (untere Kurve)
als auch mit der erfindungsgemässen Ansteuerung mit dem Impulszug (obere Kurve).
Dieses Diagramm wurde durch Versuche mit dem gleichen mm tor bei unterschiedlicher
Ansteuerung erhalten. Die gesamte stroniführence Zeit bei Verwendung des Ipmulszuges
betrug wieder 7ms. Der Uebergang des Rotors von der einen Lage in die andere erfolgt
hierbei praktisch ohne Einschwingphase.
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Noch deutlicher werden die Vorteile der e;findungsgemessen Ansteuerung
durch das in Fig.6 dargestellt Diagramm, in dem über der Zeit die Reaktion des Schrittmotors
auf eine alternierende Ansteuerung in wechselnden Richtungen gezeigt ist. Die Kurve
im oberen Teil der Fig. gilt wieder für die Ansteuerung mit einen Impulszug, bei
den die stromfi*ihrene Zeit 7ms beträgt, die Kurve im unteren Teil der Fig. gilt
für eine kon-
ventionelle Ansteuerung, bei der jedoch der Strom
nach jeweils ebenfalls 7ms unterbrochen wurde. Energiemässig liegen die gleichen
Verhältnisse vor, doch wie sich zeigt, ist durch die Ansteuerung mit einem einzigen
kräftigen Impuls keine eindeutige Weiterschaltung in der einen oder anderen Richtung
zu erzielen. Die üoerschüssige Bewegungsenergie führt zu einem unkontrollierbaren
Weglaufen des Rotors.
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In Fig.7 ist eine weiter Möglichkeit zur sicheren und energiesparenden
Ansteuerung dargestellt. Schematisch ist wieder ein Schrittmotor 30 gezeigt, dessen
Wicklungen auf einen Seite geerdet und auf der anderen über eine Schalteinheit 40
an einen Spannungsgeber 50 angeschlossen sind. Als Spannungsgeber 50 dient ein Rampengenerator,
der beispielsweise einen sägezahnförmigen Strom durch die angeschlossenen Wicklungen
treibt. Der Rampengenerator kann seine maximale Spannung z.B. nach 10-20ms erreichen.
Daran kann sich unter Umständen auch noch ein kurzes Plateau von beispielsweise
1-5 ms anschliessen. Ueber ein Logigglied 60 wird sowohl der Spannungsgeber 50 als
auch das Schaltglied 40 entsprechend der gewünschten Sequenz betätigt.
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Entsprechend der Fig.3 zeigt die letzte Flug.8 wieder eine normale
4 Schritt-Sequenz mit den durch die Wicklungen des Schrittmotors 30 fliessenden
Strömen.
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4 Patentansprüche 8 Figuren