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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Motorsteuerung und insbesondere
Schrittmotor-Steuerungssysteme
mit offener Schleife, die akustische Geräusche reduzieren und gleichzeitig
ein ausreichendes Drehmoment beibehalten.
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Ein
Schrittmotor wendet Drehmoment in einer Reihe von diskreten Schritten
auf seine Last an und kann infolgedessen als ein Schallwandler wirken,
der einen hörbaren
Ton mit einer Grundfrequenz gleich seiner Schrittrate erzeugt. Wenn
der Motor über
einen großen
Bereich von Schrittraten zu betreiben ist, werden eine oder mehrere
dieser Raten wahrscheinlich Resonanzfrequenzen der mechanischen
Last des Motors oder des Motors selbst erregen, was in der Erzeugung
von unangenehmen Beträgen
von akustischen Geräuschen
und in einem weniger effizienten Betrieb resultiert.
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Auf
dem Gebiet der medizinischen Geräte
ist es gewöhnlich
wünschenswert,
den Geräuschpegel der
Geräte
zum Nutzen des Patienten und anderer zu senken. Beispielsweise befinden
sich Infusionspumpen, die Schrittmotoren enthalten, im Allgemeinen unmittelbar
bei einem Patienten und können über Stunden
in Betrieb sein. Es kann störend
für einen Patienten
sein, wenn die Pumpe viele Geräusche
erzeugt. Außerdem
müssen
bestimmte medizinische Geräte
einschließlich
von vielen Infusionspumpen durch eine tragbare Energiequelle betrieben
werden, die über
ein begrenztes Energiereservoir verfügen, wie beispielsweise Batterien,
und daher müssen
die Gerate so konstruiert sein, dass sie so wenig Energie wie möglich verbrauchen.
Auf diese Weise kann das Gerät
den Patienten so lange wie möglich
versorgen, bevor ein Wechseln oder Aufladen der Batterie erforderlich
ist. Daher sind verringerte Geräuschpegel und
verringerte Pegel des Energieverbrauchs wünschenswerte Eigenschaften
in Infusionspumpen und anderen medizinischen Geräten.
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Eine
Quelle von akustischen Geräuschen
in einem Schrittmotor ist die Wellenform des Motorantriebs. Das
einfachste Mittel zum Antreiben eines Schrittmotor ist der „Vollschritt"-Modus, bei dem ein Zweiphasenmotor
von einer Strom- oder Spannungsquadratwelle konstanter Größe angetrieben
wird. In diesem Modus korrespondiert jeder Schritt mit einer von
2N möglichen
Motorwicklungsstrom-Polaritätszuständen, wobei
N die Zahl der Motorwicklungen (oder Phasen) ist. Diese Art von
Antrieb erzeugt akustische Geräusche
mit hohem Oberschwingungsgehalt aufgrund der hohen Winkelbeschleunigung,
die aus der hohen Rate des Drehmomentwechsels resultiert, der an
der Vorderflanke jedes Schritts erfolgt. Wenn zusätzlich die
Antriebsrate unterhalb des Optimums liegt und der Rotor seine Position
erreicht, bevor die Wicklungsströme
umgeschaltet werden, kann eine gedämpfte Oszillation des Rotors
um die Motormagnetfeldposition vorkommen, wodurch übermäßige Geräusche und
vergeudete Energie resultieren, indem negatives Drehmoment bereitgestellt
wird, das den Rotor hält,
und Energie verloren geht, indem die Wicklungen aufgrund des vorgefundenen
Widerstands lediglich erhitzt werden.
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Die
Geräuschkomponente
kann reduziert werden, wenn die Größenordnung des Drehmomentimpulses
verringert wird, indem die Größenordnung des
Motorantriebsimpulses reduziert wird. Eine derartige Reduzierung
reduziert jedoch auch die verfügbare
Drehmomentreserve des Motors, was in einem erhöhten Risiko eines Motorstillstands
oder „Außertrittfallens" resultiert, wobei „Außertrittfallen" den Verlust der
Synchronisation bedeutet, weil die Belastung des Motors die Kraft überschreitet,
die der Motor zum Bewegen der Last verfügbar hat, so dass der Motor in
seinem Bewegungszyklus „aus
dem Tritt fällt" und einen oder mehrere
Schritte verliert. Dieser Zustand kann in Positionierungsfehlern
aufgrund der verlorenen Schritte resultieren.
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Die
Verfügbarkeit
einer adäquaten
Drehmomentreserve ist in dem Fall erforderlich, dass gewisse unerwünschte Bedingungen
auftreten können.
Im medizinischen Bereich, in dem ein Schrittmotor für den Antrieb
eines Pumpmechanismus wie eine Schlauchpumpe verwendet wird, können sich
beispielsweise die Förderhöhen der
Infusionsflüssigkeit ändern, Infusate
können
besonders viskos sein und niedrige Temperaturen können mehr
Kraft zum Bewegen des Schlauchpumpenmechanismus erfordern. Das Nenndrehmoment
des Motors sollte hoch genug sein, um mit sämtlichen dieser Umstände umgehen
zu können,
aber in jedem Fall müssen
sein Nenndrehmoment plus seine Drehmomentreserve hoch genug sein,
weil sonst Motor-Außertrittfallen vorkommen
kann. Normalerweise weist ein Mechanismus ein Nenndrehmoment und
eine Drehmomentreserve auf. In einer Ausführungsformen ist das Reservedrehmoment
auf siebzig Prozent des nominalen „Kein Stillstand"-Drehmoments eingestellt.
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Es
hat sich gezeigt, dass Motorgeräusche beträchtlich
durch die als „Mikroschrittschaltung" bekannte Technik
reduziert werden können. „Mikroschrittschaltung" ist ein Mittel zum
Antrieb eines Motors durch einen Schritt mit einer Reihe von Stromgrößenzuständen, die
kleinere Winkelverschiebungen der Motormagnetfeldvektorposition
erzeugen. Die Summe dieser Verschiebungen ist gleich der eines Schritts.
Weil Momentandrehmoment angenähert
eine Sinusfunktion der Winkelverschiebung einer Feldvektorposition
eines Motors von ihrer Rotorposition ist, resultiert eine kleinere
Winkelverschiebung in einem niedrigeren Momentandrehmoment. Ein
niedrigeres Momentandrehmoment erzeugt eine Winkelbeschleunigung
an der Vorderflanke von jedem „Mikroschritt", die kleiner ist
als die, die an der Vorderflanke jedes Schritts im „Vollschritt"-Antriebsmodus erzeugt
werden würde.
Die Wirkung besteht darin, die große Beschleunigung, die normalerweise am
Anfang eines Schritts auftritt, als eine Reihe von kleinen Beschleunigungen über den
gesamten Schritt zu verteilen, wodurch der Pegel von akustischen
Geräuschen
reduziert wird.
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„Mikroschrittschaltung" ist jedoch keine
befriedigende Technik zur Geräuschreduzierung,
wenn der Energieverbrauch begrenzt werden muss, wie in batteriebetriebenen
Anwendungen. In der Mikroschritttechnik müssen Motorwicklungsströme, die den
Zustandsverlauf definieren, während
der gesamten Sequenz beibehalten werden, was in einem relativ hohen
Energieverbrauch resultiert. Andere Schrittmodi mit niedrigem Energieverbrauch
sind verfügbar, wie
der Modus „Eine
Phase an", in dem
Wicklungsströme
nach der anfänglichen
Beschleunigung ausgeschaltet werden, um Energie zu sparen. Diese Modi
sind jedoch geräuschvoller
als der Mikroschrittmodus. Mikroschrittschaltung ist außerdem nicht wünschenswert,
wenn die Bandbreite der Steuerung begrenzt ist. Wenn die Zahl der
Mikroschritte zunimmt, steigen die Anforderungen an die Bandbreite der
Steuerung, die eine größere Hardwarefähigkeit zur
Unterstützung
einer schnelleren Taktrate erfordert. Diese größere Fähigkeit resultiert in höheren Kosten
und mehr Komplexität.
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Die
Art der Motorantriebsschaltung kann außerdem eine direkte Auswirkung
auf die Kosten haben. Beispielsweise erfordern Antriebsschaltungen mit
geschlossener Schleife gewöhnlich
Sensoren, um die erforderliche Rückmeldung
zur Steuerung bereitzustellen. Die Sensorkosten sowie die zusätzliche Prozessorbandbreite,
die erforderlich ist, um die Sensoreingänge zur Steuerung der Antriebsschaltung
zu verwenden, kann in einer beträchtlichen
Kostensteigerung resultieren. In dieser Hinsicht wird ein System mit
offener Schleife vorgezogen.
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Folglich
ist mehr Kontrolle über
den Energieverbrauch wichtig in Anwendungen, in denen eine lange
Batterienutzungsdauer gewünscht
wird. Die Bereitstellung von übermäßiger Energie
für die Schrittmotorwicklungen
kann Energievergeudung und eine verkürzte Batterienutzungsdauer
bewirken. Energie kann als Wärme
aufgrund von Wicklungswiderstand verloren gehen. Gleichermaßen ist
Betrieb des Motors bei seiner Resonanzfrequenz ineffizient und kann
in vergeudeter Energie resultieren, weil relativ wenig Drehmoment
aus der großen
Eingangsleistung, die dem Motor zugeführt wird, erzeugt wird. Daher
ist präzise
Motorsteuerung wünschenswert, um
Vergeudung von begrenzter Energie zu vermeiden.
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US 4683408 offenbart eine
Schrittmotor-Steuerungsvorrichtung, die einen Motorwicklungs-Erregungsstrom korrespondierend
mit einer Halteposition berechnet, wobei die Berechnung auf einem
vorbestimmten Wellenformmuster basiert. Der Schrittmotor wird durch
eine Mikroschritt-Transferdistanz, die kürzer ist als ein reguläres Schritttransferintervall,
hin zu endgültigen
Halteposition angetrieben. Die in diesem Dokument offenbarte Schrittmotoranordnung
leidet jedoch noch unter einer nachteiligen akustischen Ausgabe.
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US 4418907 offenbart ein
Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung eines „digitalen" Motors, der konfiguriert
ist, um Betrieb des Motors in einem Mikroschrittmodus bei einer
niedrigen Geschwindigkeit zu gestatten, aber um Betrieb in einem Nicht-Mikroschrittmodus
bei einer höheren
Motorgeschwindigkeit zu gestatten, um das höhere Drehmoment zu nutzen,
das bei höheren
Geschwindigkeiten verfügbar
ist.
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WO 91/10946 offenbart eine
Motorantriebsanordnung für
Steuerung und Antrieb eines Schlauchpumpenmotors, in der die Länge eines
Antriebssignals durch die Frequenz einer ersten Reihe von Impulsen,
die von einer ersten Schaltung bei einer gegebenen Frequenz erzeugt
werden, bestimmt wird. Eine zweite Schaltung ist auch vorhanden,
die eine zweite Reihe von Impulsen mit einer Frequenz erzeugt, die
höher ist
als die Frequenz der ersten Reihe von Impulsen. Eine dritte Schaltung
ist vorhanden, die die dritte Reihe von Impulsen mit einer Frequenz, die
zwischen die Frequenzen der ersten und zweiten Reihe von Impulsen
fällt,
erzeugt. Das Antriebssignal wird in zwei Abschnitte aufgeteilt,
nämlich
ein anfängliches
Impulsstadium, das durch die Frequenz der dritten Reihe von Impulsen
bestimmt wird, und ein moduliertes Impulsstadium, das eine Reihe
von Impulsen ist, die durch die Frequenz der zweiten Reihe von Impulsen
bestimmt wird.
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Fachleute
haben jedoch das Erfordernis erkannt, den akustischen Ausgang von
medizinischen Vorrichtungen zu senken und gleichzeitig den Energieverbrauch
zu senken, aber eine adäquate
Drehmomentreserve beizubehalten. Fachleute haben außerdem das
Erfordernis nach einem Steuerungssystem mit offener Schleife erkannt,
um Hardware- und Prozessorkosten zu reduzieren. Die vorliegende
Erfindung erfüllt
diese und andere Anforderungen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Kurz
und allgemein ausgedrückt,
betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuerungssystem zur Steuerung
der Bewegung eines Motors, wobei das System eine Energiequelle und
eine Steuerung zum Steuern der Anlegung von Energie von der Energiequelle
zu dem Motor umfasst, um die Bewegung des Motors zu steuern, wobei
die Steuerung Energie zum Motor in einer nichtlinearen zunehmenden
Weise anlegt, um die Bewegung des Motors zu beginnen.
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuersystem
zur Steuerung der Bewegung eines Schrittmotors bereitgestellt, umfassend:
eine Energiequelle; eine Steuerung, die Energie aus der Energiequelle
anlegt, um den Motor über erste
und zweite Motorschritte zu beschleunigen, worin der erste Motorschritt
eine erste Mehrzahl von Mikroschritten beinhaltet und der zweite
Motorschritt eine zweite Mehrzahl von Mikroschritten beinhaltet, worin
die erste Mehrzahl an Mikroschritten größer als die zweite Mehrzahl
an Mikroschritten ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung
Energie aus der Energiequelle an den Motor in einer nichtlinearen Weise
anlegt, um den Schrittmotor auf eine vorgewählte Motorgeschwindigkeit zu
beschleunigen; die Steuerung Energie anlegt, um die vorgewählte Geschwindigkeit
für eine
vorgegebene Zeitdauer beizubehalten; und die Steuerung Energie vom
Motor in einer nichtlinearen Weise wegnimmt, um den Schrittmotor
auf die Feststellposition zu verlangsamen, worin die Motorsteuerung
dem Motor keine Antriebssignale bereitstellt, nachdem der Motor
in der Feststellposition für
eine zweite vorgegebene Zeitdauer anhält.
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Vorzugsweise
behält
die Steuerung eine konstante Mikroschrittperiode bei.
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Vorteilhafterweise
legt die Steuerung Energie aus der Energiequelle an, um den Motor über einen
dritten Motorschritt zu beschleunigen, worin der dritte Motorschritt
eine dritte Mehrzahl an Mikroschritten beinhaltet, worin die zweite
Mehrzahl an Mikroschritten größer als
die dritte Mehrzahl an Mikroschritten ist.
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Praktischerweise
legt die Steuerung Energie aus der Energiequelle an den Motor in
einem „Eine Phase
an"-Antriebsmodus,
der für
einen Mikroschrittbetrieb zwischen den „Eine Phase an"-Positionen während der
Bewegung des Motors modifiziert ist, an, worin die Steuerung den
Motor durch Variieren der Anzahl von Mikroschritten pro Motorschritt
steuert, während
eine konstante Mikroschrittperiode beibehalten wird;
worin
die Steuerung den Motor zur Beschleunigung durch eine abnehmende
Anzahl an Mikroschritten pro Motorschritt steuert, während eine
konstante Mikroschrittperiode beibehalten wird.
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Vorzugsweise
nimmt die Steuerung Energie von dem Motor ein einem „Eine Phase
an"-Antriebsmodus weg,
der für
einen Mikroschrittbetrieb zwischen den „Eine Phase an"-Positionen während der Bewegung
des Motors modifiziert ist, endend in einer „Eine Phase an"-Position für den letzten
Schritt des Motors, bevor die Energie vollständig weggenommen ist, und
worin
die Steuerung den Motor zur Verlangsamung durch eine zunehmende
Anzahl von Mikroschritten pro Motorschritt steuert, während eine
konstante Mikroschrittdauer beibehalten wird.
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Vorteilhafterweise
legt die Steuerung Energie an den Motor in einem Vollschrittmodus
an, nachdem der Motor eine vorgewählte Geschwindigkeit erreicht
hat.
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Praktischerweise
legt die Steuerung, wenn der Vollschrittmodus vorliegt, Energie
aus der Energiequelle an den Motor derart an, dass der Motor sich mit
einem Mikroschritt pro Motorschritt bewegt, worin während einer
von wenigstens zwei Phasen des Schrittmotors sich die Polarität ändert, während die andere
Phase auf einem konstanten Wert bleibt, und eine Schrittrate derart
gewählt
wird, dass die Polaritätsänderung
in einer Motorschrittperiode durchgeführt wird, wodurch eine sanfte
Motorfeldverschiebung erreicht wird.
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Vorzugsweise
treibt der Schrittmotor einen Pumpenmechanismus zur Abgabe einer
medizinischen Flüssigkeit
an einen Patienten an.
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Nach
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Steuerung der Bewegung eines Schrittmotors, der sich in einer
Reihe von Motorschritten bewegt, bereitgestellt, wobei das Verfahren
umfasst:
Steuerung des Schrittmotors, um sich über einen
ersten Beschleunigungsmotorschritt in einer ersten Mehrzahl an Mikroschritten
zu bewegen;
Steuerung des Schrittmotors, um sich über einen zweiten
Beschleunigungsmotorschritt in einer zweiten Mehrzahl an Mikroschritten
zu bewegen, wobei der zweite Motorschritt dem ersten Motorschritt
nachfolgt, worin die zweite Mehrzahl an Mikroschritten geringer
als die erste Mehrzahl an Mikroschritten ist, wobei das Verfahren
dadurch gekennzeichnet ist, dass
Energie an den Schrittmotor
in einer ansteigenden nichtlinearen Weise angelegt wird, um den
Motor auf eine vorgewählte
Motorgeschwindigkeit zu beschleunigen;
dass die vorgewählte Geschwindigkeit
für eine
erste vorgegebene Zeitdauer beibehalten wird; und
dass Energie
vom Schrittmotor in einer nichtlinearen Weise weggenommen wird,
um nach der vorgegebenen Zeitdauer den Schrittmotor von der vorgewählten Geschwindigkeit
auf die Feststellposition zu verlangsamen, worin die Motorsteuerung
dem Motor keine Antriebssignale bereitstellt, nachdem der Motor
in der Feststellposition für
eine zweite vorgegebene Zeitdauer anhält;
worin die Schrittrate
derart gewählt
wird, dass die Polaritätsänderung
in einer Motorschrittdauer durchgeführt wird, wodurch eine sanfte
Motorfeldverschiebung erreicht wird.
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Vorzugsweise
beinhalten beide Schritte der Steuerung des Schrittmotors, sich
zu bewegen, das Beibehalten einer konstanten Periode für die Mikroschritte.
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Vorteilhafterweise
hat der Schrittmotor wenigstens zwei Phasen und einen Permanentmagneten,
der eine Feststellposition in Ruhestellung definiert, wobei das
Verfahren weiter gekennzeichnet ist durch:
Anlegen eines exponentiell
zunehmenden Wickelstroms in einer exponentiell ansteigenden Weise,
um den Schrittmotor auf eine vorgewählte Motorgeschwindigkeit zu
beschleunigen;
Beibehalten der vorgewählten Geschwindigkeit für eine erste
vorgegebene Zeitdauer, und
exponentielles Verringern des Wickelstroms,
um den Schrittmotor von der vorgewählten Geschwindigkeit auf die
Feststellposition zu verlangsamen, worin der Motor in der Feststellposition
für eine
zweite vorgegebene Zeitdauer anhält.
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Praktischerweise
enthält
das Verfahren:
Verlangsamung des Schrittmotors in einer Reihe
von Verlangsamungsmotorschritten, wobei ein erster der Verlangsamungsmotorschritte
in eine erste Anzahl an Verlangsamungsmikroschritten unterteilt
ist, und ein zweiter der Verlangsamungsmotorschritte in eine zweite
Anzahl von Verlangsamungsmikroschritten unterteilt ist;
worin
die erste Anzahl an Verlangsamungsmikroschritten geringer als die
zweite Anzahl an Verlangsamungsmikroschritten ist.
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Vorzugsweise
beinhaltet das Verfahren Antreiben eines Pumpenmechanismus mit dem
Schrittmotor zur Abgabe einer medizinischen Flüssigkeit an einen Patienten.
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Andere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, die die Merkmale der Erfindung als Beispiel veranschaulichen,
ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen grundlegenden Zweiphasen-Schrittmotor
darstellt;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm einer Steuerung für einen Schrittmotor nach einem
Aspekt der Erfindung und die Anwendung der Steuerung und des Schrittmotors
zur Infusion von medizinischen Flüssigkeiten an einem Patienten;
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3 zeigt
ein Schaltungsdiagramm der in 2 dargestellten
Treiber und Motorwicklungen nach einem Aspekt der Erfindung;
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4 präsentiert
Wellenformen eines Zweiphasen-Schrittantriebs mit konstanter Rate
zum Antrieb eines Zweiphasen-Schrittmotors;
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5 zeigt
einen Graphen der nichtlinearen Anwendung von Energie auf einen
Motor zum Erreichen eines Spitzenwicklungsstroms, wobei in diesem Fall
eine exponentielle Anwendung von Energie dargestellt ist und mit
einer linearen Anwendung von Energie verglichen wird;
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6 zeigt
einen Graphen der nichtlinearen Beschleunigung eines Motors als
Reaktion auf die in 5 dargestellte exponentielle
Anwendung von Energie, wobei in diesem Fall eine exponentielle Beschleunigung
dargestellt ist und mit einer linearen Beschleunigung verglichen
wird;
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7 enthält Graphen,
die die Verwendung von mehreren Antriebsmodi zum Steuerung der Anwendung
von Energie auf einen Schrittmotor darstellen;
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8 zeigt
bestimmte Wellenformen von 7 nach einem
Aspekt der Erfindung in größerem Detail;
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9 enthält Vektordiagramme
der Antriebsmodi von 8;
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10 zeigt
die Wirkung von Motorinduktanz auf Wicklungsstrom bei hoher Drehzahl,
die in stetiger Magnetfeldversetzung resultiert;
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11A zeigt eine der Wellenformen von 10 mit
weiteren Details, und in 11B ist
ein Vektordiagramm dargestellt; und
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12 zeigt
ein Ablaufdiagramm der Steuerung eines Schrittmotors nach Aspekten
der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugsnummern zur Bezugnahme
auf gleiche oder korrespondierende Elemente in den verschiedenen
Figuren der Zeichnungen verwendet. Die folgende Diskussion basiert
auf dem veranschaulichenden Beispiel eines Zweiphasen-Schrittmotors 10,
wie in 1 dargestellt. Der Schrittmotor 10 enthält einen Rotor 12 mit
einem Permanentmagneten, der um einen Drehpunkt 13 drehbar
ist, und zwei Paare von Statorwicklungen 14 und 16.
Jede Statorwicklung repräsentiert
eines Phase des Schrittmotors. Für
Diskussionszwecke repräsentieren
die Wicklung 14 die Phase A und die Wicklung 16 die
Phase B. Der Rotor 12 bewegt sich in Schritten in Übereinstimmung
mit der Größe und Polarität des Stroms,
der an die jeweiligen Wicklungen 14 und 16 angelegt
wird. Wenn ein Strom durch eine der Wicklungen geleitet wird, werden
die resultierenden Statur-Nord- und -Südpole der energisierten Wicklung 14 die
Süd- bzw.
Nordpole des Rotors 12 anziehen.
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Es
gibt eine Zahl von Antriebsmodi zur Steuerung der Drehung des Rotors
in einem Schrittmotor. In einem „Eine Phase an"-Antriebsmodus wird
eine Wicklung voll energisiert, während die andere Wicklung ausgeschaltet
wird. Durch Ändern
des Stromflusses von der ersten Wicklung 14 zur anderen Wicklung 16 dreht
sich das Statorfeld um neunzig Grad. In diesem Modus wird weniger
Energie benötigt.
Dies resultiert darin, dass der Rotor sich um einen Schnitt von
neunzig Grad dreht. Wie im Fachgebiet bekannt ist, können Schritte
von unterschiedlichen Graden erhalten werden, indem verschiedene Rotor-
und Statorkonfigurationen verwendet werden. Wenn die zwei Phasenströme ungleich
sind, wird der Rotor außerdem
dahin tendieren, sich zu einer Position hin zum stärkeren Pol
zu verlagern. Der „Mikroschritt"-Antriebsmodus nutzt diesen Effekt und
unterteil den grundlegenden Motorschritt, indem der Strom, der an
die zwei Wicklungen angelegt wird, proportioniert wird. Wenn beispielsweise
abwechselnd eine Wicklung und dann zwei energisiert werden, bewegt
sich der Rotor durch eine kleinere Winkelverschiebung, und die Zahl
der Schritte pro Umdrehung wird verdoppelt. Höhere Auflösung, bessere Gleichmäßigkeit,
aber ein gewisser Verlust an Drehmoment resultieren. Dieser Modus
ist gemeinhin als der „Halbschritt"-Antriebsmodus bekannt.
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Für einen
Zweiphasen-Schrittmotor, der im „Vollschritt"-Antriebsmodus angetrieben
wird, werden die zwei Wicklungen oder Phasen energisiert gehalten,
und der Strom wird abwechselnd in jeder Wicklung in abwechselnden
Schritten umgekehrt. Unter diesen Bedingungen kann ein größeres Drehmoment
erzeugt werden, weil sämtliche
der Statorpole den Motor beeinflussen. Ihre individuellen Felder
summieren sich, um ein stärkeres
Magnetfeld zu erzeugen. In diesem Antriebsmodus wird jedoch mehr
Energie verbraucht, weil beide Wicklungen dauerhaft gespeist werden.
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Wenn
kein Strom durch die Wicklungen fließt, versucht der Motor, die
Reluktanz oder den magnetischen Widerstand seines Permanentmagneten
zu minimieren, indem er sich selbst mit den Polen von einer der
Statorwicklungen ausrichtet. Das Drehmoment, das den Motor in dieser
Position hält,
wird als das Haltemoment bezeichnet.
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2 zeigt
einen Prozessor 20, der Signale zum Antrieb des Schrittmotors 10 bereitstellt.
In dieser Ausführungsform
greift der Prozessor 20 oder ein anderes geeignetes digitales
System auf Daten aus Nachschlagetabellen zu, die in einem Speicher 22 gespeichert
sind, um Signale bereitzustellen, die die Wellenform zum Antrieb
des Schrittmotors 10 in einem bestimmten Modus definieren.
Die Tabellen in Speicher 22 stellen Werte für die Polaritäten und
Größen der
Ströme
bereit, die an die Wicklungen des Motors 10 anzulegen sind.
Der Prozessor 20 führt
die Polaritäts-
und Größensignale
den Treibern 26 zu, um die richtigen Ströme für die Wicklungen
des Schrittmotors 10 bereitzustellen. Die Werte werden durch
einen D/A-Umsetzer 28 geleitet, um sie in Analogsignale
umzuwandeln, bevor sie in die Treiber 26 eingegeben werden.
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Wie
in 3 dargestellt, umfassen die Treiber 26 für die Wicklungen 14 und 16 des
Zweiphasen-Schrittmotors 10 ein
Paar von H-Brücken 30,
die von dem Prozessor gesteuert werden. Die Größen der Stromausgänge der
H-Brücke
werden von Zerhackern 32 gesteuert. Die Zerhacker 32 wirken,
um den Motorantrieb ein- oder auszuschalten, wie es erforderlich
ist, um die Differenz zwischen den Richtungs- und Größensignalen an den Komparatoreingängen 33 zu
minimieren. Die Größensignale
werden über die
D/A-Umsetzer 28 (2) erzeugt.
Der Prozessor 20 wechselt zwischen den separaten Tabellen,
die im Speicher 22 gespeichert sind und die spezifischen Daten
für die
Bereitstellung der passenden Wellenform zum Antrieb des Schrittmotors
enthalten. Der Speicher 22 enthält in einer Ausführungsform
mehrere Nachschlagetabellen, von denen jede für den Prozessor zur Verwendung
während
des Betriebs des Motors durch jede Gruppe von Schritten verfügbar war.
Der Prozessor ist damit imstande, die Motorantrieb-Wellenformen während des
Betriebs zu wechseln und führt
dies automatisch aus, wie hierin beschrieben. Der Index der Nachschlagetabelle
wird während
der Motorumdrehung geändert,
so dass der Prozessor immer die richtigen Wellenformen zur Steuerung
des Motors verfügbar
hat. Beispielsweise wurde eine Nachschlagetabelle für die Beschleunigungswellenformen
gespeichert und eine andere wurde für die Vollschrittwellenform
gespeichert.
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3 zeigt
außerdem
den Antriebsstrom durch Pfeile, die gestrichelte Schäfte haben,
und die Abfallströme
durch Pfeile, die durchgezogene Schäfte haben, für die Wicklung
der Phase A. Die Zerhacker 32 schalten die Transistoren
A1 und A2 abhängig
vom Ergebnis des Vergleichs des Größensignals mit dem Richtungssignal
durch den Komparator 33 ein.
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In
Schrittmotoren 10, die für medizinische Infusionspumpen
wie die in 2 dargestellte lineare Schlauchpumpe,
die an einem Rohr 36 wirken, das zwischen einem Flüssigkeitsreservoir 38 und
einem Patienten 40 verbunden ist, verwendet werden, ist ein
in 4 dargestellter Vollschritt-Antriebsmodus bei
einer konstanten Schrittrate unter Umständen nicht der effizienteste
Modus zum Betrieb des Motors 10, um Gerausche und Energieverbrauch
zu reduzieren. Wie oben diskutiert, kann die resultierende Schrittperiode
eine übermäßige Dauer
haben, in der der Hauptanteil der Bewegung des Motors nahe dem Anfang
der Periode erfolgt, jedoch Energie als Wärme im Widerstand der Wicklungen 14 und 16 für den Rest
der Periode vergeudet wird und unangenehme Geräusche resultieren.
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Jetzt
Bezug nehmend auf 5, ist eine Ausführungsform
dargestellt, in der Energie an den Motor in einer nichtlinearen
Weise zum Starten der Motorbewegung angelegt wird. Der Wicklungsstrom 42 wird
in einer exponentiellen Weise angelegt, um zu bewirken, dass der
Motor sein maximales Drehmoment bei einer schnelleren Rate erreicht,
als wenn eine lineare Zunahme des Wicklungsstroms 44 verwendet
werden würde.
Dieses Konzept resultiert in einem sanften Übergang zu einem hohen Drehmomentausgang
mit einer niedrigen Anfangsrate der Zunahme des Drehmoments, wodurch
weniger Geräusche
erzeugt und weniger Energie verbraucht werden, als wenn ein lineares
Vorgehen verwendet werden würde.
Wie in 5 gezeigt, wird der Spitzenwicklungsstrom 46 beim
exponentiellen Anlegen von Energie an den Motor viel schneller erreicht
als beim linearen Anlegen. In dieser Ausführungsform wird der Spitzenwicklungsstrom
innerhalb eines Motorschritts angelegt. Obgleich nicht dargestellt,
wird ein gleiches Vorgehen am Punkt der Verlangsamung des Motors
verwendet. Die Energie wird in dieser Ausführungsform in einer nichtlinearen
abnehmenden Weise weggenommen, eine exponentielle Abnahme.
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6 präsentiert
einen Graphen der Motorbewegung als ein Ergebnis der in 5 dargestellten exponentiellen
Zuführung
von Energie. Der Motor erreicht die maximale Winkelgeschwindigkeit 43 schneller
durch exponentielle Beschleunigung 45 als durch lineare
Beschleunigung 47. Dies wird darin resultieren, dass der
Motor eine etwaig vorhandene Resonanzfrequenz schneller und mit
weniger resultierenden Geräuschen
durchläuft
als bei Verwendung des linearen Konzepts. In dieser Ausführungsform hat
der Motor seine Spitzenwinkelgeschwindigkeit innerhalb von vier
Motorschritten erreicht. Außerdem ist
bei exponentieller Beschleunigung weniger Energie erforderlich,
um die gewünschte
Drehzahl zu erreichen.
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Jetzt
Bezug nehmend auf 7, sind zwei Zeitrahmen 48 und 50 von
Phasenströmen
A 51 und B 53 für einen Schrittmotorantrieb
dargestellt. In jedem Zeitrahmen wird der Motor durch eine vorbestimmte
Gruppe von Schritten 52, 54 und 56 bewegt und
wird dann für
den Rest des Zeitrahmens 58 gestoppt. Folglich enthält jeder
Zeitrahmen Perioden der Beschleunigung 52, der maximalen
Schrittrate 54, der Verlangsamung 56 und der Energieausschaltung
oder des Stopps 58 (obwohl Ziffern nur an einem Rahmen
dargestellt sind). Im ausgeschalteten Intervall wird der Rotor in
dieser Ausführungsform durch
das Haltemoment seines Permanentmagnetfelds in Position gehalten.
Es hat sich gezeigt, dass Antreiben des Motors für die gleiche durchschnittliche
Schrittrate in der dargestellten Weise, d. h. nichtlineare Beschleunigung
auf eine ausgewählte
maximale Schrittrate, Verlangsamung durch eine nichtlineare Abnahme
der Schrittrate und Ausschalten, im Verbrauch von weniger durchschnittlicher
Energie zur Steuerung des Motors resultiert als der in 4 dargestellte
Antrieb mit konstanter Rate.
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8 zeigt
zwei Wicklungsstrom-Wellenformen 51 und 53 der
Gruppe von Schritten in einem einzelnen Zeitrahmen von 7 mit
mehr Details. 8 wird in der folgenden Diskussion
mit den Vektordiagrammen in 9 betrachtet. 9 enthält Graphen,
die Beschleunigungs-Verlangsamungs- und Konstantdrehzahl-Vektorsequenzen
für den durch
die in 8 dargestellte Wellenform angetriebenen Zweiphasen-Schrittmotor 10 zeigen.
Die Graphen veranschaulichen die drei Abschnitte der Wellenform
und ihre korrespondierenden Motorschritte und Mikroschritte. Die
Vektoren geben die Richtung und Größe des Motormagnetfelds an,
die auf den Rotor 12 bei jedem Mikroschritt wirken. Der
Beschleunigungsabschnitt veranschaulicht die schnell zunehmende
Schrittrate (d. h. abnehmende Mikroschritte für anschließende Schritte), während der
Rotor die Drehzahl durch Verwendung eines modifizierten „Eine Phase
an"-Modus erhöht. Der
Abschnitt der hohen Drehzahl, der durch die modifizierte Vollwellen-Wellenform
erhalten wird, hält
die konstante Drehzahl des Motors mit genauer Positionierung aufrecht.
Der Verlangsamungsabschnitt zeigt die schnell abnehmende Schrittrate,
während
der Motor die Drehzahl wieder mit einem modifizierten „Eine Phase an"-Modus verringert.
Im Mikroschritt Nr. 40, dem Ende des Verlangsamungsabschnitts,
ist der Rotor nahe seiner Halteposition, bevor der Strom zu den Motorwicklungen
abgeschaltet wird. Der Rotor stoppt in einer „Eine Phase an"-Position, bevor
die Wicklung ausgeschaltet wird. Der Rotor wird dann durch das Haltemoment,
der vom Permanentmagneten des Rotors erzeugt wird, in Position gehalten,
bis die nächste
Gruppe von Schritten auf den Motor angewandt wird. Dies resultiert
in genauer Positionierung des Motors ohne die Verwendung von Strom
zum Halten der Position.
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Während der
Beschleunigung und Verlangsamung wird der Motor mit einer modifizierten „Eine Phase
an"-Wellenform angetrieben.
Dies korrespondiert mit den Schritten 1-4 und 16-18,
worin jeder Schritt mit dem Motor in einer Halteposition beginnt und
endet, in der die eine energetisierte Wicklung oder Phase ohne irgendein
resultierendes Motordrehmoment ein- oder ausgeschaltet werden kann. In
der dargestellten gegenwärtigen
Ausführungsform wird
ein modifizierter „Eine
Phase an"-Antriebsmodus
verwendet, um eine sanftere Beschleunigung durch den Motor zu erreichen.
Das Magnetfeld befindet sich nicht präzise in der Halteposition,
sondern wird am Ende der Beschleunigung in den Motorschritten 2 und 3 etwas
verzögert,
um den Rotor für den Übergang
zum Antrieb mit hoher Drehzahl vorzubereiten. Das Feld wird in ähnlicher
Weise am Ende jedes Verlangsamungsschritts etwas verzögert, um den
Rotor darauf vorzubereiten, zu einem Stopp präzise an der Halteposition in
dem Moment, in dem der Wicklungsstrom weggenommen wird, auszulaufen. Der
Betrag, zu dem die zweite Wicklung energisiert wird, um diese Modifizierung
zu realisieren, ist von den physikalischen Parameter des Motors
abhängig. Beispielsweise
können
das Trägheitsmoment
des Rotors, die Stärke
des Haltefelds und der Widerstand und die Induktanz der Motorwicklungen
alle die Geräusche
des Motors beeinflussen und für
die Modifizierung der „Eine
Phase an"-Wellenform
bei der Auswahl berücksichtigt
werden.
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Die „Eine Phase
an"-Antriebsmodi
werden zu Mikroschritten zwischen „Eine Phase an"-Positionen des Rotors während der
Bewegung des Motors modifiziert. Durch vorübergehende Energetisierung von
mehr als einer Wicklung während
jedes Schritts können
das Drehmoment erhöht
und eine sanfte Feldvektorversetzungssequenz bereitgestellt werden.
Mikroschritte werden in der modifizierten „Eine Phase an"-Wellenform verwendet,
um die Winkelverschiebung und Geräusche zu reduzieren und eine sanftere
Beschleunigung für
den Motor bereitzustellen. Eine bevorzugte Mikroschrittsequenz erzeugt eine
exponentiell steigende Stromgröße während des
anfänglichen
Beschleunigungsschritts, wie in 5 dargestellt.
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Wie
oben erwähnt,
wird der Motor vorzugsweise zu Beginn des Zeitrahmens bei einer
exponentiell ansteigenden Schrittrate beschleunigt, bis die maximale
Schrittrate für
den Motor in einer minimalen Zeit erreicht wird. Eine exponentiell
ansteigende Schrittrate gestattet es der Schrittrate, die Resonanzfrequenzen
des Motors schneller zu passieren, wodurch akustische Geräusche reduziert
werden, nachdem der Motor von einer stationären Position mit einer niedrigen
anfänglichen
Winkelbeschleunigung gestartet wird. Die niedrige anfängliche
Winkelbeschleunigung gestattet die Verwendung eines niedrigen anfänglichen
Motordrehmoments, das wie folgt ausgedrückt werden kann: τ = Jαwobei τ das Motordrehmoment, α die Winkelbeschleunigung
und J das Trägheitsmoment
der Last sind.
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Geräusche werden
reduziert, indem der Motor von einer stationären Position mit einer niedrigeren
Veränderungsrate
des Drehmoments gestartet wird, als sie bei einer linearen Zunahme
der Motorstromvektorgröße erfolgen
würde.
Die endgültige Stromvektorgröße eines
Motorschritts muss ausreichend sein, um die erforderliche „Drehmomentreserve" zu erzeugen, die
den Motorstart mit einer mechanischen Last unter ungünstigsten
Bedingungen gewährleistet.
Ein ansteigendes exponentielles Stromprofil gestattet es, diesen
endgültigen
Wert in einer gegebenen Periode, d. h. einem Schritt des Motors, mit
einer niedrigeren anfänglichen
Veränderungsrate von
Strom und Drehmoment zu erreichen.
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Das
niedrige anfängliche
Drehmoment reduziert sowohl den Energieverbrauch als auch die Geräusche. Da
das Drehmoment eine lineare Funktion des Wicklungsstroms für Betrieb
unterhalb der Sättigung
ist, wird nur ein niedriger anfänglicher
Wicklungsstrom benötigt,
der den Energieverbrauch reduziert. Die Strompegel in den anfänglichen
Beschleunigungsschritten haben die stärksten Wirkungen auf den Energieverbrauch,
da diese Schritte die längste Dauer
der Gruppe von Schritten aufweist. Sämtliche der Schritte enthalten
Mikroschritte konstanter Periode und die anfänglichen Beschleunigungsschritte enthalten
die größte Zahl
von Mikroschritten. Die Verwendung eines exponentiell ansteigenden
Beschleunigung bewirkt, dass der Motor seine erwünschte maximale Drehzahl schnell
erreicht. Die im Speicher 22 gespeicherten Beschleunigungswellenform-Tabellen können programmiert
werden, um den Wicklungsstrom beim Fortschreiten der Beschleunigung
zu erhöhen,
um den zunehmenden Drehmomentpegel bereitzustellen, der erforderlich
ist, um eine nichtlinear ansteigende Beschleunigungsrate aufrechtzuerhalten.
Die im Speicher gespeicherten Tabellen enthalten die Werte für die Mikroschritte
für die
Schrittsequenzen der Wellenform zum Antreiben des Schrittmotors.
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Weiterhin
kann das Bandbreitenerfordernis der Steuerung durch die Verwendung
von Mikroschritten mit einer konstanten Periode minimiert werden.
Die Motorschrittrate in nachfolgenden Schritten während der
Beschleunigung kann erhöht
werden, indem die Zahl der Mikroschritte pro Motorschritt verringert
und eine konstante Mikroschrittperiode beibehalten wird, anstatt
die Mikroschrittperiode zu verkürzen
und eine konstante Zahl von Mikroschritten pro Schritt beizubehalten.
Die Mikroschrittperiode ist das kürzeste Intervall, das aufgelöst werden
muss, da der Mikroschritt die erforderliche Bandbreite der Steuerung
bestimmt. Normalerweise wird Beschleunigung durch Verkürzung dieser
Periode bewirkt, um eine höhere
Rate von Mikroschritten pro Zeiteinheit zu erreichen. Erhöhung der
Mikroschrittrate erfordert jedoch eine vergrößerte Bandbreite der Steuerung.
Indem die Mikroschrittperiode während
der Beschleunigung konstant gehalten wird, wird das Bandbreitenerfordernis
der Steuerung konstant und gleich dem für die niedrigste anfängliche
Schrittrate gehalten. Da bei der maximalen Rate nur ein Mikroschritt
pro Motorschritt vorhanden ist, ist die Motorschrittperiode bei
der maximalen Rate gleich der Mikroschrittperiode bei der niedrigsten
anfänglichen
Rate, wie in 8 dargestellt, in der die Mikroschritte
auf den horizontalen Achsen dargestellt sind und die Motorschritte
zwischen den zwei Graphen mit Pfeilen, die die Zahl des Motorschritts
umgeben, dargestellt sind. Verringerung der Zahl von Mikroschritten
pro Motorschritt während
der Beschleunigung des Motors ist akzeptabel, weil die Veränderungsrate
des Drehmoments bei höheren
Schrittraten durch die Motorinduktanz geglättet wird und der Motor dahin
tendiert, gegenüber
Drehmomentänderungen
bei hohen Drehzahlen weniger empfindlich zu sein.
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Sobald
die gewünschte
Drehzahl für
den Schrittmotor
10 erreicht ist, wird eine modifizierte Vollschrittwellenform
für den
Abschnitt maximaler konstanter Rate der Gruppe von Schritten für den Antrieb
des Zweiphasen-Schrittmotors
10 verwendet. Für Schrittmotoren,
die mehr als zwei Phasen haben, kann eine andere Wellenform wünschenswert
sein. Wie in
8 dargestellt, wechselt für jeden
Schritt der modifizierten Vollschrittwellenform
51 und
53 ein Wicklungsstrom
stetig die Polarität,
während
die andere ungefähr
konstant bleibt. Dies ist ausführlicher in
10,
11A und
11B mit
Phase-A-Strom
60 und Phase-B-Strom
62 dargestellt. Die
Rate, bei der die Polaritätsänderung
erfolgt, ist eine Funktion der Induktanz des Motors und der Bürdenspannung des
Motortreibers, wie ausgedrückt
durch:
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Da
Vcompliance und die Motorinduktanz, L, konstant
sind, ändert
sich der Strom in der Wicklung, der einer Polaritätsumkehrung
unterzogen wird, ungefähr
wie eine lineare Funktion der Zeit, bis er am Ende der Schrittperiode
seinen endgültigen
Wert erreicht. Eine gewisse Nichtlinearität kann durch den Widerstand
der Motorwicklung eingeführt
werden. Die tatsächliche
Feldvektorverschiebung ist eine stetige analoge Funktion, die durch
die Induktionsabnahme der Motorwicklung bestimmt wird, wie in 10, 11A und 11B dargestellt.
Die andere Wicklung wird auf einem Konstantstrom 66 gehalten,
der gleich dem oder kleiner als der endgültige Wert der Abnahme ist.
Der Konstantstrompegel 66 wird ausgewählt, um den Energieverbrauch
zu minimieren und gleichzeitig das erforderliche minimale Drehmoment
bei hoher Drehzahl für
die spezifizierte Last bereitzustellen.
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Wenn
der Motor bei seiner maximalen Drehzahl, die so ausgewählt wird,
dass sie gut oberhalb seiner Resonanz liegt, angetrieben wird, sind
die akustischen Geräusche,
die normalerweise mit Vollschrittantrieb assoziiert sind, reduziert.
Akustische Geräusche
sowie Energieverbrauch können
weiter reduziert werden, indem, wie oben beschrieben, der Konstantstrompegel
auf einen Wert optimiert wird, der den Energieverbrauch minimiert
und gleichzeitig das erforderliche minimale Drehmoment bei hoher Drehzahl
für die
spezifizierte Last bereitstellt. Dies resultiert in dem „modifizierten" Vollschrittantriebsmodus.
Da eine Komponente des Stromvektors sich während jedes Schritts hoher
Drehzahl stetig vom anfänglichen
zum endgültigen
Wert verändert,
ist die resultierende Feldvektorverschiebung (11B) stetig und es werden weniger Geräusche erzeugt.
Es ist keine Vergrößerung der
Bandbreite der Steuerung über
die der niedrigsten anfänglichen
Antriebsrate erforderlich. Wie in 8 ersichtlich,
hat jeder Schritt der Vollschrittwellenform 51 und 53 eine
Periode, die vorzugsweise gleich der Periode eines Mikroschritts ist.
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11A zeigt mehr Einzelheiten eines Teils der Wellenform
von 10 mit willkürlichen
Zeitinkrementen entlang der horizontalen Achse. Es ist ersichtlich,
wie der Phase-A-Strom 60 einen stetigen Polaritätsübergang
innerhalb eines Motorschritts (acht willkürliche Zeitinkremente) vollführt, was
in verminderten Geräuschpegeln
resultiert. Diese willkürlichen
Zeitinkremente werden wieder in 11B verwendet,
um die Feldvektorverschiebung innerhalb eines Motorschritts darzustellen.
Es erfolgt eine stetige Vektordrehung ohne diskrete Schritte, die
zu höheren
Geräuschpegeln
führen.
Anstatt dem Strom zu gestatten, den in 10 dargestellten
endgültigen Abnahmewert
zu erreichen, wird die Stromabnahme auf den Konstantstrompegel 66 begrenzt,
so dass die Polaritätsumkehrung
einen Motorschritt dauert.
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Während der
Verlangsamung wird der Motor erneut mit einer „Eine Phase an"-Wellenform angetrieben,
die für
Mikroschritte zwischen den einzelnen „Eine Phase an"-Positionen modifiziert
ist, die mit dem Motor in einer Halteposition beginnen und enden,
wobei die eine energisierte Wicklung oder Phase im endgültigen Schritt
der Gruppe ohne irgendein resultierendes Motordrehmoment ein- oder
ausgeschaltet werden kann. Mikroschritt-Antriebsmodi werden von
den „Eine
Phase an"-Antriebspositionen
unterbrochen, um das Drehmoment zu erhöhen und eine sanfte Feldvektorverschiebungssequenz bereitzustellen.
Es ist keine Energie erforderlich, um den Motor in der endgültigen stationären Halteposition
für die
Gruppe von Schritten zu halten. Der Permanentmagnet im Rotor 12 hält den Schrittmotor 10 in
der Halteposition. Folglich kann die Energie zwischen Gruppen von
Schritten ausgeschaltet werden, um den durchschnittlichen Energieverbrauch
des Schrittmotors 10 in einem Zeitrahmen zu reduzieren.
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Während des
Systemsverlaufs durch die Perioden der Beschleunigung, der hohen
Drehzahl und der Verlangsamung wechselt der Prozessor
20 die Tabellenindizes,
um durch die separaten Tabellen zu gehen, die die Wellenformen für Beschleunigung, hohe
Drehzahl und Verlangsamung enthalten. Die Zahl der Schritte im Zeitrahmen,
die Gesamtzeit des Zeitrahmens und die Länge des Intervalls ohne Energiezuführung werden
vom Prozessor
20 gesteuert, um die durchschnittliche Schrittrate
des Motors präzise
zu bestimmen. Bestimmte medizinische Vorrichtungen wie Flüssigkeitspumpen
können
Drehung bei einer ausgewählten
durchschnittlichen Rate durch Gruppierung von Schritten anwenden,
um Infusate mit der richtigen Dosierung abzugeben. Siehe beispielsweise
die
US-Patentanmeldung lfd.
Nr. 08/305677 , eingereicht am 12. September 1994, für Butterfield
et al mit dem Titel „System
for Increasing Flow Uniformity".
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Da
die durchschnittliche Schrittrate des Motors durch die Zahl von
Schritten in der Schrittgruppe und den Intervallen ohne Energiezuführung zwischen den
Gruppen bestimmt wird, können
die gleiche maximale Schrittrate und das gleiche Beschleunigungs-Verlangsamungsprofil
für jede
gewünschte durchschnittliche
Schrittrate verwendet werden, und optimale Effizienz kann bei allen
durchschnittlichen Schrittraten erreicht werden, indem eine optimale hohe
Schrittrate ausgewählt
wird. Die gleiche Bürdenspannung
für den
Schrittmotor kann bei allen durchschnittlichen Raten verwendet werden,
weil dieselbe maximale Schrittrate für den Motor verwendet wird.
Nur die Zahl der Schritte in der Gruppe von Schritten und das Intervall
ohne Energiezuführung müssen geändert werden,
um die gewünschte
durchschnittliche Rate für
den Motor anzupassen. Die Bürdenspannung
ist die maximale Spannung, die erforderlich ist, um einen spezifischen
Stromwert über
einen Bereich von Lastwiderständen
aufrechtzuerhalten. Der erforderliche Antriebsalgorithmus und die
erforderliche Hardware sind gegenüber denen, die erforderlich
sind, um die Effizienz eines Motors unter Verwendung eines Maximalraten-Schrittantriebs zu optimieren,
vereinfacht, weil dieselbe konstante Schrittrate verwendet wird,
um jede gewünschte durchschnittliche
Rate zu erreichen. Dieselbe maximale Schrittrate für die Wellenform,
die für
optimale Motoreffizienz ausgewählt
wird, wird unabhängig
von der gewünschten
durchschnittlichen Schrittrate verwendet. Bei Verwendung eines Konstantraten-Schrittantriebs
muss eine niedrigere und weniger effiziente konstante Schrittrate
verwendet werden, um die gewünschte
durchschnittliche Schrittrate zu erreichen.
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Der
Schrittmotor 10 hat, wenn er durch die oben beschriebene
Kombination von Antriebsmodi angetrieben wird, einen niedrigeren
durchschnittlichen Energieverbrauch als einer, der von einem Konstantraten-Schrittantriebssignal
angetrieben wird. „Eine
Phase an"-Antriebsmodi
mit niedrigem Energieverbrauch werden verwendet und während der Zeit,
die die Schrittgruppen voneinander trennt, wird keine Energie verbraucht.
Die Effizienz des Motors wird optimiert, indem eine hohe maximale
Schrittrate ausgewählt
wird, deren Periode der erforderlichen Wicklungsstrom-Abnahmezeit
entspricht, die durch Motorinduktanz und Bürdenspannung bestimmt wird, um
die in 10, 11A und 11B dargestellte Wellenform zu erhalten.
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12 zeigt
ein Ablaufdiagramm, das die Operation eines Steuerungssystems mit
offener Schleife nach den Grundsätzen
der Erfindung darstellt. Wenn die Motorbewegung beginnen soll 80, beschleunigt
der Motor als ein Ergebnis des exponentiellen Anlegen von Strom
an die Wicklungen 82. Ein „Eine Phase an"-Antriebsmodus, der
für Mikroschrittbetrieb
zwischen „Ein
Schritt an"-Positionen modifiziert
ist, wird mit abnehmenden Zahlen von Mikroschritten während der
Beschleunigen verwendet 84. Wenn der Motor eine vorausgewählte Drehzahl erreicht
hat 86, wird ein modifizierter Vollschrittantrieb verwendet 88.
Wenn nach Umdrehungen für
die erforderliche Zahl von Schritten im Vollschrittmodus Verlangsamung
erforderlich ist 90, wird ein „Eine Phase an"-Modus, der für Mikroschrittbetrieb
zwischen den „Eine
Phase an"-Positionen
modifiziert ist, mit zunehmenden Zahlen von Mikroschritten für Verlangsamung
verwendet 92. Die Verlangsamung wird durch die exponentielle
Wegnahme von Energie zum Motor bewirkt. Wenn der Motor sich an einer
Halteposition befindet 94, wird die Energie ausgeschaltet 96.
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Während die
Erfindung in der Form von bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
veranschaulicht und beschrieben wurde, ist es klar, dass die Erfindung
zahlreichen Abwandlungen und Anpassungen innerhalb der Fähigkeiten
von Fachleuten unterzogen werden kann. Daher versteht es sich, dass
verschiedene Änderungen
in Form, Detail und Nutzung der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden
können,
ohne den Rahmen der beigefügten Patentansprüche zu verlassen.
