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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors, dessen Wicklungen bei Durchführung eines Schrittes über eine Schalteinrichtung zunächst an eine erste hohe Spannung und anschliessend an eine zweite niedrige Spannung angeschlossen sind, wobei zumindest die erste hohe Spannung nicht stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass a) während der Bestromung der Wicklungen (1) des Schrittmotors mit der ersten hohen Spannung (UM) der zeitliche Verlauf dieser Spannung in eine Grösse umgesetzt wird, die zumindest näherungsweise die den Wicklungen bereits zugeführte Energiemenge repräsentiert; b) die Grösse mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird, wobei der vorgegebene Wert eine Energiemenge repräsentiert, die den Wicklungen (1) des Schrittmotors zugeführt werden muss, damit dieser einen Schritt fehlerfrei ausführt;
c) für den Fall, dass die Grösse den vorgegebenen Wert übersteigt, die Bestromung der Wicklungen (1) des Schrittmotors mit der ersten hohen Spannung (UM) unterbrochen wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umsetzen des zeitlichen Verlaufs der höheren Spannung (UM) in eine Grösse, die der den Wicklungen (1) bereits zugeführten Energiemenge entspricht, dadurch erfolgt, dass ein Kondensator (15) über einen Vorwiderstand (16) vom Beginn der Bestromung der Wicklungen (1) des Schrittmotors mit der ersten höheren Spannung (UM) an durch eine dieser ersten höheren Spannung (UM) proportionalen Spannung aufgeladen wird, so dass die Spannung am Kondensator (15) der den Wicklungen (1) des Schrittmotors bereits zugeführten Energiemenge näherungsweise proportional ist.
3. Verfahren nach Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung am Kondensator (15) mit einer vorgegebenen Referenzspannung (URef2) kontinuierlich verglichen wird, wobei die Referenzspannung (URef2) die Energiemenge repräsentiert, die zur fehlerfreien Durchführung eines Schrittes des Schrittmotors notwendig ist, und dass die Unterbrechung der Bestromung der Wicklungen (1) des Schrittmotors mit der ersten höheren Spannung (UM) dann erfolgt, wenn die am Kondensator (15) anliegende Spannung die Referenzspannung (URef2) überschreitet.
4. Verfahren nach Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung am Kondensator (15) mit einem vorgegebenen Wert zyklisch verglichen wird, und dass die Unterbrechung der Bestromung der Wicklungen (1) des Schrittmotors mit der ersten höheren Spannung (UM) nach dem Vergleichszyklus erfolgt, in dem ein Überschreiten des vorgegebenen Wertes festgestellt wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umsetzen des zeitlichen Verlaufs der ersten höheren Spannung (UM) in eine Grösse, die der den Wicklungen (1) bereits zugeführten Energiemenge entspricht, dadurch erfolgt, dass vom Beginn der Bestromung der Wicklungen (1) des Schrittmotors mit der ersten höheren Spannung (UM) an a) diese erste höhere Spannung über einen Analog-Digital Wandler (19) mittels eines Mikroprozessors (7) zyklisch erfasst wird, wobei eine Umsetzung des Betrages der ersten höheren Spannung (UM) in ein Binärwort erfolgt; b) nach jedem Abtastzyklus durch den Mikroprozessor (7) die Summe der vom Beginn eines Motorschrittes an ermittelten Binärworte gebildet wird;
c) der Mikroprozessor (7) nach jeder Summenbildung das der Summe entsprechenden Binärwort mit einem vorgegebenen Binärwort, das in einem Speicher des Mikroprozessors (7) gespeichert ist, vergleicht; d) der Mikroprozessor (7), dann, wenn der Wert des der Summe entsprechenden Binärwortes den Wert des vorgegebenen Binärwortes übersteigt, durch entsprechende Ansteuerung eines Halbleiterschalters (4) die Bestromung der Wicklungen (1) des Schrittmotors mit der ersten höheren Spannung (UM) unterbricht.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zur Ansteuerung von Schrittmotoren sind eine Reihe verschiedener Ansteuerprinzipien bekannt, von denen die gebräuchlichsten im Aufsatz von Herbert Sax Schrittmotorensteuerungen mit monolithischen Bausteinen , erschienen in der Zeitschrift Elektronik , Heft 23, 1980, Seiten 67-71, zusammengefasst sind.
Insbesondere zur Durchführung schneller Positioniervorgänge, wie z.B. bei der Positionierung von Typenrädern in Typenradschreibmaschinen, hat sich ein Ansteuerprinzip besonders bewährt. Es handelt sich dabei um eine Ansteuerung der Wicklungen des Schrittmotors mit zwei unterschiedlichen Spannungen gemäss der Ausführungen im Oberbegriff des Patentanspruches 1. Der Vorteil dieses Ansteuerprinzips besteht in erster Linie darin, dass durch das Anlegen der ersten höheren Spannung an die Wicklungen des Schrittmotors zu Beginn eines Motorschrittes ein schneller Stromanstieg in den Wicklungen erfolgt, so dass eine verhältnismässig hohe Schrittfrequenz möglich wird.
Um den Strom in den Wicklungen des Schrittmotors auf ein zulässiges Mass zu begrenzen, ist es notwendig, während des Motorschrittes von der ersten höheren Spannung auf eine zweite sehr viel niedrigere Spannung umzuschalten. Der Zeitpunkt, an dem die Umschaltung erfolgt, wird dabei entweder als empirisch ermittelter Wert fest vorgegeben, oder, wie im vorstehend zitierten Aufsatz ausgeführt, durch einen Strompegeldetektor ermittelt.
Um bei Positioniervorrichtungen, die einen Schrittmotor beinhalten, der nach dem vorstehend beschriebenen Ansteuerprinzip arbeitet und z.B. zur Positionierung des Typenrades oder des Typenträgerschlittens in Typenradschreibmaschinen dient, eine fehlerfreie Positionierung zu erreichen, hat es sich als notwendig erwiesen, zumindest die erste höhere Spannung zu stabilisieren. Dies ist mit einem erheblichen Aufwand für das Netzteil derartiger Geräte verbunden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Ansteuerverfahren für Schrittmotoren anzugeben, das es gestattet, trotz der Verwendung einer nicht stabilisierten Spannung als Motorspannung Positioniervorgänge schnell und fehlerfrei auszuführen.
Das erfindungsgemässe Verfahren geht dabei von der Überlegung aus, dass die entscheidende Grösse für das fehlerfreie Ausführen eines Motorschrittes die dem Motor während eines Motorschrittes zugeführte Energiemenge ist, wobei selbstverständlich sichergestellt sein muss, dass der Strom durch die Wicklungen des Schrittmotors ein Drehmoment erzeugt, das ausreicht, die bei Schrittmotoren vorhandene magnetische Rastung zu überwinden.
Es hat sich gezeigt, dass sich die Aufgabe, gestützt auf die vorstehende Überlegung, durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 lösen lässt. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Der hauptsächliche Vorteil des Verfahrens nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 besteht darin, dass die Notwendigkeit, eine stabilisierte Motorspannung zu verwenden, wegfällt, was eine erhebliche Reduzierung der Kosten des Netzteiles, z.B. bei Typenradschreibmaschinen, mit sich bringt.
Die im Kennzeichen der abhängigen Anprüche 2 und 3 aufgezeigte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens offenbart eine besonders einfache Methode, die den Wicklungen
des Schrittmotors bereits zugeführte Energiemenge analog zu erfassen und auszuwerten.
Ist hingegen eine digitale Erfassung und Auswertung der den Wicklungen des Motors bereits zugeführten Energiemenge angestrebt, erweisen sich die in den Kennzeichen der abhängigen Ansprüche 4 und 5 aufgeführten Merkmale als vorteilhaft.
Einige Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind nachfolgend unter Zuhilfenahme der Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit Schaltungsteil zum analogen Erfassen und Auswerten der einem Schrittmotor zugeführten Energiemenge und
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit Schaltungsteil zum digitalen Erfassen und Auswerten der einem
Schrittmotor zugeführten Energiemenge.
In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, mit deren Hilfe das erfindungsgemässe Verfahren durchführbar ist.
Die Wicklungen 1 des Schrittmotors sind mit jeweils einem
Ende an einem Punkt 2 zusammengefasst, der über eine Diode
3 mit der Haltespannung UH und über einen Halbleiterschalter 4 mit der Motorspannung UM verbunden sind. Die anderen En den der Wicklungen 1 führen über weitere Halbleiterschalter 5, die über Leitungen 6 direkt von einem Mikroprozessor 7 gesteuert werden, auf Massepotential. Die Ansteuerung des Halbleiterschalters 4 erfolgt über Leitung 8 durch eine Zeitstufe 9, die
Leitung 10 vom Mikroprozessor 7 getriggert wird. Die Zeitstufe 9 ist darüber hinaus über Leitung 11 an eine Referenzspannung
URef und über Leitungen 12 an eine Vergleichsspannung Uv angeschlossen.
Bevor das erfindungsgemässe Verfahren anhand der vorstehend beschriebenen Fig. 1 näher erläutert wird, erscheinen einige Anmerkungen zur Referenzspannung URef und zur Vergleichsspannung Uv erforderlich. Die Referenzspannung URef ist eine Grösse, die der Energiemenge proportional ist, die einem Schrittmotor einer bestimmten Modellreihe unter bestimmten Lastverhältnissen zugeführt werden muss, damit dieser fehlerfrei arbeitet. Die Vergleichsspannung Uv ist eine Grösse, die der Energiemenge proportional ist, die dem Schrittmotor während eines Schrittes bereits zugeführt wurde. Um die Referenzspannung URef mit der Vergleichsspannung Uv vergleichen zu können, müssen beide - bezogen auf die Energiemenge, die sie repräsentieren - den gleichen Proportionalitätsfaktor aufweisen.
Das erfindungsgemässe Verfahren läuft unter den vorstehend aufgeführten Voraussetzungen folgendermassen ab:
Zur Durchführung eines Motorschrittes steuert der Mikroprozessor 7 über Leitung 6 die Halbleiterschalter 5 in an sich bekannter Weise derart an, dass diese die zur Ausführung des Schrittes notwendigen Wicklungen 1 mit dem Massepotential verbinden. Gleichzeitig triggert der Mikroprozessor 7 über Leitung 10 die Zeitstufe 9. Diese steuert über Leitung 8 den Halb leiterschalter 4 an, der den Punkt 2 mit der Motorspannung UM verbindet.
Mit dem Triggerimpuis über Leitung 10 beginnt die
Zeitstufe 9 die Referenzspannung URef mit der Vergleichsspan nung Uv zu vergleichen. Übersteigt die Vergleichsspannung Uv die Referenzspannung URef, zu unterbricht die Zeitstufe 9 über
Leitung 8 und Halbleiterschalter 4 die Verbindung zwischen der
Motorspannung UM und dem Punkt 2, so dass dieser über die
Diode 3 auf Haltespannung UH legt.
Die Zeit, in der Punkt 2 und damit die Wicklungen 1 des
Schrittmotors mit der Motorspannung UM verbunden sind, wird entsprechend den vorstehenden Ausführungen durch den Ver lauf der Vergleichsspannung Uv - bezogen auf die Referenz spannung URef - bestimmt. Da, wie vorausgesetzt, die Ver gleichspannung Uv der den Wicklungen 1 des Schrittmotors während eines Motorschrittes bereits zugeführten Energiemenge entspricht und diese sich wiederum aus der an den Wicklungen 1 liegende Spannung UM ergibt, kann Uv von UM direkt abgeleitet werden.
Hierzu sind einige Bedingungen zu erfüllen: a) aus dem Verlauf der Vergleichsspannung Uv muss bei maximal möglicher Motorspannung UM eine Schaltzeit resultieren, die eine thermische Überlastung des Schrittmotors zuverlässig verhindert; b) aus dem Verlauf der Vergleichsspannung Uv muss bei minimal möglicher Motorspannung UM eine Schaltzeit resultieren, die nicht länger ist als die Zeit, die zwischen zwei Motorschritten verstreicht; c) der Verlauf der Vergleichspannung Uv sollte zwischen den Extrembedingungen nach a) und b) möglichst so sein, dass sich zwischen der Motorspannung UM und der davon abhängigen Schaltzeit ein näherungsweise linearer Zusammenhang ergibt.
Eine Möglichkeit, die Vergleichsspannung Uv von der Motorspannung UM abzuleiten und gleichzeitig die Bedingungen a) bis c) näherungsweise zu erfüllen, ist in Fig. 2 gezeigt. Da sich die Schaltung in Fig. 2 nur teilweise von der in Fig. 1 unter- scheidet, werden nachfolgend nur die unterschiedlichen Schaltungsteile bzw. deren Funktion näher beschrieben. Dabei sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen gewählt.
Zur Realisierung der Zeitstufe (Fig. 1) findet ein handelsüblicher monostabiler Multivibrator 13 Verwendung, wie er z.B.
von der Firma Motorola unter der Typenbezeichnung MC 14538 B vertrieben wird. Der monostabile Multivibrator 13 weist über seinen Eingang B eine Verbindung 10 zum Mikroprozessor 7, über seinen Eingang A eine Verbindung auf Masse, über seinen Ausgang Q eine Verbindung 8 zum Halbleiterschalter 4 sowie Anschlüsse an die Versorgungsspannung (nicht dargestellt) auf. Die Eingänge T1 und T2 des monostabilen Multivibrators 13 sind mit den Anschlüssen eines Kondensators 15 verbunden, der einerseits an Masse angeschlossen ist und anderseits mit einem Widerstand 16 eine Reihenschaltung 15, 16 bildet. Die Reihenschaltung 15, 16 liegt zu einem Widerstand 17 parallel und ist über einen weiteren Widerstand 18 mit der Motorspannung UM verbunden.
Der durch die Widerstände 17 und 18 gebildete Spannungsteiler dient dazu, die maximal an der Reihenschaltung aus Kondensator 15 und Widerstand 16 auftretende Spannung auf die maximal an den Eingängen T1 und T2 des monostabilen Multivibrators 13 zulässige Spannung zu begrenzen.
Die Bestromung der Wicklungen 1 des Schrittmotors mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Schaltung läuft so ab, dass der Mikroprozessor 7 zunächst eine vom durchzuführenden Motorschritt abhängige Auswahl der Wicklungen 1 durch Ansteuern der Halbleiterschalter 5 über die Leitungen 6 mit dem Massenpotential verbindet, gleichzeitig gibt er über Leitung 10 einen Triggerimpuls auf den Eingang B des monostabilen Multivibrators 13. Dieser schaltet mit der negativen Flanke des Triggerimpulses seinen Ausgang auf hohes Potential und steuert damit über Leitung 8 den Halbleiterschalter 4 an, der dar aufhin die Motorspannung UM auf die Wicklungen 1 des Schrittmotors durchschaltet.
Gleichzeitig mit dem Eintreffen der negativen Flanke des Triggerimpulses am Eingang B des monostabilen Multivibrators 13 entlädt dieser den an seinen Eingängen T1 und T2 liegenden Kondensator 15 sehr schnell auf eine erste intern erzeugte Referenzspannung URefI.
Anschliessend wird der Kondensator 15 über den Widerstand 16 durch die am Widerstand 17 liegende Spannung, die der Motorspannung UM proportional ist, aufgeladen, bis eine zweite ebenfalls im monostabilen Multivibrator 13 erzeugte Referenzspannung URef2 überschritten wird. Mit der Überschreiten der Referenzspannung U,tef2 schaltet der monostabile Multivibrator 13 in seinen Ausgangszustand zurück, so das über seinen Ausgang Q und Leitung 8 niedriges Potential am Halbleiterschalter 4 liegt, wodurch dieser sperrt. Die Wicklungen 1 des
Schrittmotors liegen dann über die Diode 3 wieder an Halte spannung UH. Einzelheiten der Funktion des monostabilen
Multivibrators 13 MC 14538 B sind dem zugehörigen Datenblatt zu entnehmen.
Wie aus der vorstehenden Funktionsbeschreibung zur Fig. 2 ersichtlich, wird die Schaltzeit I des monostabilen Multivibrators 13 durch den Verlauf der Vergleichsspannung Uv am Kondensator 15 bestimmt. Der Verlauf der Vergleichsspannung Uv am Kondensator 15 hängt u.a. von der am Widerstand 17 abfallenden Spannung und damit von der Motorspannung UM ab, so dass sich zwischen der Schaltzeit I des monostabilen Multivibrators 13 und der Motorspannung UM ein proportionaler Zusammenhang ergibt. Durch die Wahl der Baulemente, die den zeitlichen Verlauf der Vergleichspannung Uv mitbestimmen, also durch die Wahl des Kondensators 15 bzw. des Widerstandes
16, kann die Schaltzeit des monostabilen Multivibrators 13 so eingestellt werden, dass sie den Angaben im Datenblatt des Schrittmotors bei Nennspannung entspricht.
Wie Versuche gezeigt haben, stellen sich bei dieser Vorgehensweise für die maximal mögliche Motorspannung bzw. die minimal mögliche Motorspannung die zu Fig. 1 in Punkten a) und b) erwähnten Bedingungen ein. Der gewünschte lineare Zusammenhang zwischen der Motorspannung UM und der Schaltzeit I des monostabilen Multivibrators 13, wie er im Punkt c) der Beschreibung zur Fig. 1 gefordert ist, kann jedoch aufgrund der nach einer Exponentialfunktion verlaufenden Ladekurve des Kondensators
15 nicht erreicht werden. Versuche haben jedoch gezeigt, dass die daraus resultierenden Abweichungen nicht zu Fehlfunktionen des Schrittmotors führen.
Neben der vorstehend beschriebenen Möglichkeit, durch direkten Vergleich zweier Spannungen (URef2, Uv) die den Wicklungen 1 des Schrittmotors während eines Schrittes zugeführte Energiemenge - unabhängig von der Motorspannung UM konstant zu halten, ist es selbstverständlich auch denkbar, die Vergleichspannung Uv zu digitalisieren und zyklisch mit einer gespeicherten digitalen Grösse zu vergleichen. Eine Unterbrechung der Bestromung der Wicklungen 1 des Schrittmotors mit der Motorspannung UM muss bei dieser Vorgehensweise dann erfolgen, wenn die Vergleichseinrichtung, z.B. der Mikroprozessor 7, in einem Vergleichszyklus feststellt, dass der digitale Wert von Uv grösser ist als der gespeicherte digitale Vergleichswert.
Eine Schaltung zur Realisierung dieser Verfahrensvariante unterscheidet sich von der Schaltung in Fig. 2 nur dadurch, dass die Funktion des monostabilen Multivibrators 13 in den Mikroprozessor 7 verlagert ist, so dass sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt.
Eine von den Beispielen nach Fig. 1 und 2 abweichende Art, den zeitlichen Verlauf der Motorspannung UM in eine Grösse umzusetzen, die der den Wicklungen 1 des Schrittmotors während eines Schrittes bereits zugeführten Energiemenge entspricht, wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der Fig. 3 beschrieben.
Wie bereits zu Fig. 1 ausgeführt, sind die Wicklungen 1 des Schrittmotors einerseits über den Halbleiterschalter 4 mit der Motorspannung UM und anderseits über die Halbleiterschalter 5 mit dem Massepotential verbindbar. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter 5 erfolgt über Leitungen 6 durch den Mikroprozessor 7, der im Unterschied zur Fig. 1 auch den Halbleiterschalter 4 direkt über Leitung 21 steuert. Die Eingänge 22 des Mikroprozessors 7 sind darüber hinaus über Leitungen 20 mit dem Digitalausgang eines Analog-Digital-Wandlers 19 verbunden, dessen Analogeingang an die Motorspannung UM angeschlossen ist. Der Analog-Digital-Wandler 19 liefert an seinen Digitalausgängen ein Binärwort, das der Motorspannung UM entspricht, die während eines Digitalisierungszyklus' am Analogeingang des Analog-Digital-Wandlers 19 liegt.
Zur Durchführung eines Motorschrittes verbindet der Mikroprozessor 7 zunächst eine vom durchführenden Motorschritt abhängige Auswahl der Wicklungen 1 durch Ansteuern der Halbleiterschalter 5 über die Leitungen 6 mit dem Massepotential und steuert über Leitung 21 den Halbleiterschalter 4 so an, dass dieser die Wicklungen 1 des Schrittmotors mit der Motorspannung UM verbindet. Vom Beginn der Bestromung der Wicklungen 1 des Schrittmotors mit der Motorspannung UM an führt der Mikroprozessor 7 eine Reihe von Steuerschritten durch, die nachfolgend stark vereinfacht in einer Tabelle aufgeführt sind.
Schritt I
Abfragen des an den Eingängen 22 liegenden Binärwortes, Weiterführung mit Schritt 2.
Schritt 2
Addieren des abgefragten Binärwortes zu einem aus einem ersten Speicher entnommenen Binärwort, das die Summe der Binärworte ist, die während eines Motorschrittes bereits ermittelt wurden, Weiterführung mit Schritt 3.
Schritt 3
Abspeichern des, das Ergebnis der Addition in Schritt 2 darstellenden Binärwortes im ersten Speicher, Weiterführung mit Schritt 4.
Schritt 4
Vergleichen des Binärwortes aus dem ersten Speicher mit einem fest vorgegebenen Binärwort aus einem zweiten Speicher.
Ist das Binärwort aus dem ersten Speicher grösser als das Binärwort aus dem zweiten Speicher, Weiterführung mit Schritt 5, ansonsten Weiterführung mit Schritt 1.
Schritt 5
Unterbrechen der Verbindung zwischen der Motorspannung UM und den Wicklungen 1 des Schrittmotors durch entsprechende Ansteuerung des Halbleiterschalters 4 über Leitung 21.
Die vorstehend beschriebene Verfahrensvariante beruht auf der Überlegung, dass die während eines Abtastzyklus' an den Wicklungen 1 des Schrittmotors liegende Motorspannung UM näherungsweise der während dieses Abtastzyklus' den Wicklungen 1 des Schrittmotors zugeführten Energiemenge proportional ist. Summiert man die jeweils in den einzelnen Abtastzyklen ermittelte Spannung UM, SO entspricht die Summe näherungsweise der den Wicklungen 1 des Schrittmotors während dieser Abtastzyklen zugeführte Energiemenge. Durch zyklischen Vergleich der Summe mit einem vorgegebenen Wert lässt sich der Zeitpunkt ermitteln, zu dem die den Wicklungen 1 des Schrittmotors zugeführte Energiemenge ausreicht, damit der Schrittmotor einen Schritt fehlerfrei ausführt. Es ist somit möglich, den Halbleiterschalter 4 direkt über den Mikroprozessor 7 zu steuern.
Zur Durchführung des Verfahrens mit Hilfe der Schaltung in Fig. 3 ist es selbstverständlich erforderlich, den Digitalisierungszyklus des Analog-Digital-Wandlers 19 und den Abtastzyklus des Mikroprozessors 7 zu synchronisieren. Das im Schritt 4 des Verfahrens zum Vergleich herangezogene Binärwort, das der Energiemenge entspricht, die den Wicklungen 1 des Schrittmotors zugeführt werden muss, damit dieser einen Schritt sicher ausführt, ist auch in diesem Falle empirisch zu ermitteln. Es kann dabei so vorgegangen werden, dass zunächst die Bestromungszeit der Wicklungen 1 bei Nennspannung entsprechend den Datenblattangaben des verwendeten Schrittmotors durch die Zeitdauer eines Abtastzyklus' dividiert wird. Das Ergebniss dieser Division ist die Anzahl der Abtastzyklen, die sich bei Anlegen der Nennspannung als Motorspannung UM nach dem zu Fig. 3 beschriebenen Verfahren ergeben muss.
Multipliziert man das Binärwort, das sich beim Anlegen der Nennspannung an den Analogeingang des Analog-Digital Wandlers 19 an dessen Digitalausgängen einstellt, mit der Anzahl der Abtastzyklen, so erhält man als Ergebnis in erster Näherung das gesuchte Binärwort. Durch Variation dieses Binärwortes in einer Versuchsreihe lässt sich das zu Fig. 3 beschriebene Verfahren optimieren, so dass es den zur Fig. 1 aufgeführten Bedingungen a) bis c) genügt.
Bei den vorstehend aufgeführten Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass sich das Verhältnis zwischen Wirkleistungsanteil und Verlustleistungsanteil bei unterschiedlich hohen Motorspannungen UM nicht ändert, so dass gemäss der zu Fig. 1 aufgeführten Bedingung c) ein linearer Zusammenhang zwischen Motorspannung UM und Einschaltzeit I der Motorspannung anzustreben ist. Dies trifft zwar nicht exakt zu, kann aber, wie praktische Versuche gezeigt haben, beim durch das unstabilisierte Netzteil verursachten Schwankungsbereich der Motorspannung als in erster Näherung gegeben angenommen werden.
Wie zu den Fig. 1 bis 3 beschrieben, ist es möglich, mit dem erfindungsgemässen Verfahren die den Wicklungen 1 des Schrittmotors zugeführte Energiemenge auch bei Stark schwankender, also nicht stabilisierter, Motorspannung annähernd konstant zu halten. Bewerkstelligt wird dies durch variieren der Bestromungszeit in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf dieser Motorspannung. Der praktische Nutzen, der sich daraus ergibt, ist in erster Linie darin zu sehen, dass bei Einrichtungen, wie z.B. Typenradschreibmaschinen, die als Antrieb für das Typenrad und den Typenträgerschlitten nach dem erfindungsgemässen Verfahren betriebene Schrittmotoren beinhalten, ein bezüglich der relativ hohen Motorspannung nicht stabilisiertes und damit kostengünstiges Netzteil eingesetzt werden kann.
Darüber hinaus ergibt sich aus dem Umstand, dass den Wicklungen eines Schrittmotors, bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens, immer nur die Energiemenge zugeführt wird, die zur fehlerfreien Durchführung eines Schrittes notwendig ist, eine gegenüber herkömmlichen Verfahren sehr viel geringere Verlustleistung.
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PATENT CLAIMS
1. A method for controlling a stepper motor, the windings of which are first connected to a first high voltage and then to a second low voltage when performing a step via a switching device, at least the first high voltage not being stabilized, characterized in that a) during the energization of the windings (1) of the stepping motor with the first high voltage (UM) the time profile of this voltage is converted into a quantity which at least approximately represents the amount of energy already supplied to the windings; b) the size is compared with a predetermined value, the predetermined value representing an amount of energy that must be supplied to the windings (1) of the stepping motor so that it executes a step without errors;
c) in the event that the size exceeds the predetermined value, the energization of the windings (1) of the stepping motor is interrupted with the first high voltage (UM).
2. The method according to claim 1, characterized in that the conversion of the time profile of the higher voltage (UM) into a size that corresponds to the amount of energy already supplied to the windings (1), in that a capacitor (15) via a series resistor (16) from the beginning of the energization of the windings (1) of the stepping motor with the first higher voltage (UM) by a voltage proportional to this first higher voltage (UM), so that the voltage across the capacitor (15) of the windings ( 1) the amount of energy already supplied to the stepper motor is approximately proportional.
3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the voltage at the capacitor (15) with a predetermined reference voltage (URef2) is continuously compared, the reference voltage (URef2) representing the amount of energy necessary for the error-free execution of a step of the stepper motor and that the interruption of the energization of the windings (1) of the stepping motor with the first higher voltage (UM) takes place when the voltage across the capacitor (15) exceeds the reference voltage (URef2).
4. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the voltage across the capacitor (15) is compared cyclically with a predetermined value, and that the interruption of the energization of the windings (1) of the stepper motor with the first higher voltage (UM) after the comparison cycle takes place, in which an exceeding of the predetermined value is determined.
5. The method according to claim 1, characterized in that the conversion of the time profile of the first higher voltage (UM) to a size that corresponds to the amount of energy already supplied to the windings (1), in that from the start of energizing the windings ( 1) the stepper motor with the first higher voltage (UM) at a) this first higher voltage is cyclically recorded by means of a microprocessor (7) via an analog-digital converter (19), the amount of the first higher voltage (UM) being converted done in a binary word; b) after each sampling cycle, the microprocessor (7) forms the sum of the binary words determined from the start of a motor step;
c) after each sum formation, the microprocessor (7) compares the binary word corresponding to the sum with a predetermined binary word which is stored in a memory of the microprocessor (7); d) the microprocessor (7), when the value of the binary word corresponding to the sum exceeds the value of the predetermined binary word, by appropriately controlling a semiconductor switch (4) energizing the windings (1) of the stepper motor with the first higher voltage (UM) interrupts.
The invention relates to a method for controlling a stepper motor according to the preamble of patent claim 1.
For controlling stepper motors, a number of different control principles are known, the most common of which are summarized in the article by Herbert Sax, stepper motor controls with monolithic modules, published in the magazine Elektronik, issue 23, 1980, pages 67-71.
In particular for performing quick positioning processes, e.g. When positioning typewriters in typewriter typewriters, a control principle has proven particularly useful. It is a control of the windings of the stepper motor with two different voltages according to the statements in the preamble of claim 1. The main advantage of this control principle is that by applying the first higher voltage to the windings of the stepper motor at the beginning of a Motor step a rapid current rise in the windings takes place, so that a relatively high step frequency is possible.
In order to limit the current in the windings of the stepper motor to a permissible level, it is necessary to switch from the first higher voltage to a second, much lower voltage during the motor step. The point in time at which the switchover takes place is either predetermined as an empirically determined value or, as explained in the article cited above, determined by a current level detector.
In order to positioners that contain a stepper motor that works according to the drive principle described above and e.g. To position the type wheel or the type carrier slide in type wheel typewriters, to achieve error-free positioning, it has proven necessary to stabilize at least the first higher voltage. This is associated with a considerable effort for the power supply unit of such devices.
The object of the invention is therefore to provide a control method for stepper motors which allows positioning operations to be carried out quickly and without errors, despite the use of an unstabilized voltage as the motor voltage.
The method according to the invention is based on the consideration that the decisive variable for the faultless execution of a motor step is the amount of energy supplied to the motor during a motor step, whereby it must of course be ensured that the current through the windings of the stepper motor generates a torque that is sufficient to overcome the magnetic detent present in stepper motors.
It has been shown that the task, based on the above consideration, can be solved by the characterizing features of claim 1. Advantageous refinements of the method according to the invention are characterized in the dependent claims.
The main advantage of the method according to the characterizing features of claim 1 is that it eliminates the need to use a stabilized motor voltage, which significantly reduces the cost of the power supply, e.g. with typewriter typewriters.
The embodiment of the method according to the invention shown in the characterizing part of the dependent claims 2 and 3 discloses a particularly simple method for the windings
the amount of energy already supplied to the stepper motor can be recorded and evaluated analogously.
If, on the other hand, digital acquisition and evaluation of the amount of energy already supplied to the windings of the motor is desired, the features listed in the characteristics of the dependent claims 4 and 5 prove to be advantageous.
Some embodiments of the method according to the invention are described in more detail below with the aid of the drawings, for example. Show it:
1 shows a circuit arrangement for carrying out the method according to the invention;
Fig. 2 shows a circuit arrangement according to Fig. 1 with circuit part for analog detection and evaluation of the amount of energy supplied to a stepper motor and
Fig. 3 shows a circuit arrangement according to Fig. 1 with a circuit part for digital detection and evaluation of one
Stepper motor supplied amount of energy.
1 shows a circuit arrangement with the aid of which the method according to the invention can be carried out.
The windings 1 of the stepper motor are each one
End summarized at a point 2, which is via a diode
3 are connected to the holding voltage UH and via a semiconductor switch 4 to the motor voltage UM. The other ends of the windings 1 lead to ground potential via further semiconductor switches 5, which are directly controlled by a microprocessor 7 via lines 6. The control of the semiconductor switch 4 takes place via line 8 by a time stage 9, the
Line 10 is triggered by the microprocessor 7. The time stage 9 is also via line 11 to a reference voltage
URef and connected via lines 12 to a reference voltage Uv.
Before the method according to the invention is explained in more detail with reference to FIG. 1 described above, a few comments regarding the reference voltage URef and the comparison voltage Uv appear necessary. The reference voltage URef is a quantity that is proportional to the amount of energy that must be supplied to a stepper motor of a certain model series under certain load conditions so that it works correctly. The reference voltage Uv is a quantity that is proportional to the amount of energy that was already supplied to the stepper motor during a step. In order to be able to compare the reference voltage URef with the reference voltage Uv, both must have the same proportionality factor in relation to the amount of energy that they represent.
The process according to the invention proceeds as follows under the conditions listed above:
To carry out a motor step, the microprocessor 7 controls the semiconductor switches 5 via line 6 in a manner known per se in such a way that they connect the windings 1 necessary for executing the step to the ground potential. At the same time, the microprocessor 7 triggers the time stage 9 via line 10. This controls the semiconductor switch 4 via line 8, which connects point 2 with the motor voltage UM.
With the trigger pulse on line 10 begins
Time stage 9 to compare the reference voltage URef with the reference voltage Uv. If the comparison voltage Uv exceeds the reference voltage URef, the time stage 9 interrupts
Line 8 and semiconductor switch 4 the connection between the
Motor voltage UM and the point 2 so that this over the
Diode 3 puts on the holding voltage UH.
The time at which point 2 and thus the windings 1 of the
Stepper motor connected to the motor voltage UM is determined in accordance with the above statements by the course of the comparison voltage Uv - based on the reference voltage URef. Since, as provided, the comparison voltage Uv corresponds to the amount of energy already supplied to the windings 1 of the stepping motor during a motor step and this in turn results from the voltage UM applied to the windings 1, Uv can be derived directly from UM.
For this, some conditions have to be fulfilled: a) the course of the comparison voltage Uv must result in a switching time at the maximum possible motor voltage UM, which reliably prevents thermal overloading of the stepper motor; b) with the minimum possible motor voltage UM, the switching voltage Uv must result in a switching time that is not longer than the time that elapses between two motor steps; c) The course of the comparison voltage Uv between the extreme conditions according to a) and b) should be such that there is an approximately linear relationship between the motor voltage UM and the switching time dependent thereon.
One possibility of deriving the comparison voltage Uv from the motor voltage UM and at the same time approximately fulfilling the conditions a) to c) is shown in FIG. 2. Since the circuit in FIG. 2 only partially differs from that in FIG. 1, only the different circuit parts and their functions are described in more detail below. The same reference numerals have been chosen for the same parts.
A commercially available monostable multivibrator 13, such as that used, for example, is used to implement the time stage (FIG. 1).
is marketed by Motorola under the type designation MC 14538 B. The monostable multivibrator 13 has a connection 10 to the microprocessor 7 via its input B, a connection to ground via its input A, a connection 8 to the semiconductor switch 4 via its output Q and connections to the supply voltage (not shown). The inputs T1 and T2 of the monostable multivibrator 13 are connected to the connections of a capacitor 15 which is connected on the one hand to ground and on the other hand forms a series circuit 15, 16 with a resistor 16. The series circuit 15, 16 is parallel to a resistor 17 and is connected to the motor voltage UM via a further resistor 18.
The voltage divider formed by resistors 17 and 18 serves to limit the maximum voltage occurring at the series connection of capacitor 15 and resistor 16 to the maximum voltage permitted at inputs T1 and T2 of monostable multivibrator 13.
The energization of the windings 1 of the stepping motor with the aid of the circuit described above takes place in such a way that the microprocessor 7 first connects a selection of the windings 1 which is dependent on the motor step to be carried out by actuating the semiconductor switches 5 via the lines 6 to the ground potential, and at the same time gives via lines 10 a trigger pulse to input B of the monostable multivibrator 13. This switches its output to a high potential with the negative flank of the trigger pulse and thus controls the semiconductor switch 4 via line 8, which then switches through the motor voltage UM to the windings 1 of the stepper motor.
Simultaneously with the arrival of the negative edge of the trigger pulse at input B of the monostable multivibrator 13, the latter very quickly discharges the capacitor 15 at its inputs T1 and T2 to a first internally generated reference voltage URefI.
The capacitor 15 is then charged via the resistor 16 by the voltage across the resistor 17, which is proportional to the motor voltage UM, until a second reference voltage URef2, likewise generated in the monostable multivibrator 13, is exceeded. When the reference voltage U, tef2 is exceeded, the monostable multivibrator 13 switches back to its initial state, so that the output Q and line 8 have a low potential at the semiconductor switch 4, which blocks it. The windings 1 of the
Stepper motor are then again via the diode 3 to the holding voltage UH. Details of the function of the monostable
Multivibrators 13 MC 14538 B can be found in the corresponding data sheet.
As can be seen from the above functional description of FIG. 2, the switching time I of the monostable multivibrator 13 is determined by the course of the comparison voltage Uv on the capacitor 15. The course of the comparison voltage Uv on the capacitor 15 depends, among other things. from the voltage drop across the resistor 17 and thus from the motor voltage UM, so that there is a proportional relationship between the switching time I of the monostable multivibrator 13 and the motor voltage UM. By the choice of the components which also determine the time course of the comparison voltage Uv, that is to say by the choice of the capacitor 15 or the resistor
16, the switching time of the monostable multivibrator 13 can be set so that it corresponds to the information in the data sheet of the stepper motor at nominal voltage.
As tests have shown, this procedure results in the conditions mentioned for points 1) and b) in FIG. 1 for the maximum possible motor voltage or the minimum possible motor voltage. The desired linear relationship between the motor voltage UM and the switching time I of the monostable multivibrator 13, as required in point c) of the description of FIG. 1, can, however, due to the charging curve of the capacitor which follows an exponential function
15 cannot be achieved. However, tests have shown that the resulting deviations do not lead to malfunction of the stepper motor.
In addition to the possibility described above, by directly comparing two voltages (URef2, Uv) to keep the amount of energy supplied to the windings 1 of the stepper motor during a step - regardless of the motor voltage UM, it is of course also conceivable to digitize the comparison voltage Uv and cyclically to compare with a stored digital quantity. In this procedure, the current supply to the windings 1 of the stepping motor must be interrupted with the motor voltage UM if the comparison device, e.g. the microprocessor 7 determines in a comparison cycle that the digital value of Uv is greater than the stored digital comparison value.
A circuit for realizing this method variant differs from the circuit in FIG. 2 only in that the function of the monostable multivibrator 13 is shifted to the microprocessor 7, so that a detailed description is unnecessary.
A way of converting the temporal profile of the motor voltage UM into a quantity that corresponds to the amount of energy already supplied to the windings 1 of the stepping motor during a step is described below with the aid of FIG. 3.
As already explained in relation to FIG. 1, the windings 1 of the stepper motor can be connected to the motor voltage UM via the semiconductor switch 4 on the one hand and to the ground potential via the semiconductor switch 5 on the other hand. The control of the semiconductor switch 5 takes place via lines 6 by the microprocessor 7 which, in contrast to FIG. 1, also controls the semiconductor switch 4 directly via line 21. The inputs 22 of the microprocessor 7 are also connected via lines 20 to the digital output of an analog-digital converter 19, the analog input of which is connected to the motor voltage UM. The analog-digital converter 19 supplies at its digital outputs a binary word which corresponds to the motor voltage UM which is present at the analog input of the analog-digital converter 19 during a digitization cycle.
To carry out a motor step, the microprocessor 7 first connects a selection of the windings 1 which is dependent on the motor step to be carried out, by activating the semiconductor switch 5 via the lines 6 with the ground potential and controls the semiconductor switch 4 via line 21 such that it switches the windings 1 of the stepping motor with the Motor voltage UM connects. From the beginning of the energization of the windings 1 of the stepping motor with the motor voltage UM, the microprocessor 7 carries out a series of control steps, which are listed below in a highly simplified manner in a table.
Step I
Query the binary word at inputs 22, continue with step 2.
step 2
Adding the queried binary word to a binary word taken from a first memory, which is the sum of the binary words that have already been determined during a motor step, continued with step 3.
step 3
Saving the binary word representing the result of the addition in step 2 in the first memory, continuing with step 4.
Step 4
Comparison of the binary word from the first memory with a predefined binary word from a second memory.
If the binary word from the first memory is larger than the binary word from the second memory, continue with step 5, otherwise continue with step 1.
Step 5
Interrupting the connection between the motor voltage UM and the windings 1 of the stepper motor by correspondingly controlling the semiconductor switch 4 via line 21.
The method variant described above is based on the consideration that the motor voltage UM applied to the windings 1 of the stepping motor during a scanning cycle is approximately proportional to the amount of energy supplied to the windings 1 of the stepping motor during this scanning cycle. If the voltage UM determined in each of the individual scanning cycles is summed up, the sum approximately corresponds to the amount of energy supplied to the windings 1 of the stepping motor during these scanning cycles. By cyclically comparing the sum with a predetermined value, it is possible to determine the point in time at which the amount of energy supplied to the windings 1 of the stepping motor is sufficient for the stepping motor to execute a step without errors. It is thus possible to control the semiconductor switch 4 directly via the microprocessor 7.
To carry out the method using the circuit in FIG. 3, it is of course necessary to synchronize the digitization cycle of the analog-to-digital converter 19 and the sampling cycle of the microprocessor 7. The binary word used in step 4 of the method for comparison, which corresponds to the amount of energy that must be supplied to the windings 1 of the stepping motor in order for it to carry out a step safely, must also be determined empirically in this case. It can be done in such a way that first the energization time of the windings 1 at nominal voltage is divided by the duration of a sampling cycle in accordance with the data sheet specifications of the stepper motor used. The result of this division is the number of sampling cycles that must result when the nominal voltage is applied as motor voltage UM according to the method described for FIG. 3.
Multiplying the binary word which occurs when the nominal voltage is applied to the analog input of the analog-digital converter 19 at its digital outputs by the number of sampling cycles, the result is the binary word sought as a first approximation. The method described for FIG. 3 can be optimized by varying this binary word in a series of experiments so that it satisfies the conditions a) to c) listed for FIG. 1.
In the exemplary embodiments listed above, it was assumed that the ratio between active power component and power loss component does not change at different motor voltages UM, so that, according to condition c) shown in FIG. 1, a linear relationship between motor voltage UM and switch-on time I of the motor voltage is to be aimed for . This is not exactly true, but, as practical tests have shown, it can be assumed as a first approximation for the fluctuation range of the motor voltage caused by the unstabilized power supply.
As described in FIGS. 1 to 3, it is possible to keep the amount of energy supplied to the windings 1 of the stepping motor approximately constant even with strongly fluctuating, that is not stabilized, motor voltage with the method according to the invention. This is accomplished by varying the energization time as a function of the time course of this motor voltage. The practical benefit that results from this can primarily be seen in the fact that in facilities such as Type wheel typewriters, which contain stepper motors operated as drives for the type wheel and the type carrier slide according to the method according to the invention, a power supply which is not stabilized with respect to the relatively high motor voltage and is therefore inexpensive can be used.
In addition, the fact that the windings of a stepping motor, when using the method according to the invention, always results in only the amount of energy which is necessary for the error-free execution of a step results in a much lower power loss than conventional methods.