CH670343A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung einer Hochlaufsteuerfrequenz und einer Abbremssteuerfrequenz für Schrittmotoren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Fig. 1 der DE 34 44 220 AI ist eine Steuereinrichtung für einen Schrittmotor dargestellt, die der Behebung der Instabilität des Schrittmotors dient, indem recheckförmige Steuerimpulse, die von einem spannungsgesteuerten Taktgeber erzeugt werden, mit Hilfe eines gefilterten und möglicherweise verstärkten Spannungssignals frequenzmoduliert werden. Dieses Spannungssignal wird an einem Widerstand abgegriffen, in dem ein Summenstrom von Phasenströmen des Schrittmotors fliesst. Der spannungsgesteuerte Taktgeber ist dabei z.B. ein mittels eines Zeitgebers («timers») vom Typ LM 556> aufgebauter astabiler Multivibrator. Dieser enthält mindestens einen Kondensator als Teil von RC-Gliedern, die als Zeitbasis dienen zur Erzeugung der Impulsdauer und der Impulslücken der Steuerimpulse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Frequenz der rechteckförmigen Steuerimpulse des Schrittmotors und damit auch dessen Geschwindigkeit in Funktion der Zeit zumindest zeitweise nicht plötzlich ansteigt bzw. absinkt, sondern stetig kontinuierlich ändert.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht, wobei in einer besonders bevorzugten Ausführung die Frequenz der rechteckförmigen Steuerimpulse zeitweise mehr oder weniger exponential ansteigt bzw. absinkt und dabei vorzugsweise den in der Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf besitzt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Behebung der Instabilität eines Schrittmotors,

Fig. 2 einen bevorzugten zeitlichen Verlauf der Steuerfrequenz f des Schrittmotors,

Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf eines Einschalt-Steuersignals Vi des Schrittmotors,

Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf eines Freigabe-Steuersignals V2 des Schrittmotors,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines steuerbaren Taktgebers, Fig. 6 ein Schaltbild einer Einrichtung zur Erzeugung einer Hochlauf- und Abbrems-Steuerfrequenz des Schrittmotors,

Fig. 7 ein Schaltbild eines nichtinvertierenden Schaltverstärkers und

Fig. 8 ein Schaltbild eines Filters mit Synchronisiereingang. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.

Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält mindestens:

einen Schrittmotor 1, der von einer Gleichspannung U gespeist ist,

einen Sequenzgeber 2,

einen Messwiderstand 3,

ein Tiefpassfilter 4,

fakultativ einen Verstärker 5,

ein Hochpassfilter 6,

einen spannungsgesteuerten Taktgeber 7,

eine Einrichtung 8 zur Erzeugung einer Hochlauf- und Abbrems-Steuerfrequenz,

ein erstes Und-Gatter 9,

ein zweites Und-Gatter 10,

eine Rückwärtszähleinrichtung 11,

ein Steuergerät 12,

fakultativ eine RC-Reihenschaltung 13; 14, bestehend aus einem Kondensator 13 und einem Widerstand 14,

fakultativ einen quarzgesteuerten Rechteckoszillator 15 und fakultativ einen Phasenkomparator 16 mit Anzeige.

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Der Schrittmotor 1 hat eine beliebige Anzahl Phasen. In der Zeichnung wurde die Anwesenheit eines vierphasigen Schrittmotors 1 angenommen. In diesem Fall besitzt der Sequenzgeber 2 vier mit dem Schrittmotor 1 verbundene Ausgänge, die z.B. «Open collector»-Ausgänge sind. Das heisst, der Ausgangs-Treiber des Sequenzgebers 2 besteht in diesem Fall aus vier Bipolartransistoren Tl, T2, T3 und T4, deren Kollektoren die vier Ausgänge des Sequenzgebers 2 bilden und deren Basisanschlüsse mit je einem der vier Ausgänge einer Sequenzsteuerschaltung 2a verbunden sind, deren Eingang seinerseits den Eingang des Sequenzgebers 2 bildet. Die Emitter der vier Bipolartransistoren Tl, T2, T3 und T4 sind z.B. innerhalb des Sequenzgebers 2 miteinander verbunden. Derartige Sequenzgeber sind an sich bekannt und handelsüblich erhältlich.

Der nicht mit dem Schrittmotor 1 verbundene Pol der Gleichspannung U liegt, nicht dargestellt, z.B. an Masse. In diesem Fall liegt auch ein erster Pol des Messwiderstandes 3 an Masse.

Es sind einpolig direkt miteinander verbunden:

— die Emitter der Bipolartransistoren Tl, T2, T3 und T4 mit dem zweiten Pol des Messwiderstandes 3 und mit dem Eingang des Tiefpassfilters 4,

— der Ausgang des Tiefpassfilters 4 mit dem Eingang des Verstärkers 5 oder, falls dieser nicht vorhanden ist, mit dem Eingang des Hochpassfilters 6,

der Ausgang des Verstärkers 5, falls vorhanden, mit dem Eingang des Hochpassfilters,

— der Ausgang des Hochpassfilters 6 mit dem Spannungs-Steuereingang P des Taktgebers 7,

— der Ausgang des Taktgebers 7 mit dem Eingang des Sequenzgebers 2, mit einem Takteingang der Rückwärtszählein-richtung 11 und, falls vorhanden, mit einem ersten Eingang des Phasenkomparators 16,

— je ein Pol eines zweipoligen Ausgangs der Einrichtung 8 mit je einem Pol Q bzw. R eines zweipoligen Widerstandseinganges Q; R des Taktgebers 7,

—■ die Ausgänge der beiden Und-Gatter 9 und 10 mit je einem Steuereingang der Einrichtung 8,

— zwei Ausgänge der Rückwärtszähleinrichtung 11 mit je einem ersten Eingang der Und-Gatter 9 und 10,

— ein einpoliger Ausgang des Steuergerätes 12 mit dem zweiten Eingang der Und-Gatter 9 und 10 sowie

— ein Ausgang des quarzgesteuerten Rechteckoszillators 15, falls vorhanden, mit einem zweiten Eingang, falls vorhanden, des Phasenkomparators 16 und über die RC-Reihenschaltung 13; 14 mit einem Synchronisiereingang S des Verstärkers 5.

Je eine Busverbindung verbindet direkt einen ersten und einen zweiten Mehrbit-Ausgang des Steuergerätes 12, welches in diesem Fall auf digitale Weise arbeitet, mit einem ersten bzw. einem zweiten Mehrbit-Eingang der Rückwärtszähleinrichtung 11.

Der Taktgeber 7 ist ein spannungsgesteuerter Rechteckgenerator, z.B. ein mittels eines Zeitgebers vom Typ LM 556 aufgebauter astabiler Multivibrator. Der Zeitgeber vom Typ LM 556 ist z.B. bei der Firma National Semiconductor Corporation, 2900 Semiconductor Drive, Santa Clara, California 95051 erhältlich und in deren «Linear Databook» 1978 sowie deren «Linear Applications Handbook» 1978 beschrieben.

Die Hoch- und Tiefpassfilter 4 und 6 sind z.B. bekannte L-förmige RC-Glieder, wobei beim Hochpassfilter 6 ein Kondensator im Längszweig und ein Widerstand im Querzweig angeordnet sind, während beim Tiefpassfilter 4 umgekehrt der Kondensator im Querzweig und der Widerstand im Längszweig angeordnet sind. Im einfachsten Fall besteht das Hochpassfilter 6 nur aus dem Kondensator, wobei ein Pol dieses Kondensators den Eingang und der andere Pol dieses Kondensators den Ausgang des Hochpassfilters 6 bildet. Bei Nichtvorhandensein des

Verstärkers 5 kann das Hochpassfilter 6 mit dem dann in Kaskade geschalteten Tiefpassfilter 4 kombiniert werden und ein einziges Bandpass-Filter bilden.

Das Steuergerät 12 ist vorzugsweise ein Mikrocomputer und die Rückwärtszähleinrichtung 11 besteht vorzugsweise aus zwei bekannten Binärzählern, denen auf bekannte Weise je ein Dekodierer nachgeschaltet ist.

Die Frequenz f der rechteckförmigen Ausgangsimpulse des Taktgebers 7 hat den in der Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf, während der zeitliche Verlauf der Steuer- und Ausgangssignale Vi und V2 der Und-Gatter 9 und 10 in der Fig. 3 bzw. der Fig. 4 dargestellt ist.

Ein Aufbau des Taktgebers 7 ist aus der Fig. 5 ersichtlich und besteht hauptsächlich aus einem Zeitgeber 17, z.B. vom Typ LM 556, der mit einem Kondensator C und zwei Widerständen Ra und Rb beschaltet ist, wobei die beiden Widerstände Ra und Rb unter sich und mit dem Kondensator C in Reihe geschaltet sind. Der Zeitgeber 17 besteht seinerseits im Prinzip aus einem ersten Komparator 18, einem zweiten Komparator 19, einem Flip-Flop 20, einem Ausgangsverstärker 21, drei in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschalteten Widerständen 22, 23 und 24, einem ersten Transistor 25 und einem zweiten Transistor 26. Der Widerstand Ra ist vorzugsweise ein einstellbarer Widerstand und das Flip-Flop 20 z.B. ein RS-Flip-Flop. Die beiden Transistoren 25 und 26 sind vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und z.B. bipolare Transistoren. Dann ist der erste Transistor 25 z.B. ein NPN-Transistor und der zweite Transistor 26 ein PNP-Transistor.

In der Darstellung der Fig. 5 ist der Spannungs-Steuerein-gang P des Taktgebers 7 mit dem gemeinsamen Pol der Widerstände 22 und 23 sowie mit einem ersten Eingang des Kompara-tors 18 verbunden. Der gemeinsame Pol der Widerstände 23 und 24 ist auf einen ersten Eingang des Komparators 19 geführt, während der zweite Eingang der Komparatoren 18 und 19 jeweils mit dem gemeinsamen Pol des Widerstandes Rb und des Kondensators C verbunden ist. Der verbleibende Pol des Widerstandes 24 und des Kondensators C sowie der Emitter des Transistors 25 liegen jeweils an Masse, während der verbleibende Pol des Widerstandes 22 sowie die Basis des Transistors 26 jeweils an eine 5 Volt-Gleichspannung liegen. Der Ausgang der beiden Komparatoren 18 und 19 ist auf je einen Eingang des Flip-Flop 20 geführt, dessen Ausgang seinerseits mit dem Eingang des Ausgangsverstärkers 21 und mit der Basis des Transistors 25 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 26 ist auf einen Rückstelleingang des Flip-Flop 20 geführt, während sein Emitter an einer Gleichspannungs-Referenzspannung VRef liegt. Der Ausgang des Ausgangsverstärkers 21 ist gleichzeitig der Ausgang des Zeitgebers 17 und des Taktgebers 7. Der Kollektor des Transistors 25 ist mit dem gemeinsamen Pol der Widerstände Ra und Rb verbunden. Die beiden Pole des Widerstandes Ra bilden den zweipoligen Widerstandseingang Q; R des Taktgebers 7.

Ein bevorzugter Aufbau der Einrichtung 8 ist aus der Fig. 6 ersichtlich und besteht aus einem Transistor 27, einem nichtin-vertierendén Schaltverstärker 28, einem invertierenden Schaltverstärker 29, einer ersten Zenerdiode 30, einem ersten Widerstand 31, einer ersten Diode 32, einem zweiten Widerstand 33, einem dritten Widerstand 34, einer zweiten Zenerdiode 35, einem vierten Widerstand 36, einer zweiten Diode 37, einem fünften Widerstand 38, einem sechsten Widerstand 39, einer dritten Diode 40, einem siebten Widerstand 41, einem achten Widerstand 42, einem neunten Widerstand 43, einer vierten Diode 44 und einem Kondensator 45. Der Transistor 27 ist z.B. ein bipolarer PNP-Transistor. Die Widerstände 36, 39 und 41 sind vorzugsweise einstellbare Widerstände. Die Widerstände 33 und 38 haben vorzugsweise annähernd einen gleichen Wert.

Die Eingänge der beiden Verstärker 28 und 29 bilden die beiden Steuereingänge der Einrichtung 8, an denen die Aus5

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gangssignale Vi und V2 der Und-Gatter 9 und 10 anstehen. Der Ausgang des invertierenden Verstärkers 29 ist über den Widerstand 34 mit je einem ersten Pol des Widerstandes 33, einer Widerstands/Diode-Reihenschaltung 36; 37 und 38; 39; 40 sowie mit der Anode der Zenerdiode 35 verbunden. Die Widerstands/ Diode-Reihenschaltung 36; 37 besteht mindestens aus dem Widerstand 36 und der Diode 37, wobei die Kathode der Diode 37 sich auf die dem zweiten Pol der Widerstands/Diode-Reihenschaltung 36; 37 zugewandte Seite befindet. Die Widerstands/ Dibde-Reihenschaltung 38; 39; 40 besteht z.B. aus dem Widerstand 38, dem Widerstand 39 und der Diode 40, wobei die Anode der Diode 40 sich auf die dem zweiten Pol der Widerstands/Diode-Reihenschaltung 38; 39; 40 zugewandte Seite befindet. Der zweite Pol der beiden Widerstands/Diode-Reihen-schaltungen 36; 37 und 38; 39; 40 sind mit einem ersten Pol des Kondensators 45, der Basis des Transistors 27 und der Kathode der Diode 32 verbunden. Der Emitter des Transistors 27 ist über den Widerstand 41 mit einer 12 Volt-Gleichspannung verbunden, während sein Kollektor, der mit der Anode der Diode 44 verbunden ist, den Ausgang der Einrichtung 8 bildet. Die Kathode der Diode 44 ist auf einen gemeinsamen Pol der beiden Widerstände 42 und 43 geführt, deren anderer Pol jeweils mit der 12 Volt-Gleichspannung bzw. mit dem Ausgang des nichtinvertierenden Verstärkers 28 verbunden ist. Die Widerstände 42 und 43 bilden zusammen einen Spannungsteiler 42; 43. Die 12 Volt-Gleichspannung liegt ausserdem an der Kathode der Zenerdioden 30 und 35, am zweiten Pol jeweils des Widerstandes 33 und des Kondensators 45 sowie am positiven Speisepol des nichtinvertierenden Verstärkers 28. Die Anode der Zenerdiode 30 ist auf die Anode der Diode 32 und einen ersten Pol des Widerstandes 31 geführt, dessen zweiter Pol sowie die negativen Speisepole der Schaltverstärker 28 und 29 an Masse liegen.

Ein Aufbau des nichtinvertierenden Schaltverstärkers 28 ist aus der Fig. 7 ersichtlich und besteht aus einem invertierenden Schaltverstärker 29, einem Transistor 46 und einem Widerstand

47. Der Ausgang des invertierenden Schaltverstärkers 29 ist mit einem ersten Pol des Widerstandes 47 und mit der Basis des Transistors 46 verbunden, während sein Eingang ebenfalls den Eingang des nichtinvertierenden Schaltverstärkers 28 bildet. Der zweite Pol des Widerstandes 47 ist mit dem positiven Speisepol, der Emitter des Transistors 46 mit dem negativen Speisepol und der Kollektor des Transistors 46 mit dem Ausgang jeweils des nichtinvertierenden Schaltverstärkers 28 verbunden.

Der in der Einrichtung 8 und der in dem nichtinvertierenden Schaltverstärker 28 enthaltene invertierende Schaltverstärker 29 sind identisch aufgebaut und bestehen je aus einem Transistor

48, einem Widerstand 49 und einem Widerstand 50, wobei die beiden letzten in Reihe geschaltet sind und ihr gemeinsamer Pol mit der Basis des Transistors 48 verbunden ist. Der andere Pol des Widerstandes 49 bildet den Eingang, der Kollektor des Transistors 48 den Ausgang und der Emitter des Transistors 48 den negativen Speisepol jeweils des invertierenden Schaltverstärkers 29, wobei der zweite Pol des Widerstandes 50 mit dem Emitter des Transistors 48 verbunden ist. In der Fig. 7 ist ausserdem der negative Speisepol des Schaltverstärkers 29 mit demjenigen des Schaltverstärkers 28 verbunden. Die beiden Transistoren 46 und 48 bilden je einen «Open collector»-Ausgang des Schaltverstärkers 28 bzw. 29 und sind z.B. bipolare NPN-Tran-sistoren.

Die Kaskadenschaltung 5; 6 des Verstärkers 5 und des Hochpassfilters 6 haben in einer bevorzugten Ausführung den in der Fig. 8 dargestellten Aufbau. Dieser besteht aus einem Operationsverstärker 51, für Widerständen 52 bis 56 und vier Kondensatoren 57 bis 60. Der Eingang der Kaskadenschaltung 5; 6 ist durch einen ersten Pol des Kondensators 57 und ihr Ausgang durch einen gemeinsamen Pol der Kondensatoren 59 und 60 gebildet, wobei die beiden Kondensatoren 59 und 60

eine Reihenschaltung 59; 60 bilden. Der Synchronisiereingang S des Verstärkers 5 und damit der Kaskadenschaltung 5; 6 ist mit dem zweiten Pol des Kondensators 57, dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 51 und einem ersten Pol des Widerstandes 54 verbunden, dessen zweiter Pol auf je einen ersten Pol des Kondensators 58 und der Widerstände 53, 55 und 56 geführt ist. Die beiden Widerstände 52 und 53 sind in Reihe geschaltet und der zweite Pol des Widerstandes 53 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 51 verbunden, dessen Ausgang mit dem vom Widerstand 53 abgewandten Pol des Widerstandes 52 und mit einem ersten Pol der Reihenschaltung 59; 60 verbunden ist. Es liegen an Masse jeweils der zweite Pol des Widerstandes 56, des Kondensators 58 und der Reihenschaltung 59; 60 sowie der negative Speisepol des Operationsverstärkers 51. Eine 5 Volt-Gleichspannung ist mit dem positiven Speisepol des Operationsverstärkers 51 und mit dem zweiten Pol des Widerstandes 55 verbunden. Der Widerstand 52 ist vorzugsweise ein einstellbarer Widerstand.

Bei Schrittmotoren treten im Bereich hoher Geschwindigkeiten in bestimmten Frequenzbereichen abrupte Drehmomentverluste auf. Der Schrittmotor kann ausser Tritt fallen und stehen bleiben. Dieses Verhalten kann durch parametrische Resonanzen des Schrittmotors erklärt werden, da der Rotor des Schrittmotors zusätzlich zu seiner konstanten Winkelgeschwindigkeit Oszillationen ausführt, deren Amplituden in diesen kritischen Frequenzbereichen stark anwachsen und so stark werden können, dass der Schrittmotor seinen Synchronismus verliert und stehen bleibt. Bei Nichtvorhandensein einer Stabilisierung besitzt die Drehmoment-Kennlinie des Schrittmotors innerhalb des Frequenzbereichs von Null bis 20 kHz theoretisch mehrere Einbrüche, in der Praxis mindestens jedoch einen Einbruch, der z.B. annähernd bei 1000 Schritt/Sekunde liegt (sogenanntes «Pull out»-Gebiet). Dies führt dazu, dass der Schrittmotor bei Nichtvorhandensein einer Stabilisierung nur bei niedriger Geschwindigkeit, z.B. unterhalb 1000 Schritt/Sekunde, betrieben werden kann, in einem Geschwindigkeitsbereich also, in dem seine mechanische Leistung relativ niedrig und sein Wirkungsgrad schlecht ist.

Wie bereits erwähnt, ist in der DE 34 44 220 AI der Aufbau und die Arbeitsweise einer Einrichtung zur Behebung der Instabilitäten von Schrittmotoren beschrieben. Die vorliegende Fig. 1 entspricht annähernd diesem Aufbau mit dem Unterschied, dass züsätzlich, einmal von der nur fakultativ vorhandenen Anordnung 13; 14; 15; 16 abgesehen, eine Anordnung 8; 9; 10; 11; 12 vorhanden ist zur Ansteuerung des Taktgebers 7.

Die am Widerstand 3 anstehende Spannung moduliert nach ihrer Aufbereitung in der Anordnung 4; 5; 6 die Frequenz der rechteckförmigen, im Taktgeber 7 erzeugten Impulse derartig, dass die Arbeitsweise des Schrittmotors auch im sogenannten «Pull out»-Gebiet stabil ist (siehe Funktionsbeschreibung der DE 34 44 220 AI). Zu diesem Zweck ist der Taktgeber 7 vorzugsweise als spannungsgesteuerter astabiler Multivibrator aufgebaut (siehe Fig. 5), der mindestens einen Kondensator C enthält, der periodisch über Widerstände geladen und entladen wird, so dass seine Kondensatorspannung uc einen sägezahnför-migen zeitlichen Verlauf besitzt. In dem in der Fig. 5 dargestellten Aufbau lädt die am Eingangspol Q anstehende 12 Volt-Gleichspannung über die Reihenschaltung Ra; Rb der beiden Widerstände Ra und Rb den Kondensator C. Erreicht die Kondensatorspannung uc einen mit Hilfe der als Spannungsteiler geschalteten Widerstände 22, 23 und 24 vorgegebenen Schwellwert des Komparators 18, dann schaltet dieser das Flip-Flop 20 um, der Transistor 25 wird leitend, so dass der Kondensator C sich jetzt über den Widerstand Rb und die Kollektor/Emitter-Strecke des Transistors 25 entlädt. Sobald die Kondensatorspannung uc den ebenfalls mit Hilfe der als Spannungsteiler geschalteten Widerstände 22, 23 und 24 vorgegebenen Schwell-wert des Komparators 19 unterschreitet, schaltet dieser das

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Flip-Flop 20 zurück in seine ursprüngliche Lage, wodurch der Transistor 25 gesperrt wird, so dass der Kondensator C erneut über die Reihenschaltung Ra; Rb geladen werden kann. Das am Ausgang des Hochpassfilters 6 (siehe Fig. 1) anstehende Modulationssignal verstellt und moduliert über den Spannungs-Steu-ereingang P des Taktgebers 7 (siehe Fig. 5) den Schwellwert des Komparators 18, wodurch die rechteckförmigen Ausgangsimpulse des Flip-Flop 20 frequenzmoduliert werden.

Um das Risiko von Instabilitäten des Schrittmotors weiter zu verkleinern, darf die volle Betriebsfrequenz der Steuerimpulse des Schrittmotors, wenn sie im sogenannten «Pull out»-Ge-biet liegt, nicht plötzlich angelegt oder abgeschaltet werden, sondern die Steuerfrequenz des Schrittmotors muss beim periodischen Ein- und Ausschalten des Schrittmotors jeweils stetig kontinuierlich bis zum Erreichen einer maximalen Betriebsfrequenz fmax heraufgefahren bzw. jeweils von fmax ausgehend bis zum Erreichen einer minimalen, nicht mehr im «Pull out»-Ge-biet liegenden Frequenz frajn heruntergefahren werden. Die Fig. 2 zeigt ohne Darstellung der Frequenzmodulation einen idealen zeitlichen Verlauf einer Einschaltperiode der Steuerfrequenz f des Schrittmotors. Demnach steigt die Steuerfrequenz f zu Beginn der Einschaltperiode sprungartig von Null auf die Frequenz fmin an, die noch ausserhalb des «Pull out»-Gebietes liegt, um anschliessend stetig kontinuierlich und vorzugsweise exponential auf die maximale Betriebsfrequenz fmax anzusteigen, die z.B. mitten im «Pull out»-Gebiet liegt. Ähnlich verläuft das Herunterfahren der Steuerfrequenz am Ende der Einschaltperiode zuerst stetig kontinuierlich und vorzugsweise exponential von fmax auf fmin, um anschliessend sprungartig von fmin auf Null heruntergeschaltet zu werden. Ein derartiger zeitlicher Frequenzverlauf wird mit Hilfe der Einrichtung 8 erzeugt.

Der Transistor 27 und der Widerstand 41 der Einrichtung 8 (siehe Fig. 6) stellen einen steuerbaren Widerstand 27; 41 dar, dessen Gesamtwert, bestehend aus dem Wert des Widerstandes 41 und dem Widerstandswert der Kollektor/Emitter-Strecke des Transistors 27, mit Hilfe der Basisspannung des Transistors 27 einstellbar ist. Der Wert des steuerbaren Widerstandes 27; 41 wird von der Lade- und Entladespannung des Kondensators 45 gesteuert. Der steuerbare Widerstand 27; 41 ist über den Ausgang Q; R der Einrichtung 8 und den Widerstandseingang Q; R des Taktgebers 7 dessen Widerstand Ra des RC-Gliedes Ra; Rb; C parallelgeschaltet (siehe Fig. 1 und Fig. 5). Das heisst: Durch die Basisspannung des Transistors 27 wird der wirksame Wert des mit dem Widerstand Rb (siehe Fig. 5) in Reihe geschalteten Widerstandes Ra und damit die Ladekennlinie des Kondensators C des Taktgebers 7 verändert, wodurch die Neigung der positivgehenden Flanken der sägezahnförmigen Kondensatorspannung uc des Kondensators C und damit auch die Steuerfrequenz des Schrittmotors geändert wird.

Das Freigabe-Steuersignal V2 des Schrittmotors ist in der Fig. 4 dargestellt und gleich dem Logikwert «1» während der Dauer einer jeden Einschaltperiode des Schrittmotors. Ausserhalb der Einschaltperioden besitzt das binäre Freigabe-Steuer-signal V2 und damit auch das Ausgangssignal des von ihm angesteuerten Schaltverstärkers 28 einen Logikwert «0», so dass die Diode 44 leitend ist und, da sie in einer Clamping-Schaltung angeordnet ist, die Spannung des Eingangspols R des Taktgebers 7 (siehe Fig. 5) auf niedrigem Niveau konstant hält. Dadurch ist der astabile Multivibrator des Taktgebers 7 ausser Betrieb gesetzt und seine Ausgangsfrequenz gleich Null. Sobald das binäre Freigabe-Steuersignal V2 den Logikwert «1» annimmt, steigt die Ausgangsspannung des Schaltverstärkers 28 auf 12 Volt an und die Diode 44 ist nicht mehr leitend, so dass der astabile Multivibrator des Taktgebers 7 freigegeben ist.

Ein binäres Einschalt-Steuersignal V1 des Schrittmotors ist in der Fig. 3 dargestellt und nimmt gleichzeitig mit dem Freigabe-Steuersignal V2 einen Logikwert «1» an. Da er vorher einen Logikwert «0» hatte, besass das Ausgangssignal des vom Einschalt-Steuersignal Vi angesteuerten Schaltverstärkers 29 vorher einen Logikwert «1», d.h. der als «Open collector» geschaltete Ausgang des Schaltverstärkers 29 war offen, so dass der Kondensator 45 sich vollständig über die Widerstände 33 und 36 sowie über die Diode 37 auf null Volt entladen konnte. Da die Spannung des Kondensators 45 direkt auf die Basis des Transistors 27 wirkt, ist dieser somit zu Beginn der Einschaltperiode gesperrt und der steuerbare Widerstand 27; 41 somit ausser Betrieb. Der Kondensator C des Taktgebers 7 (siehe Fig. 5) wird nur über den Reihenwiderstand Ra; Rb geladen, der so seinen maximal wirksamen Wert besitzt. Die Ladezeit des Kondensators C ist demnach maximal und die Ausgangsfrequenz f des Taktgebers 7 kurz nach dessen Freigabe somit minimal und gleich fmin. Mit anderen Worten: Zu Beginn der Einschaltperiode, wenn die beiden Steuersignale Vi und V2 einen Logikwert «1» annehmen, springt die Ausgangsfrequenz f des Taktgebers 7 plötzlich von Null auf fmin, wobei der Wert von fmin mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes Ra auf einen Wert einstellbar ist, der noch unterhalb des «Pull out»-Gebietes des Schrittmotors liegt.

Sobald das Einschalt-Steuersignal Vi einen Logikwert «1» annimmt, erscheint am Ausgang des Schaltverstärkers 29 ein Logikwert «0». Die Widerstände 33 und 34 arbeiten als Spannungsteiler 33; 34 und die Zenerdiode 35, die dem Widerstand

33 parallelgeschaltet ist, begrenzt dessen Ausgangsspannung Uz auf z.B. —6,2 Volt gegenüber der 12 Volt-Speiseleitung, falls die Zenerdiode 35 eine 6,2 Volt-Zenerdiode ist. Der Kondensator 45 lädt sich exponential über die Widerstände/Diode-Rei-henschaltung 38; 39; 40 von 0 Volt auf -6,2 Volt. Dadurch nimmt die Basisspannung des Transistors 27 exponential von 12 Volt auf 5,8 Volt ab, der Transistor 27 wird leitend und damit wird der steuerbare Widerstand 27; 41 parallel zum Widerstand Ra (siehe Fig. 5) in Betrieb genommen. Der wirksame Wert des Widerstandes Ra und damit auch die Ladezeit des Kondensators C verkleinert sich und die Ausgangsfrequenz f des Taktgebers 7 steigt von der Frequenz fmin ausgehend exponential bis zum maximalen Wert fmax an, der mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes 41 einstellbar ist und der erreicht wird, wenn die Spannung des Kondensators 45 den Wert -6,2 V erreicht. Ab diesem Augenblick behält die Ausgangs frequenz f des Taktgebers 7 und damit auch die Steuerfrequenz des Schrittmotors den Wert fmax, bis dass das Einschalt-Steuersignal Vi wieder auf den Logikwert «0» zurückgeschaltet wird. Die Zeitkonstante des exponentialen Herauflaufens der Steuerfrequenz f des Schrittmotors kann mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes 39 eingestellt werden.

Wird nach einer gewissen Zeit das Einschalt-Steuersignal Vi auf Null zurückgestellt, dann nimmt das Ausgangssignal des Schaltverstärkers 29 einen Logikwert «1» an, der Widerstand

34 wird ausser Betrieb genommen und der Kondensator 45 entlädt sich exponential über den Widerstand 33 und die Widerstands/Diode-Reihenschaltung 36; 37 von —6,2 Volt auf 0 Volt. Der Widerstand des steuerbaren Widerstandes 27; 41 nimmt somit exponential ab und der wirksame Wert des Widerstandes Ra (siehe Fig. 5) nimmt entsprechend exponential zu, so dass die Steuerfrequenz des Schrittmotors exponential von fn,ax auf fmin abnimmt, wobei fmin erreicht wird, wenn die Spannung des Kondensators 45 einen Wert erreicht, der den Transistor 27 sperrt und damit den steuerbaren Widerstand 27; 41 ausser Betrieb setzt. Die Zeitkonstante des exponentialen Herunterlaufens der Steuerfrequenz f des Schrittmotors kann mit dem einstellbaren Widerstand 36 eingestellt werden.

Die Lade- und Entladespannung des Kondensators 45 wird somit erzeugt, indem die im Wert von 0 Volt auf —6,2 Volt bzw. umgekehrt von —6,2 Volt auf 0 Volt umschaltbare Gleichspannung Uz am Ausgang des Spannungsteilers 33; 34 über je eine Widerstands/Diode-Reihenschaltung 36; 37 bzw. 38; 39; 40 mit dem Kondensator 45 verbunden wird. Die umschaltbare

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Gleichspannung Uz wird dabei dadurch erzeugt, dass ein Eingangspol des Spannungsteilers 33; 34 mit dem Ausgang des Schaltverstärkers 29 verbunden ist, dessen Eingang vom binären Einschalt-Steuersignal Vi angesteuert ist.

Der minimale Wert fmin der Steuerfrequenz des Schrittmotors wird so lange beibehalten, bis das Freigabe-Steuersignal V2 auf den Logikwert «0» umgeschaltelt wird, wodurch die Diode 44 wieder in Betrieb genommen wird und so den astabilen Multivibrator des Taktgebers 7 sperrt, so dass die Steuerfrequenz des Schrittmotors plötzlich von fmin auf Null absinkt.

Zusammengefasst: Die Freigabe des Schrittmotors erfolgt dadurch, dass ein Pol des steuerbaren Widerstandes 27; 41 über die Diode 44 mit einer im Wert umschaltbaren, am Ausgang des Spannungsteilers 42; 43 anstehenden Gleichspannung Ur verbunden ist. Die umschaltbare Gleichspannung Ur wird dabei dadurch erzeugt, dass ein Eingangspol des Spannungsteilers 42; 43 mit dem Ausgang des Schaltverstärkers 28 verbunden ist, dessen Eingang vom binären Freigabe-Steuersignal V2 angesteuert ist.

Die Schaltungsanordnung 30; 31; 32 der Einrichtung 8 (siehe Fig. 6) ist ein Spannungsbegrenzer und dient nur der Sicherheit. Sie verhindert, dass die Basisspannung des Transistors 27 gegenüber der 12 Volt-Leitung negativer wird als z.B. 5,6 Volt, wenn die Zenerdiode 30 eine 5,6 Volt-Zenerdiode ist. Die Zenerdiode 30 und der Widerstand 31 des Spannungsbegrenzers 30; 31; 32 sind als Spannungsteiler geschaltet, dessen Ausgang über die Diode 32 mit dem Ausgang des Spannungsbegrenzers 30; 31; 32 verbunden ist. Die Diode 32 arbeitet dabei als Clamping-Diode. Der Ausgang des Spannungsbegrenzers 30; 31; 32 ist seinerseits mit dem Steuereingang des steuerbaren Widerstandes 27; 41 verbunden.

Die Steuersignale Vi und V2 werden in der Rückwärtszähleinrichtung 11 folgendermassen erzeugt: Die Impulsdauer der Steuersignale Vi und V2, ausgedrückt in Anzahl Schritte des Schrittmotors, werden vom Steuergerät 12, das z.B. ein Mikrocomputer ist, als digitale Startzählwerte vor dem Start des Schrittmotors in je einen der beiden nicht dargestellten Rück-wärtszähler der Rückwärtszähleinrichtung 11 über je eine der beiden Busverbindungen (siehe Fig. 1) parallel geladen. Sobald der Schrittmotor gestartet werden soll, erscheint ein Logikwert «1» am einpoligen Ausgang des Steuergerätes 12 und gibt die beiden Und-Gatter 9 und 10 frei für je eines der beiden Aus-5 gangssignale der Rückwärtszähleinrichtung 11, die normalerweise beide einen Logikwert «1» besitzen. Dies entspricht dem Beginn einer Einschaltperiode der Steuerfrequenz f. Nach Ablauf der im zugehörigen Rückwärtszähler gespeicherten Dauer des Einschalt-Steuersignals Vi und nur dann erscheint am zuge-10 hörigen Ausgang der Rückwärtszähleinrichtung 11 ein Logikwert «0», der das Einschalt-Steuersignal Vi mit Hilfe des Und-Gatters 9 auf «0» herunterschaltet und so das exponentiale Herunterlaufen der Steuerfrequenz f am Ende der Einschaltperiode einleitet. Desgleichen erscheint nach Ablauf der im zuge-15 hörigen Rückwärtszähler gespeicherten Dauer des Freigabe-Steuersignals V2 und nur dann am zugehörigen Ausgang der Rückwärtszähleinrichtung 11 ein Logikwert «0», der das Freigabe-Steuersignal V2 mit Hilfe des Und-Gatters 10 auf «0» herunterschaltet und so das plötzliche Umschalten der Steuerfre-20 quenz f von fmin auf Null am Ende der Einschaltperiode veranlasst.

Mit Vorteil können die frequenzmodulierten Steuerimpulse des Schrittmotors in fakultativer Weise von z.B. einem quarzgesteuerten Rechteckoszillator 15 über die RC-Reihenschaltung 25 13; 14 frequenzsynchronisiert werden. Die RC-Reihenschaltung 13; 14 (siehe Fig. 1) wandelt dabei die Rechteckimpulse der quarzgesteuerten Ausgangsfrequenz des Rechteckoszillators 15 in eine Sägezahnspannung um, die entweder, wie in der Fig. 1 und in der Fig. 8 dargestellt, über den Synchronisiereingang S 30 den Verstärker 5 oder, falls dieser nicht vorhanden ist, direkt das Hochpassfilter 6 speist. Diese Frequenzsynchronisation verursacht eine Art Phasenmodulation der Steuerfrequenz f des Schrittmotors während der Zeit, in der diese Steuerfrequenz f gleich fmax ist.

35 Fakultativ können die Impulsphasen der Steuerimpulse des Schrittmotors und des Ausgangssignals des quarzgesteuerten Rechteckoszillators 15 im Phasenkomparator 16 miteinander verglichen werden und ihre Differenz in ihm angezeigt werden.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims (10)

1. 670 343

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Einrichtung zur Erzeugung einer Hochlaufsteuerfrequenz und einer Abbremssteuerfrequenz für Schrittmotoren, wobei die Instabilität der Schrittmotoren behoben wird mittels einer Frequenzmodulation der von einem spannungsgesteuerten Taktgeber (7) erzeugten rechteckförmigen Steuerimpulse und wobei der spannungsgesteuerte Taktgeber (7) mindestens einen Kondensator (C) enthält als Teil von RC-Gliedern (Ra; Rb; C und Rb; C), die als Zeitbasis dienen zur Erzeugung der Impulsdauer und der Impulslücken der rechteckförmigen Steuerimpulse, dadurch gekennzeichnet, dass einem Widerstand (Ra) eines RC-Gliedes (Ra; Rb; C) mindestens ein steuerbarer Widerstand (27; 41) parallelgeschaltet ist, dessen Wert von einer Lade- und Entladespannung eines weiteren Kondensators (45) gesteuert ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erzeugung der Lade- und Entladespannung des weiteren Kondensators (45) eine im Wert umschaltbare Gleichspannung (Uz) über je eine Widerstands/Diode-Reihenschal-tung (36; 37 und 38; 39; 40) mit dem weiteren Kondensator (45) verbunden ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Widerstands/Diode-Reihenschaltung (36; 37 und 38; 39; 40) mindestens einen einstellbaren Widerstand (36 bzw. 39) enthält.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erzeugung der umschaltbaren Gleichspannung (Uz) mindestens ein Spannungsteiler (33; 34) vorhanden ist, dessen eine Eingangspol mit dem Ausgang eines Schaltverstärkers (29) verbunden ist, wobei der Eingang des Schaltverstärkers (29) von einem binären Einschalt-Steuersignal (Vi) angesteuert ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einem Widerstand (33) des Spannungsteilers (33; 34) eine Zenerdiode (35) parallelgeschaltet ist.
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Freigabe des Schrittmotors ein Pol des steuerbaren Widerstandes (27; 41) über eine Diode (44) mit einer zweiten im Wert umschaltbaren Gleichspannung (Ur) verbunden ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erzeugung der zweiten im Wert umschaltbaren Gleichspannung (Ur) mindestens ein zweiter Spannungsteiler (42; 43) vorhanden ist, dessen eine Eingangspol mit dem Ausgang eines zweiten Schaltverstärkers (28) verbunden ist, wobei der Eingang des zweiten Schaltverstärkers (28) von einem binären Freigabe-Steuersignal (V2) angesteuert ist.
8. 8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsbegrenzer (30; 31; 32) vorhanden ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des steuerbaren Widerstandes (27; 41) verbunden ist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsbegrenzer (30; 31; 32) mindestens aus einer Zenerdiode (30) und einem Widerstand (31) besteht, die beide als Spannungsteiler geschaltet sind, dessen Ausgang über eine weitere Diode (32) mit dem Ausgang des Spannungsbegrenzers (30; 31; 32) verbunden ist.
10. 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzmodulierten Steuerimpulse des Schrittmotors von einem quarzgesteuerten Rechteckoszillator (15) über eine RC-Reihenschaltung (13; 14) frequenzsynchronisiert sind.