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Steuerschaltung für Elektromotoren. Die Erfindung betrifft eine elektrische
Schaltung zur Steuerung der Drehbewegung eines Elektromotors, insbesondere eine
derartige Schaltung, die Eingangssignale oder -impulse empfängt und die Bewegung
des Motors in Abhängigkeit von den einzelnen Impulsen steuert.
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Die USA-Patentschrift Nr. 3 117 268 beschreibt eine elektrische Schaltung,
die in ähnlicher Weise die Drehbewegung eines Motors in Abhängigkeit von elektrischen
Eingangsimpulsen steuert, indem der Stromfluß durch die Wicklungen des Motors in
der richtigen Reihenfolge@herbeigefUhrt wird. Diese Schaltung arbeitet zwar zufriedenstellend,
doch hat es sich gezeigt, daB unter bestimmten Bedingungen von außen induziere Spannungsimpulse,
die
allgemein als Störimpulse bezeichnet werden, die einwandfreie
Funktion einer derartigen Steuerschaltung beeinträchtigen können. Ferner erforderte
die Schaltung zur Durchfö.hrung ihrer Funktion zahlreiche Bestandteile, so daB sie
kompliziert war und zu Fehlfunktionen neigte.
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Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung einer Steuerschaltung für
Elektromotoren, welche in Abhängigkeit von elektrischen Eingangsimpulsen eine bestimmte
Drehbewegung eines Elektromotors bewirkt und deren Funktion von elektrischen Stör-
oder Streuspannungsimpulsen nur minimal beeinflußt wird.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, den zuerst genannten
Zweck mit einer elektrischen Schaltung zu erzielen, die relativ einfach ausgebildet
ist und nur aus wenigen Teilen besteht, von denen die meisten einfache, zuverlässige
und beständige Bauteile sind. Ferner bezweckt die Erfirdung die Schaffung einer
derartigen Steuerschaltung flzr Elektromotoren, die zur Steuerung der Drehbewegung
des r:otors in beider. Richtungen geeignet ist, wobei auch beileiner Beeinflussung
der Schaltung durch einen Streuspannungsimpuls dieser die Schaltung nicht zu einer
Steuerung der Bewegung
des Motors in einer anderen Richtung
veranlassen kann, als sie einen nachfolgenden Eingangsimpuls entspricht. Ein Merkmal
der Erfindung besteht darin, die Steuerschaltung zur Steuerung eines Schrittschaltmotors
zu verwenden. In der hier beschriebenen Ausftihrungsform der Erfindung hat ein derartiger
Motor einen permanettmagnetischen Iäufer und einen Ständer mit magnetieierbaren
Polen, deren Wicklungen eine erste und eine zweite Wicklung bilden.
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Jede Wicklung besitzt zwei Wicklungsteile, die aus mehreren,
miteinander verbundenen Spulen bestehen können, wobei auf einem Ständerpol
mehr als eine Spule angeordnet sein kann. Wenn die Wicklungsteile der ersten Wicklung
mit A und A' und die Wicklungsteile B und B' bezeichnet werden, dreht sich
der Motor in der einen Richtung, wenn die tffindungsteile in der Reihenfolge A und
B, A und B' und B' A' und B', A' und B, A und B usw. stromdurchflossen
werden.
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Wenn die Windungsteile in der umgekehrten Reihenfolge stromdurchflossen
werden, dreht sich der Motor in der entgegengesetzten Richtung.
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Zur Trennung der Impulse, die eine Bewegung des Motors in der einen bzw. anderen
Richtung 'veranlassen, besitzt die erfindungsgemäße Steuerschaltung in den hier
beschriebenen Ausführungsformen einen Eingangskanal, an den negative Impulse angelegt
werden können, um eine Drehung des Motors im Uhrzeigersinn zu bewirken, sowie einen
zweiten Eingangskanal, an den negative Impulse angelegt werden können, um eine Drehung
des Motors im Gegensinn des Uhrzeigers zu bewirken. In der nachstehend beschriebenen
AusfUhrungsform werden negative Eingangsimpulse verwendet, doch. kann man euch mit
positiven Impulsen arbeiten, wenn man Bestandteile verwendet, die eine entgegengesetzte
Polarität oder Vorspannung haben.
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Weitere Merktale und Vorteile gehen aus der nachstehenden Beschreibung
hervor.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein .Schaltschema eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung. In der Zeichnung besitzt die Steuerschaltung '!0 einen Motor
11 der in der vorgenannten Patentschrift
angegebenen Art.
Dieser Motor hat einen Ständer mit Wicklungsteilen A und A! und B und B'. Die Wicklungsteile
A und A' sind beispielsweise in der Mitte bei 12 über Erde 13 mit einer Stromquelle
verbunden,; die einen Pluspol 14 hat. Die Wicklungsteile B und B' sind ebenfalls
bei@,,pieleisein der Mitte durch eine Zeitung 15 mit Ode 13 verbunden.
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Eine Flip-Flpp-Schaltung 16 bewirkt einen Stromfluß durch die Wicklungsteile
A und A' in einer -solchen Reihenfolge, daB der Motor in der einen oder'; anderen
Richtung gedreht wird. Die Plip-Flop-Schaltung 16 ist eine basisgesteuerte bistsbile
Kippschaltung mit zwei Transistoren 17 und 18. Während des Betsiebes '' der
Steuerschaltung 10 ist ständig die Emitter-Köllektor-Strecke des einen oder des
anderen. Transistors leitend Die Flip-Flop-Schaltunk 16 'besitzt ferner ein RC-Glied
das zwischen dem Kollektor des Transistors 17 und der Basis des Transitors 18 eingeschaltet
ist und aus dem ' Kondensator 19 und-dem Widerstand 20 besteht, so.e, ein. ähnliches
RC-Glied, das zwischen den Kollektor des Transistors 18 unci die pasis des Transistors
, 17 eingeschaltet ist und aus dem, Kondensator 21 und dis; Widerstand 22-besteht.
Zwischen
den beiden Emittern der Transistoren 17 und 18 und Erde 24 ist ein Emitter-Vorwiderstand
23 eingeschaltet. Ferner sind zwischen Erde 24 und der Basis der Transistoren 17
und 18 Widerstände 25 und 26 eingeschaltet, die an den Transistor, dessen Emitter-Kollektor-Weg
gesperrt ist,eine Sperrvorspannung anlegen, um eine höhere Betriebsstabilität zu
erzielen.
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Wenn in dieser bistabilen Flip-Flop-Schaltung 16 der Transistor 17
leitet, ist der KoIlektor-Emitter-Weg des Transistors 18 gesperrt, weil an seiner
Basis gegenüber seinem Emitter eine Sperrvorspannung anliegt. Ferner ist die einen
Steuerpunkt der Flip-Flop-Schaltung darstellende Basis des Transistors 17 an einem
Leiter 27 angeschlossen, an dem in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem
die Transistoren 17 und 18 npn-Transistoren sind, ein höheres positives Potential
liegt, als an der den anderen Steuerpunkt der Flip-Flop-Schaltung bildenden Basis
des Transistors 18. An der Baeis des Transistors- 18 liegt über eine Leitung 28
ein niedrigeres Potential.
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Bei einer Herabsetzung der Uber die Zeitung 27 an die Basis des Transistors
17 angelegten positiven
Spannung wird der Transistor 18 leitgähig,
weil die 3pänn#ung en den Kollektor des Transistors 17 steigt und daher an die Basis
des Transistors 18 gegent.ber seinen IEatter eine positive Spannung angelegt
wird,
die genfit, um die Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors
eü dffnen. Infolgedessen liegt an der Paeia',ee'Träxietƒrr 17 'ein %iedrgares
Potential, weildbr Itöllektdr -hee T,täistors 18 leitet: In Abwedgeeit eines Zteussignale
-befindet siah:daher d::e 7.$p-Plop-Sahaltung 1 6 entweder in dem einen Zusts',
in 4em der Transistor 17 leitet, oder in dem anderen Zustand, in den der Transistor
18 leitet. Durch Anlegen eines Steuerimpulsen an die Basis des leitenden Trana4stprs
wird die Sqhal;g umgesteuert, so daß der 1t-ce .,1il@ende . Trane.;tsr _eeperrt
und der vorher ""ea-te.,,Tinsistar, . leitend wird. In jedem Zustand li- an
dem einen Steuerpunkt ein höheres Potential als an :dem andern. r
Bei. _;imst,ercag wird das öie:'sten°.. .;. den. angerreg 8teuer2t amgelsg@
Damit du;h. dieflungsteile e A urid :@ eine höhere istung f4eßen ,.kn als durch
die Transisteren 17 d 18 , weist die flip-Flop-Schaltung 1 V
zwei
Verstärkertransistoren 29 und 30 auf, deren Emitter über einen Widerstand 31 mit
dem Pluspol 14 verbunden sind. Die Basis des Transistors 29 -Rist über einen Widerstand
32 mit dem Kollektor des Transistors 17 und die Basis des Transistors 30 ist über
einen Widerstand 33 mit dem Kollektor des Transistors 1$ verbunden. Ferner sind
die Basen über Widerstände 34 und 35 mit dem Pluspol 14 verbunden.-Die Transistoren
29 und `30 sind pnp-Ver--stärkertransistoren. Wenn daher die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 17 leitet, ist auch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
29 leitend, so daß ein Strom durch den Wicklungsteil A fließt. Wenn daeegen_äer
Transistor 18 leitet, ist auch der Transistor 30 leitend, so daß ein Strom durch
den Wicklungsteil A' fließt. Da die Leitfähigkeit der Transiet6ren 29 und 30 von
der Zeitfähigkeit der Transistoren 17 bzw. 18 abhängt, ist jeweils der eine der
Transistoren 29 und 30 leitend und der andere gesperrt. Gegebenenfalls können die
Verstä.rkertransietoren 29 und 30 und die ihnen zugeordneten Bestandteile entfallen
und die Flip-Flop-Transistoren 17 und
18 direkt an den'Motorwicklungen
angeschlossen. sein: Den Wicklungsteilen B und B' ist ebenfalls eine Flip-Flop-Schaltung
36 zugeordnet, die einen Transistor 37 und einen Transistor 38 sowie RC-Glieder
39, 40 und 41' 44 hufweist. Widerstände 43, 44 und 45 entsprechen in. Anordnung
und Funktion'den Widerständen_23 25 und 26 der Flip-Flop-Schaltung 16. An der, einen
Steuerpunkt der Schaltung 36 darstellenden Basis des Transistors 37 ist eine Zeitung
46 und an der den anderen Steuerpunkt der Schaltung 36 darstellenden Basis des Transistors
38 ist eine andere Leitung 47 angeschlossen. Die Basen der Transistoren 51 und 52
sind an Widerständen 49 und 50 angeschlossen, sowie an Widerständen 53, 54 und 55,
die in ihrer Funktion den Widerständen 34, 31 und 35 entsprechen und an dem Pluspol
14 angeschlossen sind. Die Flip-Flop-Schaltung 36 hat dieselbe Funktion wie die
Flip-Flop-Schaltung 16. Sie eist ebenfalls bistabil und bewirkt in Abhängigkeit
von der Bitfähigkeit der Tränsitoren 37 und 51' oder 38 und 52 einen Stromfluh durch
den Wicklungsteil D oder B' . Durch en.e'n über den Leiter 46 oder 47 an.äenoeweils
leitenden Transistor
angelegten Steuerimpuls wird der Leitfähigkeitszustand
der Transistoren umgesteuert.
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Zum Schutz der Schaltung 10 vor induzierten Spannungen, die durch
plötzliche Änderungen des Stromflusses durch die Wicklungen erzeugt werden können,
sind Dioden 56, 5`1, 58 und 59 vorgesehen, die in der dargestellten Weise mit einer
Zener-Diode 60 zusammengeschaltet sind. Diese liegt an Erde 13, so daß induzierte
Spannungen, welche die Durchschlagsspannung der Zener-Diode 60-überschreiten, abgeleitet
werden. Gegebenenfalls kann die Diode 60 durch einen Ohmschen Widerstand ersetzt
werden.
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Im Betrieb der erfindungsgemäßen Steuerschaltung wird ein Stromfluß
durch die Wicklungen A und A' und B und B' in der Reihenfolge A und B, A und B',
A' und B', A' und B, A und B usw. herbeigeführt, damit sieh der Motor im Uhrzeigersinn
dreht, bz#y.- i4 der umgekehrten Reihenfolge A und B, A' und B,' und B', A und B',
A und B usw. damit sich der Motor im Gegensinn des Uh27zeigers,dreht. Damit durch
entsprechende Steuerung der Flip-Flop--Schaltungen 16 und 36 über der an ihre Basen
angeschlossenen Steuer-
.eituhgen 27. 2846 und 47 der StrqmfluB
durch die Wi'dklungen. in dem richtigen. Sinne herbeigeführt wird, ist eine Schaltung
61 Vorgesehen,- die aus einem Wideretdp einer Mode und eiiier %apazitt,t
besteht. Die Schaltung 61 hat einen: Eingangekanal oder Eing».ngple@ter,6:P" 8n
denen .negative elektrische Einggei<nle öder '=impulee-' e1egt@,werden können,
um e#@e s ehünä geig, Motors im: Uhr@4igereinn heräeizufähr$n, naw@e einen weiteren
ngan,6ekenal oder Eingangsleitr. -fit g ,den derartige .ulse:-nn elegt werden k
e e ula eine Drehung. des. Bators im Uhrzeigereinn zu b4*irken. Die Schaltung 61
besteht aus Dioden 64, 65, 66 und' deren @. den Steuerleitungen 27.i @ .2ß, 46 bzw,
,47 und.de n . ,j#athodaa Über gondeneatpra. §g . 69$ . 70 bte# 'T1 ; an dem Zlingeleiter
'62 ahl.ase sind, so ; das vier Kapazitäten und Rioden gemeinsam an dem Eingangsleiter
62 für die Drehung im Uhrzeige#i:iz . tk@s ol1oaqraa .t@nd.* Eine
. ebenso naggelp.iete,_Süh1., mit. .de-. Diöden'2i ..73, 74 uxcd- 7 und
-,den g_. 7 28, t . uda'o76e, 7 ist an. d en St.euer.ei,ngen .'7s
. 28 , 6un:j -,47 und gemeinsäa -_ s#, ..leta Engaa.ei tezr die Drehung"
im Gegensinn des Uhrz"@@re' @ri$e@ch@.tia@ie@ts _
Zwischen den
Verbindungsstellen der Diode - 64 mit dem Kondensator 68 einerseits und der Diode
73 mit dem Kondensator 77 andererseits sind zwei 'Widerstände 80 und 81 eingeschaltet,
die denselben Widerstandswert haben und eine Verbindung S besitzen. Ähnliche Widerstände
82 und 83 mit einer Verbindung T sind zwischen den Verbindungsstellen der Diode
72 mit dem Kondensator 76. einerseits und der Diode 65 mit dem Kondensator 69 andererseits
eingeschaltet. Zwei Widerstände 84 und 85 mit einer Verbindung U sind zwischen den
Verbindungsstellen der Diode 66 mit dem Kondensator 70 einerseits und der Diode
75
mit .dem Kondensator 79 eingeschaltet. Schließlich sind zwischen den Verbindungsstellen
der Diode 74 ' mit dem Kondensator 78 einerseits und der Diode 67
:mit demondensator
71 andererseits zwei weitere Widerstände 86@und 87 mit der Verbindung V eingeschaltet.
Die Verbindung S ist an dem Kollektor des Iraneistors 38r die Verbindung T an dem
$Q1lgktor .des Transistors 37, die Verbindung U an dem,Kahlektos des Transistors
17 und die Verbindung V gn-dem rKollekt,or des Transistors 18 angeschlossen. Jeder
Kollektor ist ein Anzeigepunkt seiner Flip-Flop-Schaltung. Alle Widerstände haben
im wesentlichen denselben Widerstandswert.
Im Betrieb der vorstehend
beschriebenen Schaltung 10 fließt ständig ein Strom durch zwei Wicklungsteile, so
daß in der Fltp-Flop-Schaltung 16 ein Transistor leitet und der andere gesperrt
ist und auch in der Flip-Flop-Schaltung 36 der eine der Transistoren 37 und-?8 leitet
und der andere gesperrt ist. Bei einem Stromfluß durch die Wicklungsteile A und
B sind die Transistoren 17 und 37 leitend. flenn der Transistor 17 leitet, liegt
an der Baaiszuleitung 27 ein höheres positives Potential als an der Basiszuleitung
28 des Transistors 18. Ferner liegt an dem Anzeigepunkt, der durch den Zollektor
des Transistors 17 gebildet wird, ein niedrigeres positives Potential als an den
anderen Anzeigepunkt der Schaltung 16, der durch den Kollektor des Transistors 18
gebildet wird: Wenn der Transistor 37 leitet, liegt an der Basiszuleitung ¢6 der
Flip-Flop-Schaltung 36 ein höheres positives Potential als an der Basiszuleitung
47 und an dem eine: Anzeigepunkt der Schaltung bildenden und mit der Verbindung
T verbundenen Kollektor des Transistors 37 ein niedrigeres und an dem mit dem anderen
@ Anz eigepunkt : der Schaltung 3:6r der durch den mit der Verbindung S verbundenen
Kollektor des Transistors 38 gebildet wird, ein höheres positives Potential.
Wenn
an den Eingangsleiter 63 ein negativer Impuls angelegt wird, damit der Motor einen
Schritt im Gegensinn des*Uhrzeigers ausführt, bewirkt die Schaltung 10, daß der
Strom nicht mehr durch die Wicklungsteile A und B, sondern durch die Wicklungsteile
A' und B fließt. Der Eingangsimpuls gelangt über den Eingangsleiter 63 auf die eine
Seite der gemeinsam daran angeschlossenen Kondensatoren 76,77, 78 und 79. An den
Kathoden der Dioden 72 und 75 liegt jedoch.ein niedrigeres Potential als an den
Kathoden der Dioden 73 und 74, weil die Transistoren 17 und 37 leiten. Aus demselben
Grunde liegt an den Anoden der Dioden 72 und 74 ein höheres Potential als an den
Anoden der Dioden 73 und 75.
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Infolge der verschiedenen Potentiale an den Kathoden der Dioden liegt
an diesen effektiv eine Sperrvorspannung. Dabei wird als Sperrvorspannung ein Spannungszustand
bezeichnet, in dem die Diode fast oder vollständig gesperrt ist, weil entweder keine
genügend hohe Durchlaßvorspannung oder eine ihr entgegengesetzt gepolte Spannung
vorhanden ist..Das höhere Potential an den Kathoden der Dcbh 73 und 74-hat ferner
einen höheren Wert als der negative Eingangsimpuls. Dagegen ist das Potential an
den
Kathoden der Dioden 72 und 75 niedriger als der für den Betrieb
der Schaltung erforderliche wert des Eingangsimpulses. Wenn daher ein negativer
Impuls an eine Diode angelegt wird, an deren Kate thode ein höheres Potential liegt,
wird diese Diode nicht leitfähig, weil das höhere Potential ge-,-nägt, um trotz
des negativen Eingangsimpulses an der Diode @`eineV Sperrvorapannung aufrechtzuerhalten.
Bei einem -niedrigeren Potential an der Kathode wird die Sperrvörspannung durch
einen negativen Impuls aufgehoben? so däß die Diode leitfähig wird.
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Wenn die Wicklungsteile A und B Strom führen, bewit$t da:t Anlegen
eines gpulses zur Drehung im Gegensinn Cle-B Uhi#Zsigers einen etromfluß
durch die Wieklungetee A, ., und B. f den Uthoden der 'Dioden 73 und 74 liegt das
'höhere ]#oteritiäl,@ so tlaß diese Loden von de* hin- \ ganf!p-als :neäesalut'ä%rdenZagegen
Wräen die:', Dioden 72 und 7' besnflxu werden, an denen das niedlrigere Potential
liegt. Da / jedodh -an' der Anode der Diode ' ein niedrigeres Potential liegt, wird
diese Diode iar leitfähig, wenn ;dieses Poteniäal Ypositiv ist; sie kann aber auch
in diesem Fall den
Zustand der Flip-Flop-Schaltung 36 nicht verändern,
weil sie die Sperrvorspannung an dem Basis-Eaitter-Weg des Transistors 38 erhöht
und damit den Wider-'stand der Schaltung 36 gegenüber einer Zustandsveränderung
vergrößert. Da an der Anode der Diode 72 ein höheres positives Potential liegt,
wird sie infolge des negativen Impulses leitfähig und edet dadurch die Spannung
an der Basiszuleitung 27 herab, so daß die Schaltung 16 umgesteuert wird.
Infolgedes-sen wird der Transistor 17 gesperrt und dadurch der Transistor
18 leitfähig. Infolgedessen wird der Wicklungsteil A stromlos und der Wicklungsteil
A' stromftihrend, so daß sich der Läufer des Motors i= Gegensinnt-.den
Uhrzeigers dreht. Die beiden Wicklungen
bleiben atromfUhrend,
bis an Eingang der nthste Inpule erscheint.
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Wenn die Wicklungen A und B Stroi führen
und
an Leiter 62 für das Drehen in ührseigersinn ein
Impuls
erscheint, befindet sich nur die Diode 66 in-
folge
des niedrigeren Potentiale an ihrer Kathode und des höheren Potentiale an
ihrer Anoden in dem Zustand, der eine Umsteuerung einer Flip-Flop-Schaltung
bewir-
ken kann. Es wird daher der Zustand der Flip-Flop-
Schaltung
36 umgesteuert, so daß der Transistor 38 leitend, die Wicklung B' stromführend und
die Wicklung B stromlos wird: Infolgedessen wird der Motor im Uhrzeigersinn um einen
weiteren Schritt fortgeschaltet. Keine der anderen an dem Leiter für das Drehen
im Uhrzeigersinn angeschlossenen Dioden hat zwischen ihrer Anode und Kathode eine
solche Potentialbezie'ung, daß sie eine der Flip-Flop-Schaltungen umsteuern könnte.
'Nenn die Wicklungen A, und B Strom führen, ist nur bei der Diode 66 ein niedrigeres
Potential an der Kathode und ein höheres Potential an der Anode vorhanden, wie dies
zum Umsteuern der Flip-Flop-Schaltung 36 im Sinne eines Stromflusses durch die Wicklung
B' erforderlich ist.
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Im Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung fließt stets durch
zwei Wicklungen Strom, bis ein Impuls angelegt wird. Ferner liegt nur an
den Kathoden von zwei der an jedem Eingangskanal angeschlossenen Dioden ein Potential,
das se dem Eingangsimpuls ermöglicht, die Diode leitfähig zu machen. Aufgrund des
negativen Impulsen bewirkt jedoch die eine der
beiden Dioden, da$ die ihr
zugeordnete Flip-Flop-Sch0atung einer Zustandsveränderung einen noch größeren
Widerstand
entgegensetzt, was dazu beiträgt, daß die andere Diode leitend und der Stromfluß
durch die Wicklungsteile in der richtigen Reihenfolge verändert wird. Wenn unter
außergewöhnlichen Bedingungen an den einen Eingangskanal Eingangsimpulse angelegt
werden und an den anderen Kanal ein Streuimpuls angelegt wird, kann dieser daher
zwar einen Schritt in der falschen Richtung bewirken, so daß ein Schaltschritt verloren
geht, doch kann der Streuimpuls nicht bewirken, daß die folgenden an die Kanäle
angelegten Eingangsimpulse eine Drehung des Motors in einer anderen als der durch
das Anlegen der Impulse an die Eingangskanäle bestimmten Richtung herbeiführen,
weil jedem der beiden Eingangskanäle nur eine Diode zugeordnet ist, die eine Umsteuerung
bewirken kann.
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Man erkennt daher, daß vorstehend eine Steuerschaltung für einen Elektromotor
beschrieben wurde, die dazu dient, durch Veränderung der Stromftihrung in Windungsteilen
eine schrittweise Bewegung eines.Motors in Abhängigkeit von elektrischen Impulsen
zu bewirken. Die Schaltung besteht aus relativ wenigen
Teilen,
die sehr zuverlässig und beständig und derart miteinander verbunden sind, daß
die Wirkung von elektrischen Störungen auf die Schaltung auf
ein
Minimum herabgesetzt wird.
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Im Rahmen der Patentansprüche sind ver-
schiedene
Abänderungen möglich, und es können einzel-
ne Merkmale
ohne die anderen angewendet werden.