DE1538832A1

DE1538832A1 - Antriebssystem fuer einen Schrittmotor

Info

Publication number: DE1538832A1
Application number: DE1966J0030977
Authority: DE
Inventors: Fredriksen Thorbjoern Roland
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-06-10
Filing date: 1966-06-02
Publication date: 1970-04-09
Also published as: SE336017B; ES327676A1; DE1538832C3; FR1482468A; JPS4420545B1; BE681434A; NL157160B; US3463985A; DE1538832B2; CH444309A; NL6608046A; GB1105598A

Description

Antriebssystem für einen Schrittmotor ·

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für Servosteuerungen, mit einem, mehrere Wicklungen aufweisenden Schrittmotor, dessen einzelne Schrittstellungen durch die periodisch sich wiederholende Erregung bestimmter Wicklungskombinationen gegeben sind. .

Die Verwendung von Schrittmotoren bei Servo-Antrieben hat sich bisher nicht durchsetzen können, obwohl diese Motorenart, insbesondere der bifilare Gynchron-Sehrittmotor eine mechanische Genauigkeit aufweist, die für die meisten Positionierungsaufgaben ausreichend ist, und die den Vorteil hat, mechanische Stellglieder entbehrlich zu machen. Der Grund dafür liegt darin, daß diese Motoren bisher direkt angesteuert wurden. In diesem Falle können -auftretende-Trägheits-

0 0 981 5/G646

bad ORIGINAL

1638832

kräfte ein Überspringen von Schritten hervorrufen und dadurch, da,?. der Motor nunmehr mit seiner Steuerung außer Takt gerät, eine erhebliche Reduzierung der Schrittgeschwindigkeit verursachen. Durch· diese Fehler in der Synchronisierung zwischen den Eingangsimpulsen und der Motorstellung kann es auch vorkommen, daß der Motor einen oder mehrere Schritte ausläßt. Schließlich wird die erzielbare Schrittgeschwindigkeit dadurch begrenzt, daß der Motor mit zunehmender Geschwindigkeit mehr und mehr empfindlich für BelastungsSchwankungen ™ wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung dieser Nachteile ein Antriebssystem der genannten Art mit stabilen O^-Zoneη und mit großer mechanischer Genauigkeit anzugeben, bei dem die Schrittgeschwindigkeit lediglich durch die L-R-Konstante und die Gegen-EMK der Wicklungen begrenzt ist, das ferner ohne Änderung der angelegten Spannungen mit verschiedenen Geschwindigkeiten betrieben werden kann und das weitgehend unabhängig von Trägheitskräften und Belastungs- h Schwankungen arbeitet. -

* ■

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Antriebssystem der genannten Art erreicht durch einen geschlossenen Steuerkreis, bestehend aus einem Schrittjdiskriminator, der die jeweilige Schrittlage des Schrittmotors feststellt, und einem logischen Umsetzer, der auf Grund des jeweils vom Schrittdiskrlminator abgegebenen Signals und des jeweils eingegebenen Eingangsbefehls die zur Ausführung des gewünschten Schrittes erforderliehe Wicklungskombination des Schrittmotors-ansteuert«

0098 15/0646 ^

In vorteilhafter Weise wird der Schrittdiskriminator gebildet durch Photozellen, deren Anzahl den durch die verschiedenen Wicklungskombinationen, gebildeten verschiedenen Schrittstellungen entspricht, und durch eine mit den Photozellen zusammenwirkende, mit der- Achse des Schrittmotors verbundene Lochscheibe, deren Öffnungen derart angeordnet sind, daß nur die der jeweiligen Schrittstellung entsprechende Photozelle von einer mit ihr zusammenwirkende Lichtquelle beaufschlagt wird.

Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Antriebsystems unter Verwendung eines Schrittmotors mit vier, verschiedenen 'Wicklungskombinationen entsprechenden Schrittstellungen erhält man mit den durch Eingangsbefehle schaltbaren Betriebsarten: "Rechtslauf" ( der Motor führt von der jeweiligen Schrittlage einen Schritt im Uhrzeigersinne aus), "Linkslauf" (der Motor führt von der jeweiligen Schrittlage einen Schritt entgegen dem Uhrzeigersinne aus), "Stopp" (die der augenblicklichen Schrittstellung entsprechende Wieklungskombination wird erregt) und "Schnellgang" (es wird eine Wieklungskombination erregt, deren zugeordnete Schrittstellung etwa zwei Schritte von der augenblicklichen Schrittstellung entfernt liegt). Vorteilheft ist es dabei, daß die Schaltung des Schnellganges nach Erregung eines Einzelschrittes in der gewünschten Drehrichtung automatisch mittels eines Dunkelintervalles der Diskrimiatprscheibe erfolgt. ■■■'".■ ■"■.■-

Ein besonderer Vorteil besteht bei dem erfindungsgemäßen Antriebs-

0098 15/0646 —'«

' system darin, daß Mittel vorgesehen sind, durch die zur Beeinflussung der im Schnellgang auf den Rotor ausgeübten Drehkraft die Voreilung des Magnetfeldes variierbar ist.

Die Erfindung wird anhand eines durch Zeichnungen erläutertes Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm für einen bifilaren Schrittmotor mit 200 Schritten pro Umdrehung,

. Fig. 2 eine Tabelle, in der die relativen Positionen der Motorachse bei Erregung der entsprechenden Wicklungen des Motors eingetragen sind, ...-.-

Fig. 3a eine graphische Darstellung, in der die Drehkraft gegen die Drehlage·der sich im Uhrzeigersinne drehenden Achse aufgetragen ist, wenn die Wicklung mit gleichförmiger Energie beaufschlagt ist,

Fig. 3t> eine graphische Darstellung, in der die Drehkraft gegen die Drehlage der sich entgegen dem Uhrzeigersinne drehenden Achse aufgetragen ist, wenn die Wicklung mit gleichförmiger Energie beaufschlagt ist,

Fig. 3c eine graphische Darstellung der Drehkraft gegen die Drehlage der Achse, wenn die erregten Wicklungen mit der augenblicklichen Drehlage übereinstimmen, =

®AD 0098 1S/0646

1b38832

- 5 ■-■■ '■■..-.■■■■ ;

Fig. 3d eine graphische Darstellung der Drehkraft gegen die Drehlage der Achse, wenn die Motorwicklungen zum Lauf im Sehnellgang erregt werden,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Schrittdiskriminators,

Fig. 5 e.in Impulsdiagramm mit den vom Schrittdiskriminator erzeugten Impulsen,

Fig. 6 eine Tabelle, die die Motor-Eingangssignale in Abhängigkeit von den Signalen des Schrittdiskriminators und der Eingangsbefehle enthält, ^

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild des logischen Umsetzers,

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild für die variierbare Geschwindigkeitssteuerung und

Fig. 9 ein Diagramm mit der für die Pole des Schrittmotors charakteristischen Hysterese-Kurve.

In Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Sychron-Induktionsschrittmotors mit bif ilareri Wicklungen dargestellt, der mit 200 Schritten eine Umdrehung ausführt. Eine ausführliche Beschreibung dieses* Motortyps und seiner Wirkungsweise ist enthalten in dem Artikel: f "Characteristics of a Synchronous Inductor Motor" von Arthur E.Snowdon und Elmer W. Madsen, veröffentlicht in "Applications and Industry" in der Ausgabe vom März 1962. Die bifilaren Wicklungen des Schrittmotors sind mit A^, Ap bzw. Β., Bp bezeichnet. C stellt die gemeinsame Rüokleitung dar, die an den negativen Pol der Stromquelle 1 angeschlossen ist. Der positive Pol der Stromquelle ist über die Leitung 2 mit den Ermittern 3 bis 6 der Transistorschalter 7 bis 10

009815/06 46

BAD

verbunden. Die Kollektoren 11 bis 14 der Schalter 7.bis IO sind an die Eingangsseite der Motorwicklungen Bp, B., A_?, /., angeschlossen. Die Basisanschlüsse der Transistorschalter J bis 10 über, welche die Verbindung der Stromquelle-1 mit der jeweils zugeordneten Wicklung gesteuert wird, sind mit 15 bis 18 bezeichnet. Die Welle 20 des als Block 19 dargestelltaiMotors kann durch selektive Erregung der "WIkkiungen.A,, Ap, B₁, Bp mit Hilfe der Schalter in " Schritten von 1,8° weitergedreht werden. Durch Erregen bestimmter Wicklungen kann auf diese Weise einer von vier Schritten ausgewählt werden, Um eine Drehung von 5.60° zu bewirken, müssen somit-50 Gruppen, dloser-vier. Schritte vorhanden sein. Wie üblich, kann ein Nachführpotentiometer oder eine andere gleichartige Vorrichtung eine Anzeige dafür liefern, auf welcher der 50 Gruppen zu vier Schritten die Welle jeweils steht.

Dieses "1 aus 50"-Grobeinstellsystem ist symbolisch mit η bezeichnet. Fig. 2 enthält eine Tabelle, die die verschiedenen Eingangssignale und die entsprechend erregten Wicklungen zur Erzielung einer vollständigen Umdrehung darstellt. Wenn also die Welle 20 sich in der •O"°-Lage befindet und die Wicklungen A, und B. erregt werden, ist die endgültige Wellenlage 0° + η . 7*2°, da jede der 50 Grobeinstellungen der Welle den Bereich von 7*2° umfasst. In diesem Falle bildet dieses Eingangssignal ein Stoppkommando, da sich der Rotor bereits in der Schrittlage A,, B, oder der Schrittart Nr. 1 befindet und η = 0 ist.

009815/0646

In ähnlicher Weise werden durch die Eingangsslgnalkornbination der Sehrittart Nr. ? die Wicklungen A-, und Bp erregt,und dies ergibt eine Wellenlage von 1,8° + η . 7*2°, oder 1,8° von der UrSprungslage entfernt. Insgesamt sind vier Typen von Eingangssigna!kombinationen, Nr. 1 bis Nr. 4, vorhanden, so daß sich bei jeder der 50 Grobeinstellungen 4 diskrete, feine Sehritte ergeben, die um 1,8° von einander getrennt sind und die durch die Erregung entsrechender Motorwicklungen ausgewählt werden können. Dies ist das übliche Verfahren zur Betätigung eines bifilaren Synchroninduktionsmotors mit 200 Schritten. Die Schritte erfolgen in der Reihenfolge 4, 1, 2, 3, 4, 1 usw. Die vier Eingangssignalkombinationen ergeben daher 200 diskrete,stationäre Wellenlagen, die jeweils um 1/8° von einander entfernt sind. Dabei wird, wie gesagt, zur Drehung der Welle die Erregung des Motors für einen Schritt bewirkt, der an die augenblickliche Well ensteilung angrenzt. Diese Erregung für direkt aufeinanderfolgende Schritte wird wiederholt, bis die gewünschte Wellenlage erreicht ist.

Aus dem Gesagten geht hervor, daß von einer bestimmten stationären Wellenlage aus sich nur vier verschiedene Verknüpfungen von Eingangssignalen mit Drehungen der Motorwelle einleiten lassen. Wie noch zu erläutern sein wird, werden diese wie folgt benannt und definiert: "Stopp"( die der derzeitigen Wellenstellung entsprechenden Wicklungen werden erregt), "Rechts" (der Motor wird so erregt, daß er im Uhrzeigersinne eine Bewegung um einen Schritt von 1,8° ausführt),

■;■■..■ 009815/0646 bad ORIGINAL

" Links " (der Motor wird so erregt, daß er sieh entgegengesetzt dem Uhrzeigersinne um einen Schritt von 1,8° weiterbewegt), "Schnellgang" (der Motor wird erregt für.einen Schritt, der grob 3,6° in einer der beiden Richtungen beträgt).

Für jedes dieser Eingangskommandos ergibt sich eine bestimmte Beziehung von Drehkraft und Wellenlage. Nach Erreichen des eingeschwunft genen Zustandes des Eingangssignals hat die auf die als stationär angenommene Welle einwirkende Drehkraft qualitativ die in den Fig. 3A, 3B, 3C und 3D gezeigte Größe. Aus den Fig. 3 A bis 3 D ist zu entnehmen, daß sowohl eine "Stopp"- als auch eine "Schnellgang"- Eingangssignalkombination im Idealfalle die Drehkraft C bei der Verschiebung Cf ergeben. Während jedoch die "Stopp"- Position jedem Versuch, die Welle zu bewegen, entgegenwirkt, veranlasst im "Schnellgang"- Betrieb eine solche Störung die Welle, sich in der Richtung der Störung um zwei Schritte weiterzubewegen. Um also eine gewünschte Motorbewegung einleiten zu können, braucht nur die jeweilige Schrittposition, die die Welle einnimmt,bekannt zu sein. Wenn weiterhin diese Information in einem geschlossenen Steuerstromkreis dauernd zur Verfügung steht und dazu verwendet wird, die Eingangssignale entsprechend zu ändern, erhält man eine kontinuierliche Motordrehung. Der Steuerstromkreis hat somit die Aufgabe, einen innerhalb von größeren Abschnitten kontinuierlichen Lauf des Schrittmotors entsprechend den oben angeführten vier Grundbetriebsarten herbeizuführen. Im allgemeinen muß das System

00 98 15/064 6

■■;.■■" ■■■'■■ ■■;' ■■.■■,■■^/ . '.'"' '. ■■■■■■"-;;■■ ^;:-^: "^v ' ' '..' 1538832 ■ ":-^?^

-Q-

außer dem Schrittmotor einen Schrittdiskriminator und eine logische Schaltung enthalten, die im Stande ist, Steuerentscheidungen sowohl auf Grund einer binär arbeitenden Rückkopplung als auch des Eingangskömmandos zu treffen.

Die Steuerschleife kann in verschiedener Weise aufgebaut sein* Eine Anordnung, die sich als sehr leistungsfähig erwiesen hat, ist in Fig. 4 dargestellt. Diese Figur zeigt einen Schrittdiskriminator, der die augenblickliche Rotorlage feststellt, ohne Rücksicht darauf, {[ ob der Motor sich dreht oder stillsteht. Die dünne, undurchsichtige Scheibe 21 ist fest auf der Welle 22 des Schrittmotors 23 angebracht. 50 kleine öffnungen oder durchsichtige Löcher 24 sind in Abständen von 7»2° und in gleichmäßiger Entfernung von der Drehachse der Scheibe angeordnet. Vier Phototransistoren 25 bis 28 mit den zugeordneten Lichtquellen 29 bis 32 sind jeweils 23*6° von einander entfernt so angebracht, daß ihre optischen Achsen 33 bis 36 beim Drehen der Scheibe 21 durch die Löcher 24 hindurchgehen. Die Scheibe 21 ist in bezug auf die Welle 22 so angeordnet, daß bei Erregung-des Motors , 23 durch eine Eingangssignalkombination vom Typ 1 iie optische Achse 36 der Lichtquelle 32 und des Phototransistors 28 durch ein Loch in der Scheibe hindurch geht, wodurch angezeigt wird, daß sich die Welle 22 in der Schrittlage 1 befindet. Während dieser Eingangssignalkombination vom Typ 1 (siehe Fig. 4) befindet sich keine andere Lichtquelle mit ihrem Phototransistor in optischer Verbindung, da jeweils ein undurchsichtiger Teil der Scheibe dazwischen liegt. Es wird also

00 98 15/06 A 6

- ίο -

nur eine einzige Anzeige dafür erzeugt, daß die Welle sich in einer der Eingangssignalkombination vom Typ 1 entsprechenden Lage befindet. Ebenso steht infolge der Wechselwirkung zwischen den Positionen der Löcher in der Scheibe und den Abständen der Lichtquej.le-Photozelle-Paare jeweils nur eine einzige Anzeige dafür zur Verfugung, daß sich der Rotor in Stellungen entsprechend den Eingangssignalkombinationen 2,3 und 4 befindet. Eine Drehung der Scheibe 21 im Uhrzeigersinne um einen Schritt oder 1,8° würde, zum Beispiel dazu führen, daß die optische Achse 35 der Lichtquelle"31 und des Phototransistors 27 durch eines der Löcher 24 hindurch geht. Der Phototransistor 27 würde daher erregt werden und anzeigen, daß die Welle 22 sich in Schrittlage 2 befindet. Gleichzeitig würde in diesem Falle die optische Achse 36 der Lichtquelle32 und des Phototransistors 28 auf einen undurchsichtigen Bereich der Scheibe 21 auf treffen.^ so daß diese optische Verbindung unterbrochen wäre. Bei einer weiteren Drehung der Scheibe 21 im Uhrzeigersinne um 1,8 würde die optische Achse ~$K der Lichtquelle 30 und des Phototransistors 26 durch eines der Löcher 24 in der Scheibe 21 hindurchgehen, und dies würde, anzeigen, daß sich die Welle in Schrittlage 3 befindet. Schließlich würde bei der nächsten Drehung um 1,8° im Uhrzeigersinne die optische Achse 33 der Lichtquelle 29 und"des Phototransistors 25 durch eines der Löcher in der Scheibe hindurchgehen und die Schrittlage 4 anzeigen.

Die Phototransistoren 25 bis 28 sind durch die Leitungen 37 bis 40 mit dem Umsetzer 41 verbunden, dessen Ausgangssignale über die Lei-

009815/0646

--11 -

turigen 42. bis 45 den Motorwicklungen A,, Ap, B,, Bp zugeführt werden. Die Erregung der Leitung 42 und der ihr zugeordneten Wicklung A₁ sowie der Leitung 44 und der ihr zugeordneten Wicklung B, (siehe Tabelle in Fig. 2) bildet also eine Eingangssignalkombination vom Typ 1 oder für den Schritt 1. Weiter führen vier Eingangsleitungen 46 bis 49 an den Umsetzer 4l. Gemäß Fig. 4 bedeuten: Leitung 46 den Eingang für "Stopp", Leitung 4? für "Rechts", Leitung 48 für "Links" und Leitung 49 für "Schnellgang". Zur Sicherung der Eindeutigkeit der Anzeige des Schrittdiskriminators ist das Abfühlintervall auf einen halben Schritt % begrenzt, so daß ein "Dunkelraum" von 0,9° jeweils zwischen benachbarten Schrittanzeigen bleibt. Die Impulsdiagramme in Fig. 5 veranschaulichen die Aüsgangssignale des Schrittdiskriminators. Auch die Summe ier vier Signale ist dargestellt, da diese Angaben für die später beschriebene Betriebsart mit synchroner Geschwindigkeit benötigt wird.

Im Betrieb wird der Schrittdlskrlminator durch den Motor 23 in eine der vier Schrittlagen gedreht. Es sei angenommen, daß er zunächst die .» Schrittlage 1 habe.. In diesem Falle geht die optische Achse J>6 der Lichtquelle 32 und des Phototransistors 28 durch eines der Löcher 24 in der Scheibe 21 hindurch. Dabei liefert der Phototransistor 28 über die Leitung 40 an den Umsetzer 4l die Anzeige, daß dies die tatsächliche Lage der Welle 22 des Motors 23 ist. Der Umsetzer 4l, der anhand von Fig. 7 noch im einzelnen beschrieben wird, empfängt- diese Anzeige

0098 1 B/0646 " sad

des Schrittdisk-riminators, kombiniert sie mit dem jeweiligen Eingangsbefehl und setzt diese beiden Eingangsworte in entsprechende Signale auf den Leitungen 42 bis 45 um, wodurch der Schrittmotor entsprechend dem Eingangsbefehl arbeitet. Zur Veranschaulichung sei angenommen, daß der Eingangsbefehl ein "Stopp"- Befehl ist. Da entsprechend der gemachten Annahme die optische Achse J>6 der Lichtquelle 32 und des Phototransistors 28 durch ein Loch der Scheibe 21 hindurchgeht und dies anzeigt, daß der Motor die Schrittlage 1 einnimmt, gibt in diesem Falle der Umsetzer 4l ein Signal zu den Wik-™~ klungen A. und B, , so daß sich der Motor nicht weiterdreht und magnetisch festgehalten wird. Ebenso erregt der Umsetzer 4l bei Empfang 'eines "Rechts"- Eingangsbefehls durch ein Signal die Wicklungen A. und Bp, wodurch der Motor um einen Schritt im Uhrzeigersinne weitergedreht wird. Wenn der Umsetzer 4l das "Links"-Eingangssignal empfängt, erregt er die Wicklungen Ap und B,. Dadurch wird der Motor zu einer Drehung um einen Schritt entgegen dem Uhrzeigersinne veranlaßt. Die Arbeitsweise des Umsetzers wird im einzelnen noch erläutert werden.

fc Die Tabelle in Fig. 6 zeigt die durch den Umsetzer erzeugten Motor-Eingangssignale, die durch die verschiedenen Eingangsbefehle ausgelöst werden. Wenn zum Beispiel der Schrittdiskriminator anzeigt, daß der Rotor sich in der Schrittlage 1 befindet, erzeugt ein"Stopp"-Eingangsbefehl eine Motoreingangssignalkombination vom Typ 1. Wenn der Schrittdiskriminator anzeigt, daß der Rotor sich in Schrittlage Γ befindet, ist das Ergebnis eines"Schnellgangs"- Eingangsbefehles die Motoreingangssignalkombination vom Typ J5. Der Grund für diesen Zwei-. Jchritte-Sprung im "Schnellgang"-Betrieb wird noch näher erläutert werden. Weiterhin kann der Tabelle in Fig. 6 entnommen werden, daß,

009815/0646 ~

wenn zum Beispiel der Schrittdiskriminator anzeigt, daß sich der Rotor in Schrittlage 3 befindet, der Eingangsbefehl "Rechts" die Motorsignalkombination vom Typ A zum Ergebnis hat.

Die Tabelle in Fig. 2 zeigt, daß die Motoreingangssignalkombination für den Schritt 3 die Umkehrung der Motoreingangssignalkombination für den Schritt 1 ist, und daß die Eingangssignalkombination für den Schritt 4 die Umkehrung derjenigen für den Schritt 2 ist. Dieses Umkehrverhältnis wird in dem in Pig. 7 dargestellten μ Umsetzer ausgenutzt. Die Ausgangssignale des Diskriminators, also die der Photozellen 25 bis 28 werden einzeln den Verstärkern 50 bis 53 zugeführt, deren Ausgangssignale über die Ausgangsleitungen 54 bis 57 weitergeleitet werden. In dem Umsetzer werden 4 Plipflops FPl, FF2, FP3 und FF4 verwendet, Vielehe Eingangs- bzw. Ausgangsleitungen 74 bis 8l aufweisen. Die Flipflops sind in Fig.γ zur Vereinfachung der Zeichnung so dargestellt, daß der Eingang des Flipflops auch dessen Ausgang bildet. FFl bis FF4 sind herkömmliche Plipflops, bei denen, wenn als logische Spannungspegel das Nullpotentlal und eine negative Spannung verwendet werden, ein dem Flipflop zugeführtes Null-Eingangssignal zur Folge hat, das eine zugeordnete Ausgangsleitung auf Null-Potential liegt und die andere Ausgangsleitung die negative Spannung führt. In diesem Zustand bleiben die Flipflops bis sie durch Anlegen von Spannungen an die Eingangsleitungen entgegengesetzt erregt werden. Die Ausgangsleitungen 54 bis 57 der Photozellenverstärker sind Über Trenndioden 130 mit den Eingangs-Ausgangs-Leitungen der Flipflops FFl bis FF4 durch die Leitungen 58 bis 73

00 98 1 5 / 06Λ 6 *

BAD

verbunden. Außerdem sind die Eingangs-Ausgangs-Leitungen der Flipflops FFl bis FF4 durch die Leitungen 82 bis 97 an die Torschaltungen 102 bis 105 angeschlossen. Die Ausgänge 106 bis 121 der Torschaltungen 102 bis 105 sind durch Leitungen 122 bis 125 mit vier Leistungatreibern 126 bis 129 verbunden, die an die Motorwicklurigen A,, A₀, B, und Bp angeschlossen sind. Die Torschaltung 102 wird durch ein Eingangssignal im Falle eines "Schnellgang"-Befehls über die Leitung 98 betätigt. Entsprechend wird die Torschaltung 103 über Leitung 99 durch den "Links"-. Eingangsbefehl betätigt, die Torschaltung 104 über Leitung 100 durch den Befehl "Stopp" und die Torschalung 105 über Leitung 101 durch den Befehl "Rechts".

Zur Beschreibung der Arbeitsweise sei -angenommen, daß die Photozelle 28 des Schrittdiskriminators derart betätigt wird, daß das Ausgangssignal des Photozellen-Verstärkers 50 und der Leitung 54 das Null-Potential ist. In diesem Falle haben die anderen Ausgangsleitungeri 55, 56 und 57 der Photozellenverstärker 51* 52 und 53 eine negative W Spannung. Die auf der Ausgangsleitung 54 des Verstärkers 50 erscheinende Spannung gelangt über die Trenndiode ,auf die Leitung 74 und bewirkt, daß FFl eingestellt wird, so daß dessen Ausgangsleitungeri, die in Fig. 7 gezeigten Spannungen null und minus führen. Ebenso gelangt das auf der Leitung 54 zugeführte Null-Potential über Leitung 59 und die Trenndiode auf die Leitung 76 und stellt FF2 ein. Ferner gelangt das Null-Potential Über Leitung 66 durch die Trenndiode auf

0.09815/0 646

-.15 -

die Leitung"78 und bewirkt, daß FFJ eingestellt wird. Schließlich wird das^:-Nü.l-^:]i-pQtential über eine Trenndiode über die Leitung 67 auf die Leitung 81 gebracht und bewirkt, daß FF4 eingestellt wird. FFl bis FF^l bleiben in dem Zustand, auf den- sie eingestellt worden sind, bis sie durch ein anderes Eingangssignal aus den Photozellenverstärkern ■erregt werden. Die Leitung 7^ und die damit verbundene Leitung 83 verbleiben also auf Null-Potential, so daß über Leitung 83 das Null-Potential an den Eingang der Torschaltung 102 gelangt. Ebenso ist * die Leitung 76 aus FF2 auf Null-Potential. Daher gelangt das Null-Potential über Leitung 85 zu einem weiteren Eingang der Torschaltung 102. In gleicher Weise wird das Null-Potential an die Eingangsleitungen und 88 für die Torschaltung .1Oj gelegt. Ebenso wird den Eingangsleitungen 90 und 92 der Torschaltung 104 und den Singangsleitungen 9^ und■97 der Torschaltung I05 das Null-Potential zugeführt. Die erwähnte Betätigung der Photozelle 28 zeigt an, daß der Rotor des Sehrittmotors sich in Schrittlage 1 befindet. Wenn nun das Eingangssignal "Stopp" über die Leitung 100 dem Umsetzer zugeführt wird, müssen die Motorwicklungen derart erregt werden, daß der Rotor gesperrt wird und sich f nicht bewegt. In diesem Falle wird das Null-Potential über die Torschaltung 104 sowohl an die Leitung 114 und über die Leitung 122 an den Eingang Leistungstreibers 126 gelegt, der die Wicklung A.'erregt, als auch an die Leitung II6 und über die Leitung 124 an den Leistungstreiber 128, der die Wicklung B₁ erregt. Falls also das Eingangssignal

■■■■■■■ 28 ■ "■

"Stopp" dem Umsetzer zugeleitet wird, während die PhotOzelle/erregt

0098 15/0646 -BADQRiQINA.

ist und damit anzeigt, daß sich der Rotor in der Schrittlage 1 befindet, werden die Wicklungen A. und B, erregt,und dies ist gemäß der Tabelle in Pig. 2 die Eingangssignalkombination vom Typ 1. Der Rotor bewegt sich also nicht und wird magnetisch festgehalten. Wenn nun der Rotor in der Schrittlage 1 ist, und das Eingangssignal "Rechts" über die Leitung 101 übertragen wird, wird über die Leitun§/*118 und 122 das Null-Potential an den Leistungstreiber 126 gelegt, und dadurch Wicklung A, erregt. Ebenso wird über die Leitungen 121.und 125 das Null-Potential an den Leistungstreiber 129 gelegt, wodurch die Wicklung Bp erregt wird. Dies ist gemäß Fig. 2 die Wicklungskombination, die erregt werden muß, damit sich der Rotor in die Schrittlage 2 dreht. Ensprechendes gilt für die Eingangsleitungen 98 und 99 der "Schnellgang" -Torschaltung 102 und der "Links- Torschaltung 103· Während die Ausgangssignale des Schrittdiskriminators, die den Photozellenverstärkern 50 bis 53 zugeleitet werden, wechseln und dadurch die Flipflops FFl bis FF4 umstellen, veranlasst das Anlegen von der Eingangssignalquelle entstammenden Erregungsspannungen an die Leitungen 98 bis 101 die Torschaltungen 102 bis 105 die entsprechenden Signale so durchzuschalten, daß die richtigen Wicklungen des Motors erregt werden.

Beim normalen Betrieb von bifilaren Synchron-Induktions-Schrittmotoren erfolgt die Erregung der Wicklungen zur Herbeiführung der Schrittbewegung in gleicher Reihenfolge mit den Schritten in der gewünschten Drehrichtung, jeweils benachbart zum vorhergehenden Motor*-

009815/0646

schritt, so daß die resultierende Drehkraft die Drehung des Motors bewirkt. Bei dieser aufeinanderfolgenden Erregung von Wicklungen ist offensichtlich die Geschwindigkeit des Rotors wegen verschiedener Verzögerungen innerhalb des Motors, wie zum Beispiel durch Hysterese begrenzt. Im vorliegenden System kann der Motor, nachdem die Bewegungsrichtung des Rotors durch die Wahl des Eingangsbefehls "Links" oder "Rechts" festgesetzt worden ist, auf "Schnellgang"-Betrieb umgeschaltet werden, in dem gemäß der Tabelle in Fig. 6 der Motor für Schritte erregt wird, die um 2 .1/4 Einzelschrittbreiten von der jeweiligen Rotorlage entfernt sind, wobei Jedoch die verzögerte Drehkraft noch rechtzeitig auftritt, um eine relativ groi?e resultierende Drehkraft in der gewünschten Richtung zu bilden. Die "Schnellgang"- Betriebsart wird im Folgenden beschrieben.

Die entwickelte Drehkraft ist in erster Linie wegen des Hystereseeffektes in den Weichstahlteilen des Rotors und des Stators nicht in Phase mit den den Wicklungen zugeführten Schrittfunktion-Eingangssignalen. Wenn angenommen wird, daß die Hystereseschleife rechteckig ist, wie in Fig. 9 dargestellt, ist die Änderung -^H der magnetischen Feldstärke erforderlich, um die Magnetisierung von +B auf -B umzukehren

SS

und die Änderung +&R um von -B„ auf +B umzumagnetisieren. wobei H

s s

jedesmal durch Null geht. Die magnetische Feldstärke ist jedoch eine Funktion des Stromes in den jeweiligen Wicklungen, der seinerseits infolge der Induktivität zeitabhängig und daher ist ■

H=H (t)
daher wird die Zeit/Yt gebraucht, um die Änderungen (oder -Ah) zu

/ 00981570646

ßAD ORIGINAL ■

■ - - 18 -

erreichen. Während dieser ZeitverzögerungiSt bev/egt sich der Rotor und es ist durchaus möglich, daß er dabei die magnetische Mitte erreicht, bezüglich der eine Drehkraft durch die Ummagnetisierung hätte erzeugt werden sollen. Das Ergebnis ist eine kleine oder gar keine wirksame Drehkraft für die Beschleunigung. Durch Änderung der Magnetisierung zu einem früheren Zeitpunkt gegenüber der Lage des Rotors kann der Rotor eine höhere Geschwindigkeit erreichen. Ebenso wird, falls die Ummagnetisierung später erfolgt, eine Drehkraft in der umgekehrten Richtung entwickelt und dadurch der Rotor gebremst.

Vorab einer genaueren und mathematisch fundierten, analytischen Untersuchung kann unterstellt werden, da.G für die meisten Sehrittmotoren der beschriebenen Art die Voreilung von zwei 1/4 Schritten bezüglich der Wicklungserregung genügend groß istj so daß

²'^{25 x 2ΐΓ}

At/ ist

ss ' ^a■ S 200 ^1Sw

wobei W die konstante Geschwindigkeit ist, die sich infolge der Gegen - EMK ., der Induktivität und der Reibungskräfte einstellt.

Zweitens gibt es einen Voreilungsbereich zwischen 1,25 und 1,75 Schritten in dem

"s ' " 200

wobei W_ die sogenannte synchronisierte Geschwindigkeit 1st, die von

,S . ■

der Voreilung der Magnetisierung und dem durch die Reibungskräfte bewirkten Schlupf abhängt

W₀. = F (l,f). -. ■ .

Diese Theorie wird durch Experimente erhärtet. Wenn zum Beispiel ein.

003815/0646

im "Sehnellgang" im Uhrzeigersinne laufender Schrittmotor auf normalen Gang im Uhrzeigersinne umgeschaltet wird, bremst der Rotor scharf ab,t- bis die niedrige synchronisierte Geschwindigkeit erreicht ist und behält diese bei.

Die"Schnellgang"-Beschleunigungscharakteristik entspricht einem Gleichstrommotor mit Gesehwindigkeitssättigung, während die Charakteristik bei veränderlicher Drehkraft bei synchroner Geschwindigkeit ,einem dreiphasigen Induktionsmotor sehr nahe kommt. ([

Wie solion gesagt, ist, wenn sich der Rotor im Stillstand befindet und eine um zwei Positionen von der gegenwärtigen Rotorlage entfernte Wicklung erregt wird, die Bewegungsrichtung des Rotors unvorher-

/ . .-■■■■■

sagbar. Daher muß die Drehung des Motors zuerst in die gewünschte Richtung gebracht werden, bevor die Umschaltung in den"Schnellgang" erfolgt. Die Schaltung in Fig. 7 zeigt, daß sich während der Drehung der Schrittmotorwelle der Zustand der PlipfJop FFl bis FF4 ständig derart ändert, daß während des Schnellbetriebes, eine von der jewei- .-, ligen Rotorlage um. 2 1/4 Schritte entfernte Wicklung erregt wird, die Schnelloperation also durchgeführt wird.

Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm einer Einrichtung, mit der veränderliche Geschwindigkeiten beim"Schnellgang" erreichbar sind. Gemäß Fig. 8 führen die Eingangsleitungen IJl bis 134, die vom Schrittdiskriminator kommen, in die invertierende «**d UND-Schaltung l40 sowie über die Leitungen 155 bis I38 in den Umsetzer 139» dessen Ausgang

0 0 9 8 15/0646 bad

in Wirkverbindung mit den Wicklungen des Schrittmotors steht. Das 'Ausgangssignal der UND-Schaltung l40 wird über die Leitung l4l und den Inverter 142 über die Leitung 143 zu der variierbareri Verzögerungseinrichtung 144 übertragen. Das Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung 144 gelangt über die Leitung 145 zur Leitung 146, die an den Inverter 147 angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal über die Leitung 148 dem Umsetzer 139 zugeführt wird. Außerdem ist an die Leitung 148 die "Schnellgang"-Leitung 162 angeschlossen. Ebenso ist die Leitung l46 mit der Leitung 149 verbunden, die einen Eingang der invertierenden UND-Schaltung 151 bildet, deren anderer Eingang über Leitung 150 an den "Rechts"-Signaleingang angeschlossen ist. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung 151 wird über die Leitung 152 und den Inverter 153 über die Leitung 154 in den Umsetzer 139 übertragen. Die Leitung 146 ist außerdem an die Leitung 155 angeschlossen, die einen Eingang der invertierenden UND-Schaltung I56 bildet, welche ihr anderes Eingangssignal über die Leitung 157 vom "Links"-Signaleingang empfängt. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung 156 wird über die Leitung 158 und den Inverter I59 über die Leitung ΙβΟ zum Umsetzer 139 übertragen. Das "Stopp"-Eingangssignal wird dem Umsetzer über die Leitung I61 zugeführt.

Im Betriebszustand hat, wenn der Schrittmotor im Stillstand ist, das über die Leitung l4l übertragene Ausgangssignal der UND-Schaltung 140 ein negatives Potential, da nicht alle über die Leitungen I31 - 134 zugeführten Eingangssignale gleich sind. Dies beruht darauf, daß eine der

0098 15/0646

Photozellen Licht abfühlt, und daher eine der Leitungen IjJl bis 1J54 am Null-Potential liegt, während die anderen drei Leitungen eine negative Spannung aufweisen. In diesem Falle erscheint das durch den Inverter l42 invertierte Ausgangssignal der UND-Schaltung 140 als Null-Potential auf den Leitungen 143, 145, 146, 149 und 155. Wenn angenommen wird, daß der "Rechts"-Eingang durch Zuführung des Null-Potentials an die Leitung 150 erregt wird, so liefert die invertierende UND-Schaltung I5I ein negatives Ausgangssignal zur Leitung I52, und daher wird nach Invertierung im Inverter 153 über die Leitung 154 das Null-Potential zum Umsetzer 139 übertragen. Die "Rechts"-Torschaltung wird im Umsetzer erregt, so dass der "Rechts"-Betrieb beginnt, und der Motor sich im Uhrzeigersinne dreht. Die Leitung 148 führt jetzt eine negative S-pannung, da das Null-Potential auf Leitung 146 im Inverter 147 umgekehrt wird. Ebenso gelangt auf die Leitung I60 eine negative Spannung, da infolge der über die Leitung I55 der UND-Schaltung 156 zugeführten negativen Spannung das Ausgangssignal auf Leitung 158 Null-Potential hat und dieses nach Umkehrung im Inverter 159 eine negative Spannung auf Leitung 160 zur Folge hat.

Nach dem Durchlaufen einer kurzen Strecke trifft der Schrittdiskriminator auf einen "Dunkelraum", so daß die der UND-Schaltung l40 über die Leitung I3I bis 134 zugeführten Eingangssignale sämtlich negativ sind. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung l40 wird daher gleich Null und erscheint in seiner Umkehrung im Inverter 142 als negative Spannung auf den Leitungen 143, 145, 146, 149 und I55. Beim Vorliegen dieser . negativen Spannung auf Leitung l49 wird das Ausgangssignal der UND-Schaltung 151 auf Leitung 152 gleich Null und das "Rechts"-Eingangs-

009815/0646

signal, das dem Umsetzer zugeführt wird, wird zu einer negativen Spannung, wodurch die "Rechts"-Torschaltung im Umsetzer abgeschaltet wird. Gleichzeitig wird die negative Spannung auf Leitung 146 im Inverter 147 umgekehrt und der "Schnellgang" -Leitung 148 zugeführt, wodurch der Umsetzer auf "Schnellgarig"-Betrieb umgeschaltet wird.

fe Durch die Verzögerungseinrichtung 144 wird die Dauer des Anlegens der negativen Spannung an die Leitung 146 in der Weise gesteuert, daß sie wirksam wird, nachdem sich der Rotor um eine bestimmte Strecke bewegt hat, so daß ihr Vorsprung kleiner als 2 1/4 Sehritte aber größer als 1 Schritt ist, oder daß In dem hier gezeigten Falle eines 1/2 Schritt langen "Dunkelraumes" der Vorsprung kleiner als 1 3/4, aber grosser als 1 1/4 Schritte ist. Wird das Anlegen der negativen Spannung an die Leitung 146 verzögert, bis die "Dunkelraum"-Zeit fast vollständig verstrichen ist, liegt die Geschwindigkeit des Motors nur wenig über dem Normalbetrieb, wenn aber die negative Spannung kurz nach Beginn des "Dunkelraumes" angelegt wird, erhöht sich die Umlauf-•geschwindigkeit des Motors stark. Durch ändern der Zeit des Anlegens des Null-Potentials an die Leitung 146 können somit verschiedene Geschwindigkeiten ausgewählt werden. Der Bereich der verfügbaren Geschwindigkeiten kann noch erhöht werden. In dem hier gezeigten Falle beträgt die Länge des "Dunkelraumes" einen halben Schritt oder 0,9°» Das Gesichtsfeld der Photozellen läßt sich praktisch noch mehr einengen, wodurch man mehr "Dunkelraum" erhält. Es kann zum Beispiel erreicht werden, daß der "Dunkelraum" erscheint, nachdem sich der Rotor um 1/4 Schritt in der befohlenen Richtung gedreht hat.

^BAD

- 23 - ■■·.■. · ■

Der Eintritt in den "Sehne11gang"-Betrieb, beeinflußt durch die veränderliche Verzögerungsvorrichtung, erfolgt somit automatisch. Ebenso wird das "Stopp"-Eingangssignal zum Abbremsen und zum magnetischen Anhalten verwendet.

Die variierbare Verzögerungseinrichtung ist nicht im einzelnen beschrieben, da verschiedene Arten von Einrichtunten verwendet werden können, zum Beispiel ein monostabiler Multivibrator. Ebenso befasst sich die BeschKibung nicht mit der externen Servosteuerung, die das Anlegen von Spannungen an die Eingangsleitungen steuert, durch welche der "Rechts"-, der "Links"-, der "Stopp"- und der "Schnellgang¹¹-Be tr ie.t bewirkt werden. Das Trafen von Entscheidungen dieser Art mittels Geschwindigkeit-, Fehler-, und anderer Eingangs- und Rückkopplungsinformation zur Ausnutzung des vorliegenden Systems gehört nicht in den Rahmen der Erfindung.

0 0 9 8 15/0646 bad original

Claims

Patentansprüche

1. Antriebssystem, insbesondere für Servosteuerungen, mit einem, mehrere Wicklungen aufweisenden Schrittmotor, dessen einzelne Schrittstellungen durch die periodisch sich wiederholende Erregung bestimmter Wicklungskombinationen gegeben sind, gekennzeichnet, durch einen ge-

^ schlosserten Steuerkreis, bestehend aus einem Schrittdiskriminator, der die jeweilige Schrittlage des Schrittmotors feststellt,, und einem logischen Umsetzer, der auf Grund des jeweils vom Schrittdiskriminator abgegebenen Signals und des jeweils eingegebenen Eingangsbefehls die zur Ausführung des gewünschten Schrittes erforderliche Wicklungskombination des Schrittmotors ansteuert.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt diskriminator gebildet wird durch lichtempfindliche Elemente, deren Anzahl den durch die verschiedenen Wicklungskombinationen gebildeten

w verschiedenen Schrittstellungen entspricht und durch eine mit den lichtempfindlichen Elementen zusammenwirkende, mit der Achse des Schrittmotors verbundene Lochscheibe, deren Öffnungen derart angeordnet sind, daß nur das der jeweiligen Schrittstellung entsprechende lichtempfindliche Element von einer mit ihm zusammenwirkenden Lichtquelle beaufschlagt wird.

5· Antriebssystem nach den Ansprüchen 1 und 2 unter Verwendung eines Schrittmotors mit vier, verschiedenen Wicklungskombinationen ent-

009815/0646

■- 25 -

sprechenden Schrittstellungen, gekennzeichnet durch die, durch Eingangsbefehle schaltbare Betriebsarten: "Rechtslauf" (der Motor führt von der jeweiligen Schrittlage einen Schritt im Uhrzeigersinne aus), "Linkslauf" (der Motor führt von der jeweiligen Schrittlage einen Schritt entgegen dem Uhrzeigersinne aus), "Stopp" ( die der augenblicklichen Schrittstellung entsprechende Wicklungskombination wird erregt) und "Schnellgang" (es wird eine Wicklungskombination erregt, deren zugeordnete Schrittstellung etwa zwei Schritte von der äugenblicklichen Schrittstellung entfernt liegt).

. Antriebssystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung des "Schnellganges" nach Erregung eines Einzelschrittes in der gewünschten Drehrichtung automatisch mittels eines Dunkelintervalles derDiskriminatorscheibe erfolgt.

5. Antriebssystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die zur Beeinflussung der im "S.chnelr gang" auf den Rotor ausgeübte Drehkraft die Voreilung des Magnetfei- " des variierbar ist.

0098 15/0646 bad original

Leerse \ te